基于磁電偶極子的雙極化天線單元設(shè)計(jì)

摘??要：Sub 6GHz的3~5 GHz的頻段被作為5G基站天線的主頻段進(jìn)行使用，然而隨著頻段的升高，天線輻射范圍的縮小及輻射功率衰減加大等問(wèn)題不容忽視。文中設(shè)計(jì)了一款基于磁電偶極子的基站雙極化天線單元，單元尺寸為 0.50λ×0.50λ×0.23λ（中心頻率為 4 GHz），其在 3~5 GHz內(nèi) VSWR < 1.5。天線單元相對(duì)帶寬（VSWR<2）達(dá)到 63.5%（2.9~5.6 GHz），其增益在 3~5 GHz內(nèi)大于 7.8 dBi，單元的峰值增益達(dá)到了 11 dBi左右，并實(shí)現(xiàn)了 2 × 2的平面陣列仿真，天線陣列的峰值增益達(dá)到了 17.2 dBi。由 HFSS軟件仿真可知，設(shè)計(jì)的天線不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，且覆蓋帶寬較大，能滿足 5G 基站天線的需求。

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷更迭，如今已經(jīng)發(fā)展到第五代通信技術(shù)（5G）。5G通信作為如今的通信發(fā)展熱潮，其不同于4G通信的優(yōu)點(diǎn)在于具有較低的延時(shí)、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率等[1?2]。2019年6月6日，工信部正式將5G牌照頒發(fā)給了國(guó)內(nèi)的運(yùn)營(yíng)商，此前，運(yùn)營(yíng)商分別在Sub 6 GHz獲得相應(yīng)的5G基站頻段，其中除了部分頻段處于低頻段，其余的頻段均在3~5GHz內(nèi)，且3~5GHz被作為5G基站天線的主頻段進(jìn)行使用。電磁波的傳輸損耗公式為：

式中：F為頻率；D為距離。

由此可看出，頻率越高，距離越遠(yuǎn)，損耗越大。由于5G頻段的升高，其損耗的加大及傳輸距離的覆蓋問(wèn)題不容忽視，由此設(shè)計(jì)一款覆蓋3~5GHz頻段的高增益基站天線是當(dāng)今通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[3]率先提出磁電偶極子天線（Magneto?Electricdipole antenna），其利用電偶極子（Electric dipole）和磁偶極子（Magnetic dipole）在E場(chǎng)和H場(chǎng)的輻射機(jī)制，將兩者巧妙地搭配組合，形成了E場(chǎng)和H場(chǎng)同等的輻射效果，具有高增益、低交叉、低后瓣的優(yōu)點(diǎn)。其輻射原理如圖1所示。運(yùn)用微波電路的互補(bǔ)阻抗概念，其等效電路[4]如圖 2所示。

根據(jù)微波電路原理，運(yùn)用阻抗的關(guān)系，式（2）可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路等效阻抗虛部為零。當(dāng)并聯(lián)電路和串聯(lián)電路同時(shí)諧振時(shí)，就可以達(dá)到頻率相疊加的結(jié)果。此時(shí)，電偶極子和磁偶極子在同一頻點(diǎn)諧振，達(dá)到提高增益的效果。同時(shí)，兩個(gè)諧振電路分別在兩個(gè)頻點(diǎn)發(fā)生諧振，可以達(dá)到增益增強(qiáng)和頻帶加寬的效果。

在后續(xù)的研究發(fā)展中，磁電偶極子天線主要利用改變電流流經(jīng)路徑的原理，在基礎(chǔ)模型上改善形狀以達(dá)到提升性能和降低尺寸的目的。

1）通過(guò)改變電偶極子的形狀實(shí)現(xiàn)較佳的性能和較低的尺寸。例如文獻(xiàn)[5]采用C型結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[6]采用魚(yú)尾形狀。

2）磁偶極子中短接金屬底板的豎直金屬部分彎折或者傾斜可達(dá)到降低高度的目的。例如文獻(xiàn)[7]使其傾斜以達(dá)到降低高度的目的，文獻(xiàn)[8]使其彎折以達(dá)到降低高度的目的。

近年基于磁電偶極子的天線研究趨向于寬頻帶、微陣列的方向發(fā)展。其中文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)一款2×2矩形形狀的陣列天線，文獻(xiàn)[10?11]設(shè)計(jì)了2×2的平面陣列，文獻(xiàn)[12]提出了 4×4 應(yīng)用于5G通信的平面陣列，文獻(xiàn)[13]提出2×2的平面陣列。以上設(shè)計(jì)主要集中于單個(gè)5G頻段的覆蓋，很少有完全覆蓋3~5GHz的天線陣列，且以往的天線單元結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大。綜上，設(shè)計(jì)一款覆蓋3~5GHz適用于5G微基站的高性能、小型化的磁電偶極子天線是此領(lǐng)域的趨勢(shì)及熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一款基于磁電偶極子的雙極化天線單元，并且進(jìn)行了組陣設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真分析，天線單元在3~5GHz 內(nèi)端口的駐波比均低于1.5，端口的隔離度大于25 dB，相對(duì)帶寬達(dá)到了63.5%（VSWR ≤ 2），并對(duì)其實(shí)現(xiàn)了2×2的平面陣列仿真，陣列的峰值增益達(dá)到了17.2dBi。

1 天線單元

1.1 天線單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化

基于磁電偶極子設(shè)計(jì)的雙極化天線單元滿足3~5GHz頻段的覆蓋 。天線單元的整體結(jié)構(gòu) 如圖3所示。

天線單元由相互對(duì)稱的4個(gè)輻射單元構(gòu)成，輻射單元由金屬柱和平面金屬板構(gòu)成。其中，加載 L 型縫隙的金屬平板起到電偶極子的作用，并且其邊緣采用垂直彎折的方式以減小天線單元的尺寸，金屬平面邊緣加載的L 型縫隙拓寬了輻射電流的流經(jīng)路徑，增大了帶寬。垂直于金屬底板并短接相連的金屬柱及金屬底板起到了磁偶極子的作用，其相鄰輻射單元縫隙中加載的兩塊矩形金屬塊拓寬了阻抗帶寬。金屬底板的四周金屬擋板減少了電磁波的散射，增大了遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的增益。天線由同軸線通過(guò)金屬底板饋電給“?！毙握火侂娊Y(jié)構(gòu)，其中“?！毙勿伨€的連接同軸線豎直部分起到傳輸線的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)“?！毙勿伨€的水平部分和另一端垂直部分的長(zhǎng)度可有效控制其感抗和容抗，從而實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。信號(hào)通過(guò)饋線耦合到輻射單元，使其產(chǎn)生±45°的雙極化輻射效果，饋電結(jié)構(gòu)之間距離一定的高度，起到了良好的隔離作用，減少了耦合的發(fā)生。饋電結(jié)構(gòu)如圖4所示，輻射單元如圖5所示。

天線單元參數(shù)數(shù)值如表1所示，其尺寸是基于半波偶極子天線的原理，利用HFSS優(yōu)化后所得的結(jié)果。

1.2 天線單元結(jié)果分析

天線單元利用HFSS軟件進(jìn)行模擬仿真，其仿真結(jié)果在3~5 GHz頻段內(nèi)表現(xiàn)良好。

圖6為天線兩端口的 S11，S22 和 S21，從圖6中可以看出 ，在所需求的頻段內(nèi)S11和S22均小于-15 dB ，在3~5 GHz內(nèi)S21的數(shù)值小于-25 dB。S 參數(shù)的結(jié)果表示該單元具有較低的反射和良好的隔離效果。

圖7表示天線的駐波比和增益，可看出在3~5GHz頻帶內(nèi)VSWR<1.5，平均增益>7.8 dBi，表示遠(yuǎn)場(chǎng)輻射效果較好。

以下通過(guò)對(duì)參數(shù)Sh和Sl的研究?jī)?yōu)化（如圖8所示），來(lái)探究電偶極子彎曲折疊的長(zhǎng)度及L 型縫隙的寬度對(duì)天線性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示，Sh=Sl=2 mm 時(shí)，可達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果。

圖9為天線單元電偶極子邊緣是否加載L型縫隙、輻射單元有無(wú)加載矩形金屬塊的S11 的仿真結(jié)果對(duì)比圖，經(jīng)過(guò)對(duì)比，加載縫隙和金屬塊實(shí)驗(yàn)效果更佳。以下均為單一變量對(duì)比，即有無(wú)加載金屬塊時(shí)，其均存在L型縫隙，有無(wú)L型縫隙時(shí)，其均存在金屬塊。

圖10分別為在3.5GHz，4.7GHz 時(shí)的天線單元輻射方向圖。圖中結(jié)果顯示，天線單元具有較低的后瓣和交叉極化的效果。

2 陣列天線

天線單元進(jìn)行了2×2陣列仿真，其整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。其中Al=Aw=154.7 mm，Ah=20mm，其中陣子間的距離Dis=54.7 mm。

陣列在4GHz 的+45°和-45°極化的方向圖如圖12所示。圖13為陣列天線在±45°極化的增益。從圖12中可以看出，陣列具有緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的輻射性能以及較寬的帶寬。

本文提出的天線陣列結(jié)果與其他文獻(xiàn)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于磁電偶極子的天線單元，其覆蓋 Sub 6 GHz 的 5G 天線頻段的主頻段 3~5 GHz，其中VSWR<1.5，平均增益大于 7.8 dBi，在所需求的頻帶內(nèi)表現(xiàn)良好，相對(duì)帶寬達(dá)到了 63.5%，并對(duì)其進(jìn)行 2×2組陣仿真，陣列的增益峰值達(dá)到了 17.2 dBi。綜合以上仿真結(jié)果來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的天線性能滿足5G基站天線的需求。

審核編輯：湯梓紅

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