孟 濤

（中國移動通信集團浙江有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

5G是新一代的移動通信技術(shù)，5G的問世標(biāo)志著全球已經(jīng)進入高速信息時代。5G技術(shù)在信息傳輸速度、傳輸模式上更加先進，能高頻傳輸信息，信息傳輸?shù)陌踩砸哺鼜姟?G基站是支持5G技術(shù)的重要載體，而天線又是保證5G基站性能的重要基礎(chǔ)，天線在整個信息傳輸系統(tǒng)中起著十分重要的作用。由于5G基站在通信天線方面的性能要求較高，在5G基站通信天線設(shè)計過程中，需要切實利用濾波天線與圓極化天線的優(yōu)勢，采取聯(lián)合設(shè)計的方式，基于濾波器原理加強天線設(shè)計，才能避免由于天線加載額外的濾波電路導(dǎo)致比例尺寸過大和阻抗不匹配的問題，有效地解決濾波器通帶中插入損耗較大而影響天線輻射性能的問題。在做好上述措施的基礎(chǔ)上，根據(jù)圓極化天線形成原理，借助現(xiàn)有技術(shù)，切實注重功分移相器作用的發(fā)揮，加強天線饋電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。天線饋電網(wǎng)絡(luò)對天線的兩個偶極子臂可以同時進行等幅不同相饋電，由于電流經(jīng)過不同的路徑，使得兩個偶極子臂之間的電流形成90°的相位差，最終把雙極化濾波天線優(yōu)化成圓極化濾波天線。

1 濾波天線的工作原理

借助微帶線連接天線與濾波器，在饋電網(wǎng)絡(luò)中嵌入濾波器，減少阻抗變換環(huán)節(jié)，從而優(yōu)化電路的整體性能，減少電路的尺寸，并采用多腔耦合濾波器改變天線輻射方向[1]。

2 圓極化天線的工作原理

第一步，單點饋電。采取單點激勵，從而構(gòu)成兩種正交極化波，從而達(dá)到圓極化的目的，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且尺寸較小。第二步，實施多點饋電。通過在正交饋電網(wǎng)絡(luò)中增加額外的功率分配器與90°移相器，從而得到圓極化天線。采取此類方法得到的圓極化天線，不僅軸比帶寬較寬，而且應(yīng)用較為廣泛。第三步，多元饋電。通過多個線極化、圓極化輻射元，以相序螺旋陣列式，達(dá)到圓極化輻射的效果[2]。

3 分析5G基站通信天線設(shè)計要點——以圓極化濾波天線為例

本文在設(shè)計過程中，主要是為了滿足5G基礎(chǔ)通信的需要而設(shè)計通信天線，結(jié)合目前現(xiàn)有技術(shù)，基于濾波器與圓極化天線工作原理，設(shè)計集合這兩種天線優(yōu)勢為一體的圓極化濾波天線。需要說明的是，本研究中的圓極化濾波天線為多層結(jié)構(gòu)對濾波器工作原理進行模擬，采用90°的功分移相器達(dá)到圓極化的目的，設(shè)計的天線具有較強的阻抗性。本文設(shè)計的圓極化濾波天線的阻抗帶寬為3.16～4.1 GHz，VSWR＜1.5；相對帶寬為25.98%；軸比帶寬為3.18～3.76 GHz，AV＜3，相對帶寬為16.7%；增益最大為7.2 dBi，符合5G通信頻段的現(xiàn)實需要，能在5G基站中應(yīng)用。

3.1 功分移相器設(shè)計要點

本文設(shè)計的功分移相器的結(jié)構(gòu)包含Wilkinson功分器與90°移相器各一個，采取一分為二的方式組成，功分移相器的介質(zhì)基板的介電常數(shù)2.65，具體如圖1所示。通過對其實施仿真運算之后，得到的仿真結(jié)果，如圖2所示。圖2（a）是功分移相器端口間S參數(shù)圖，而這兩個功分移相器的輸出端口具有相同的幅度，就一分為二的功分器而言，其2個端口，即S12和S13數(shù)據(jù)均為-10lg2，但是由于在實際加工和介質(zhì)損耗等引發(fā)的誤差，那么其實際值肯定要比理論值小[3]。

從天線的輻射部分看，在同一介質(zhì)基板的上下層，有兩個輻射部分，但是不能忽略介質(zhì)基板的厚度因素，天線采用的是同軸線饋電，因此，電流通過輸入點到兩個輸出端口，在輸出路徑中的有著不同的相位。一般而言，在進行設(shè)計時，要嚴(yán)格控制移相器主路徑與輔路徑的相位差，不能超過90°，從而計算出功分移相器的最佳參數(shù)值，具體如表1所示。

圖1 功分移相器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 濾波天線設(shè)計要點

在濾波天線設(shè)計中，主要是將偶極子設(shè)計成漸變式，這樣不僅能滿足帶寬要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，對濾波天線結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，具體如圖4所示。從圖4可以看出，濾波天線主要包含了4個部分：（a）主輻射層；（b）耦合層；（c）偶極子饋線層；（d）饋電網(wǎng)絡(luò)。不僅每層結(jié)構(gòu)清晰明確，而且其介質(zhì)基板采用的介電常數(shù)是2.65[4]。

圖2 功分移相器

表1 功分移相器的最佳參數(shù)值

圖3 漸變式偶極子

從圖4可以看出，基板的介質(zhì)分為四層：一是功分饋電網(wǎng)絡(luò)；二是偶極子輻射；三是耦合部分；四是天線輻射片。除功分饋電網(wǎng)絡(luò)外，為了有力固定絕緣螺絲，從其余的3個介質(zhì)基板來看，將4個通孔對稱地布設(shè)在它們的四周，而層與層之間存在空氣，就需要采用PVC絕緣板，并利用絕緣螺栓來固定天線。從功分網(wǎng)絡(luò)來看，將2個圓柱通孔設(shè)置在介質(zhì)基板之中，從而通過同軸線穿過介質(zhì)基板，給上層偶極子饋線層實施饋電。輻射部分位于最頂層，在介質(zhì)基板上印刷了8邊形金屬片，其作用是輻射能量。在最頂層下為耦合層，在耦合層中，采用小正方形金屬片，并在其外邊套上四角被切掉的正方形金屬片，在2個金屬片間預(yù)留一定縫隙，從而利用這一縫隙讓饋電偶極子片相互垂直，在介質(zhì)基板兩層之間進行印刷。在功分饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)基板的上層，設(shè)置了金屬地板，將4個通孔布設(shè)在其四周，而且還在中央設(shè)置了2個X軸對稱通孔。在設(shè)置過程中，為了防止同軸線與地板連接而發(fā)生短路的問題，就需要將通孔設(shè)置得略大于介質(zhì)基板。在天線最底層是功分饋電網(wǎng)絡(luò)，其主要包含了一分為二的等幅功分器、隔離電阻與90°移相器。功分器入口實施微帶饋電，經(jīng)過功分器及90°移相器后，再分別經(jīng)過兩個輸出端口輸入天線輻射部分，同時也會輸入90°的等幅相位差，這是為了在遠(yuǎn)場區(qū)讓天線形成圓極化波。而通過借助隔離電阻，就會導(dǎo)致兩個端口間的隔離增加，避免雙端口由于耦合較強而相互之間被影響。

當(dāng)其余參數(shù)不變時，只改變天線的2個參數(shù)且實施仿真測試后發(fā)現(xiàn)，xm3的尺寸給天線高頻傳輸零點會帶來影響，具體如圖5（a）所示。yb1的尺寸給天線低頻傳輸零點帶來了影響，具體如圖5（b）所示。從該天線來看，偶極子部分借助饋電網(wǎng)絡(luò)的兩個輸出端，通過2根頭周線實現(xiàn)能量的傳輸，而且耦合層上金屬結(jié)構(gòu)的表面縫隙好比濾波器的對地電感，輻射貼片好比電容，根據(jù)RLC串并聯(lián)原理可知，在電路中電容電感串聯(lián)會形成傳輸零點，并在天線增益圖中表現(xiàn)出增益最低點，從而達(dá)到濾波的目的。而低頻段部分，其傳輸零點則是利用漸變形的偶極子寬度進行控制[5]。

圖4 濾波天線結(jié)構(gòu)示意圖

在做好上述工作的基礎(chǔ)上，就需要定量研究天線工作帶寬，并對天線的偶極子臂的長短實施仿真分析，得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6來看，其阻抗帶寬主要是利用偶極子臂的長短來控制，偶極子臂的長短將對天線匹配性能帶來影響，而且臂長數(shù)值不同時，天線在低頻、高頻狀態(tài)下均存在頻偏效應(yīng)，而通過對上述仿真研究與結(jié)果的分析，得到濾波天線 每個參數(shù)的最佳結(jié)果，如表2所示。

在做好上述工作在基礎(chǔ)上，就需要連接功分移相器與濾波天線，從而形成圓極化濾波天線。而在此基礎(chǔ)上，對其實施仿真與實測后得到的結(jié)果詳見圖7，通過分析該結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，其圓極化濾波天線的阻抗帶寬為3.16～4.1 GHz，VSWR＜1.5；相對帶寬為25.98%；軸比帶寬為3.18～3.76 GHz，AV＜3，相對帶寬為16.7%；增益最大為7.2 dBi，天線高度是5.535 mm，為波長高度的0.06倍，為低剖面天線。

而圓極化濾波天線在工作頻段內(nèi)輻射時，其輻射的方向如圖8所示，其右旋圓極化能量要高于比左旋圓極化能量，因此本文設(shè)計的是右旋圓極化濾波天線，并處于工作頻段之中，其輻射方向均是+Z方向進行定向輻射[6]。

圖5 天線增益受參數(shù)的影響示意圖

圖6 參數(shù) xb1對天線帶寬的影響

表2 濾波天線設(shè)計最佳參數(shù)

圖7 圓極化濾波天線

圖8 （1）

圖8 圓極化濾波天線歸一化方向示意圖

結(jié)果圖中的仿真結(jié)果和實物測量的結(jié)果之間有一定的誤差，這主要是由于測試環(huán)境、天線加工和人工焊接造成的誤差，但是整體天線測試出的性能以及結(jié)果的趨勢與仿真設(shè)計的結(jié)果偏差不大，這說明該濾波天線的設(shè)計是符合要求的[7]。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)代5G技術(shù)快速商用的今天，越來越多的頻段將逐漸得到試用，通過在5G基站通信天線中加強圓極化濾波天線的應(yīng)用，不僅能達(dá)到天線工作的頻段要求，而且能有效抑制非工作頻段，從而最大程度降低信號干擾帶來的影響。