一種寬帶雙極化印刷振子基站天線單元的設計

王燦，葛悅禾

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

雙極化天線作為提高通信容量的手段，被廣泛應用于移動通信系統.文獻［1］使用兩個L形相互正交的探針進行電磁耦合饋電，實現寬帶雙極化.文獻［2］的寬帶雙極化天線使用了印制貼片分形天線技術，但其結構較復雜.文獻［3］設計了一種雙Γ形電磁饋電結構的±45°雙極化天線，實現了65.9%的阻抗帶寬（電壓駐波比小于2）和高于36 dB的隔離度.文獻［4］采用新型印刷金屬圓弧耦合饋電的圓環天線（低頻）與交叉微帶印刷振子（高頻）嵌套構成雙頻陣列，具有寬頻帶、低剖面的優點.文獻［5］提出一種雙貼片結構的線極化印制振子天線，實現了50%的阻抗帶寬，并且雙層貼片抑制了交叉極化.文獻［6］對傳統的微帶饋電的印刷偶極子天線饋電結構做了調整，使偶極子由上端開槽饋電變為下端饋電，以便實現雙極化，但是其天線帶寬相對較窄，只有40%.此外，還有很多專家在對印制偶極子天線的寬帶化設計等方面做了相關研究［7-11］.但在使用這些印制偶極子單元制作雙極化天線的時候，由于天線單元之間的耦合作用，存在如何實現體積小、寬頻帶、高隔離度雙極化天線等問題.本文設計了一副梯形帶狀線巴倫結構饋電的寬帶、雙極化、高隔離度印刷振子基站天線單元.

圖1 雙層印刷振子天線結構圖Fig.1 Geometry of the proposed double-layered printed dipole

1 雙極化天線的結構

圖1為文中提出的單極化雙層介質板印刷振子天線結構.該雙極化天線單元主要由兩個饋電巴倫高低不同的印刷振子天線和反射板組成，使兩個線極化的雙層介質板印刷振子天線十字正交地嵌在一起，構成雙極化.在底部饋電點處由SMA接頭對梯形印制饋電巴倫饋電，振子饋電中心高度設置在距反射板1／4波長高度的附近，底部金屬反射板可實現定向輻射，減小天線后瓣電平.印刷振子頂部短接兩個對稱的T形小貼片，用以展寬天線的帶寬.

該雙極化天線采用普通的FR4基板，介電常數為4.4，厚度為1.5 mm，介質板的長為88 mm、高為58 mm，印制貼片的高為55 mm，雙臂總長為68 mm，反射板采用160 mm×160 mm、厚為2 mm的鋁板.適當調節T形小貼片結構參數如長度、寬度和高度，可以調節頻帶高端的諧振頻率，展寬帶寬.

2 雙極化天線的設計與特性分析

通常印刷振子天線帶寬較窄，在帶寬內可通過調整振子兩臂的長和寬改變諧振頻率.在構成雙極化天線時，由于兩個90°交叉排列的印刷振子間的電磁耦合，使得兩振子天線的公共帶寬較窄.為滿足實際的工程帶寬需求，可通過改變貼片的形狀使之產生多諧振結構，展寬帶寬；同時將饋電巴倫設計成梯形結構，饋電巴倫采用多級阻抗變換結構，能夠改善阻抗匹配.此外，梯形結構能夠增加兩天線端口距離，減少雙端口能量耦合，可以有效的增大隔離度.

文中提出在振子頂部添加兩個對稱的短路T形小貼片（圖1），通過調整該T形短路小貼片結構來調整天線帶寬.為了驗證該短路貼片對擴展天線帶寬的作用，以及分析T形短路貼片結構對高頻段阻抗帶寬的影響，給出有無T形短路貼片結構對天線帶寬性能的影響，如圖2所示.

由圖2可見：加入T形貼片后，印刷振子的諧振頻率由3個變成了4個，且高頻段帶寬擴展比較明顯.電壓駐波比（VSWR）＜1.5天線帶寬顯著增加了，由原來的1.6～2.8 GHz擴展到1.4～3.5 GHz.這表明T形貼片的加入可以使振子在高頻段產生附加諧振，可以由饋電巴倫激起更多的高頻諧振點，從而擴展了帶寬.

考察T形貼片的長度（L）、寬度（W）和高度（H）對天線電壓駐波比（VSWR）的影響，如圖3所示.從圖3（a）可知：對于VSWR≤1.5阻抗帶寬，改變L值將對高頻段第3，4個諧振點的阻抗特性產生影響；L過短或過長都會使帶寬減小.從圖3（b）可知：隨著W的增大，第2個諧振點與第3個諧振點阻抗特性產生變化，第3個諧振點與第4個諧振點之間阻抗特性變化較小.從圖3（c）可知：H對天線第2，3，4整個諧振頻段的阻抗匹配影響較大.

圖2 T形貼片結構對天線駐波比的影響Fig.2 Effect of the T-shaped patchs on the VSWR of the antenna

圖3 T形短路貼片結構參數對天線電壓駐波比的影響Fig.3 Effects of T-shaped short patch structure parameters on the VSWR of the antenna

通過對上述T形短路貼片結構參數對雙極化天線帶寬影響的分析，可以觀察到T形短路貼片對1.60～2.25 GHz頻段內阻抗特性影響較小，而這部分的帶寬也正是主要由振子兩臂的長和寬決定的.但是，T形短路貼片對2.25～3.00 GHz頻段內影響很大，甚至說直接決定了天線帶寬性能的擴展，這也驗證了添加T形短路貼片對雙極化天線帶寬的擴展的有效性.

3 實驗結果與分析

天線雙端口電壓駐波比（VSWR）、增益（G）和隔離度（S21）的仿真實驗，如圖4所示.從圖4（a）可知：天線電壓駐波比的實測值與理論數值較吻合，但在2 GHz左右，理論值和實測結果有差別.主要原因是在裝配緊固雙層貼片結構時，在雙層結構中間有空氣縫隙改變了有效介電常數.從圖4（b）可知：天線雙端口增益的理論值和實測值基本吻合.

圖4 天線的駐波比、增益和隔離度仿真和實測比較Fig.4 Simulated and measured VSWR，gain and isolation of antenna

從圖4（c）可知：與應用雙Γ形饋電巴倫結構相比，采用梯形饋電巴倫隔離度提高了5 dB以上，且大部分工作帶寬的隔離度小于-40 d B，證明了采用梯形折彎結構的饋電巴倫提高了雙端口隔離度.當端口距離較近時，端口處耦合能量較強，端口隔離度較差.由于在端口附近采用了彎曲結構，加大了兩端口的距離，使端口相互耦合的能量減弱，提高了端口隔離度.由于實際操作過程中，在焊接SMA接頭至雙層介質板單元S帶狀線巴倫底部時，由于雙貼片的翹起，使得雙層介質板空氣縫隙較大 .所以，同雙端口的駐波比一樣，在2.1 GHz頻段內實測隔離度相對要差，性能只有-25 dB.

在不同頻段內，雙極化天線雙端口遠場測試的E面和H面方向圖，如圖5所示.

圖5 不同頻段內雙極化天線兩個端口的遠場測試方向圖Fig.5 Far-field patterns of the dual-polarized antenna at different frequencies

4 結束語

文中設計了一副梯形帶狀線巴倫結構饋電的寬帶、雙極化、高隔離度印刷振子基站天線單元.該設計將兩個采用雙層介質板輻射貼片結構的線極化偶極子天線正交地嵌在一起構成雙極化，并提出在輻射貼片單元雙臂頂端各添加短路小T形短路振子結構，使之產生高頻段的諧振點以擴展天線的工作帶寬.梯形帶狀線饋電巴倫底部的S彎折結構將天線饋電點移到一側減少了雙端口的能量的耦合，提高了雙端口隔離度，并且利于后期天線陣的安裝.該雙極化天線具有結構緊湊、體積小、帶寬寬、實現簡單和成本低廉的優點.

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

［2］ 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.

［3］ WU Bi-qun，LUK Kwai-man.A broadband dual-polarized magneto-electricdipole antenna with simple feeds［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8：60-63.

［4］ 王紅星，劉錫國，劉敏.一種新型低剖面、雙頻、雙極化寬頻帶陣列天線的研究與設計［J］.微波學報，2006，22（6）：40-44.

［5］ ZHOU Zhan-wei，YANG Shi-wen，NIE Zai-ping.A novel broadband printed dipole antenna with low cross-polarization［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，November，2007，55（11）：3091-3093.

［6］ LI Rong-lin，WU Terence，PAN Bo，et al.Equivalent-circuit analysis of a broadband printed dipole with adjusted integrated balun and an array for base station applications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（7）：2180-2184.

［7］ LU Xiao-peng，LI Yan.Novel broadband printed dipole［J］.Microwave and Optical Technology Letters，October，2006，48（10）：1996-1998.

［8］ ZHU Quan-jiang，YANG Shi-wen，HUANG Ming，et al.A double-layered printed dipole antenna with parasitic strips［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（6）：1517-1520.

［9］ WANG Y，SUN B H，HUANG J X，et al.Design of broadband dipole for TRI-band TD-SCDMA operation［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（8）：1821-1824.

［10］ CHU Qing-Xin，LUO Yu.A broadband unidirectional multi-dipole antenna with very stable beamwidth［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61（5）：2847-2852.

［11］ áVILA-NAVARRO E，ANTóN J，BLANES JoséM，et al.Broadband printed dipole with integrated via-hole balun for WiMAX applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（1）：52-55.