汪茂穩(wěn)，周 恒，郭寶平

(1.深圳大學(xué)信息工程學(xué)院， 廣東深圳518060)

(2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院， 武漢430074)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。在3G移動(dòng)通信體制下，多種通信標(biāo)準(zhǔn)要求移動(dòng)通信天線能夠多系統(tǒng)共用以節(jié)省基站的站址安裝資源，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，并且，由于用戶數(shù)量不斷增加以及通信服務(wù)不斷擴(kuò)展，提高移動(dòng)通信的信道容量變得日益重要。提高信道容量的研究主要集中在頻率復(fù)用和正交極化技術(shù)［1］。近些年，±45°雙極化天線廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中來提高信道容量并減少安裝成本。但是，基站天線很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高隔離度、低交叉極化比［2］。

文獻(xiàn)［3］提出了同時(shí)激發(fā)電偶極子和磁偶極子來獲得E面和H面相同的輻射模式。文獻(xiàn)［4］提出了一種簡單的互補(bǔ)型天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)倒L型寄生電線放置在槽形天線天線旁，兩個(gè)倒L型寄生電線相當(dāng)于電偶極子，槽型天線相當(dāng)于磁偶極子。當(dāng)電偶極子和磁偶極子一起輻射時(shí)，與采用單支撐柱或者無支撐柱結(jié)構(gòu)的印刷天線、微帶天線［5］相比，大大拓寬了阻抗帶寬。依照這種電偶極子模型，文獻(xiàn)［2］通過L型探針饋電，用貼片天線實(shí)現(xiàn)了24%的阻抗帶寬和小于-30 dB的隔離度。隨后，人們在寬頻帶方向做了進(jìn)一步的研究，文獻(xiàn)［6］提出了一種具有寬頻特性的單極化偶極子天線，該天線也是采用倒 L探針耦合饋電，阻抗帶寬為24.9%。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［7］采用雙倒L型探針耦合饋電，并且采用±45°放置的兩對正交的方形偶極子作為輻射體，兩個(gè)端口的阻抗帶寬為65.9%(VSWR＜2)，并獲得了優(yōu)于-36 dB的高隔離度，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，方向圖和帶寬非常穩(wěn)定，但是，該天線饋電線與支撐柱間的距離小導(dǎo)致對阻抗特性影響大，這增加了安裝和調(diào)試成本，并且，天線兩個(gè)雙倒L型饋電線水平部分的距離過大，導(dǎo)致阻抗的一致性差。文獻(xiàn)［8］采用改進(jìn)的領(lǐng)結(jié)型振子天線，其阻抗帶寬為1.4 GHz～3.6 GHz(VSWR＜1.5)，但是，該天線機(jī)械承重較大，不易加工制作。文獻(xiàn)［1］通過改變方形貼片邊緣形狀，和中間挖空等方式的改進(jìn)型方形貼片天線來展寬天線帶寬，同時(shí)具有較好的阻抗特性，較高的隔離度，良好的交叉極化比。在上述基礎(chǔ)上，本文提出了一種新穎的、結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用的、寬頻帶雙極化方形偶極子基站天線單元，能滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)

鑒于雙極化電磁偶極子天線具有良好的寬帶穩(wěn)定性等優(yōu)勢并結(jié)合文獻(xiàn)［2］中的饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的寬頻雙極化基站天線單元，其結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。該基站天線單元主要由四部分組成:成±45°放置的兩對正交的方形偶極子天線、圓形支撐座、雙倒L型饋電線以及反射板。兩對正交的方形偶極子天線在天線的最上部，由四塊基本正方形環(huán)組成，是天線的主要輻射部分，四個(gè)正方形環(huán)的邊長L1為27.4 mm(約為λ/4，λ為中心頻率2.45 GHz對應(yīng)的波長)，厚度為1 mm，四個(gè)正方形環(huán)之間的耦合距離為2 mm，仿真發(fā)現(xiàn)，大部分的表面電流都是沿著方形偶極子邊緣流動(dòng)的，所以我們可以挖去正方形內(nèi)面和側(cè)面的部分，減輕了輻射體的重量，同時(shí)保證了一定的美觀性。圓形支撐座距地板的高度也為λ/4，且在對稱的四個(gè)方向開了高度約為28 mm(約為λ/4)的四個(gè)槽來調(diào)節(jié)平衡饋電。

圖1 改進(jìn)型寬頻雙極化基礎(chǔ)天線單元

由于工作帶寬的增加，傳統(tǒng)利用λ/4開路線的巴倫饋電結(jié)構(gòu)不再適用在本天線中，因此，需要設(shè)計(jì)更加寬頻帶的饋電結(jié)構(gòu)。如圖2所示，雙倒L型饋電線由兩部分組成:傳輸線和微帶耦合線。其中，第一垂直部分的圓柱形微帶線與地板和同軸線相連，相當(dāng)于空氣微帶傳輸線，并且將電流從同軸饋電線傳輸?shù)綀A柱微帶饋線的第二部分，即水平段。水平段由弧形狀結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)承擔(dān)了對電偶極子耦合饋電的作用，同時(shí)，還對天線的輸入阻抗有調(diào)節(jié)作用。為了提高隔離度，將兩端微帶線錯(cuò)開高度放置的形式來減少耦合效應(yīng)。并且，饋電線被部分設(shè)定在圓形支撐座四個(gè)圓柱形槽里面，利用支撐柱的阻擋減少了端口間的耦合。但是，由于這段微帶線呈現(xiàn)出的電感效應(yīng)會(huì)引起天線的阻抗不匹配，于是，引入第三段微帶線-開路圓柱微帶線，與平面偶極子垂直，其產(chǎn)生的電容效應(yīng)，可以抵消水平微帶線產(chǎn)生的電感效應(yīng)，保證天線的阻抗匹配。仿真中發(fā)現(xiàn)，較細(xì)的耦合微帶線能夠展寬阻抗帶寬，提高兩端口隔離度，但是，過細(xì)的耦合微帶線不適合天線的安裝和調(diào)試。因此，我們選取微帶線為直徑為2 mm的圓銅柱。天線的反射板采用帶側(cè)邊的矩形反射板，大量研究表明，這種發(fā)射板能在一定程度上調(diào)整天線E面波束寬度和前后比，在仿真中我們通過調(diào)整這些反射板結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到天線所需要的E面/H面輻射方向圖。最終，我們采用長為1 3 0 mm，寬為120 mm，翻邊高為30 mm的鋁板，其厚度為1 mm。天線的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線從反射板低端的兩個(gè)端口進(jìn)行同軸饋電，其中，同軸線的內(nèi)芯從端口1和端口2接入傳輸線的底端，同時(shí)為了模擬真實(shí)的實(shí)測環(huán)境，在頂部加入相對介電常數(shù)為4.5，損耗正切角為0.001的介質(zhì)板來模擬天線罩。

圖2 雙倒L型饋電結(jié)構(gòu)

圖3 天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

2 天線的阻抗特性和隔離度

2.1 阻抗分析

通過仿真優(yōu)化得到最終的尺寸如表1所示，并依照尺寸制作了實(shí)物如圖1所示，圖4為該天線兩個(gè)端口的VSWR變化曲線，表2為兩端口的仿真和實(shí)測阻抗帶寬，從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的天線在LTE系統(tǒng)需求的工作頻段1.71 GHz～2.69 GHz內(nèi)，端口1和端口2的VSWR＜1.4，實(shí)測的阻抗帶寬分別為63.3%和50.3%，比傳統(tǒng)的互補(bǔ)型寬帶天線［9］要寬。從仿真和實(shí)測結(jié)果來看，兩端口的VSWR曲線有輕微的差異，這可能是由于兩條倒L型饋電線結(jié)構(gòu)的差異造成的。

表1 天線尺寸 mm

圖4 兩個(gè)端口的VSWR變化曲線

表2 兩端口的VSWR特性 GHz

2.2 隔離度分析

雙極化天線的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過極化分集提高頻譜利用率，但是，必須要求兩個(gè)正交的極化之間相互隔離保證兩個(gè)極化天線接受到的信號是相互獨(dú)立的。因此，兩端口間的隔離度是雙極化天線的重要參數(shù)。圖5為天線兩個(gè)端口之間的隔離度曲線，由于此結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性，因此，S12曲線和S21曲線基本重合。從仿真和實(shí)測圖中可看出天線在1.61 GHz～3.30 GHz頻段內(nèi)，其隔離度在低頻優(yōu)于-35 dB，在高頻優(yōu)于-30 dB，能很好地滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。仿真中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減小地板的大小時(shí)，天線的阻抗特性和隔離度變化很小，因此，我們可以在所要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)盡可能地縮小基本單元的尺寸。

圖5 兩個(gè)端口的隔離度

3 天線的方向圖和增益

圖6～圖9和表3分別為天線兩個(gè)端口的E面/H面方向圖以及方向圖的具體輻射參數(shù)。分別選取了1.71 GHz、1.92 GHz、2.19 GHz、2.49 GHz、2.69 GHz以及3.16 GHz六個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行觀察。

圖6 端口1仿真方向圖

圖7 端口1測試方向圖

圖8 端口2仿真方向圖

圖9 端口2測試方向圖

表3 兩端口的E面/H面波束帶寬對比

本文在1.71 GHz～3.16 GHz頻段內(nèi)分別仿真和測試了五個(gè)頻點(diǎn)的輻射參數(shù)、仿真和測試所得的E面3 dB波束寬度均在51.6°～76.6°之間，具有很好的水平輻射特性，并且，E面和H面的主極化方向圖基本一致，這為天線組成陣提供基礎(chǔ)。波束寬度從低頻到高頻逐漸變窄，仿真和測試的前后比都在15 dB以上，最大值可以達(dá)到26.6 dB，交叉極化比在29 dB以上，在±60°的范圍內(nèi)更是超過了18 dB，滿足行業(yè)要求。具體參數(shù)見表3。

對比天線的實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，在最低頻(1.71 GHz)和較高頻(2.69 GHz)處的特性相差較大，這是由于在實(shí)際天線加工模型為了天線的組裝測試引入了原本仿真模型中沒有的固定件，并且由于饋線固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致饋線固定不穩(wěn)影響了實(shí)際效果。在整個(gè)頻段內(nèi)，實(shí)測和仿真的主極化方向圖大體相同，只是交叉極化方向圖有一些偏差，這可能是由于一些制造誤差和天線罩的影響所致，實(shí)測的天線3 dB波束寬度普遍比仿真時(shí)大，可能由于測試環(huán)境所致，由于在測試時(shí)加入了固定在天線轉(zhuǎn)臺上的反射板，而該反射板尺寸小于仿真時(shí)候的尺寸，這樣導(dǎo)致實(shí)際地板偏小。因此，拓寬了天線的3 dB波束寬度，不過這些指標(biāo)都是在一定的誤差范圍內(nèi)波動(dòng)的。仿真和測試的前后比都在15 dB以上，最大值可以達(dá)到26.6 dB，交叉極化比在29 dB以上，在±60°的范圍內(nèi)更是超過了18 dB，滿足行業(yè)要求。

天線的增益曲線如圖10所示，在所要求的1.71 GHz～2.69 GHz頻段內(nèi)的增益大于7 dBi，實(shí)測的最大值可以達(dá)到10.6 dBi，可以看出，在實(shí)測和仿真結(jié)果中兩端口的增益在高頻段保持一致，低頻段有一定差異，主要是由于饋電點(diǎn)位置不同造成在低頻段的交叉極化不同，這可以從兩端口的主極化和交叉極化方向圖看出?？傮w而言，測試增益基本穩(wěn)定，但是比仿真時(shí)要小一些，這可能是由于天線的匹配不好對其增益造成了一定的損失。該基站天線單元取得了較優(yōu)的遠(yuǎn)場輻射效果。同時(shí)，我們在測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減小底板尺寸的大小，方向圖的變化不明顯，但是前后比和增益會(huì)變差。最后，值得一提的是，天線的高度以及耦合槽的大小對天線的特性影響不大，這也表明我們設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定可行的。

圖10 天線的增益曲線

4 結(jié)束語

本文基于方型偶極子輻射單元和新穎的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種寬頻帶雙極化基站天線單元，并利用基于有限元分析法的電磁仿真軟件HFSS對該單元進(jìn)行了仿真研究，之后依照優(yōu)化尺寸制作出實(shí)物并對其測試。結(jié)果表明，該天線在1.69 GHz～3.13 GHz頻段內(nèi)滿足VSWR≤1.5，其中在LTE系統(tǒng)需求的工作頻段1.71 GHz～2.69 GHz內(nèi)，VSWR＜1.4，該頻段同時(shí)覆蓋以下標(biāo)準(zhǔn):GSM1800、CDMA1900、MT-2000、TD-CDMA、WLAN、WMAX等，可以預(yù)見，該頻段的基站天線將成為研究熱點(diǎn)，本文中，雙倒L型饋電線采用銅柱制作，易安裝調(diào)試，且與采用單支撐結(jié)構(gòu)［10］或者無支持結(jié)構(gòu)［11-12］的印刷天線、微帶天線［9］相比，它同時(shí)激勵(lì)圓形支撐結(jié)構(gòu)和兩對方形偶極子天線，相當(dāng)于同時(shí)激勵(lì)電偶極子和磁偶極子，這樣大大展寬了帶寬，同時(shí)，相比于文獻(xiàn)［6］的輻射單元，本天線結(jié)構(gòu)更簡單，承重更小，安裝制作更為方便，與此同時(shí)，該天線獲得較高的隔離度，良好的交叉極化比和穩(wěn)定的增益方向圖，對寬頻帶雙極化天線的工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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