5G的基站通信天線的研究

孟 濤

（中國移動通信集團浙江有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

5G是新一代的移動通信技術，5G的問世標志著全球已經進入高速信息時代。5G技術在信息傳輸速度、傳輸模式上更加先進，能高頻傳輸信息，信息傳輸的安全性也更強。5G基站是支持5G技術的重要載體，而天線又是保證5G基站性能的重要基礎，天線在整個信息傳輸系統中起著十分重要的作用。由于5G基站在通信天線方面的性能要求較高，在5G基站通信天線設計過程中，需要切實利用濾波天線與圓極化天線的優勢，采取聯合設計的方式，基于濾波器原理加強天線設計，才能避免由于天線加載額外的濾波電路導致比例尺寸過大和阻抗不匹配的問題，有效地解決濾波器通帶中插入損耗較大而影響天線輻射性能的問題。在做好上述措施的基礎上，根據圓極化天線形成原理，借助現有技術，切實注重功分移相器作用的發揮，加強天線饋電網絡的應用。天線饋電網絡對天線的兩個偶極子臂可以同時進行等幅不同相饋電，由于電流經過不同的路徑，使得兩個偶極子臂之間的電流形成90°的相位差，最終把雙極化濾波天線優化成圓極化濾波天線。

1 濾波天線的工作原理

借助微帶線連接天線與濾波器，在饋電網絡中嵌入濾波器，減少阻抗變換環節，從而優化電路的整體性能，減少電路的尺寸，并采用多腔耦合濾波器改變天線輻射方向[1]。

2 圓極化天線的工作原理

第一步，單點饋電。采取單點激勵，從而構成兩種正交極化波，從而達到圓極化的目的，不僅結構簡單，而且尺寸較小。第二步，實施多點饋電。通過在正交饋電網絡中增加額外的功率分配器與90°移相器，從而得到圓極化天線。采取此類方法得到的圓極化天線，不僅軸比帶寬較寬，而且應用較為廣泛。第三步，多元饋電。通過多個線極化、圓極化輻射元，以相序螺旋陣列式，達到圓極化輻射的效果[2]。

3 分析5G基站通信天線設計要點——以圓極化濾波天線為例

本文在設計過程中，主要是為了滿足5G基礎通信的需要而設計通信天線，結合目前現有技術，基于濾波器與圓極化天線工作原理，設計集合這兩種天線優勢為一體的圓極化濾波天線。需要說明的是，本研究中的圓極化濾波天線為多層結構對濾波器工作原理進行模擬，采用90°的功分移相器達到圓極化的目的，設計的天線具有較強的阻抗性。本文設計的圓極化濾波天線的阻抗帶寬為3.16～4.1 GHz，VSWR＜1.5；相對帶寬為25.98%；軸比帶寬為3.18～3.76 GHz，AV＜3，相對帶寬為16.7%；增益最大為7.2 dBi，符合5G通信頻段的現實需要，能在5G基站中應用。

3.1 功分移相器設計要點

本文設計的功分移相器的結構包含Wilkinson功分器與90°移相器各一個，采取一分為二的方式組成，功分移相器的介質基板的介電常數2.65，具體如圖1所示。通過對其實施仿真運算之后，得到的仿真結果，如圖2所示。圖2（a）是功分移相器端口間S參數圖，而這兩個功分移相器的輸出端口具有相同的幅度，就一分為二的功分器而言，其2個端口，即S12和S13數據均為-10lg2，但是由于在實際加工和介質損耗等引發的誤差，那么其實際值肯定要比理論值小[3]。

從天線的輻射部分看，在同一介質基板的上下層，有兩個輻射部分，但是不能忽略介質基板的厚度因素，天線采用的是同軸線饋電，因此，電流通過輸入點到兩個輸出端口，在輸出路徑中的有著不同的相位。一般而言，在進行設計時，要嚴格控制移相器主路徑與輔路徑的相位差，不能超過90°，從而計算出功分移相器的最佳參數值，具體如表1所示。

圖1 功分移相器結構示意圖

3.2 濾波天線設計要點

在濾波天線設計中，主要是將偶極子設計成漸變式，這樣不僅能滿足帶寬要求，而且結構簡單，如圖3所示。在此基礎上，對濾波天線結構進行了設計，具體如圖4所示。從圖4可以看出，濾波天線主要包含了4個部分：（a）主輻射層；（b）耦合層；（c）偶極子饋線層；（d）饋電網絡。不僅每層結構清晰明確，而且其介質基板采用的介電常數是2.65[4]。

圖2 功分移相器

表1 功分移相器的最佳參數值

圖3 漸變式偶極子

從圖4可以看出，基板的介質分為四層：一是功分饋電網絡；二是偶極子輻射；三是耦合部分；四是天線輻射片。除功分饋電網絡外，為了有力固定絕緣螺絲，從其余的3個介質基板來看，將4個通孔對稱地布設在它們的四周，而層與層之間存在空氣，就需要采用PVC絕緣板，并利用絕緣螺栓來固定天線。從功分網絡來看，將2個圓柱通孔設置在介質基板之中，從而通過同軸線穿過介質基板，給上層偶極子饋線層實施饋電。輻射部分位于最頂層，在介質基板上印刷了8邊形金屬片，其作用是輻射能量。在最頂層下為耦合層，在耦合層中，采用小正方形金屬片，并在其外邊套上四角被切掉的正方形金屬片，在2個金屬片間預留一定縫隙，從而利用這一縫隙讓饋電偶極子片相互垂直，在介質基板兩層之間進行印刷。在功分饋電網絡介質基板的上層，設置了金屬地板，將4個通孔布設在其四周，而且還在中央設置了2個X軸對稱通孔。在設置過程中，為了防止同軸線與地板連接而發生短路的問題，就需要將通孔設置得略大于介質基板。在天線最底層是功分饋電網絡，其主要包含了一分為二的等幅功分器、隔離電阻與90°移相器。功分器入口實施微帶饋電，經過功分器及90°移相器后，再分別經過兩個輸出端口輸入天線輻射部分，同時也會輸入90°的等幅相位差，這是為了在遠場區讓天線形成圓極化波。而通過借助隔離電阻，就會導致兩個端口間的隔離增加，避免雙端口由于耦合較強而相互之間被影響。

當其余參數不變時，只改變天線的2個參數且實施仿真測試后發現，xm3的尺寸給天線高頻傳輸零點會帶來影響，具體如圖5（a）所示。yb1的尺寸給天線低頻傳輸零點帶來了影響，具體如圖5（b）所示。從該天線來看，偶極子部分借助饋電網絡的兩個輸出端，通過2根頭周線實現能量的傳輸，而且耦合層上金屬結構的表面縫隙好比濾波器的對地電感，輻射貼片好比電容，根據RLC串并聯原理可知，在電路中電容電感串聯會形成傳輸零點，并在天線增益圖中表現出增益最低點，從而達到濾波的目的。而低頻段部分，其傳輸零點則是利用漸變形的偶極子寬度進行控制[5]。

圖4 濾波天線結構示意圖

在做好上述工作的基礎上，就需要定量研究天線工作帶寬，并對天線的偶極子臂的長短實施仿真分析，得到的結果如圖6所示。從圖6來看，其阻抗帶寬主要是利用偶極子臂的長短來控制，偶極子臂的長短將對天線匹配性能帶來影響，而且臂長數值不同時，天線在低頻、高頻狀態下均存在頻偏效應，而通過對上述仿真研究與結果的分析，得到濾波天線 每個參數的最佳結果，如表2所示。

在做好上述工作在基礎上，就需要連接功分移相器與濾波天線，從而形成圓極化濾波天線。而在此基礎上，對其實施仿真與實測后得到的結果詳見圖7，通過分析該結果后發現，其圓極化濾波天線的阻抗帶寬為3.16～4.1 GHz，VSWR＜1.5；相對帶寬為25.98%；軸比帶寬為3.18～3.76 GHz，AV＜3，相對帶寬為16.7%；增益最大為7.2 dBi，天線高度是5.535 mm，為波長高度的0.06倍，為低剖面天線。

而圓極化濾波天線在工作頻段內輻射時，其輻射的方向如圖8所示，其右旋圓極化能量要高于比左旋圓極化能量，因此本文設計的是右旋圓極化濾波天線，并處于工作頻段之中，其輻射方向均是+Z方向進行定向輻射[6]。

圖5 天線增益受參數的影響示意圖

圖6 參數 xb1對天線帶寬的影響

表2 濾波天線設計最佳參數

圖7 圓極化濾波天線

圖8 （1）

圖8 圓極化濾波天線歸一化方向示意圖

結果圖中的仿真結果和實物測量的結果之間有一定的誤差，這主要是由于測試環境、天線加工和人工焊接造成的誤差，但是整體天線測試出的性能以及結果的趨勢與仿真設計的結果偏差不大，這說明該濾波天線的設計是符合要求的[7]。

4 結 論

在現代5G技術快速商用的今天，越來越多的頻段將逐漸得到試用，通過在5G基站通信天線中加強圓極化濾波天線的應用，不僅能達到天線工作的頻段要求，而且能有效抑制非工作頻段，從而最大程度降低信號干擾帶來的影響。