摘要：針對5G移動通信多頻段的需求，本文設(shè)計了一款適用于5G基站應(yīng)用的寬帶雙極化基站天線單元。該基站天線單元由兩對加載了箭頭形枝節(jié)的環(huán)形偶極子、兩條Y形微帶饋線與同軸饋線構(gòu)成。利用多模融合的原理，通過加載箭頭形枝節(jié)與偶極子臂形成強耦合，激勵起高頻諧振模式，進一步實現(xiàn)天線的寬帶化。對天線實物進行加工測試，天線在3.4 GHz～5.1 GHz的工作頻段內(nèi)，端口反射系數(shù)lt;-10 dB，端口隔離度優(yōu)于21 dB，帶內(nèi)增益（8.6±0.8） dBi，實測半功率波束寬度為（67°±3°），交叉極化鑒別率高于22 dB，測試結(jié)果與仿真吻合良好。所設(shè)計的寬帶雙極化基站天線覆蓋3.4 GHz～3.8 GHz、4.4 GHz～5 GHz 的雙5G通信頻段，有助于解決站址資源緊張的基站部署難題。

關(guān)鍵詞：基站天線；高頻諧振模式；寬帶天線

中圖分類號：TM931 文獻標志碼：A 文章編號：0253-2395（2024）05-1054-08

0 引言

隨著5G 通信技術(shù)的快速發(fā)展，多頻段通信的需求不斷增加，工業(yè)界需要支持數(shù)據(jù)傳輸速率更高和頻譜覆蓋更廣的通信系統(tǒng)［1］，而傳統(tǒng)的單頻窄帶天線往往無法滿足這些需求，寬帶天線的設(shè)計成為一大研究熱點。

在5G 時代，不同頻段的天線被用于不同的通信服務(wù)，多個頻帶的共存、站址資源的緊張成為基站部署的挑戰(zhàn)［2-8］。在多頻帶共口徑的基站場景下，為了盡可能減少基站中天線的數(shù)目，要求一個天線能夠支持多個通信頻段，即要求天線單元能夠?qū)崿F(xiàn)多頻段通信的集成。

一種方案是在設(shè)計多頻段天線，傳統(tǒng)的多頻段天線設(shè)計依賴于對諧振路徑的精細設(shè)計［9］、高低頻天線嵌套放置［10］等。但該方案不適用于小頻比的場景，如5G 通信頻段3.4GHz～3.8 GHz、4.4 GHz～4.8GHz，二者的頻比僅1.27，其諧振路徑長度相近，彼此之間的跨波段耦合將對天線的匹配與輻射性能產(chǎn)生嚴重惡化，制約了其在基站中的進一步應(yīng)用。

另一種支持多頻段天線的方案是寬帶基站天線設(shè)計。但傳統(tǒng)的寬帶行波天線，如對數(shù)周期天線、等角螺旋天線，由于體積龐大，在采用多天線技術(shù)的基站中不易部署。Liu 等［10］利用磁電偶極子作為天線陣元，但由于其復雜的制造流程與較高的成本使其不適合在未來大規(guī)?；咎炀€中進行應(yīng)用。Yang 等［11］和Lian 等［12］使用堆疊貼片天線的方式來展寬阻抗匹配帶寬。Cui 等［13］和Bao 等［14］將兩對環(huán)偶極子交叉放置，通過調(diào)整耦合臂之間的間距及切角長度，可實現(xiàn)天線的寬帶化性能。Wu 等［15］和Yang 等［16］利用在天線上方加載寄生貼片將天線的阻抗帶寬展寬。Huang 等［17］、Hua 等［18］和Li 等［19］提出了新型的饋電方式來優(yōu)化天線的阻抗匹配性能。多模融合是一種通過激勵起天線的多個模式并使之融合的寬帶天線設(shè)計方案［20-22］。Zeng 等［20］通過堆疊貼片與U 形槽的方式激勵起五個模式，利用特征模分析法對各個模式進行精細調(diào)控，實現(xiàn)了五個模式的融合，獲得了74% 的寬帶阻抗匹配與3 dB 增益帶寬。Liu 等［21］將超表面的三個模式與饋電槽引入的模式進行融合，獲得了79% 的阻抗匹配帶寬與77% 的3 dB 增益帶寬。Hu 等［22］通過引入短路銷釘與寄生貼片激勵并控制三個模式的融合，實現(xiàn)了96% 的寬帶阻抗匹配特性與86% 的3 dB 軸比帶寬。

本文基于多模融合的天線寬帶化原理，通過對偶極子單元的電流特性進行調(diào)控，在不增加天線輻射口徑的情況下，可以在相對較小的天線輻射體上實現(xiàn)對雙5G 通信頻段（3.4GHz～3.8 GHz、4.4 GHz～5GHz）的覆蓋，大大提高了基站的空間利用率，有利于緩解基站站址資源緊張的問題。

1 基本原理

基于多模融合的天線設(shè)計寬帶化原理如圖1 所示。當一個天線輻射體能夠激勵起多個諧振模式（如圖1（a）中的模式1、模式2、模式3），通過合理設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以使得這些諧振模式的工作頻率彼此靠近，彼此的工作頻帶相互重疊，實現(xiàn)多模融合的效果，如圖1（b）所示。這意味著天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)高效的信號傳輸和接收，以滿足不同頻段的通信需求，即實現(xiàn)寬帶化設(shè)計。

2 天線單元設(shè)計

2.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，整個天線由輻射單元、饋電巴倫、同軸線以及反射板組成。圖2（a）給出了天線的輻射體結(jié)構(gòu)，每個天線的輻射體由兩對沿±45°放置的環(huán)形偶極子組成，以實現(xiàn)雙極化的輻射特性。所有的介質(zhì)基板采用FR4 板材，介電常數(shù)ε r=4.4，損耗角正切tanδ =0.001，厚度ts=1 mm。四個環(huán)形輻射器印制在介質(zhì)基板的底面，兩條Y 形饋線印制在基板的頂面。為避免兩條饋線的重疊，同時盡可能保證饋線天線結(jié)構(gòu)的對稱性，如圖2 （b）所示，對Y 型饋線進行了“ 跳線”處理：其中一條饋線的中間部分印在基板的底面，并通過兩個金屬化通孔與印在介質(zhì)基板頂部的其余部分相連。每對偶極子由一對50 Ω 的RG405 同軸電纜饋電，其外導體與偶極子的一個環(huán)單元相連，內(nèi)導體通過一個未金屬化的通孔與相應(yīng)的Y 形饋電線相連。

2.2 天線工作原理與設(shè)計

基于前文提到的基于多模融合的寬帶化思想，天線單元的設(shè)計過程如圖3 所示。

天線1（ant 1）：由普通方形貼片構(gòu)成的輻射體。為了給改進的Y 形饋線留出足夠的空間用于焊接，在方形貼片的其中一個角上進行了切角處理。

天線2（ant 2）：由普通方環(huán)形貼片構(gòu)成的輻射體。為了使天線小型化，在原貼片中挖去一個帶切角的小方形貼片，以延長電流路徑。同時，內(nèi)外均進行切角處理后，可以留出更多的空間，便于將同軸電纜的外導體焊接到環(huán)形偶極子臂上。

天線3（ant 3）：由嵌套雙環(huán)單元構(gòu)成的輻射體。為了在不增大天線口徑的情況下實現(xiàn)天線的寬帶性能，在天線上增加寄生枝節(jié)1，引入新的諧振模式。

天線4（ant 4）：由加載箭頭枝節(jié)的環(huán)形單元構(gòu)成的輻射體。加載寄生枝節(jié)2 與寄生枝節(jié)1構(gòu)成箭頭形枝節(jié)，進一步優(yōu)化天線的阻抗匹配性能，即為本文提出的寬帶基站天線的設(shè)計。

為了更好地展示多模融合實現(xiàn)寬帶的原理，圖4 中比較了四個不同輻射體的|S11|。

天線的電尺寸和相鄰元件兩個環(huán)偶極子臂之間的耦合分別控制兩個較低的諧振模式，分別稱為：低頻諧振模式（記作模式L）和中頻諧振模式（記作模式M）。值得注意的是，本文所提出的天線單元設(shè)計中，天線3 引入的寄生枝節(jié)1 和外環(huán)臂之間的強耦合將激勵起高頻諧振模式（記作模式U）。其原理是強耦合通過改變環(huán)路上的電流分布來激發(fā)模式U。但從圖4 中可以看出，包含一個寄生枝節(jié)的天線3 在高頻段只引入一個很弱的諧振，端口的匹配性能差，對展寬頻帶沒有貢獻。因此，天線4 額外引入了寄生枝節(jié)2，與寄生枝節(jié)1 一起構(gòu)成了箭頭形的寄生枝節(jié)加載，阻抗匹配性能得到了極大的優(yōu)化，此時在高頻段模式U 被有效激勵起來，天線的工作頻帶實現(xiàn)展寬。

本文設(shè)計的天線單元不僅通過多模融合實現(xiàn)寬帶性能，還具有高滾降的濾波特性。如圖5所示，當天線工作在模式U 時，外部電流Jso 和內(nèi)部寄生電流Jsi 之間構(gòu)成反向電流，因此其形成的輻射將在遠場相消，產(chǎn)生輻射零點，即在模式U 的上邊帶實現(xiàn)了邊緣滾降和帶外抑制特性。

2.3 天線設(shè)計參數(shù)分析

為了更好地理解多模融合的寬帶化設(shè)計思想，圖6 給出了箭頭形寄生枝節(jié)的部分關(guān)鍵參數(shù)g2、W2 和W3 對模式U 的影響。

g2 表示的是外環(huán)臂與內(nèi)部寄生枝節(jié)之間的間隙寬度，對二者之間的耦合強度起決定性的作用。如圖6 （a）所示，隨著g2 的增大，外環(huán)臂與內(nèi)部寄生枝節(jié)的耦合減弱，模式U 向高頻移動。

W2 是內(nèi)部寄生枝節(jié)的切角寬度，對外環(huán)臂與內(nèi)部寄生枝節(jié)之間的耦合路徑的長度起主要影響。如圖6 （b）所示，當W2 從1.1 mm 增大到3.1 mm，耦合路徑長度減小，模式U 從4.75GHz 移動到5.4 GHz。

W3 表示的是內(nèi)部寄生枝節(jié)1 的寬度，對內(nèi)部耦合枝節(jié)的電流路徑長度起主要影響。如圖6 （c）所示，當W3 增大，寄生枝節(jié)的寬度增加，內(nèi)邊緣電流路徑縮短，模式U 向高頻移動，同時，由于內(nèi)部枝節(jié)變粗，使得耦合電流的分布更均勻、變化更緩慢，帶來更好的阻抗匹配性能。

總的來看，只需通過調(diào)整寄生枝節(jié)的一些關(guān)鍵參數(shù)，可以很容易地獲得模式U 所需的諧振頻率和匹配性能，將模式U 與模式L、M 進行融合，即可實現(xiàn)天線的寬帶化設(shè)計。最終經(jīng)過Ansys HFSS 的優(yōu)化，確定了最終的天線主要參數(shù)，如表1 所示。

3 實驗測量與結(jié)果分析

圖7 展示了天線單元輻射體以及焊接后的實物圖，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波暗室對天線的阻抗匹配特性、輻射特性進行了測試。

圖8 給出了天線的仿真和實測的散射參數(shù)對比，測試結(jié)果表明在3.4 GHz～5.1 GHz 的寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)|S11| lt;-10 dB，表明所設(shè)計的天線可以支持雙5G 通信頻段（3.4 GHz～ 3.8 GHz 和4.4 GHz～ 5 GHz），并具有良好的阻抗匹配。|S11| 與|S22| 的不對稱主要是由±45° 極化的Y 形饋線結(jié)構(gòu)的不對稱以及焊接中的誤差造成。表2 給出了+45° 極化端口激勵時，多個頻點的增益（Gain）、半功率波瓣寬度（Half-Power BeamWidth，HPBW）、交叉極化鑒別率（Cross-Polar?ization Discrimination，XPD）、前后比（Front toBack Ratio，F(xiàn)BR）的仿真與測試結(jié)果對比。在3.4 GHz～5.1GHz 的寬頻帶內(nèi)，實測增益為8.6dBi± 0.8 dBi，實測HPBW 為67°± 3°，交叉極化鑒別率均高于22 dB，端口隔離度高于20 dB，前后比高于18 dB，滿足工程要求。

所設(shè)計的寬帶基站天線的方向圖如圖9 所示，由于天線結(jié)構(gòu)的對稱性，此處只給出+45°極化端口激勵時的方向圖?？梢钥闯?，天線在帶內(nèi)的方向圖比較穩(wěn)定，仿真與實測吻合良好。

從表3 可以看出，本文設(shè)計的寬帶雙極化基站天線在實現(xiàn)寬帶化性能的同時，沒有額外增加天線的口徑尺寸與剖面高度，在設(shè)計緊湊的同時，滿足了工程對于基站天線的各項性能指標。文獻［15］在天線上方加載多層寄生結(jié)構(gòu)，在拓寬帶寬的同時，增加了天線的剖面高度，增加了制造、裝配的難度。文獻［17］在輻射體的外側(cè)加載寄生枝節(jié)，使得輻射體的口徑被擴大；文獻［19］在天線下加載介質(zhì)塊，有效降低了天線的剖面高度，但帶寬受限，僅有20%。綜上所述，本文設(shè)計的寬帶雙極化基站天線在帶寬、口面尺寸、剖面高度、制造裝配難度等方面相比現(xiàn)有研究均表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，適合在大規(guī)?；咎炀€陣列中進行應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文基于多模融合的寬帶化原理，在傳統(tǒng)的雙極化環(huán)偶極子天線的基礎(chǔ)上加載箭頭形寄生枝節(jié)激勵起高次諧振模式，設(shè)計出一款具有高裙邊滾降性能，覆蓋3.4 GHz～5.1 GHz 的寬帶雙極化基站天線，天線整體尺寸27 mm×27 mm×18 mm，并進行了加工、焊接、測試。實測結(jié)果表明，所設(shè)計的天線在不增加天線口面半徑與剖面高度的情況下，在3.4 GHz～5.1 GHz 的寬帶范圍內(nèi)較好地滿足了基站天線的設(shè)計指標，且具有交叉極化低與方向圖穩(wěn)定的輻射特性，驗證了基于多模融合的寬帶天線設(shè)計的可行性，為基站天線的寬帶化設(shè)計提供了可行性方案。所設(shè)計的寬帶基站天線具有支持雙5G 通信頻帶的特性，有望減少5G 基站中的天線數(shù)量，緩解基站站址資源緊張的問題。邊緣滾降特性與小口徑顯示出該天線適合作為高頻天線單元，在Sub 6G 的基站架構(gòu)中具有很大的應(yīng)用潛力。

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基金項目：毫米波國家重點實驗室開放課題（K202322）