摘 要:為滿(mǎn)足多種通信制式融合的無(wú)線通信需求,提出一款覆蓋2G、3G、LTE、Sub6 GHz 波段的交叉偶極子基站天線。2 對(duì)呈±45°正交的偶極子用以實(shí)現(xiàn)天線的雙極化特性,輻射單元中的扇形內(nèi)環(huán)、鉆石狀的外環(huán)分別對(duì)應(yīng)天線要實(shí)現(xiàn)的低頻以及高頻波段,可以通過(guò)對(duì)內(nèi)環(huán)以及外環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)2 個(gè)頻段的獨(dú)立控制。天線上方的寄生貼片用以?xún)?yōu)化天線阻抗匹配。通過(guò)制作實(shí)物,測(cè)得天線在2 個(gè)頻段分別具有49. 9% (1. 70 ~ 2. 80 GHz) 和19. 2% (3. 20 ~ 3. 88 GHz)的相對(duì)帶寬,隔離度整體優(yōu)于20 dB,主視軸的交叉極化比優(yōu)于21 dB,2 個(gè)波段的半功率波束寬分別為66°±5°、78°±6°。與已有研究比較,該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在交叉極化和增益方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:交叉偶極子;基站天線;相對(duì)帶寬;雙極化;獨(dú)立控制;5G
中圖分類(lèi)號(hào):TN822+. 8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3106(2024)06-1522-07
0 引言
近年來(lái)5G 通信技術(shù)飛速發(fā)展,給生活帶來(lái)極大便利的同時(shí),對(duì)基站天線的各方面性能帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)[1]。考慮到在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),多種通信系統(tǒng)將會(huì)并存,所以研究融合2G (1. 71 ~1. 92 GHz)、3G(1. 88 ~ 2. 17 GHz)、LTE(2. 3 ~ 2. 4 GHz和2. 57 ~ 2. 69 GHz)以及Sub-6G(3. 3 ~ 3. 6 GHz 和4. 8 ~ 5. 0 GHz)多種通信制式的多頻段基站天線已成必然趨勢(shì)。目前應(yīng)用于基站天線的結(jié)構(gòu)主要分為微帶貼片天線、電磁偶極子天線以及交叉偶極子3 種。
微帶貼片天線具有體積小、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。貼片天線[5-6]分別采用Γ 型差分饋電以及F 型電容式探針饋電等方式拓展天線帶寬,融合2G ~ 4G 三種通信制式。然而貼片天線帶寬較窄,雖然可以通過(guò)優(yōu)化饋電結(jié)構(gòu)、加載寄生貼片等方式改善,但是拓展的寬度有限。磁電偶極子天線具有寬頻帶、輻射模式穩(wěn)定等特點(diǎn)[7-8]。天線[9]通過(guò)在主輻射體上加載矩形縫隙融合多個(gè)5G 波段,但是磁電偶極子天線通常體積過(guò)大、成本過(guò)高[10]。交叉偶極子基站天線目前在工程實(shí)際中運(yùn)用廣泛,具有寬頻帶、容量高等優(yōu)勢(shì)[11-14]。天線分別通過(guò)添加蝴蝶狀寄生貼片以及寄生分離柵欄拓展天線帶寬以及優(yōu)化天線輻射模式[15-16]。天線通過(guò)在金屬反射板及輻射貼片間增加電阻型頻率選擇表面優(yōu)化天線的輻射性能,并覆蓋2G ~ 5G 多個(gè)波段[17]。天線采用高低頻雙結(jié)構(gòu)相互嵌入的方式實(shí)現(xiàn)天線的多頻特性,可以方便獨(dú)立控制各個(gè)頻段[18]。這種多結(jié)構(gòu)天線固然可以實(shí)現(xiàn)多頻覆蓋,但是制作繁雜、成本較高。
針對(duì)多頻天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等問(wèn)題,基于交叉偶極子結(jié)構(gòu),采用內(nèi)環(huán)與外環(huán)相結(jié)合的方式,以單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻模式,覆蓋2G ~ 5G 所有通信頻段,并使帶寬具有足夠余量。此外,通過(guò)分別調(diào)整天線內(nèi)環(huán)以及外環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獨(dú)立控制高頻以及低頻波段。最終以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使天線具備了雙頻特性,獲得了良好的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。
1 天線結(jié)構(gòu)分析
1. 1 天線結(jié)構(gòu)
天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示,天線由2 對(duì)交叉偶極子(偶極子1 與偶極子2)、2 個(gè)Y 形饋電結(jié)構(gòu)、2 塊FR4 介質(zhì)基板、一塊四葉草狀的寄生貼片以及具有金屬壁的反射板組成。2 對(duì)交叉偶極子在介質(zhì)基板下方呈±45°放置。任一偶極子臂由開(kāi)有鐮刀狀槽縫的扇形內(nèi)環(huán)以及鉆石狀的外環(huán)組成,用以匹配低頻波段2G ~ 4G(LB)以及高頻波段5G(HB)兩個(gè)頻段(后續(xù)分別用LB、HB 表示低頻波段2G ~ 4G 以及高頻波段5G)。2 個(gè)Y 形饋電結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基板的上方,為保證電磁能量在2 對(duì)偶極子的傳輸路徑盡可能對(duì)稱(chēng),偶極子1 的饋電結(jié)構(gòu)使用一段截?cái)嗟奈Ь€(位于介質(zhì)基板的下方)。2 條同軸電纜外導(dǎo)體與偶極子臂直接相連,內(nèi)導(dǎo)體則穿過(guò)介質(zhì)基板與Y 型饋電結(jié)構(gòu)相接。具有金屬壁的反射板放置在距離偶極子輻射體下方H1 處,四葉草狀的寄生貼片位于輻射體正上方H2 處,用以?xún)?yōu)化天線阻抗匹配以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。天線的尺寸參數(shù)如表1 所示。
1. 2 天線結(jié)構(gòu)演化過(guò)程
天線結(jié)構(gòu)演化進(jìn)程如圖2 所示。
為使天線在LB 工作,將天線1 偶極子臂長(zhǎng)設(shè)為0. 25λ0(設(shè)LB 中心頻率2. 2 GHz 波長(zhǎng)為λ0 ),其回波損耗(S11 )曲線如圖3 中天線1 所示,在所需LB 產(chǎn)生2 個(gè)諧振點(diǎn)。在輻射單元內(nèi)挖去一扇形槽,在扇形區(qū)域以外只保留寬度為W4 的方形環(huán),并將得到的扇形環(huán)截?cái)啵渲萌缣炀€2。由于扇形內(nèi)環(huán)產(chǎn)生一個(gè)較短的電流路徑,致使天線在HB 產(chǎn)生了一諧振點(diǎn),并在中間頻段產(chǎn)生了一個(gè)陷波帶,但是2 個(gè)波段的帶寬此時(shí)都較窄。此時(shí)天線內(nèi)環(huán)與外環(huán)相結(jié)合產(chǎn)生的2 個(gè)頻段,為后續(xù)獨(dú)立控制天線LB、HB打下基礎(chǔ)。為進(jìn)一步拓展帶寬,在天線2 的扇形內(nèi)環(huán)開(kāi)出2 條鐮刀狀的槽縫,得到天線3,由于延長(zhǎng)了HB電流路徑,導(dǎo)致HB 諧振點(diǎn)右移,且?guī)挼玫酵卣埂?/p>
為使天線滿(mǎn)足所需工作頻段,增大偶極子間距W2 ,此時(shí)2 對(duì)偶極子間由于耦合產(chǎn)生的電磁能量減小,促使天線LB 的第二諧振點(diǎn)右移,如圖3 中天線4的S11 參數(shù),LB 帶寬完全覆蓋2G ~ 4G 波段,然而反射系數(shù)增大;HB 諧振點(diǎn)后移,但是帶寬仍然較窄。天線5 將方形環(huán)去直角化,在減小輻射體有效面積的同時(shí)使天線整體工作頻段后移,此時(shí)天線LB 的反射系數(shù)減小,阻抗匹配得到優(yōu)化,HB 則進(jìn)一步后移,但是帶寬始終未能覆蓋所需頻段。最終通過(guò)在輻射體上方添加寄生貼片,使天線在2 個(gè)頻段都滿(mǎn)足要求。
1. 3 寄生貼片影響
寄生貼片對(duì)S11 影響如圖4 所示。由圖4 可知,不同層數(shù)的寄生貼片對(duì)天線2 個(gè)頻段阻抗匹配影響都較大。隨著寄生貼片層數(shù)的疊加,LB 波段的阻抗匹配越來(lái)越理想,帶寬則不受影響;加載一層寄生貼片時(shí),天線HB 帶寬得到拓展,加載2 層時(shí)反射系數(shù)則增大??紤]到天線剖面不宜過(guò)高,本文只加載一層寄生貼片,配置如圖2 的天線。最終通過(guò)仿真得到天線的LB 相對(duì)帶寬為53. 6% (1. 68 ~ 2. 84 GHz),HB 為17. 9% (3. 24 ~ 3. 88 GHz)。
2 天線工作原理
2. 1 電流分布
天線在LB 中心頻率2. 2 GHz(波長(zhǎng)為λ0 )及HB中心頻率3. 5 GHz(波長(zhǎng)為λ1 )的電流分布如圖5 所示。如圖5(a)中紅色實(shí)線所示,天線在2. 2 GHz 處電流主要集中分布在扇形環(huán)外沿以及鉆石狀外環(huán)上,其等效電流路徑長(zhǎng)度EQ1 約為0. 25λ0 ,對(duì)應(yīng)天線工作的LB;如圖5 (b)中紅色實(shí)線所示,天線在3. 5 GHz 處電流主要集中在扇形內(nèi)部槽縫邊沿,等效電流路徑總長(zhǎng)EQ2 約為0. 25λ1 ,對(duì)應(yīng)天線工作的HB。天線在不同頻段的電流分布位置不同,這是實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制2 個(gè)頻段的基礎(chǔ)。
2 對(duì)偶極子呈±45°正交放置分別用以實(shí)現(xiàn)±45°雙極化。當(dāng)激勵(lì)偶極子2 時(shí),天線在2. 2、3. 5 GHz的分布電流在偶極子2 上呈+ 45° 指向,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生+45°極化,此時(shí)天線產(chǎn)生一個(gè)諧振點(diǎn),偶極子1則作為一個(gè)寄生耦合元件在其附近產(chǎn)生一新的諧振點(diǎn)用以拓寬天線整體帶寬。相反,當(dāng)激勵(lì)偶極子1時(shí),2 個(gè)頻段的分布電流在偶極子1 上呈-45°指向,天線則產(chǎn)生-45°極化,此時(shí)偶極子2 作為寄生元件輔助拓展帶寬??紤]到激勵(lì)天線任一端口結(jié)果一樣,本文僅激勵(lì)偶極子2。
2. 2 內(nèi)環(huán)和外環(huán)對(duì)頻段的控制作用
由以上分析可知,天線在不同頻段的電流分布位置不同,電磁能量輻射的方式也不同,因此可以通過(guò)調(diào)整外環(huán)以及內(nèi)環(huán)的尺寸參數(shù)獨(dú)立制2 個(gè)波段。利用仿真軟件HFSS 分別對(duì)天線外環(huán)寬度W4 以及內(nèi)環(huán)槽縫寬度G1 進(jìn)行參數(shù)掃描,得到的S11 參數(shù)如圖6 所示。隨著W4 逐漸增加,天線在LB 的阻抗匹配逐漸優(yōu)化,帶寬也逐漸拓寬,但是HB 諧振模式保持恒定,由此可以通過(guò)調(diào)整W4 單獨(dú)控制LB 帶寬以及阻抗匹配程度,考慮到天線的緊湊性,最終選取外環(huán)寬度W4 值為2. 5 mm;當(dāng)G1 逐漸增加時(shí),天線HB諧振模式右移,對(duì)LB 無(wú)任何影響,因此可以通過(guò)控制G1 值從而控制天線在HB 的工作頻段,為覆蓋5G 波段的n78(3. 3 ~ 3. 8 GHz)波段,最終選?。牵敝禐椋埃?7 mm。由此可以得出通過(guò)調(diào)整天線外環(huán)寬度W4 以及內(nèi)環(huán)槽縫寬度G1 可以分別獨(dú)立控制LB帶寬以及HB 工作波段。
2. 3 輻射體等效電路分析
為更清楚地描述天線工作機(jī)理,結(jié)合文獻(xiàn)[14-15]給出偶極子輻射體的參考等效電路,如圖7 所示??紤]到天線的雙頻特性,采用8 集總元件偶極子等效電路模型[19]。Cf 表示低頻時(shí)偶極子輻射體電抗的漸進(jìn)性,Lf 則用來(lái)抵消Cf 在高頻波段的影響[20],設(shè)其阻抗為Zf。R1 、L1 、C1 與R2 、L2 、C2 兩對(duì)并聯(lián)電路對(duì)應(yīng)論文天線實(shí)現(xiàn)的雙頻特性。設(shè)Z1 、Z2分別為2 個(gè)并聯(lián)電路的阻抗,Zin 為輻射體總輸入阻抗,則:
當(dāng)R1 、L1 、C1 發(fā)生并聯(lián)諧振(x1 = 0)且xf +x2 = 0時(shí),此時(shí)天線產(chǎn)生諧振點(diǎn)1;當(dāng)R2 、L2 、C2 發(fā)生并聯(lián)諧振(x2 = 0)且xf +x1 = 0 時(shí),天線產(chǎn)生諧振點(diǎn)3。由之前分析可得,當(dāng)只對(duì)其中一對(duì)偶極子進(jìn)行激勵(lì)時(shí),另一對(duì)偶極子則作為寄生元件產(chǎn)生另一諧振點(diǎn)拓展帶寬,對(duì)應(yīng)LB 的諧振點(diǎn)2。3 個(gè)諧振點(diǎn)如圖8 所示。
3 天線性能分析
依據(jù)表1 中天線尺寸參數(shù)制作天線實(shí)物,如圖9 所示。圖10 為天線+45°極化仿真及測(cè)試得到的反射系數(shù)曲線與隔離度曲線。天線實(shí)物在LB 測(cè)試得到的阻抗帶寬減小,但是總體趨勢(shì)相貼合;HB的阻抗匹配及帶寬則得到了優(yōu)化,最終獲得49. 9%(1. 70 ~ 2. 80 GHz)和19. 2% (3. 20 ~ 3. 88 GHz)的相對(duì)帶寬。此外,通過(guò)實(shí)物測(cè)試得到的隔離度相對(duì)于仿真測(cè)試有所提升,整體優(yōu)于20 dB。
圖11 為天線+45°極化仿真及實(shí)物測(cè)試得到的增益和半功率波束寬度(Half-Power Beamwidth,HPBW)。由于制作天線時(shí)添加了尼龍材質(zhì)的支撐柱,增大了電磁能量傳輸時(shí)的損耗,測(cè)試天線的增益相比于仿真得到的結(jié)果整體下降0. 5 dB,最終在LB、HB 分別獲得(9. 5±0. 5)dB、(6. 5±0. 1)dB 的增益,在陷波中心頻率3 GHz 處天線增益為-7 dB,低增益增強(qiáng)了天線的抗干擾性能。基站天線理想的HPBW 為65°,天線在LB、HB 的實(shí)測(cè)結(jié)果分別為(66±5)°、(78±6)°,HB 的HPBW 不太理想,但仍然符合工程實(shí)際應(yīng)用。由于制作公差以及尼龍支撐柱的增加,天線樣機(jī)實(shí)際的輻射效率下降,最高達(dá)到18% ,但是在2 個(gè)工作頻段內(nèi)仍然高于于70% ,如圖12 所示。
圖13 是本文天線分別在LB、HB 的起始頻率、中心頻率以及末尾頻率仿真及測(cè)試的極化輻射方向圖(E 面)。實(shí)物測(cè)試得到天線的主極化與交叉極化結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,最終測(cè)得天線在工作頻段內(nèi)主視軸的交叉極化比在2G ~ 4G 波段大于28 dB,在5G 波段大于21 dB。
與現(xiàn)有研究相比,天線具有寬頻帶、高隔離、高增益等優(yōu)勢(shì)。本文天線與其他天線性能對(duì)比如表2所示。相較于文獻(xiàn)[11 -12],本文提出天線具有高增益以及較高的極化純度。相較于文獻(xiàn)[14]天線,本文提出天線在低頻波段具有高隔離、高增益的優(yōu)勢(shì),在陷波段,設(shè)計(jì)的天線具有更強(qiáng)的抗干擾性;在高頻波段,提出的天線則完全覆蓋n78(3. 3 ~ 3. 8 GHz)波段,雖然在增益以及波束寬度方面不及文獻(xiàn)[14]天線,但是仍然符合工程實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[15 -16]天線是單波段天線,未能覆蓋2G 波段,相對(duì)于這2 款天線,本文設(shè)計(jì)的天線具有寬頻帶、高增益等優(yōu)勢(shì),且合理利用有限的頻譜資源,避免頻譜資源浪費(fèi)。
4 結(jié)束語(yǔ)
提出一款加載寄生貼片的適用于2G、3G、LTE、Sub-6 GHz 的基站天線,采用扇形內(nèi)環(huán)以及鉆石狀的外環(huán)分別產(chǎn)生2 個(gè)頻段,并實(shí)現(xiàn)對(duì)2 個(gè)波段的獨(dú)立控制。相對(duì)于傳統(tǒng)多頻段基站天線,設(shè)計(jì)的天線有效輻射面積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本較低。在中間波段3 GHz 的超低增益,使天線具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通過(guò)實(shí)物制作并測(cè)試得到的結(jié)果與仿真結(jié)果貼合,可以作為5G 基站天線將其運(yùn)用到實(shí)際工程場(chǎng)景當(dāng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] FARASAT M,THALAKOTUNA D N,HU Z H,et al. AReview on 5G Sub6 GHz Base Station Antenna DesignChallenges[J]. Electronics,2021,10(16):2000.
[2] MAK K M,LAI H W,LUK K M. A 5G Wideband PatchAntenna with Antisymmetric Lshaped Probe Feeds[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2018,66(2):957-961.
[3] HUANG H,LI X P,LIU Y M. A Lowprofile,Dualpolarized Patch Antenna for 5G MIMO Application[J]. IEEETransactions on Antennas and Propagation,2019,67(2):1275-1279.
[4] 楊波,孟慶東. 一種新型EBG 低剖面的微帶基站天線設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(4):92-94.
[5] TANG Z Y,LIU J H,CAI Y M,et al. A Wideband Differentially Fed Dualpolarized Stacked Patch Antenna withTuned Slot Excitations [J ]. IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2018,66(4):2055-2060.
[6] JIN Y Y,DU Z W. Broadband Dualpolarized Fprobe FedStacked Patch Antenna for Base Stations[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14:1121-1124.
[7] YIN J Y,ZHANG L. Design of a Dualpolarized Magnetoelectric Dipole Antenna with Gain Improvement at Low Elevation Angle for a Base Station[J]. IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2020,19(5):756-760.
[8] 吳思凡,李建星,曹元熙,等. 一種Ka 波段高增益磁電偶極子濾波陣列天線設(shè)計(jì)[J]. 無(wú)線電工程,2023,53(8):1752-1759.
[9] WU S H,SHANG F. Broadband Dualpolarized Magnetoelectric Dipole Antenna with Compact Structure for 5GBase Station[J]. IEEE Access,2023,11:20806-20813.
[10] QI J W,QIU Y Z,GAO B,et al. A Lower Profile Base Station Antenna:With Dualpolarization and Dualband forSub6GHz Application [J]. International Journal of RFand Microwave Computer aided Engineering,2021,31(6):e22635.
[11] LI Z L,HAN J Q,MU Y J,at el. Dualband Dualpolarized Base Station Antenna with A Notch Band for 2 /3 / 4 / 5G Communication Systems[J]. IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2020,19(12):2462-2466.
[12] ALIELDIN A,HUANG Y,BOYES S J,et al. A TripleBand Dualpolarized Indoor Base Station Antenna for 2G,3G,4G and Sub6 GHz 5G Applications [J ]. IEEEAccess,2018,6:49209-49216.
[13] NEI L Y,LIN X Q,CHEN Y J,et al. A Lowprofile Coplanar Dualpolarized and Dualband Base Station AntennaArray[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2018,66(12):6921-6929.
[14] DING C,SUN H H,ZHU H,et al. Achieving Wider Bandwidth with Full Wavelength Dipoles for 5G Base Stations[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2020,68(2):1119-1127.
[15] QI J W,PAN J K,LI Y S,et al. A Wideband Base StationAntenna Loaded with Bowtielike Parasitic Elements[J]. The Applied Computational Electromagnetics SocietyJournal,2022,37(8):893-900.
[16] RAO S L,CAI Q M,CAO X,et al. Fronttoback Ratioand Halfpower Beamwidth Improving for 4G / 5G BaseStation Antenna[J]. IET Microwaves,Antennas & Propagation,2022,16(15):955-961.
[17] CUI Y H,LI R L,WANG P. Novel Dualbroadband PlanarAntenna and Its Array for 2G / 3G / LTE Base Stations[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(3):1132-1139.
[18] 戴宗昆,周永剛,王佳友. 基于緊耦合結(jié)構(gòu)的寬帶基站天線設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào),2019,35(3):20-23.
[19] RAMBABU K,RAMESH M,KALGHATGI A T. BroadbandEquivalent Circuit of a Dipole Antenna[J]. IEET Microwaves Antennas and Propagation,1999,146(6):391-393.
[20] LIAO Y,HUBING T H,SU D L. Equivalent Circuit withFrequencyindependent Lumped Elements for Coated WireAntennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(11):5419-5423.
作者簡(jiǎn)介
王 帥 男,(1974—),博士,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:射頻識(shí)別、微波與天線技術(shù)。
(*通信作者)李曉明 男,(1995—),碩士研究生。主要研究方向:射頻與天線。
安萬(wàn)通 男,(1994—),碩士研究生。主要研究方向:射頻與天線。
基金項(xiàng)目:河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(17A510002);河南理工大學(xué)研究生培養(yǎng)基地(YJS2022LHJD03)