一種新穎的寬頻帶雙極化基站單元天線研究

汪茂穩，周 恒，郭寶平

(1.深圳大學信息工程學院， 廣東深圳518060)

(2.華中科技大學光學與電子信息學院， 武漢430074)

0 引言

隨著通信技術的發展，移動通信已經進入第四代移動通信網絡。在3G移動通信體制下，多種通信標準要求移動通信天線能夠多系統共用以節省基站的站址安裝資源，減少網絡建設成本，并且，由于用戶數量不斷增加以及通信服務不斷擴展，提高移動通信的信道容量變得日益重要。提高信道容量的研究主要集中在頻率復用和正交極化技術［1］。近些年，±45°雙極化天線廣泛應用于移動通信系統中來提高信道容量并減少安裝成本。但是，基站天線很難同時實現寬頻帶、高隔離度、低交叉極化比［2］。

文獻［3］提出了同時激發電偶極子和磁偶極子來獲得E面和H面相同的輻射模式。文獻［4］提出了一種簡單的互補型天線結構，該結構中，兩個倒L型寄生電線放置在槽形天線天線旁，兩個倒L型寄生電線相當于電偶極子，槽型天線相當于磁偶極子。當電偶極子和磁偶極子一起輻射時，與采用單支撐柱或者無支撐柱結構的印刷天線、微帶天線［5］相比，大大拓寬了阻抗帶寬。依照這種電偶極子模型，文獻［2］通過L型探針饋電，用貼片天線實現了24%的阻抗帶寬和小于-30 dB的隔離度。隨后，人們在寬頻帶方向做了進一步的研究，文獻［6］提出了一種具有寬頻特性的單極化偶極子天線，該天線也是采用倒 L探針耦合饋電，阻抗帶寬為24.9%。在此基礎上，文獻［7］采用雙倒L型探針耦合饋電，并且采用±45°放置的兩對正交的方形偶極子作為輻射體，兩個端口的阻抗帶寬為65.9%(VSWR＜2)，并獲得了優于-36 dB的高隔離度，在整個工作頻段內，方向圖和帶寬非常穩定，但是，該天線饋電線與支撐柱間的距離小導致對阻抗特性影響大，這增加了安裝和調試成本，并且，天線兩個雙倒L型饋電線水平部分的距離過大，導致阻抗的一致性差。文獻［8］采用改進的領結型振子天線，其阻抗帶寬為1.4 GHz～3.6 GHz(VSWR＜1.5)，但是，該天線機械承重較大，不易加工制作。文獻［1］通過改變方形貼片邊緣形狀，和中間挖空等方式的改進型方形貼片天線來展寬天線帶寬，同時具有較好的阻抗特性，較高的隔離度，良好的交叉極化比。在上述基礎上，本文提出了一種新穎的、結構簡單實用的、寬頻帶雙極化方形偶極子基站天線單元，能滿足通信行業標準的要求。

1 天線結構

鑒于雙極化電磁偶極子天線具有良好的寬帶穩定性等優勢并結合文獻［2］中的饋電結構設計了一種改進型的寬頻雙極化基站天線單元，其結構如圖1～圖3所示。該基站天線單元主要由四部分組成:成±45°放置的兩對正交的方形偶極子天線、圓形支撐座、雙倒L型饋電線以及反射板。兩對正交的方形偶極子天線在天線的最上部，由四塊基本正方形環組成，是天線的主要輻射部分，四個正方形環的邊長L1為27.4 mm(約為λ/4，λ為中心頻率2.45 GHz對應的波長)，厚度為1 mm，四個正方形環之間的耦合距離為2 mm，仿真發現，大部分的表面電流都是沿著方形偶極子邊緣流動的，所以我們可以挖去正方形內面和側面的部分，減輕了輻射體的重量，同時保證了一定的美觀性。圓形支撐座距地板的高度也為λ/4，且在對稱的四個方向開了高度約為28 mm(約為λ/4)的四個槽來調節平衡饋電。

圖1 改進型寬頻雙極化基礎天線單元

由于工作帶寬的增加，傳統利用λ/4開路線的巴倫饋電結構不再適用在本天線中，因此，需要設計更加寬頻帶的饋電結構。如圖2所示，雙倒L型饋電線由兩部分組成:傳輸線和微帶耦合線。其中，第一垂直部分的圓柱形微帶線與地板和同軸線相連，相當于空氣微帶傳輸線，并且將電流從同軸饋電線傳輸到圓柱微帶饋線的第二部分，即水平段。水平段由弧形狀結構組成，該結構承擔了對電偶極子耦合饋電的作用，同時，還對天線的輸入阻抗有調節作用。為了提高隔離度，將兩端微帶線錯開高度放置的形式來減少耦合效應。并且，饋電線被部分設定在圓形支撐座四個圓柱形槽里面，利用支撐柱的阻擋減少了端口間的耦合。但是，由于這段微帶線呈現出的電感效應會引起天線的阻抗不匹配，于是，引入第三段微帶線-開路圓柱微帶線，與平面偶極子垂直，其產生的電容效應，可以抵消水平微帶線產生的電感效應，保證天線的阻抗匹配。仿真中發現，較細的耦合微帶線能夠展寬阻抗帶寬，提高兩端口隔離度，但是，過細的耦合微帶線不適合天線的安裝和調試。因此，我們選取微帶線為直徑為2 mm的圓銅柱。天線的反射板采用帶側邊的矩形反射板，大量研究表明，這種發射板能在一定程度上調整天線E面波束寬度和前后比，在仿真中我們通過調整這些反射板結構參數，可以得到天線所需要的E面/H面輻射方向圖。最終，我們采用長為1 3 0 mm，寬為120 mm，翻邊高為30 mm的鋁板，其厚度為1 mm。天線的整體結構如圖3所示，天線從反射板低端的兩個端口進行同軸饋電，其中，同軸線的內芯從端口1和端口2接入傳輸線的底端，同時為了模擬真實的實測環境，在頂部加入相對介電常數為4.5，損耗正切角為0.001的介質板來模擬天線罩。

圖2 雙倒L型饋電結構

圖3 天線結構側視圖

2 天線的阻抗特性和隔離度

2.1 阻抗分析

通過仿真優化得到最終的尺寸如表1所示，并依照尺寸制作了實物如圖1所示，圖4為該天線兩個端口的VSWR變化曲線，表2為兩端口的仿真和實測阻抗帶寬，從圖中可以看出，所設計的天線在LTE系統需求的工作頻段1.71 GHz～2.69 GHz內，端口1和端口2的VSWR＜1.4，實測的阻抗帶寬分別為63.3%和50.3%，比傳統的互補型寬帶天線［9］要寬。從仿真和實測結果來看，兩端口的VSWR曲線有輕微的差異，這可能是由于兩條倒L型饋電線結構的差異造成的。

表1 天線尺寸 mm

圖4 兩個端口的VSWR變化曲線

表2 兩端口的VSWR特性 GHz

2.2 隔離度分析

雙極化天線的最大優點是可以通過極化分集提高頻譜利用率，但是，必須要求兩個正交的極化之間相互隔離保證兩個極化天線接受到的信號是相互獨立的。因此，兩端口間的隔離度是雙極化天線的重要參數。圖5為天線兩個端口之間的隔離度曲線，由于此結構具有較好的對稱性，因此，S12曲線和S21曲線基本重合。從仿真和實測圖中可看出天線在1.61 GHz～3.30 GHz頻段內，其隔離度在低頻優于-35 dB，在高頻優于-30 dB，能很好地滿足通信行業標準。仿真中還發現，當減小地板的大小時，天線的阻抗特性和隔離度變化很小，因此，我們可以在所要求的標準范圍內盡可能地縮小基本單元的尺寸。

圖5 兩個端口的隔離度

3 天線的方向圖和增益

圖6～圖9和表3分別為天線兩個端口的E面/H面方向圖以及方向圖的具體輻射參數。分別選取了1.71 GHz、1.92 GHz、2.19 GHz、2.49 GHz、2.69 GHz以及3.16 GHz六個頻點進行觀察。

圖6 端口1仿真方向圖

圖7 端口1測試方向圖

圖8 端口2仿真方向圖

圖9 端口2測試方向圖

表3 兩端口的E面/H面波束帶寬對比

本文在1.71 GHz～3.16 GHz頻段內分別仿真和測試了五個頻點的輻射參數、仿真和測試所得的E面3 dB波束寬度均在51.6°～76.6°之間，具有很好的水平輻射特性，并且，E面和H面的主極化方向圖基本一致，這為天線組成陣提供基礎。波束寬度從低頻到高頻逐漸變窄，仿真和測試的前后比都在15 dB以上，最大值可以達到26.6 dB，交叉極化比在29 dB以上，在±60°的范圍內更是超過了18 dB，滿足行業要求。具體參數見表3。

對比天線的實測結果和仿真結果我們發現，在最低頻(1.71 GHz)和較高頻(2.69 GHz)處的特性相差較大，這是由于在實際天線加工模型為了天線的組裝測試引入了原本仿真模型中沒有的固定件，并且由于饋線固定結構設計缺陷導致饋線固定不穩影響了實際效果。在整個頻段內，實測和仿真的主極化方向圖大體相同，只是交叉極化方向圖有一些偏差，這可能是由于一些制造誤差和天線罩的影響所致，實測的天線3 dB波束寬度普遍比仿真時大，可能由于測試環境所致，由于在測試時加入了固定在天線轉臺上的反射板，而該反射板尺寸小于仿真時候的尺寸，這樣導致實際地板偏小。因此，拓寬了天線的3 dB波束寬度，不過這些指標都是在一定的誤差范圍內波動的。仿真和測試的前后比都在15 dB以上，最大值可以達到26.6 dB，交叉極化比在29 dB以上，在±60°的范圍內更是超過了18 dB，滿足行業要求。

天線的增益曲線如圖10所示，在所要求的1.71 GHz～2.69 GHz頻段內的增益大于7 dBi，實測的最大值可以達到10.6 dBi，可以看出，在實測和仿真結果中兩端口的增益在高頻段保持一致，低頻段有一定差異，主要是由于饋電點位置不同造成在低頻段的交叉極化不同，這可以從兩端口的主極化和交叉極化方向圖看出。總體而言，測試增益基本穩定，但是比仿真時要小一些，這可能是由于天線的匹配不好對其增益造成了一定的損失。該基站天線單元取得了較優的遠場輻射效果。同時，我們在測試中發現，當減小底板尺寸的大小，方向圖的變化不明顯，但是前后比和增益會變差。最后，值得一提的是，天線的高度以及耦合槽的大小對天線的特性影響不大，這也表明我們設計的結構是穩定可行的。

圖10 天線的增益曲線

4 結束語

本文基于方型偶極子輻射單元和新穎的饋電網絡設計了一種寬頻帶雙極化基站天線單元，并利用基于有限元分析法的電磁仿真軟件HFSS對該單元進行了仿真研究，之后依照優化尺寸制作出實物并對其測試。結果表明，該天線在1.69 GHz～3.13 GHz頻段內滿足VSWR≤1.5，其中在LTE系統需求的工作頻段1.71 GHz～2.69 GHz內，VSWR＜1.4，該頻段同時覆蓋以下標準:GSM1800、CDMA1900、MT-2000、TD-CDMA、WLAN、WMAX等，可以預見，該頻段的基站天線將成為研究熱點，本文中，雙倒L型饋電線采用銅柱制作，易安裝調試，且與采用單支撐結構［10］或者無支持結構［11-12］的印刷天線、微帶天線［9］相比，它同時激勵圓形支撐結構和兩對方形偶極子天線，相當于同時激勵電偶極子和磁偶極子，這樣大大展寬了帶寬，同時，相比于文獻［6］的輻射單元，本天線結構更簡單，承重更小，安裝制作更為方便，與此同時，該天線獲得較高的隔離度，良好的交叉極化比和穩定的增益方向圖，對寬頻帶雙極化天線的工程應用有一定的參考價值。

［1］ 陳 輝，薛鋒章.一種新穎的寬頻帶雙極化印刷偶極子基站天線［J］.重慶郵電大學學報:自然科學版，2011，23(1):58-60，70.Chen Hui，Xue Fengzhang.A novel broadband dual-polarized printed dipole base-station antenna［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2011，23(1):58-60，70.

［2］ Wong H，Lau K L，Luk K M.Design of dual-polarized L-probe patch antenna arrays with high isolation［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，52(1):45-52.

［3］ Clavin A.A new antenna feed having equal E-and H-plane patterns［J］.Trasactions of the IRE Professional Group on Antennas and Propagation，1954，2(3):113-119.

［4］ Clavin A，Huebner D A，Kilburg F J.An improved element for use in array antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1974，22(4):521-526.

［5］ Perruisseau-Carrier J，Hee T W，Hall P S.Dual-polarized broadband dipole［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2003，2(1):310-312.

［6］ Siu L，Wong H，Luk K M.A dual-polarized magneto-electric dipole with dielectric loading［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(3):616-623.

［7］ Wu B Q，Luk K M.A broadband dual-polarized magneto-electric dipole antenna with simple feeds［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8:60-63.

［8］ 黃賓虹，薛鋒章.一種新型的寬頻帶雙極化基站天線［J］.移動通信，2009(18):42-44.Huang Binhong，Xue Fengzhang.A novel wideband dualpolarized base-station antenna［J］.Mobile Communications，2009(18):42-44.

［9］ Pinkley J.Low complexity indoor wireless data links using chirp spread spectrum［D］.Alberta，Canada:University of Calgary，2003.

［10］ 周 金.邵世祥.跳時超寬帶(TH-UWB)多址系統性能的研究［J］.重慶郵電大學學報:自然科學版，2007，19(4):481-484.Zhou Jin，Shao Shixiang.Study on performance of THUWB multi-access system［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2007，19(4):481-484.

［11］ 白曉鋒，鐘順時，梁仙靈.翼形地板超寬帶(UWB)印刷天線［J］.上海大學學報:自然科學版，2006，12(2):125-128.Bai Xiaofeng，Zhong Shunshi，Liang Xianling.UWB printed antenna with a wing-shaped ground plate［J］.Journal of Shanghai University:Natural Science，2006，12(2):125-128.

［12］ 張闕盛.鎖相技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1994.Zhang Quesheng.Phase locking technique［M］.Xi＇an:Xidian University Press，1994.