面向２G～ ５G通信的雙頻雙極化基站天線設計

摘 要：為滿足多種通信制式融合的無線通信需求，提出一款覆蓋２Ｇ、３Ｇ、ＬＴＥ、Ｓｕｂ６ ＧＨｚ 波段的交叉偶極子基站天線。２ 對呈±４５°正交的偶極子用以實現天線的雙極化特性，輻射單元中的扇形內環、鉆石狀的外環分別對應天線要實現的低頻以及高頻波段，可以通過對內環以及外環結構參數的調整實現對２ 個頻段的獨立控制。天線上方的寄生貼片用以優化天線阻抗匹配。通過制作實物，測得天線在２ 個頻段分別具有４９． ９％ （１． ７０ ～ ２． ８０ ＧＨｚ） 和１９． ２％ （３． ２０ ～ ３． ８８ ＧＨｚ）的相對帶寬，隔離度整體優于２０ ｄＢ，主視軸的交叉極化比優于２１ ｄＢ，２ 個波段的半功率波束寬分別為６６°±５°、７８°±６°。與已有研究比較，該天線結構簡單，在交叉極化和增益方面具有顯著優勢。

關鍵詞：交叉偶極子；基站天線；相對帶寬；雙極化；獨立控制；５Ｇ

中圖分類號：ＴＮ８２２＋． ８ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０６－１５２２－０７

０ 引言

近年來５Ｇ 通信技術飛速發展，給生活帶來極大便利的同時，對基站天線的各方面性能帶來了更大的挑戰［１］。考慮到在未來很長一段時間內，多種通信系統將會并存，所以研究融合２Ｇ （１． ７１ ～１． ９２ ＧＨｚ）、３Ｇ（１． ８８ ～ ２． １７ ＧＨｚ）、ＬＴＥ（２． ３ ～ ２． ４ ＧＨｚ和２． ５７ ～ ２． ６９ ＧＨｚ）以及Ｓｕｂ-６Ｇ（３． ３ ～ ３． ６ ＧＨｚ 和４． ８ ～ ５． ０ ＧＨｚ）多種通信制式的多頻段基站天線已成必然趨勢。目前應用于基站天線的結構主要分為微帶貼片天線、電磁偶極子天線以及交叉偶極子３ 種。

微帶貼片天線具有體積小、遠場輻射模式穩定等優點［２－４］。貼片天線［５－６］分別采用Γ 型差分饋電以及Ｆ 型電容式探針饋電等方式拓展天線帶寬，融合２Ｇ ～ ４Ｇ 三種通信制式。然而貼片天線帶寬較窄，雖然可以通過優化饋電結構、加載寄生貼片等方式改善，但是拓展的寬度有限。磁電偶極子天線具有寬頻帶、輻射模式穩定等特點［７－８］。天線［９］通過在主輻射體上加載矩形縫隙融合多個５Ｇ 波段，但是磁電偶極子天線通常體積過大、成本過高［１０］。交叉偶極子基站天線目前在工程實際中運用廣泛，具有寬頻帶、容量高等優勢［１１－１４］。天線分別通過添加蝴蝶狀寄生貼片以及寄生分離柵欄拓展天線帶寬以及優化天線輻射模式［１５－１６］。天線通過在金屬反射板及輻射貼片間增加電阻型頻率選擇表面優化天線的輻射性能，并覆蓋２Ｇ ～ ５Ｇ 多個波段［１７］。天線采用高低頻雙結構相互嵌入的方式實現天線的多頻特性，可以方便獨立控制各個頻段［１８］。這種多結構天線固然可以實現多頻覆蓋，但是制作繁雜、成本較高。

針對多頻天線結構復雜、成本較高等問題，基于交叉偶極子結構，采用內環與外環相結合的方式，以單結構實現天線的雙頻模式，覆蓋２Ｇ ～ ５Ｇ 所有通信頻段，并使帶寬具有足夠余量。此外，通過分別調整天線內環以及外環結構參數可以獨立控制高頻以及低頻波段。最終以簡單的結構使天線具備了雙頻特性，獲得了良好的遠場輻射模式。

１ 天線結構分析

１． １ 天線結構

天線結構如圖１ 所示，天線由２ 對交叉偶極子（偶極子１ 與偶極子２）、２ 個Ｙ 形饋電結構、２ 塊ＦＲ４ 介質基板、一塊四葉草狀的寄生貼片以及具有金屬壁的反射板組成。２ 對交叉偶極子在介質基板下方呈±４５°放置。任一偶極子臂由開有鐮刀狀槽縫的扇形內環以及鉆石狀的外環組成，用以匹配低頻波段２Ｇ ～ ４Ｇ（ＬＢ）以及高頻波段５Ｇ（ＨＢ）兩個頻段（后續分別用ＬＢ、ＨＢ 表示低頻波段２Ｇ ～ ４Ｇ 以及高頻波段５Ｇ）。２ 個Ｙ 形饋電結構在介質基板的上方，為保證電磁能量在２ 對偶極子的傳輸路徑盡可能對稱，偶極子１ 的饋電結構使用一段截斷的微帶線（位于介質基板的下方）。２ 條同軸電纜外導體與偶極子臂直接相連，內導體則穿過介質基板與Ｙ 型饋電結構相接。具有金屬壁的反射板放置在距離偶極子輻射體下方Ｈ１ 處，四葉草狀的寄生貼片位于輻射體正上方Ｈ２ 處，用以優化天線阻抗匹配以及遠場輻射模式。天線的尺寸參數如表１ 所示。

１． ２ 天線結構演化過程

天線結構演化進程如圖２ 所示。

為使天線在ＬＢ 工作，將天線１ 偶極子臂長設為０． ２５λ０（設ＬＢ 中心頻率２． ２ ＧＨｚ 波長為λ０ ），其回波損耗（Ｓ１１ ）曲線如圖３ 中天線１ 所示，在所需ＬＢ 產生２ 個諧振點。在輻射單元內挖去一扇形槽，在扇形區域以外只保留寬度為Ｗ４ 的方形環，并將得到的扇形環截斷，配置如天線２。由于扇形內環產生一個較短的電流路徑，致使天線在ＨＢ 產生了一諧振點，并在中間頻段產生了一個陷波帶，但是２ 個波段的帶寬此時都較窄。此時天線內環與外環相結合產生的２ 個頻段，為后續獨立控制天線ＬＢ、ＨＢ打下基礎。為進一步拓展帶寬，在天線２ 的扇形內環開出２ 條鐮刀狀的槽縫，得到天線３，由于延長了ＨＢ電流路徑，導致ＨＢ 諧振點右移，且帶寬得到拓展。

為使天線滿足所需工作頻段，增大偶極子間距Ｗ２ ，此時２ 對偶極子間由于耦合產生的電磁能量減小，促使天線ＬＢ 的第二諧振點右移，如圖３ 中天線４的Ｓ１１ 參數，ＬＢ 帶寬完全覆蓋２Ｇ ～ ４Ｇ 波段，然而反射系數增大；ＨＢ 諧振點后移，但是帶寬仍然較窄。天線５ 將方形環去直角化，在減小輻射體有效面積的同時使天線整體工作頻段后移，此時天線ＬＢ 的反射系數減小，阻抗匹配得到優化，ＨＢ 則進一步后移，但是帶寬始終未能覆蓋所需頻段。最終通過在輻射體上方添加寄生貼片，使天線在２ 個頻段都滿足要求。

１． ３ 寄生貼片影響

寄生貼片對Ｓ１１ 影響如圖４ 所示。由圖４ 可知，不同層數的寄生貼片對天線２ 個頻段阻抗匹配影響都較大。隨著寄生貼片層數的疊加，ＬＢ 波段的阻抗匹配越來越理想，帶寬則不受影響；加載一層寄生貼片時，天線ＨＢ 帶寬得到拓展，加載２ 層時反射系數則增大。考慮到天線剖面不宜過高，本文只加載一層寄生貼片，配置如圖２ 的天線。最終通過仿真得到天線的ＬＢ 相對帶寬為５３． ６％ （１． ６８ ～ ２． ８４ ＧＨｚ），ＨＢ 為１７． ９％ （３． ２４ ～ ３． ８８ ＧＨｚ）。

２ 天線工作原理

２． １ 電流分布

天線在ＬＢ 中心頻率２． ２ ＧＨｚ（波長為λ０ ）及ＨＢ中心頻率３． ５ ＧＨｚ（波長為λ１ ）的電流分布如圖５ 所示。如圖５（ａ）中紅色實線所示，天線在２． ２ ＧＨｚ 處電流主要集中分布在扇形環外沿以及鉆石狀外環上，其等效電流路徑長度ＥＱ１ 約為０． ２５λ０ ，對應天線工作的ＬＢ；如圖５ （ｂ）中紅色實線所示，天線在３． ５ ＧＨｚ 處電流主要集中在扇形內部槽縫邊沿，等效電流路徑總長ＥＱ２ 約為０． ２５λ１ ，對應天線工作的ＨＢ。天線在不同頻段的電流分布位置不同，這是實現獨立控制２ 個頻段的基礎。

２ 對偶極子呈±４５°正交放置分別用以實現±４５°雙極化。當激勵偶極子２ 時，天線在２． ２、３． ５ ＧＨｚ的分布電流在偶極子２ 上呈＋ ４５° 指向，對應產生＋４５°極化，此時天線產生一個諧振點，偶極子１則作為一個寄生耦合元件在其附近產生一新的諧振點用以拓寬天線整體帶寬。相反，當激勵偶極子１時，２ 個頻段的分布電流在偶極子１ 上呈－４５°指向，天線則產生－４５°極化，此時偶極子２ 作為寄生元件輔助拓展帶寬。考慮到激勵天線任一端口結果一樣，本文僅激勵偶極子２。

２． ２ 內環和外環對頻段的控制作用

由以上分析可知，天線在不同頻段的電流分布位置不同，電磁能量輻射的方式也不同，因此可以通過調整外環以及內環的尺寸參數獨立制２ 個波段。利用仿真軟件ＨＦＳＳ 分別對天線外環寬度Ｗ４ 以及內環槽縫寬度Ｇ１ 進行參數掃描，得到的Ｓ１１ 參數如圖６ 所示。隨著Ｗ４ 逐漸增加，天線在ＬＢ 的阻抗匹配逐漸優化，帶寬也逐漸拓寬，但是ＨＢ 諧振模式保持恒定，由此可以通過調整Ｗ４ 單獨控制ＬＢ 帶寬以及阻抗匹配程度，考慮到天線的緊湊性，最終選取外環寬度Ｗ４ 值為２． ５ ｍｍ；當Ｇ１ 逐漸增加時，天線ＨＢ諧振模式右移，對ＬＢ 無任何影響，因此可以通過控制Ｇ１ 值從而控制天線在ＨＢ 的工作頻段，為覆蓋５Ｇ 波段的ｎ７８（３． ３ ～ ３． ８ ＧＨｚ）波段，最終選取Ｇ１值為０． ７ ｍｍ。由此可以得出通過調整天線外環寬度Ｗ４ 以及內環槽縫寬度Ｇ１ 可以分別獨立控制ＬＢ帶寬以及ＨＢ 工作波段。

２． ３ 輻射體等效電路分析

為更清楚地描述天線工作機理，結合文獻［１４－１５］給出偶極子輻射體的參考等效電路，如圖７ 所示。考慮到天線的雙頻特性，采用８ 集總元件偶極子等效電路模型［１９］。Ｃｆ 表示低頻時偶極子輻射體電抗的漸進性，Ｌｆ 則用來抵消Ｃｆ 在高頻波段的影響［２０］，設其阻抗為Ｚｆ。Ｒ１ 、Ｌ１ 、Ｃ１ 與Ｒ２ 、Ｌ２ 、Ｃ２ 兩對并聯電路對應論文天線實現的雙頻特性。設Ｚ１ 、Ｚ２分別為２ 個并聯電路的阻抗，Ｚｉｎ 為輻射體總輸入阻抗，則：

當Ｒ１ 、Ｌ１ 、Ｃ１ 發生并聯諧振（ｘ１ ＝ ０）且ｘｆ ＋ｘ２ ＝ ０時，此時天線產生諧振點１；當Ｒ２ 、Ｌ２ 、Ｃ２ 發生并聯諧振（ｘ２ ＝ ０）且ｘｆ ＋ｘ１ ＝ ０ 時，天線產生諧振點３。由之前分析可得，當只對其中一對偶極子進行激勵時，另一對偶極子則作為寄生元件產生另一諧振點拓展帶寬，對應ＬＢ 的諧振點２。３ 個諧振點如圖８ 所示。

３ 天線性能分析

依據表１ 中天線尺寸參數制作天線實物，如圖９ 所示。圖１０ 為天線＋４５°極化仿真及測試得到的反射系數曲線與隔離度曲線。天線實物在ＬＢ 測試得到的阻抗帶寬減小，但是總體趨勢相貼合；ＨＢ的阻抗匹配及帶寬則得到了優化，最終獲得４９． ９％（１． ７０ ～ ２． ８０ ＧＨｚ）和１９． ２％ （３． ２０ ～ ３． ８８ ＧＨｚ）的相對帶寬。此外，通過實物測試得到的隔離度相對于仿真測試有所提升，整體優于２０ ｄＢ。

圖１１ 為天線＋４５°極化仿真及實物測試得到的增益和半功率波束寬度（Ｈａｌｆ-Ｐｏｗｅｒ Ｂｅａｍｗｉｄｔｈ，ＨＰＢＷ）。由于制作天線時添加了尼龍材質的支撐柱，增大了電磁能量傳輸時的損耗，測試天線的增益相比于仿真得到的結果整體下降０． ５ ｄＢ，最終在ＬＢ、ＨＢ 分別獲得（９． ５±０． ５）ｄＢ、（６． ５±０． １）ｄＢ 的增益，在陷波中心頻率３ ＧＨｚ 處天線增益為－７ ｄＢ，低增益增強了天線的抗干擾性能。基站天線理想的ＨＰＢＷ 為６５°，天線在ＬＢ、ＨＢ 的實測結果分別為（６６±５）°、（７８±６）°，ＨＢ 的ＨＰＢＷ 不太理想，但仍然符合工程實際應用。由于制作公差以及尼龍支撐柱的增加，天線樣機實際的輻射效率下降，最高達到１８％ ，但是在２ 個工作頻段內仍然高于于７０％ ，如圖１２ 所示。

圖１３ 是本文天線分別在ＬＢ、ＨＢ 的起始頻率、中心頻率以及末尾頻率仿真及測試的極化輻射方向圖（Ｅ 面）。實物測試得到天線的主極化與交叉極化結果與仿真結果基本一致，最終測得天線在工作頻段內主視軸的交叉極化比在２Ｇ ～ ４Ｇ 波段大于２８ ｄＢ，在５Ｇ 波段大于２１ ｄＢ。

與現有研究相比，天線具有寬頻帶、高隔離、高增益等優勢。本文天線與其他天線性能對比如表２所示。相較于文獻［１１ －１２］，本文提出天線具有高增益以及較高的極化純度。相較于文獻［１４］天線，本文提出天線在低頻波段具有高隔離、高增益的優勢，在陷波段，設計的天線具有更強的抗干擾性；在高頻波段，提出的天線則完全覆蓋ｎ７８（３． ３ ～ ３． ８ ＧＨｚ）波段，雖然在增益以及波束寬度方面不及文獻［１４］天線，但是仍然符合工程實際應用。文獻［１５ －１６］天線是單波段天線，未能覆蓋２Ｇ 波段，相對于這２ 款天線，本文設計的天線具有寬頻帶、高增益等優勢，且合理利用有限的頻譜資源，避免頻譜資源浪費。

４ 結束語

提出一款加載寄生貼片的適用于２Ｇ、３Ｇ、ＬＴＥ、Ｓｕｂ-６ ＧＨｚ 的基站天線，采用扇形內環以及鉆石狀的外環分別產生２ 個頻段，并實現對２ 個波段的獨立控制。相對于傳統多頻段基站天線，設計的天線有效輻射面積較小、結構簡單、制作成本較低。在中間波段３ ＧＨｚ 的超低增益，使天線具有較強的抗干擾能力。通過實物制作并測試得到的結果與仿真結果貼合，可以作為５Ｇ 基站天線將其運用到實際工程場景當中。

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作者簡介

王 帥 男，（１９７４—），博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向：射頻識別、微波與天線技術。

（*通信作者）李曉明 男，（１９９５—），碩士研究生。主要研究方向：射頻與天線。

安萬通 男，（１９９４—），碩士研究生。主要研究方向：射頻與天線。

基金項目：河南省高等學校重點科研資助項目（１７Ａ５１０００２）；河南理工大學研究生培養基地（ＹＪＳ２０２２ＬＨＪＤ０３）