劉 港,李源俊,葉亮華

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

全向天線可在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°均勻輻射,被廣泛地應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng),比如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、WLAN 和移動(dòng)通信基站等[1]。全向天線可分為垂直極化全向天線[2-4]和水平極化全向天線[5-15]。相比于垂直極化全向天線,水平極化全向天線可顯著提高接收和發(fā)射設(shè)備之間的極化匹配,同時(shí)有效地節(jié)約極化資源[16]。盡管當(dāng)前5G 通信系統(tǒng)發(fā)展迅速,但2G/3G/4G 通信系統(tǒng)仍然扮演著重要的角色,多種無(wú)線通信系統(tǒng)共存的場(chǎng)景會(huì)長(zhǎng)期存在,實(shí)現(xiàn)天線寬帶化設(shè)計(jì),對(duì)節(jié)約基站的站址資源和成本具有重要意義。因此需設(shè)計(jì)一種可工作在4G/5G 通信頻段的寬帶水平極化全向天線。

實(shí)現(xiàn)水平極化全向天線的方式可分為兩種。第一種是采用小環(huán)形天線[5-6]實(shí)現(xiàn)水平全向輻射,由于小環(huán)形天線輻射阻抗較小,使其難以匹配[17]。為了使此類全向天線獲得良好的阻抗匹配和輻射性能,在小環(huán)形天線的基礎(chǔ)上提出了性能更好的衍生天線[7-10],例如Wang 等[7-8]提出的Alfred 環(huán)狀天線及其衍生天線,通過(guò)對(duì)印刷在介質(zhì)板上的Alfred 環(huán)饋電,實(shí)現(xiàn)水平極化全向輻射,但這兩種天線帶寬較窄;Park 等[8]提出了一種左手加載環(huán)形天線,該天線輻射體是由環(huán)形排列的T 型電偶極子組成,經(jīng)饋電網(wǎng)絡(luò)饋電實(shí)現(xiàn)水平全向輻射;Zhao 等[9]和Shi 等[10]分別提出了一種分段環(huán)形天線,這兩種天線結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,均由幾段電偶極子連接成一段圓環(huán)并印刷在介質(zhì)板上,通過(guò)探針饋電實(shí)現(xiàn)水平全向輻射。但上述天線的相對(duì)阻抗帶寬均小于40%(VSWR＜2),較小的帶寬制約著此類水平極化全向天線的實(shí)際應(yīng)用。

另外一種方式是采用電偶極子陣列,將多個(gè)電偶極子均勻排布為一個(gè)圓環(huán),經(jīng)饋電后可實(shí)現(xiàn)水平全向輻射。例如Fan 等[11-14]提出的水平極化全向天線,這些天線均是由多個(gè)相同電偶極子排列成圓環(huán),通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)饋電實(shí)現(xiàn)水平極化全向輻射。但是這些天線的相對(duì)阻抗帶寬仍然較小,均低于49%。為了進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬,加載引向器被應(yīng)用到全向天線設(shè)計(jì)中,Huang 等[15]提出了由四個(gè)電偶極子和四組引向器組成的天線,該天線可將其相對(duì)阻抗帶寬擴(kuò)展至63%,但該天線不圓度接近2.9 dB,且尺寸較大。

本文針對(duì)上述小環(huán)形全向天線和電偶極子陣列全向天線相對(duì)阻抗帶寬小、不圓度高的問(wèn)題,提出了一種小尺寸、低不圓度和寬頻帶的水平極化全向天線。三個(gè)弧形電偶極子經(jīng)由寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)饋電,實(shí)現(xiàn)良好的水平全向輻射,加入三組引向器可有效地?cái)U(kuò)展天線的相對(duì)阻抗帶寬,并將不圓度降低至1.2 dB 以下。經(jīng)過(guò)樣品的加工與測(cè)試,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

1 水平極化全向天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

水平極化全向天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示,此天線包括三部分: 三個(gè)弧形電偶極子、三組引向器和一個(gè)寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)。如圖1(a)和圖1(b)所示,弧形電偶極子均勻地印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4,厚度為0.2 mm 的圓筒形介質(zhì)板外表面,三個(gè)電偶子可排列成一個(gè)圓環(huán),并由寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)饋電。電偶極子的正上方加入引向器,可有效地提高天線的阻抗匹配和降低天線的不圓度。電偶極子的長(zhǎng)度和圓筒形介質(zhì)板的高度約為天線最低工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the proposed antenna

圖1(c)所示為此天線的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò),包括一個(gè)一分三功分器和三個(gè)寬帶巴倫。每個(gè)巴倫是由微帶線和縫隙傳輸線組成,微帶線和縫隙傳輸線分別印刷在相對(duì)介電常數(shù)為3.55,厚度為0.762 mm 的介質(zhì)板上表面和下表面。為了調(diào)節(jié)天線的匹配,微帶線由一段L型微帶線和一段具有漸變結(jié)構(gòu)的開路枝節(jié)組成,印刷在介質(zhì)板的上表面。縫隙傳輸線則是由一段縫隙線和一段短路枝節(jié)組成,印刷在介質(zhì)板的下表面。一分三功分器被印刷在介質(zhì)板的上表面,分別與三段微帶線相連接。通過(guò)上述方法,可以實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)和天線一體化設(shè)計(jì),從而達(dá)到減小天線尺寸的目的。

通過(guò)仿真優(yōu)化,可得具體參數(shù)值為:D=46 mm,h1=23.5 mm,h2=5.7 mm,Wp=10.5 mm,Lp=36 mm,Wd=3 mm,Ld=39 mm,L1=3.5 mm,L2=7.3 mm,L3=3.2 mm,L4=2.5 mm,L5=1.8 mm,L6=13.5 mm,L7=5 mm,L8=5.1 mm,L9=8.7 mm,W1=0.3 mm,W2=2.5 mm,W3=3.8 mm,W4=5.1 mm,W5=1.1 mm。

1.2 工作原理

為了描述引向器的工作原理,研究了引向器對(duì)天線的輸入阻抗、阻抗匹配和不圓度的影響,結(jié)果如圖2 所示。由圖2(a)和(b)可以看出,相較于不增加引向器的模型,增加引向器后的水平極化全向天線輸入阻抗的電阻更接近于50 Ω,電抗更接近于0 Ω。由圖2(c)可以看出,增加引向器后,天線的電壓駐波比小于2。根據(jù)圖2(a)～(c)所示的結(jié)果,說(shuō)明引向器可改善天線的阻抗匹配,從而擴(kuò)展其相對(duì)阻抗帶寬。由圖2(d)可以看出,在未增加引向器的情況下,天線的不圓度在高頻段逐漸增大至3 dB 左右。當(dāng)加入引向器后,天線的不圓度在整個(gè)工作頻段均保持較小值,其中在低頻段小于1 dB,在高頻段小于1.1 dB。上述結(jié)果說(shuō)明,引向器可有效提高天線的阻抗匹配和降低天線的不圓度。

圖2 引向器對(duì)天線性能的影響Fig.2 The effect of directors on antenna performance

圖3 為電偶極子在2.3 GHz 和3.8 GHz 兩個(gè)頻點(diǎn)的電流分布。由圖3 可知,相較于電偶極子在3.8 GHz 時(shí)的電流分布,電偶極子在2.3 GHz 時(shí)電流分布更均勻,這將導(dǎo)致天線在低頻段的不圓度小于高頻段,與圖2(d)所示的結(jié)果吻合。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知,當(dāng)加入引向器后,電流將均勻地分布在電偶極子的表面。由于電偶極子表面電流均勻分布,全向天線在水平面內(nèi)能實(shí)現(xiàn)360°均勻輻射,從而減小其輻射不圓度。

圖3 電偶極子在2.3 GHz(左側(cè)圖)和3.8 GHz(右側(cè)圖)頻點(diǎn)處的電流分布圖Fig.3 Current distribution on the curved dipoles on 2.3 GHz(the left pictures) and 3.8 GHz(the right pictures)

2 加工與測(cè)試分析

對(duì)設(shè)計(jì)的水平極化全向天線進(jìn)行加工,樣品實(shí)物如圖4 所示。對(duì)天線樣品進(jìn)行測(cè)試,天線的測(cè)試電壓駐波比(VSWR)如圖5 所示,天線在2.3～3.9 GHz 頻段的駐波比小于2,相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到51.6%。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,它們之間的差別主要是由加工誤差、安裝誤差和測(cè)試電纜的影響導(dǎo)致的。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 The photograph of the proposed antenna

圖5 天線電壓駐波比Fig.5 The VSWR of the proposed antenna

圖6 為天線在2.3,3 和3.8 GHz 的方向圖。由圖6 可知,天線在水平方向上可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的360°全向輻射。天線的不圓度小于1.2 dB、交叉極化比大于25 dB。天線的測(cè)試增益如圖7 所示,在工作頻段內(nèi),天線增益為0.3～3.5 dBi。

圖6 天線單元在H 面(左側(cè)圖)和V 面(右側(cè)圖)的方向圖Fig.6 Measured radiation patterns of the proposed antenna on H-plane(the left pictures) and V-plane(the right pictures)

圖7 天線測(cè)試增益Fig.7 The gain of the proposed antenna

將本文所述的天線與其他參考文獻(xiàn)所提出的天線進(jìn)行了對(duì)比,如表1 所示。相比于Fan 等[12-14]提出的天線,本文設(shè)計(jì)的天線具有更寬的相對(duì)阻抗帶寬。與Huang 等[15]提出的天線相比,本天線具有更低的不圓度以及更小的尺寸。比較結(jié)果說(shuō)明,本文設(shè)計(jì)的水平極化全向天線具有良好的性能,可應(yīng)用于移動(dòng)通信基站。

表1 電偶極子天線性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of the dipole antenna

3 結(jié)論

本文提出了一種基于三個(gè)弧形電偶極子和三組引向器的寬帶水平極化全向天線。三個(gè)電偶極子排列成圓環(huán),由寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全向輻射。通過(guò)增加三組引向器,天線不圓度減小至1.2 dB 以下,相對(duì)阻抗帶寬在工作頻段內(nèi)提高至51.6%。同時(shí),將功分器與天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),可使天線獲得良好的阻抗匹配和較小的尺寸。通過(guò)上述的設(shè)計(jì)方法,本文提出的天線與傳統(tǒng)水平極化全向天線相比,具有帶寬高、不圓度小和尺寸小的優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。