王 昊，李建武，郝立超

(1.中國信息通信研究院，北京100191；2．北京理工大學 前沿技術研究院，山東 濟南 250300；3．華大半導體有限公司，上海 201210)

0 引言

天線作為5G通信的重要一環(huán)，無論是在5G終端還是5G天線，都是信號與發(fā)射接收的關卡，天線性能的好壞直接影響通信的質(zhì)量。由于圓極化天線具有抗多徑干擾和減少極化失配的優(yōu)點，已被業(yè)界大量研究[1-3]。與單個圓極化天線相比，圓極化天線陣列[4-5]由于其改善的輻射方向圖和高增益特性，近年來受到越來越多的關注。盡管圓極化天線有這些優(yōu)點，但其固有的窄帶屬性制約了發(fā)展。

為了增加天線的圓極化帶寬，多種連續(xù)相位饋電網(wǎng)絡相繼被設計，分別給矩形貼片[6]、具有8個相同L型金屬的方形槽[7]、蝕刻有45°縫隙槽的六角形貼片[8]、方形貼片[9]以及半圓貼片[10]進行饋電，分別實現(xiàn)了21.4%、46.3%、20.7%、18.2%和94.6%的3 dB軸比帶寬。此外，在實現(xiàn)寬頻帶圓極化輻射的多種設計方法中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡已經(jīng)被證實是最有潛力的饋電結構之一。這種連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡的工作原理已在文獻[11]中得到驗證，并在圓極化微帶貼片陣列[12-13]中得到應用。近年來，歸功于縫隙槽天線的寬帶特性，人們已經(jīng)研究了基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡的多種縫隙槽天線陣[14-15]以獲得圓極化天線的寬頻帶輻射。然而，對于未來的寬帶通信來說，這些縫隙槽圓極化天線陣的帶寬仍然過窄。因此，迫切需要設計更寬頻帶的圓極化天線陣。

1 天線設計與結構

雙向輻射的寬帶縫隙槽圓極化天線陣的結構示意如圖1所示。該縫隙槽圓極化天線陣印刷在FR4基板上(εr=4.4，tanδ= 0.02)，尺寸240 mm×240 mm×160 mm。一種連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(R0,R1,R2,R3,R4)被設計產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的90°相位差。3個長度分別為L4、W4和L5的非對稱U型饋電枝節(jié)與連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡連接在一起，用于激勵切角方形槽接地板(L×W)輻射單元以及激發(fā)一種圓極化諧振模式。此外，一個矩形槽(L3×W3)和一個L型饋電枝節(jié)(L2×W2)作為微擾元素被蝕刻進方形槽接地板中，以便對天線的軸比帶寬進行調(diào)整。值得注意的是，連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡和方形槽接地板被分別蝕刻在FR4介質(zhì)的兩側(cè)。表1給出了所設計天線的最終優(yōu)化尺寸，其由ANSYS HFSS電磁分析軟件進行計算。

圖1 天線的結構示意圖Fig.1 Schematic of the proposed antenna

表1 天線的幾何參數(shù)

2 天線分析與討論

為了解釋縫隙槽圓極化天線陣的工作原理，圖2繪制了5種漸變設計的進化模型。

圖2 5種漸變設計的進化模型Fig.2 Five antenna structures in the design process

天線1由一個加載4個矩形帶的連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡和一個蝕刻切角方形槽的接地板構成。在天線1的基礎上，L型枝節(jié)被直接連接到矩形帶上來組成天線2的非對稱U型饋電枝節(jié)。此外，4個L型枝節(jié)和矩形槽被分別蝕刻進天線3和天線4的接地板中。

如圖3所示，在低頻處天線1的回波損耗(|S11|)較好，而其軸比帶寬較差。當4個非對稱U型饋電枝節(jié)被引進天線2時，盡管天線2的軸比帶寬得到顯著改善，但其帶寬較窄無法滿足應用需求。為了進一步增加天線的軸比帶寬，4個L型枝節(jié)被插入到天線3的接地板中?？梢钥吹教炀€3的回波損耗無明顯的變化，但其軸比帶寬在高頻處顯著改善。此外，為了減小高頻的回波損耗值，4個矩形槽作為匹配調(diào)諧元素被蝕刻進天線4中。

(a) 回波損耗曲線

仿真結果表明，非對稱U型饋電枝節(jié)主要影響天線的軸比帶寬，而蝕刻進接地板的矩形槽主要對高頻的回波損耗起作用。其原因是這些枝節(jié)和縫隙槽的引入可以增加接地板中的電流路徑，進而導致軸比諧振點從高頻向低頻偏移。最后利用這些枝節(jié)和縫隙槽作為微擾元素，設計的圓極化天線陣可以得到88.1%(1.65～4.25 GHz) 3 dB軸比帶寬和87.3%(2.0～5.1 GHz) 10 dB回波損耗。

本文提出的縫隙槽圓極化天線陣與已報道的圓極化天線陣列的比較如表2所示，數(shù)據(jù)表明設計的縫隙槽圓極化天線陣有更優(yōu)異的圓極化輻射性能。

表2 設計天線與已報道天線的對比

(a) 天線饋電網(wǎng)絡

圖5和圖6展現(xiàn)了縫隙槽天線陣尺寸對其回波損耗和軸比帶寬的影響。通過參數(shù)掃描計算的方式對三角形貼片 (W1)、L型枝節(jié) (L2)、矩形縫隙槽 (L3)以及非對稱U型饋電枝節(jié)(L5)的不同尺寸進行了計算?？梢钥闯?，三角形貼片和L型枝節(jié)的尺寸變化對回波損耗的影響不大，對軸比帶寬有輕微的影響。然而，由于電流路徑發(fā)生變化，矩形縫隙槽的尺寸變化對高頻的回波損耗和軸比帶寬有顯著的影響。此外，值得注意的是，非對稱U型饋電枝節(jié)作為驅(qū)動元素對全頻段的回波損耗和軸比帶寬有巨大的影響。當尺寸設計參數(shù)W1=8 mm,L2=8 mm,L3=5 mm,L5=12 mm時，縫隙槽天線陣的圓極化性能最優(yōu)。

為了揭示縫隙槽圓極化天線陣的帶寬增加機制，利用ANSYS HFSS電磁分析軟件對天線的表面電流分布進行了仿真。圖7和圖8分別為在2.65 GHz 和3.9 GHz仿真的矢量表面電流分布。非對稱U型饋電枝節(jié)的主要表面電流分量用J1,J2,J3,J4表示，而矩形槽和L型枝節(jié)分別用J5,J6,J7,J8表征。在頻率2.65 GHz處,非對稱U型饋電枝節(jié)的表面電流分量遠大于矩形槽和L型枝節(jié)上的表面電流分量，因此矩形槽和L型枝節(jié)上的表面電流分量可以忽略不計。然而在頻率3.9 GHz處，非對稱U型饋電枝節(jié)的表面電流分量相互抵消。這意味著矩形槽和L型枝節(jié)上的表面電流分量不可忽略，矩形槽和L型枝節(jié)是主要的輻射元素。如圖8所示，當phi=0°時，垂直方向的表面電流彼此抵消，而水平方向的表面電流沿同一方向分布；當phi=90°時，情形正好相反；此外，總的表面電流方向在phi=0°和phi=180°,phi=90°和phi=270°是相反的。

在頻率2.65 GHz處，總的表面電流開始隨著不同的相位(0°,90°,180°,270°) 逆時針旋轉(zhuǎn)，這意味著天線陣在頻率2.65 GHz能夠輻射右手圓極化波。但是，不管phi=0°,90°,180°,270°，在頻率3.9 GHz處非對稱U型饋電枝節(jié)上的表面電流分量均互相抵消，這意味著在頻率3.9 GHz處非對稱U型饋電枝節(jié)不參與輻射電磁波，而矩形槽和L型枝節(jié)主要參與輻射電磁波。如圖8 (b)所示，頻率3.9 GHz處，在矩形槽和L型枝節(jié)上總的表面電流開始隨著不同的角度 (0°,90°,180°,270°) 逆時針旋轉(zhuǎn)，因此該天線陣在頻率3.9 GHz也能夠輻射右手圓極化波。上述分析結果與圖2中的漸變設計結果有良好的一致性。因此，可以得出結論，縫隙槽天線陣的低頻圓極化性能主要受非對稱U型饋電枝節(jié)的影響，而高頻圓極化性能主要受矩形槽和L型枝節(jié)的影響。

(a) W1

(a) W1

(a) 0°

(a) 0°

3 實驗結果

為了驗證仿真結果的準確性，一個優(yōu)化的縫隙槽天線陣列模型被制造、焊接和測量。隨頻率變化的仿真和測試的回波損耗和軸比帶寬被分別如圖9(a)和圖9(b)所示。圖中，仿真和測試的10 dB回波損耗分別是87.3%(2.0～5.1 GHz)和88.6%(1.96～5.08 GHz)，而3 dB 軸比帶寬分別是88.1%(1.65～4.25 GHz)和81.3%(1.75～4.15 GHz)。需要指出的是，受制于不完美的匹配和不完善的工藝水平，仿真結果和測試結果有輕微的不一致。這種不一致可能由于實際焊接的連接器并未在仿真模型中體現(xiàn)。為了消除誤差，建議以后設計時對連接器與天線模型進行一體化仿真。

(a) 回波損耗曲線

測試和模擬的邊射增益以及縫隙槽圓極化天線陣的測試照片如圖10所示。測試的峰值增益在2.6 GHz處，其值為10.8 dBi。 此外，縫隙槽圓極化天線陣在不同頻率點(2.65、3.25、3.90 GHz)的仿真和測試的歸一化輻射方向圖如圖11～圖13所示。

(a) 增益曲線

由圖11～圖13可以看出，天線陣能夠在2.65、3.25和3.90 GHz三個頻點處輻射右手圓極化波，且仿真和測試結果吻合較好。

(a) 0° (b) 90°圖11 仿真和測試的歸一化輻射方向圖(2.65 GHz)Fig.11 Simulated and measured antenna radiation patterns (2.65 GHz)

(a) 0° (b) 90°圖12 仿真和測試的歸一化輻射方向圖(3.25 GHz)Fig.12 Simulated and measured antenna radiation patterns (3.25 GHz)

(a) 0° (b) 90°圖13 仿真和測試的歸一化輻射方向圖(3.90 GHz)Fig.13 Simulated and measured antenna radiation patterns(3.90 GHz)

4 結束語

本文提出了一款新型寬頻帶2×2方形縫隙槽圓極化天線陣。該天線陣主要包括一個連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電結構、4個非對稱U型饋電枝節(jié)和一個方形槽接地板。這個方形槽接地板由4個切角方形槽、4個矩形槽以及4個L型枝節(jié)組成。與傳統(tǒng)圓極化天線陣所采用的L型饋電枝節(jié)不同，本文首次提出了一種新型非對稱U形饋電枝節(jié)來改善天線的圓極化性能。利用這些枝節(jié)和縫隙槽作為微擾元素，縫隙槽天線陣可以激發(fā)多重圓極化諧振模式，進而產(chǎn)生寬頻帶圓極化輻射。測量結果表明，小于3 dB的軸比帶寬為81.3%(1.75～4.15 GHz)且小于10 dB的回波損耗達到88.6%(1.96～5.08 GHz)。此天線陣具有寬頻帶特性，在WLAN(2.4～2.48 GHz)和WiBro(2.3～2.39 GHz)等無線通信系統(tǒng)中有潛在的應用前景。