朱劍青,薛鋒章,任　超

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

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EBG結(jié)構(gòu)寬頻帶雙極化基站天線的設(shè)計(jì)

朱劍青,薛鋒章,任超

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

摘要：介紹了一種新型的寬頻帶雙極化輻射單元，該輻射單元采用了新型的電磁帶隙(electromagnetic bandgap, EBG)結(jié)構(gòu)加載，該EBG結(jié)構(gòu)結(jié)合對稱振子進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，縮小了輻射單元的高度，其高度約為中心頻率的0.16個(gè)波長。利用這種輻射單元組陣，形成四單元基站天線。HFSS仿真結(jié)果表明，在1.71-2.69 GHz頻段內(nèi)，該輻射單元的電壓駐波比(voltage standing wave ratio， VSWR)小于1.5，隔離度大于22 dB。同時(shí)，組陣后的四單元基站天線輻射參數(shù)良好，水平面半功率波束寬度58.1°-72.1°，軸向交叉極化比大于21 dB，前后比大于20 dB，基本能夠滿足移動通信對基站天線的使用要求。

關(guān)鍵詞：電磁帶隙；雙極化；寬頻帶；基站天線

0引言

隨著移動通信的迅速發(fā)展，對移動通信系統(tǒng)提出了越來越高的要求，天線作為移動通信中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣對系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。出于商用需要，運(yùn)營商對天線的要求越來越高。一方面，不斷地追求優(yōu)越的性能，希望得到更低的駐波比，更好的隔離度，更高的增益，更高的前后比等；另一方面，大家都希望在保證性能的前提下，盡量降低天線的體積、剖面、重量和成本。因此，這就使得基站天線的小型化和輕量化設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)。

近年來，由于考慮到多系統(tǒng)共用基站天線的選址、前期安裝和后期維護(hù)的便利，天線外觀的美化以及后續(xù)基站一體化設(shè)計(jì)的可能等，基站天線的小型化和輕量化受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)輻射單元必須要求四分之一波長高度的固有條件，采用新型的電磁材料可以打破這一要求。其中，電磁帶隙(electromagnetic bandgap, EBG)結(jié)構(gòu)在某些頻段上具有同相反射相位特性，若將其作為輻射單元的地平面，能夠從根本上降低輻射單元的剖面高度，同時(shí)，又保持性能優(yōu)異。對于各種形式的小型化技術(shù)，文獻(xiàn)[1-5]已有報(bào)道。其中，文獻(xiàn)[1]提出一種新穎的低剖面雙極化微帶天線，貼片高度只有6 mm，當(dāng)回波損耗不小于10 dB時(shí)，在2.4 GHz只獲得200 MHz的阻抗帶寬,則相對帶寬只有8.3%。文獻(xiàn)[2]提出一種新型的雙極化輻射單元，滿足電壓駐波比(voltage standingwave ratio, VSWR)小于1.5的阻抗帶寬高達(dá)52%,但是總體高度達(dá)到32.5 mm。文獻(xiàn)[3]提出了一種以EBG結(jié)構(gòu)作為反射板的天線單元，振子離反射板高度只有6 mm，但滿足回波損耗不小于10 dB的工作頻段2.47—2.73 GHz，相對帶寬只有11.63%。文獻(xiàn)[4]提出一種低剖面超寬帶天線，應(yīng)用了EBG結(jié)構(gòu)降低天線剖面高度，但天線工作頻段為8—18 GHz，并沒有覆蓋移動通信的常用頻段?？梢姡珽BG結(jié)構(gòu)對降低輻射單元的高度有著重要的作用，較早的一種實(shí)現(xiàn)方式指出[5]，構(gòu)造了高阻抗結(jié)構(gòu)表面，在帶金屬底板的介質(zhì)基片上刻蝕周期金屬結(jié)構(gòu)，從而能在一定頻率上顯示出同相反射的特性。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新穎的低剖面寬頻帶雙極化輻射單元。該輻射單元在1.71—2.69 GHz頻段保證電壓駐波比小于1.5，隔離度大于22 dB，半功率波束寬度為65°±10°，前后比大于20 dB，軸向交叉極化比大于21 dB，能夠基本滿足移動通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1輻射單元設(shè)計(jì)

1.1理論分析

本文提出了一種新型的EBG結(jié)構(gòu)作為反射板，該EBG結(jié)構(gòu)反射板設(shè)計(jì)在相對介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1 mm的介質(zhì)基片。其新型的EBC結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

通常將-90°—90°的反射相位對應(yīng)的頻率稱為EBG結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同相反射作用的區(qū)域。該EBG結(jié)構(gòu)的反射相位頻帶較寬，同相反射的頻率為[1.44 GHz，3.22 GHz]，相對帶寬有76.4%，該EBG結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于寬頻帶基站天線的反射板設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[7]提出一種貼近 EBG結(jié)構(gòu)表面的寬頻帶振子天線，并且闡述了一種對于特定振子與EBG結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的方法。在此基礎(chǔ)上，本文利用優(yōu)化好的印刷偶極子與EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，得出EBG結(jié)構(gòu)的初始值，該偶極子介質(zhì)基片采用相對介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1 mm的環(huán)氧板(FR-4)。圖2a為用于一體化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品化輻射單元俯視圖，圖2b為其側(cè)視圖。最終確定的EBG結(jié)構(gòu)幾何尺寸如表1所示，表1參數(shù)定義如圖1—圖3標(biāo)注所示。最后，以所述的新型EBG結(jié)構(gòu)單元沿X,Y方向周期延拓而形成本文所需的EBG結(jié)構(gòu)反射板。

圖1　新型的EBG結(jié)構(gòu)單元Fig.1　New structure unit of EBG

1.2輻射單元結(jié)構(gòu)

由上述分析，我們得到了一種基于EBG結(jié)構(gòu)的寬頻帶雙極化輻射單元。該天線輻射單元主要由4部分組成：優(yōu)化好的印刷偶極子、EBG周期結(jié)構(gòu)、同軸饋電線及支撐柱、反射板。印刷偶極子是已經(jīng)單獨(dú)優(yōu)化好的輻射單元，原始高度為34 mm，能夠在1.71—2.69 GHz頻段保證電壓駐波比小于1.5；所采用的EBG結(jié)構(gòu)如上描述，其周期數(shù)量為9×9，天線振子位于所述電磁帶隙結(jié)構(gòu)的上方，并置于其中心位置；同軸饋電線及支撐柱，同軸線一端的外導(dǎo)體與輻射臂電連接，該一端的內(nèi)導(dǎo)體與偶極子饋電部件電連接，同軸線另一端穿過EBG結(jié)構(gòu)與反射板電連接，而支撐柱一端與輻射臂電連接，該一端還與饋電部件電連接，另一端與反射板電連接；反射板采用108 mm×108 mm、厚1.5 mm的鋁板，翻邊高度為22 mm。最后得到振子的高度降低為常規(guī)0.25個(gè)波長的64%左右，如圖3所示。

圖2　用于一體化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品化輻射單元Fig.2　Product radiation unit for Integrated design

參數(shù)長度/mm參數(shù)長度/mmW110.0H120W212.0H23W33.3H32W41.2H434W51.9H522W61.3h20R12.15a108g2.0b108L156.0L256L312.5L411.2L53.8L64.4L75.2R26R312.5

圖3　輻射單元立體圖、側(cè)視圖及俯視圖Fig.3　Over view, side view and top viewof radiation element

1.3輻射單元仿真結(jié)果

圖4a是輻射單元2個(gè)端口的VSWR隨頻率變化的曲線，由圖4a可以看出，在1.71—2.69 GHz時(shí)，2個(gè)端口的駐波比都小于1.5；圖4b是2個(gè)端口隔離度隨頻率變化曲線，在1.71—2.69 GHz的隔離度大于22 dB，基本滿足移動通信行業(yè)指標(biāo)。

圖4　輻射單元電路參數(shù)Fig.4　Circuit parameters of radiation element

2天線陣列仿真分析

為了驗(yàn)證此輻射單元的實(shí)用性，我們利用此輻射單元進(jìn)行組陣仿真分析，輻射單元間距設(shè)為110 mm。以四單元陣列天線為例子，對每個(gè)單元進(jìn)行等幅同相饋電，如圖5所示。圖6是天線在水平面的主極化和交叉極化方向圖。由仿真結(jié)果可知，在1.71—2.69 GHz頻段，陣列的3 dB波束寬度為58.1°—72.1°，前后比大于20 dB，軸向交叉極化比大于21 dB。在中心頻點(diǎn)2.2 GHz，-60°—60°的交叉極化比能達(dá)到13.22 dB，在1.71 GHz和2.69 GHz時(shí)，分別為7.7 dB和10.3 dB，這是因?yàn)槔碚撋螮BG結(jié)構(gòu)只在中心頻段實(shí)現(xiàn)同相反射，所以，兩端的頻點(diǎn)交叉極化比較差。

圖5　四單元陣列天線Fig.5　Antenna array with four elements

圖6　天線在水平面的方向圖Fig.6　H-plans’radiation pattern of antenna

3結(jié)論

隨著第四代長期演進(jìn)(long term evolution,LTE)移動通信網(wǎng)絡(luò)的商用，以及WLAN，WiMax等寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，完全覆蓋以上標(biāo)準(zhǔn)的低剖面寬頻帶雙極化天線的研究成為熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種低剖面輻射單元，并利用其組陣。仿真結(jié)果表明，電路參數(shù)和輻射參數(shù)都基本滿足移動通信基站天線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，對寬頻帶雙極化天線的小型化研究和設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。在下一步工作中,可以從 2個(gè)方面對該輻射單元模型進(jìn)行優(yōu)化：①優(yōu)化兩端口隔離度；②提高頻段兩端交叉極化比。

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Design of a wideband dual-polarized base-station antenna with EBG structures

ZHU Jianqing, XUE Fengzhang，REN Chao

(School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P.R. China)

Abstract:A novel broadband dual-polarized base-station antenna is presented. An EBG structure backed dipole model is designed with less height of the original dipole. The height of the novel base-station antenna is only 0.16λ of the center frequency. Then，an antenna array with four of this element is simulated．The radiation element achieves a common impedance bandwidth of 1.71-2.69 GHz(VSWR<1.5) at both input ports, it also has good performance in isolation, which is more than 22 dB between the two input ports. Also, the antenna has an excellent performance in radiation pattern. Across the entire operating frequency, the measured half-power beamwidth in the H-planes is from 58.1°to 72.1°, the axial cross-polarization ratio is more than 21 dB and the front-to-back ratio is more than 20 dB, so the antenna can meet the demand of the mobile communication base station antenna.

Keywords：electromagnetic bandgap; dual-polarized; wideband; base-station antenna

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.014

收稿日期：2015-04-28

修訂日期：2016-04-18通訊作者：朱劍青305488438@qq.com

中圖分類號：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)03-0367-05

作者簡介：

朱劍青(1989-),男，廣東佛山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿油ㄐ呕咎炀€。E-mail: 305488438@qq.com。

薛鋒章(1963-),男，江西吉安人，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員、碩士生導(dǎo)師。近30年從事雷達(dá)相控陣天線、移動通信天線工作經(jīng)歷，目前的主要研究方向?yàn)橐苿油ㄐ盘炀€。曾獲得多項(xiàng)科技進(jìn)步獎及專利成果獎，發(fā)表論文50余篇。E-mail:eefzxue@scut.edu.cn。

任超(1990-)，男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要研究方向是移動通信基站天線。E-mail:936760575@qq.com。

(編輯：劉勇)