加載周期性附屬結構的寬帶雙極化微帶天線

王雙雙，安文星

(天津大學 微電子學院，天津 300192)

0 引言

隨著5G通信技術的快速發展，5G商用系統已經在全球范圍內大規模部署[1]。為了提高5G通信系統的信號覆蓋率、提升信號質量和減小信號干擾，對微型5G基站提出了更高的要求。寬帶技術具有高傳輸效率、強穿透能力和多徑分辨能力強的優點，且相較于單極化天線，雙極化微帶天線具有信道容量高、安裝成本低、集成度高等優點[2-6]。

目前對應用于5G通信頻段的天線很難滿足帶寬覆蓋3～6 GHz的頻段[7-10]，文獻[11]采用縫隙耦合饋電方式，提出了一種相對帶寬為25%，端口隔離為34 dB的雙極化低輪廓寬帶超表面天線。文獻[12]利用差分饋電，提出了一種基于雙孔徑耦合激勵的雙極化設計，仿真結果表明其相對帶寬大于50%。通過合理設計輻射和饋電結構，有望在5G通信中實現一些具有寬帶性能的新型雙極化天線設計。

本文通過加載周期性附屬結構，加強雙極化天線的輻射性能，提高天線的帶寬，仿真結果表明天線帶寬大于61%，寬帶雙極化微帶天線的設計可以滿足5G通信系統高數據速率和大信道容量的需求。

1 天線結構

設計了一種加載周期性附屬結構的寬帶雙極化微帶天線，整體結構如圖1所示。該天線包含3層介質板和2層金屬輻射貼片結構，上2層介質板中間由厚度為H的空氣層隔開。兩端口饋線通過地板上的弧形縫隙耦合能量來激勵該雙極化天線。為了獲得較寬的帶寬，同時加大雙端口的隔離度，兩端口均采用了雙孔徑耦合的饋電方式，饋電結構由主饋線和2條分支饋線組成，將分支饋線兩臂進行不同程度彎折，有效避免了不同極化方向上2個饋線的交叉。

圖1 天線結構

位于上層介質板的附屬輻射結構呈對稱分布，由16個W1×W1的正方形貼片和8個W2×W2的方形貼片構成，16個貼片相鄰兩貼片間的距離為G1，8片方形貼片之間的距離為G2，且8片尺寸W2×W2的方形貼片與16片方形貼片之間的距離為G3。中層的輻射貼片由W3×W3的菱形貼片構成，在4片菱形貼片的中心挖去一個半徑為R1的圓，菱形貼片外邊挖去了近似梯形的結構，用以改善天線的匹配，擴展帶寬。兩端口采用雙孔徑縫隙耦合，饋線結構如圖2所示。

圖2 天線饋線結構

優化后的天線尺寸參數如表1所示。

表1 天線尺寸參數

2 雙極化天線的仿真分析

近年來對擴展天線帶寬和降低天線剖面高度做出了很多的研究。根據研究發現，將周期性結構作為天線的輻射結構可以實現天線小型化和寬帶設計，有利于擴展天線的帶寬[10-13]，在微帶天線的設計中，使用周期性結構可以抑制表面波傳播，降低背瓣，提高增益。對于所設計的寬帶雙極化天線，參數的變化對天線的性能有很大影響，為了進一步優化天線性能，利用電磁仿真軟件對天線中部分參數進行仿真分析。分析了周期性附屬結構的加載對天線性能的影響。

天線設計演進如圖3所示。

(a) 天線1

天線1為僅4片輻射貼片天線，天線2為加載4×4周期性附屬結構的天線，天線3為在加載4×4周期性結構外加8片W2×W2方形貼片。對3個天線的性能進行對比分析。

不同結構天線S參數對比如圖4所示。由|S11|和|S22|的仿真結果對比圖可以分析出，加載周期性附屬結構的天線2的阻抗性能明顯得到改善，目標頻段內的|S11|小于-10 dB。在天線2四周加上8片貼片之后，天線的高頻處匹配得到改善，增加外圍貼片后，輻射口面變大，性能變好，天線在3.2～6 GHz頻段內兩端口阻抗匹配均小于-10 dB，天線3的|S11|和|S22|曲線在目標頻段內都小于-12 dB。

(a) |S11|結果對比

天線增益對比如圖5所示，天線增加上層周期性附屬之后，能量通過中層貼片輻射到上層的周期性附屬結構，輻射口面增加，并且使得輻射的波束更加匯聚，天線的增益在目標頻段內得到了3 dBi提升。

(a) 端口1增益對比

3 雙極化天線的結果

設計的寬帶雙極化微帶天線的仿真S參數結果如圖6所示。

圖6 天線S參數結果

由圖6可以看出，天線兩端口的阻抗帶寬為3.2～6.2 GHz,兩端口的相對帶寬分別為63.82%和61.70%，兩端口的阻抗帶寬完全能覆蓋5G通信(3.3～5 GHz)和5G無線局域網WLAN頻段(5.15～5.282 5 GHz)且覆蓋了車用無線通信技術V2X頻段(5.905～5.925 GHz)[16]。2個端口的隔離度為35 dB，2個端口在目標頻段內可以穩定工作。

天線兩端口的增益隨頻率變化的仿真結果如圖7所示。

圖7 天線增益結果

由圖7可以看出，天線兩端口在目標頻段內具有穩定的增益，增益變化在7.4～10.4 dBi，兩端口的平均增益分別為8.29，8.54 dBi。天線增益穩定、波動較小，天線的輻射性能穩定，可以有效地傳輸通信信號。

為了更好地觀察天線的輻射特性，圖8給出了天線4.5 GHz的E面和H面方向圖。

(a) 端口1

天線E面和H面輻射能量主要集中在+Z方向，具有良好的穩定性，且在4.5 GHz處，兩端口的交叉極化水平均在-18 dB以下，天線交叉極化性能良好。

為了詳細說明所設計天線的優勢，與其他已發表的研究成果進行了比較，如表2所示。文獻[11]提出了一種低剖面寬帶超表面天線，該天線的相對帶寬達到25%，端口隔離度34 dB。文獻[15]所提出的超表面天線相對帶寬為28.4%，為了擴展帶寬提出了偶極子和差分饋電超表面天線，相對帶寬為36%[17-18]。在文獻[19]提出了高隔離度雙極化超表面天線，該天線的相對帶寬達到38.65%，隔離度35 dB。本文所提出的天線相對帶寬為61.7%，隔離度為35 dB，結果表明所提出的天線具有較寬的阻抗帶寬同時具有良好的隔離性能。

表2 所提出的雙極化天線與其他文獻天線性能比較

4 結束語

本文提出了一種加載周期性附屬結構的寬帶雙極化微帶天線，該天線工作在5G通信低頻段和5G無線通信頻段，具有良好的寬帶性能和高隔離度，可應用于5G通信系統。通過加載附屬結構可以改善天線的匹配和增益，周期性結構不僅可以作為主輻射結構也可以作為附屬結構改善天線性能，可以將該方法應用到其他天線。本文提出的天線具有寬帶、低剖面、結構簡單、易于集成和成本低的優點，雙極化增加信道容量提高了信號傳輸效率，可以為以后寬帶雙極化天線的設計提供思路。