一種應用于CPE的低剖面雙頻圓極化天線

張小雨，孫虎成，2

(1.南京信息工程大學 應用電磁學研究中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇 南京 210044)

0 引言

客戶終端設備(Customer Premise Equipment,CPE)主要起到信號中繼的作用[1-3]。當前,隨著5G通信技術的迅猛發展,CPE可在很多通信場景下應用。與3G和4G通信技術相比,5G信號的穿透性相對較弱,不利于室內場景通信用戶的體驗。若采用CPE,用戶則可以根據實際使用場景的不同以及場地變化來重新部署,從而極大地提升了用戶體驗。

在CPE中,天線是一個關鍵器件,其性能決定了CPE的通信能力[4-6]。CPE有多個通信鏈路,可以與運營商基站進行通信,接收基站信號;另外也能夠以WiFi信號或有線信號的形式與各種本地設備進行通信,包括手機、電腦、電視和打印機等。在CPE與基站進行通信時,由于基站距離相對較遠,需要CPE天線有定向輻射波束。在CPE與本地設備通信時,由于各設備位置的不確定性,可能分布在CPE周圍的不同點,因此若CPE天線有全向輻射波束[7-8]便可以同時覆蓋所有設備。除了對天線輻射波束形狀的考慮之外,若天線具有圓極化特性[9-11],則可有效抑制多徑效應,提高無線通信的穩定性。此外,可設計低剖面天線[12-13]以提高CPE的集成度,有利于CPE的輕量化和小型化。

本文設計了一種應用于CPE的低剖面雙頻圓極化天線。該天線有效地集成了水平極化全向結構、垂直極化全向結構和定向結構,可在2.45 GHz實現全向圓極化輻射特性,在5.8 GHz實現定向圓極化輻射特性。天線的測試結果與仿真結果吻合,驗證了該天線設計的正確性。

1 天線結構及工作原理

1.1 天線結構與設計

本文設計的低剖面雙頻圓極化天線結構示意如圖1所示。設計的天線橫截面為圓形,半徑為48.5 mm。天線包含2層Rogers RO4350介質基板,厚度均為0.76 mm。由側視圖可知,天線的金屬層共有3層。上層金屬為一圓環輻射貼片,其環內有一橢圓形輻射貼片。從放大圖可以看出,橢圓形貼片的內部切出一矩形槽,以產生定向圓極化輻射。中間金屬層為一圓形地板,其四周均勻放置了4個偶極子天線,用以產生水平極化全向輻射。上層的圓環貼片與中間層的圓形地板之間通過36根短路柱相連,用來產生垂直極化全向輻射。下層金屬為饋電網絡,其有效地將4個偶極子、短路圓環貼片和橢圓形貼片連接在一起。其中,4個偶極子在合路之后,通過一個3 dB耦合器與圓環貼片相連,然后再通過一個雙工器與橢圓形貼片合并,最終匯合到同一個輸入端口。采用仿真軟件Ansoft HFSS對該天線各部分結構進行了優化設計,優化之后得到的最終天線參數如表1所示。

(a)天線俯視圖

(b)天線側視圖

(c)天線饋電網絡結構圖1 天線結構Fig.1 Structure of the proposed antenna

表1 天線參數Tab.1 Antenna parameters 單位:mm

1.2 天線工作原理

天線各部分連接的原理如圖2所示。設計的天線主要包含4個偶極子天線、短路圓環形貼片輻射結構、橢圓形貼片輻射結構、3 dB耦合器和雙工器。4個偶極子天線之間是等幅度同相激勵的,通過優化結構和尺寸可實現水平極化的全向陣列天線。短路圓環形貼片輻射結構在優化后可工作在TM01模式,產生垂直極化全向輻射。在水平面上,水平極化全向輻射和垂直極化全向輻射的遠場分量可表示為Eφ和Eθ。通過優化天線可將這2個分量幅值調節到近似相等。在遠場,2個分量疊加后的總場可寫為:

圖2 天線各部分連接原理Fig.2 Schematic of antenna connections

(1)

式中:δ為場分量Eφ和Eθ之間的相位差。用一個3 dB耦合器將偶極子陣列天線和短路圓環形貼片連接起來,即將δ的值控制在±π/2,使得輻射的總場為圓極化。

橢圓形貼片輻射結構工作在TM11模式,產生的是定向輻射[14-17]。通過在貼片中間位置開一矩形槽,引入微擾,可產生圓極化特性。由于全向輻射部分和定向輻射部分工作在不同頻段,采用了雙工器[18-19]將兩部分進行合并,最終匯合到同一個輸入端口。

2 樣機與測試驗證

為了驗證低剖面雙頻圓極化天線設計,對天線進行了加工、裝配和實際測試。天線實物照片如圖3所示。該天線包含多個金屬層和較多的金屬化通孔,以及多個貫穿雙層介質基板的饋電探針,在裝配時多層之間需精細貼合,對應通孔之間也需精密對準。在這些裝配過程中可能引入一些誤差。對天線進行了測試,實測結果與仿真結果吻合較好,設計的天線可在2個頻段分別輻射全向圓極化波和定向圓極化波。

(a)上層

(b)下層圖3 天線實物照片Fig.3 Photographs of the fabricated antenna

天線在全向輻射模式下的仿真與測試反射系數如圖4所示。測試的反射系數在2.35～2.48 GHz小于-10 dB,對應阻抗帶寬為5.31%。反射系數的實測結果優于仿真結果的原因可能是實際天線加工中引入了一些損耗。在實際加工中,天線中的多個需穿越金屬層的通孔效果不如仿真中理想,存在一定程度的損耗。這些損耗減少了一部分反射功率,從而導致反射系數下降。天線在x軸正方向的軸比如圖5所示,在2.45 GHz時,天線在x軸正方向上的軸比小于3 dB,具有圓極化特性。圖6給出了在2.45 GHz頻率下,天線在xoy平面上各個方向的軸比均小于3 dB,驗證了該天線在2.45 GHz頻率下具有全向圓極化特性。天線的加工誤差可能導致垂直極化和水平極化兩部分天線增益均有偏差,存在一定的偶然性,使得兩部分天線在方位角90°、180°和270°時,增益更為接近,測試的軸比性能相對仿真有一定程度的提高。圖7給出了在2.45 GHz頻率下天線在xoy、xoz和yoz平面上的輻射方向圖。測試結果表明,在2.45 GHz下天線的最大圓極化增益為-0.31 dBi。

圖4 天線在全向模式下的反射系數Fig.4 Reflection coefficients of the antenna at the omnidirectional mode

圖5 天線在x軸正方向的軸比Fig.5 Axial ratio of the antenna at the positive direction of x-axis

圖6 頻率為2.45 GHz時天線在xoy平面的軸比Fig.6 Axial ratio of the antenna in xoy-plane at 2.45 GHz

(a)xoy平面

(b)xoz平面

(c)yoz平面圖7 天線在2.45 GHz的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of the antenna at 2.45 GHz

圖8給出了天線在定向輻射模式下的仿真與測試反射系數。測試的反射系數在5.68～5.9 GHz小于-10 dB,對應阻抗帶寬為3.79%。天線在z軸正方向的軸比如圖9所示,測試的軸比值在5.75～5.89 GHz小于3 dB,對應軸比帶寬為2.41%。圖5和圖9中的軸比,在中心頻點處仿真與實測較接近,中心頻點之外仿真與實測偏差較大。可能原因是在軸比測試中,發射的電磁波功率不夠高,加上偏離中心頻點之外天線增益較低,測試電平更易受到噪聲的影響,導致了一定的測試誤差。圖10給出了在5.8 GHz下天線在xoz和yoz平面上的輻射方向圖。測試結果表明,在5.8 GHz下天線的最大圓極化增益為6.8 dB。

圖8 天線在定向模式下的反射系數Fig.8 Reflection coefficients of the antenna at the directional mode

圖9 天線在z軸正方向的軸比Fig.9 Axial ratio of the antenna at the positive direction of z-axis

(a)xoz平面

(b)yoz平面圖10 天線在5.8 GHz的輻射方向圖Fig.10 Radiation patterns of the antenna at 5.8 GHz

3 結束語

本文設計了一個低剖面雙頻圓極化天線。通過一個3 dB耦合器將偶極子陣列與短路環形輻射貼片相連,在2.45 GHz下產生了全向圓極化輻射特性。通過在橢圓形貼片中間切矩形槽引入微擾,在5.8 GHz下產生了定向圓極化輻射特性。采用一個雙工器,將2個頻段的天線輻射結構有效地匯合到了同一個輸入端口。對設計的天線進行了加工和測試,測試了天線的阻抗匹配、軸比、增益和輻射方向圖等特性,驗證了設計的有效性。該天線具有的低剖面和2種輻射模式的特性,適用于CPE以有效提高其通信能力。