尹 波，馮幸幸，毛申尉

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

微基站作為宏基站在覆蓋深度和容量上的有效補(bǔ)充，有著占用空間小、利于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化等特點(diǎn)，在近年來發(fā)展迅速，同時(shí)多輸入多輸出技術(shù)(multiple-input multiple-output，MIMO)可大大提高系統(tǒng)信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，被廣泛應(yīng)用在微基站天線中。但由于空間的限制，天線單元間會(huì)產(chǎn)生一定的耦合，對天線的整體性能產(chǎn)生影響，這使得在天線設(shè)計(jì)過程中，為保證各天線單元獨(dú)立工作且不受鄰近天線干擾，高隔離度成為首先考慮的因素。

目前國內(nèi)外針對天線單元端口間解耦合的方法有如下4種：①添加去耦合網(wǎng)絡(luò)[1]，通過該網(wǎng)絡(luò)與天線間達(dá)到了良好的阻抗匹配；②在天線金屬輻射貼片下，使用螺旋諧振器來達(dá)到天線的高隔離度的目的[2]；③利用枝節(jié)對天線單元進(jìn)行解耦合[3]；④加載寄生元件結(jié)構(gòu)來減小天線耦合[4]。

針對天線單元間解耦合的方法有以下2種：①增加金屬圍欄、金屬網(wǎng)等結(jié)構(gòu)屏蔽天線單元間的能量竄擾的同時(shí)，也可以增加天線的前后比、方向性等[5]；②增設(shè)特殊結(jié)構(gòu)，如電磁場帶隙結(jié)構(gòu)(electromagnetic band gap，EBG)，頻率選擇性表面(frequency selective surface, FSS)，左手結(jié)構(gòu)等來提高天線單元間隔離度[6-8]。文獻(xiàn)[9]在地板上設(shè)計(jì)缺陷地結(jié)構(gòu)來增加多天線間的隔離度，缺陷地結(jié)構(gòu)即在地板上刻蝕槽型結(jié)構(gòu)使其在特定的頻帶內(nèi)形成諧振，以達(dá)到改變電流分布和表面波的目的。此外，該文獻(xiàn)提出在大地板上面做一個(gè)天線單元獨(dú)立使用地板，極大地增加了低頻段的隔離度。在天線的工作頻段2～2.8 GHz內(nèi)，各天線單元間隔離達(dá)到20 dB。缺陷地結(jié)構(gòu)對天線諧振特性的總體改變并不大，但使得天線的帶寬變小。文獻(xiàn)[10]在2個(gè)微帶貼片天線陣元之間放置一種用于增強(qiáng)MIMO天線隔離度的矩形開口諧振環(huán)陣列，每個(gè)矩形環(huán)單元結(jié)構(gòu)都具有超材料特性，同時(shí)在地板上開2個(gè)L型槽用于增強(qiáng)天線的阻抗帶寬。該天線尺寸較小，但在其工作頻段5.725～5.825 GHz內(nèi)天線隔離度不高。文獻(xiàn)[11]對采用磁耦合環(huán)饋電方式的雙極化微帶天線進(jìn)行組陣，通過在天線單元間引入漸變型金屬條陣來有效提高同極化隔離度，該結(jié)構(gòu)位于2個(gè)天線單元的對稱中心處，且結(jié)構(gòu)本身關(guān)于中心軸對稱。在工作頻段2.5～2.7 GHz內(nèi)，雖然該天線的同極化端口及交叉極化端口隔離度較高，但其尺寸較大，解耦合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

本文所提出的MIMO微基站天線尺寸為0.87λ0×1.74λ0×0.43λ0，采用角饋、縫隙耦合和短路金屬柱的方式來增加雙極化天線單元各端口間的隔離度，進(jìn)行1×2組陣時(shí)，通過在天線單元間加載由FSS構(gòu)成的隔離墻來減小耦合。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)在接收不同方向入射波時(shí)具有比較穩(wěn)定的諧振頻率，且不會(huì)產(chǎn)生因頻偏而無法吸收固定頻率波的現(xiàn)象，因此，本文設(shè)計(jì)頻率選擇表面為環(huán)形結(jié)構(gòu)。通過仿真優(yōu)化可知，該結(jié)構(gòu)在2.5～2.7 GHz時(shí)有一定的帶阻特性，即當(dāng)該頻段的電磁波入射頻率選擇表面時(shí)，可以抑制電磁波的傳播。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

本文研究并提出了基于耦合角饋的雙極化微基站天線單元和基于FSS的1×2微基站天線。其中，針對雙極化微基站天線單元，采用角饋技術(shù)來提高天線單元端口的隔離度，疊層技術(shù)來增加天線的帶寬，此外，在設(shè)計(jì)中增加短路銅柱以實(shí)現(xiàn)高的端口隔離度。針對微基站天線，單元間采用頻率選擇表面，實(shí)現(xiàn)在需要頻段內(nèi)抑制電磁波傳播的目的。

1.1 雙極化微基站天線單元

1.1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到微基站天線小型化的要求，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的雙極化微基站天線，高度為5 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線采用疊層的方式增加天線的帶寬，利用角饋和縫隙耦合的方式增加端口隔離度實(shí)現(xiàn)雙極化。天線單元由2層介質(zhì)基板組成，上層介質(zhì)基板為εr=2.7的Arlon AD270，下層介質(zhì)基板為εr=4.4的FR4材料，2層介質(zhì)基板內(nèi)有敷一層金屬地。下層介質(zhì)基板下表面有2條彎折的微帶線，對彎折處進(jìn)行切角處理，并在地板對角線處，刻蝕關(guān)于對角線對稱的“工”字型的縫隙。為了使天線端口輸出匹配，對微帶饋線進(jìn)行阻抗變換處理，微帶饋線與地板上的縫隙垂直。微帶線在縫隙處產(chǎn)生電磁耦合并對距離上層基板h的金屬薄片進(jìn)行饋電。此外，輻射結(jié)構(gòu)的中心處有一個(gè)連接金屬片和地板的短路銅柱來增加端口隔離度，同時(shí)為了增加低頻部分的帶寬，對金屬片的4個(gè)角做切割處理。天線的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 雙極化天線結(jié)構(gòu)單元視圖Fig.1 Unit view of double polarized antenna structure

參數(shù)尺寸/mm參數(shù)尺寸/mmL100L313.5Lp45.7L410L114.6H13.1L211.83H22.2

1.1.2 仿真結(jié)果及分析

用HFSS軟件對天線模型進(jìn)行仿真分析。天線單元2個(gè)端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示，在頻率2.5～2.7 GHz，2個(gè)端口的反射系數(shù)達(dá)到-14 dB，滿足微基站天線駐波比達(dá)到1.5的指標(biāo)要求。圖3顯示端口1和端口2之間在加載與不加載短路銅柱2種情況下，天線端口隔離度的比較，仿真結(jié)果顯示，在低頻部分2個(gè)端口之間的耦合相比高頻部分要強(qiáng)烈，在不加載銅柱的情況下，低頻帶寬部分的隔離度為25 dB，說明端口之間有耦合。端口之間的電場分布如圖4所示，可以看出，對端口1進(jìn)行激勵(lì)后，金屬片的對角線附近為電場的峰值，而在另一條對角線附近為電壓的零點(diǎn)區(qū)域，另一個(gè)端口同理。因此，金屬片的中心處為整個(gè)金屬片電壓的最小值，在這位置加入金屬短路柱對天線的輻射模式影響不大，即不改變天線帶寬前提下提高2個(gè)天線的隔離度，仿真結(jié)果顯示，加載金屬短路柱后端口隔離度大于30 dB。

圖2 雙極化天線各端口反射系數(shù)Fig.2 Reflection coefficient of each port of double polarized antenna

圖3 短路銅柱對傳輸系數(shù)影響系數(shù)Fig.3 Transmission coefficient of loading and without loading short column

圖4 端口1激勵(lì)時(shí)的電場幅值分布Fig.4 Amplitude distribution of electric field excited by port 1

圖5和圖6分別給出端口1和端口2在2.6 GHz時(shí)，E面、H面的主極化方向圖和交叉極化方向圖特性。仿真結(jié)果顯示，在頻率2.5～2.7 GHz內(nèi)，天線單元都滿足半功率波束寬度大于60°，交叉極化比大于20 dB的要求，且前后比在10 dB 附近。

圖5 端口1的E面與H面方向圖Fig.5 E surface and H surface pattern of port 1

1.2 1×2微基站天線

1.2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對上述天線進(jìn)行1×2組陣，天線整體尺寸在200 mm×100 mm內(nèi)，頻率選擇表面墻的尺寸為50 mm×100 mm×1 mm，在滿足微基站天線工程指標(biāo)的前提下，本文設(shè)計(jì)微基站天線單元間距為54 mm。1×2微基站天線結(jié)構(gòu)如圖7所示，其主要參數(shù)如表2所示。為了提高天線單元間的隔離度，在天線單元之間加載了一面具有帶阻特性的隔離墻。該隔離墻的周期單元結(jié)構(gòu)能夠?qū)?.5～2.7 GHz頻段上的電磁波進(jìn)行吸收，產(chǎn)生類似帶阻濾波器的效果，并有強(qiáng)烈的反射，由于透射過該隔離墻的電磁波較少，因此，該結(jié)構(gòu)可以削弱由于空間限制所帶來的的天線單元間的耦合。

圖6 端口2的E面與H面方向圖Fig.6 E surface and H surface pattern of port 1

圖7 天線全視圖Fig.7 Full view of antenna

參數(shù)dpwplflfhfd尺寸54100200394022

該隔離墻采用在厚度為1 mm，介電常數(shù)εr=4.4的FR4材料上敷金屬環(huán)形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在接收不同方向的入射波時(shí)均具有比較穩(wěn)定的諧振頻率，不造成因頻偏而無法吸收固定頻率的電磁波的情況，周期單元結(jié)構(gòu)如圖8所示，其主要參數(shù)如表3所示。針對該結(jié)構(gòu)，其半個(gè)環(huán)形長度等于1/2波長，以避免出現(xiàn)零點(diǎn)，并在開口的方形環(huán)內(nèi)加載T型枝節(jié)。將其設(shè)計(jì)為頻率選擇表面，當(dāng)該單元結(jié)構(gòu)的諧振頻率與入射波的諧振頻率吻合時(shí)，入射波無法穿透該表面，其傳輸系數(shù)S12在2.5 GHz～2.7 GHz小于-10 dB，即所設(shè)計(jì)的表面能夠大大減少該頻率波的入射，如圖9所示。周期表面加載的傳輸線仿真圖如圖10所示。

圖8 周期單元結(jié)構(gòu)Fig.8 Periodic element structure

參數(shù)g1g2m1m2w1尺寸1411.74.54.51.5

圖9 垂直入射周期單元的透射特性Fig.9 Transmission characteristics of periodic elements

圖10 周期表面加載的傳輸線仿真圖Fig.10 Simulation of transmission line with periodic surface

將一段微帶傳輸線置于周期性結(jié)構(gòu)表面下方1 mm處。如圖11所示，在不加載該表面時(shí)，傳輸線的傳輸系數(shù)穩(wěn)定，在加載該表面后，在2.5～2.7 GHz出現(xiàn)了反射，意味著傳輸線上的能量傳輸出現(xiàn)了阻礙，因此,該結(jié)構(gòu)的采用能夠提高天線單元間的隔離度。

圖11 加載周期表面對傳輸線影響Fig.11 Influence of periodic surface to transmission line

1.2.2 仿真結(jié)果及分析

通過仿真優(yōu)化得到不加載FSS時(shí)，每個(gè)饋電端口的反射系數(shù)和端口之間的隔離度結(jié)果分別如圖12和圖13所示，可以看出，每個(gè)端口的回波損耗均大于14 dB，滿足良好的駐波特性，并且不同極化端口隔離度都大于30 dB，滿足雙極化天線的設(shè)計(jì)要求。但是從圖13中可以看出，同極化端口1和端口3、以及端口2和端口4在2.5～2.7 GHz隔離度突然變小，說明同極化端口間由于間距過小會(huì)產(chǎn)生干擾。

圖12 不加載FSS各端口的反射系數(shù)Fig.12 Reflection coefficients of each port without loading FSS

圖13 不加載FSS各端口的傳輸系數(shù)Fig.13 Transmission coefficients of each port without loading FSS

圖14顯示了只增加金屬隔離墻和只增加FSS結(jié)構(gòu)隔離墻情況下，同極化端口之間的隔離度。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬墻的高度達(dá)到一定值時(shí)，其隔離度達(dá)到了32 dB，而加載了FSS結(jié)構(gòu)的天線，端口1和端口3、端口2和端口4之間的隔離度達(dá)到了35 dB，高頻部分甚至達(dá)到了42 dB，說明FSS結(jié)構(gòu)對該頻率的波有較好的帶阻特性。此外，加載了整塊FSS隔離墻后的4個(gè)端口的反射系數(shù)也都小于-14 dB，可以說明，每個(gè)天線單元在2.5～2.7 GHz都有良好的阻抗匹配。但端口1和端口3以及端口2和端口4存在較大的耦合，對于不同極化端口來說，空間波之間的耦合可能性更大。

針對FSS隔離墻結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果如圖15所示，可以看出，加載整塊FSS隔離墻后，同極化端口1，3之間的隔離度以及端口2，4之間的隔離度均大于30 dB。不過從另一組不同極化端口隔離度的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，天線單元上的不同極化端口隔離度在低頻部分變差。雖然該頻率的波能大部分被頻率選擇表面結(jié)構(gòu)吸收，但是由于天線單元間的極化波被頻率選擇表面部分散射，當(dāng)另一個(gè)極化方向的波所對應(yīng)的激勵(lì)端口接收到這些各個(gè)方向的極化波時(shí)，將導(dǎo)致天線單元的端口隔離度變差。通過對圖13和圖15進(jìn)行比較，顯示了加載FSS后的各端口隔離度的數(shù)值變化。由于FSS對電磁波進(jìn)行部分反射，導(dǎo)致了不同極化端口之間的隔離度惡化，但在不加載的情況下，不同極化端口間的隔離度又比較好，因此，對整塊頻率選擇表面墻上做部分切割，以減小部分介質(zhì)基板的反射面積。由圖16可以發(fā)現(xiàn)，在加載部分FSS后，天線單元不同極化端口間的隔離度提高至32 dB。圖17顯示周期單元發(fā)生諧振時(shí)引起的電場變化。

圖14 加載墻或FSS后的傳輸系數(shù)Fig.14 Transmission coefficient with wall or FSS

圖15 加載整塊FSS的傳輸系數(shù)Fig.15 Transmission coefficients with full FSS

圖18顯示了加工測試的微基站天線的反射系數(shù)，從結(jié)果來看，在工作頻段2.5～5.7 GHz，各端口反射系數(shù)達(dá)到-14 dB以下。圖19為不同極化端口間的測試參數(shù)，結(jié)果顯示端口1和3以及端口2和4也滿足端口隔離度達(dá)到30 dB，從而保證了天線單元間的獨(dú)立工作。此外，圖20顯示了天線單元饋電端口1與2間傳輸系數(shù)的仿真與測試結(jié)果，顯示隔離度達(dá)到了30 dB。

圖16 部分加載FSS后S12變化Fig.16 Change of S12 with part FSS

圖17 FSS結(jié)構(gòu)上電場分布情況Fig.17 Electric field distribution on FSS

圖18 測試的反射參數(shù)Fig.18 Reflection parameters of test

圖21和圖22顯示了天線單元在2.6 GHz時(shí)的仿真方向圖特性。從圖21和圖22可以看出，天線單元的波瓣寬度>60°，說明水平面的輻射比較均勻。其主方向交叉極化比都在20 dB左右，且波動(dòng)不大，滿足微基站要求。

圖19 仿真和測試的不同極化端口的傳輸系數(shù)S13及S24Fig.19 Simulation and testing of S13 and S24 with different polarization ports

圖20 仿真和測試不同極化端口的S12Fig.20 Simulation and testing of S12 with different polarization ports

圖21 端口1的E面方向圖Fig.21 E radiation pattern of port 1

圖22 端口1的H面方向圖Fig.22 H radiation pattern of port 1

2 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于FSS的1×2雙極化微基站天線，采用角饋和短路金屬柱來保證單元端口高的隔離度，在天線單元間加載具有頻率選擇表面特性的隔離墻以提升天線單元間同極化端口隔離度，并對隔離墻作部分切割來減少散射波。該微基站天線各天線單元在2.5～2.7 GHz，駐波比小于1.5，各端口間的隔離度均大于30 dB。此外，各天線單元的輻射特性均滿足基站天線要求，且結(jié)構(gòu)緊湊，保證了天線的分集性能。