張涌萍，葉亮華

（1.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

全向垂直極化天線因?yàn)槠淙蛱匦院痛怪睒O化特性而一直備受研究者的關(guān)注。近年來研究者對(duì)傳統(tǒng)的單極子天線進(jìn)行了大量的研究。例如文獻(xiàn)[1]提出一種由一個(gè)倒單極子構(gòu)成的天線，它的頻段范圍是1.64～2.5 GHz，其相對(duì)帶寬為41.5%，但該天線阻抗匹配性能較差，其|僅達(dá)到-10 dB，無法滿足當(dāng)前基站天線的標(biāo)準(zhǔn)。與此結(jié)構(gòu)類似的其他天線也有相同的缺點(diǎn)[2-3]。為了解決上述問題，文獻(xiàn)[4]采用了可以改善阻抗匹配性能的短路針結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，焊接在單極子四周的4 個(gè)短路針與地板相接。該結(jié)構(gòu)的工作頻段為1.7～2.7 GHz，具有45.4%的相對(duì)帶寬，同時(shí)使得VSWR 下降到1.8以下)。與此類似的結(jié)構(gòu)也同樣可以降低VSWR[5-6]。而為了進(jìn)一步展寬帶寬和改善阻抗匹配性能，Mohsen Koohestani 提出了一種垂直不規(guī)則輻射單元板結(jié)構(gòu)[7]，它主要由一片三塊相互夾角為60°的金屬片組成的單元板單極子、同軸電纜、一個(gè)帶有3 個(gè)短路針的耦合金屬片和一個(gè)頂部加載片構(gòu)成。它的頻帶范圍為0.86～6 GHz，并且在此頻段內(nèi)，|S11|＜-13.9 dB。然而，該結(jié)構(gòu)的不圓度高達(dá)8 dBi 左右。而其他具有相似結(jié)構(gòu)的天線也存在同樣的不圓度較差等問題[8-11]。

為了改善天線不圓度，文獻(xiàn)[12]提出一種由單極子、頂部金屬十字加載板和銅制地板組成的天線模型。該天線的工作頻帶為0.82～6 GHz，相對(duì)帶寬大約為152%，不圓度為2.8 dBi，但它的阻抗匹配性能較差。與其相似的結(jié)構(gòu)也同樣存在阻抗匹配性能差的問題[13-14]。

本文提出了一種具有頂部加載和地板開槽的垂直極化單極子全向天線。與文獻(xiàn)[1-14]所提出的結(jié)構(gòu)相比較，該結(jié)構(gòu)保證了不圓度在1.7～5 GHz 頻段內(nèi)穩(wěn)定。此天線工作頻段可覆蓋DCS、PCS、UMTS、LTE、N7、N41、N77、N78、N79 等多個(gè)不同制式的頻率通道，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容多系統(tǒng)、多制式的超寬帶全向功能，減少基站的多天線使用。同時(shí)，工作頻段內(nèi) |S11|＜-14 dB，增益約為3 dBi。

1 水平極化全向天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 天線的總體尺寸

該天線由三部分組成：頂部為圓形加載金屬片，通過三根塑料支撐柱固定在反射板上，可改善天線在高頻段的不圓度，同時(shí)減小天線的剖面；中間部分為一個(gè)錐形銅制單極子，錐形單極子位于加載金屬片的正下方，通過底部的塑料墊片固定在反射板上。錐形單極子底部與50 Ω 同軸電纜線連接，通過同軸電纜饋電，實(shí)現(xiàn)垂直極化輻射；底部為天線的輻射反射板，反射板是由底部覆銅的FR4 介質(zhì)板構(gòu)成，其介電常數(shù)為4.4。為了進(jìn)一步改善天線的阻抗匹配，地板上引入了圓環(huán)狀開槽。

為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配和較低的不圓度，對(duì)天線模型進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后可得參數(shù)如下：Gr=78 mm，R1=30 mm，R2=23 mm，R3=16 mm，R4=19 mm，Subh=1.524 mm，H1=2.286 mm，H2=31 mm，H3=2 mm，H4=8 mm。

1.2 工作原理與設(shè)計(jì)步驟

該天線的演化過程如圖2 所示。在設(shè)計(jì)過程中，不圓度、阻抗匹配、相對(duì)帶寬等參數(shù)都得到了顯著的提升。天線1 由銅制單極子和PCB 以及PCB 底部的金屬鍍層所等效的地板組成。在天線2 當(dāng)中，地板引入圓環(huán)狀開槽。天線3 在天線2 的基礎(chǔ)上增加了由三根FR4 塑料柱支撐的金屬頂端加載片。通過這種設(shè)計(jì)，天線實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖2 演化過程中的天線

在天線1 到天線3 的演化過程中，天線的阻抗性能也得到了改善。由天線阻抗匹配理論可知[15]，天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸入阻抗實(shí)部部分和虛部部分分別趨近50 Ω 和0 Ω。

如圖3 所示，天線1 的阻抗實(shí)部值在1.7～2 GHz 頻段超過100 Ω。同時(shí)，天線1 的阻抗虛部值在1.7～2 GHz頻段由40 Ω 減小到-20 Ω。而在天線2 當(dāng)中，引入地板開槽使得天線2 與天線3 的阻抗實(shí)部總體上比天線1 的阻抗實(shí)部更加接近50 Ω，阻抗虛部相較天線1 的阻抗虛部更加貼近于0 Ω，從而改善了天線2 和天線3 的阻抗匹配。在天線1 當(dāng)中，2～4 GHz 頻段的|S11|整體處于-10 dB 以下-15 dB 以上。而在天線2 與天線3 當(dāng)中，該頻段的|S11|＜-15 dB，相較于天線1 性能得到了極大的提升，如圖4 所示。該現(xiàn)象表明：地板開槽能夠顯著提升中低頻段的阻抗匹配。

圖3 演化過程中不同天線阻抗值對(duì)比

圖4 設(shè)計(jì)過程中不同天線的S11

三種模型在5 GHz 的電流分布如圖5 所示，在地板引入開槽后，天線2 地板上電流密度分布相對(duì)于天線1地板上的電流分布變得更加均勻。天線3 采用頂端加載片結(jié)構(gòu)之后，單極子上的電流也變得更加均勻，從而改善天線的不圓度，如圖6 所示。因此，天線的設(shè)計(jì)過程可以分為以下幾個(gè)步驟：

圖5 演化過程中不同天線在5 GHz 的電流分布

圖6 演化過程中不同天線不圓度對(duì)比

第1 步：設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)的單極子天線和一個(gè)底部印刷金屬地板的FR4 材質(zhì)PCB 作為反射板。

第2 步：在地板上引入圓環(huán)狀開槽來改善阻抗匹配和不圓度。

第3 步：在單極子上方加入頂端加載片從而改善不圓度。

2 加工與測(cè)試分析

對(duì)優(yōu)化后的天線進(jìn)行打樣和測(cè)試，天線樣品如圖7所示。

圖7 本文提出的天線實(shí)物照片

如圖8 所示為天線的測(cè)試匹配圖，從圖中可知天線在1.7～5 GHz 頻段內(nèi)，|S11|＜-14 dB。

圖8 仿真和實(shí)測(cè)| S11 |對(duì)比

如圖9 所示為天線在2.2、3.5 和4.9 GHz 的測(cè)試輻射方向圖，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。它們之間的誤差可能由安裝誤差、基板物料誤差、電纜誤差、暗室測(cè)試誤差等因素的影響所導(dǎo)致。從圖中可知，天線可實(shí)現(xiàn)垂直極化水平輻射，具有穩(wěn)定的輻射特性。

圖9 在E 面(xOz平面)和H 面(xOy 平面)上的仿真和測(cè)試方向圖

如圖10 所示為天線輻射不圓度和增益的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試不圓度小于1.5 dB，增益在（3±1.5）dBi 范圍內(nèi)。

圖10 增益和不圓度測(cè)試及仿真結(jié)果

表1 將本文提出的天線和其他文章提出的天線模型進(jìn)行比較。與文獻(xiàn)[1]所提出的天線結(jié)構(gòu)對(duì)比，本文提出的天線具有更小的不圓度；而與文獻(xiàn)[4-5]相比，本文天線具有更寬的相對(duì)阻抗帶寬；同時(shí)，和文獻(xiàn)[6]提出的結(jié)構(gòu)相比，本文天線阻抗匹配能夠在頻段內(nèi)達(dá)到|S11|＜-14 dB，相較而言，表現(xiàn)更優(yōu)，從而減少天線的回波損耗，提升信號(hào)質(zhì)量。本文所提出的天線能夠很好地平衡天線不圓度和阻抗匹配等性能，這個(gè)特點(diǎn)使得該天線適用于室內(nèi)3G/LTE/5G 通信場(chǎng)景。

3 結(jié)論

本文提出了由加載金屬板、錐形銅制單極子和反射板構(gòu)成的超寬帶垂直極化全向天線。通過增加加載金屬板結(jié)構(gòu)，天線的輻射不圓度降至1.5 dB 以下。同時(shí)，在金屬板底部增加環(huán)形金屬槽，使天線的相對(duì)阻抗帶寬增加至104%。通過上述仿真測(cè)試結(jié)果證明，本文所提出的天線具有較寬的相對(duì)阻抗帶寬和較小的輻射不圓度，可應(yīng)用于3G/LTE/5G 室內(nèi)通信場(chǎng)景。