用于5G通信的阻抗帶寬共形四臂螺旋天線改進研究

何錦 商鋒

摘 要：文章提出了一種有效改進阻抗帶寬的共形印刷四臂螺旋天線。該天線在改進帶寬方面進行了研究。在結構上每個輻射振子旁邊添加一個寄生振子，分別以相同的長度、不同的寬度和螺旋角度繞制以減少振子間耦合，一寬一窄兩個輻射臂底部進行相連接以用來增加帶寬，饋電方式采用四端口同軸線饋電。仿真結果表明，平均增益在3.4～3.6 G之間為4.6 dBi，在3.4～3.6 G之間帶寬達到600 MHz，回波損耗達到-28 dB。提出的天線具有寬阻抗帶寬，高增益和小尺寸的特點，使其成為未來5G移動應用的自然選擇。

關鍵詞：四壁螺旋天線;共形;改善帶寬;5G

0 引言

隨著5G通信時代的來臨，除了對信息的傳輸載體要求很高外，實現信息收發的天線也起到至關重要的作用，因此，對天線性能的要求也是越來越高。5G頻譜中使用的天線，對其極化方式和天線的體積都有嚴格的要求，期望天線的體積盡可能的小[1]。四臂螺旋天線就是一種俯仰面寬波束寬軸比，方位面全向的圓極化天線，它被廣泛應用于上述領域。現代通信系統對天線尺寸、帶寬、波束寬度、軸比等方面提出了很高的要求。相對于其他螺旋天線，四臂螺旋天線具有平面體積小、定向圓極化性能好等優點[2]。特別是基于柔性材料所制成的印刷四壁螺旋天線更以其容易實現、加工準確度高等優點備受廣大研究者的青睞。印刷共形天線由卷繞在介質柱上的微帶線構成，微帶基片一般選取厚度較薄的介質片或柔性材料。

傳統意義上的軸向印刷四臂螺旋天線在其中心諧振頻點附近相對帶寬為2%～5%，這對單頻點、單系統應用來說是足夠的，但對多個頻段、多個系統共用的天線來說，帶寬則遠遠不夠[3]。因此，展寬阻抗帶寬的四臂螺旋天線越來越受到重視，如采用終端開路底饋四臂螺旋天線，能夠將相對帶寬擴展到10以上[4]，利用折合形狀振子增加終端開路輻射臂的寬度，從而拓展印刷四臂螺旋天線的相對帶寬，軸向模式可以達到30%[5]，將套筒天線原理和四臂螺旋天線相結合，形成套筒四臂螺旋[6]，將軸向模式頻帶寬度拓展到了3.5∶1，采用平面螺旋和柱面螺旋相結合的方式，還能將帶寬拓寬到7∶1[7]。此外，如果能夠實現多頻段匹配，不僅能夠很好地應用于多個系統，而且還能夠在天線端形成對其他頻段的隔離，有利于提高整個通信系統的抗干擾性能。然而，這些文章僅對天線輻射體的輻射性能進行了重點研究，實際上天線的饋電網絡對輻射效率影響也很大，特別是饋電網絡和輻射體連接部分，如果處理不當，會引起較大的插入損耗。由于前人學者所研究的四臂螺旋天線大多使用低頻段，隨著5G通信的發展，低頻段的天線在應用上顯然有很大的局限性[8]。

本文設計一種基于5G頻段的共形四臂螺旋天線，在傳統的四臂螺旋天線的單個輻射振子臂旁邊在加上一路寄生輻射振子臂，并將兩路輻射振子臂底部相連，通過調試兩路輻射振子臂的寬度、長度和間距來達到改進帶寬的目的。將印刷共形天線卷繞在介質柱上，通過HFSS電磁仿真軟件對天線進行仿真。最后仿真結果表明，該天線獲得了約10.72%的擴展帶寬。此外，在整個工作頻帶內可獲得約4.6 dBi的穩定輻射增益。

1 天線設計與性能

文章所討論的是共形四臂螺旋天線，其天線模型如圖1（a）所示，整個模型由兩種輻射振子組成，四個輻射振子臂和四個寄生振子組成，兩種振子分別以相同的的長度、不同的寬度、一定的螺距按左手螺旋方式（拇指指向Z軸）繞制螺旋，輻射振子臂（高度H5=130 mm，寬度L1=12.68 mm）按35 deg繞制螺旋，寄生振子臂（高度H5=130 mm，寬度L2=4.82 mm）按16 deg繞制螺旋。相對而言，輻射振子比寄生振子寬度略大。兩種振子的底部使用連接線（長度A=12 mm，寬度B=2 mm）連接在一起，4個饋電點（Port1，2，3，4）分別與輻射振子底部相連。圖1（b）所示XOY平面上黑色圓點處為饋電點（半徑R2=1.5 mm，高度H2=2 mm），探針的半徑R3=0.45 mm，高度H3=4 mm，4個饋電點的饋電幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z軸）連續滯后90°。底部介質板使用介電常數為3.38的Rogers 4003（半徑R1=24 mm，厚度? ? ?H2=2 mm）。介質板下面是材料為鋁（半徑R1=24 mm，厚度H1=4 mm）的金屬接地板。天線采用底饋形式，四個饋電點的饋電幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z軸）連續滯后90°。

天線各尺寸參數定義和相對數值如表1所示。天線采用左手螺旋方式繞制于圓柱體上，圓柱體使用名為FR4的介電材料，主要起支撐作用，其外半徑R4=21 mm，內半徑R5=20.8 mm，高度H4=132 mm，厚度W=0.8 mm，通過兩側的過孔焊接定型。然后，將底部功分網絡板貼于圓柱底部，微帶線垂直過渡部分焊接時使用一小片薄銅皮，彎折后分別焊接在曲繞部分和底部功分網絡板上，以保證其良好接觸，天線原型如圖1（c）所示。

2?天線的仿真與實驗結果

由于天線曲面結構較復雜，選擇使用高頻電磁仿真軟件對該模型進行仿真計算。S11測量時使用矢量網絡分析儀進行測試，測試結果如圖2所示。方向圖測試時使用64探頭的3D暗室（SATIMO），暗室測試圖如圖3所示，方向圖測試結果如圖4—5所示。

上述天線的工作頻率為3.2～3.8 GHz。圖2和圖4描述了最佳的S11曲線和輻射方向圖，實線是模擬值，虛線是測量值。圖2顯示S11<-10 dB的阻抗帶寬為3.4～3.6 GHz，實際測量結果優于仿真結果。當中心頻率f0=3.5 GHz時，仿真結果S11為-28 dB，實際測量結果S11=-25 dB。S11仿真和測試值基本上匹配由仿真模型的理想性導致的差異。

圖3是暗室測試圖，圖4是φ=0?方向的輻射方向圖，圖5是φ=90?方向的輻射方向圖，其中實線為模擬值，虛線為測量值，并且測量數據低于模擬數據，這是因為在模擬中未考慮金屬和饋線電纜的損耗。根據圖4和圖5，增益達到最大為4.6 dBi。

3 結語

在本文中，提出了一種改進帶寬的共形四壁螺旋天線。該天線具有寬阻抗帶寬，較高的增益和小尺寸等的特點，其中心頻率為f0=3.5 GHz，由S11<-10 dB確定的仿真阻抗帶寬高達3.4～3.6 GHz，最高輻射增益為4.6 dBi。該天線的仿真結果和測試結果吻合相對良好，實現了改進帶寬的目標。結果表明，該天線可應用于5G通信系統中接收信號。

[參考文獻]

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（編輯 姚 鑫）