多點漸變饋電雙極化微帶輻射單元的研究

李驚生，詹敏峰，李俊

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引言

大規模Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）天線技術是5G 系統中的最關鍵技術之一，與傳統2G/3G/4G 基站不同的是，5G 大規模天線陣列所采用的輻射單元個數明顯增加，64T64R、32T32R 和16T16R 天線對應了不同的應用場景，所用輻射單元多達192 個[1-4]。一般輻射單元間距在1/2 波長左右，如此多的輻射單元要緊湊布局，這就對單個輻射單元的形狀和大小以及如何減小輻射單元間的強耦合提出了更高的要求。微帶天線具有低剖面、低成本、易共形以及易于加工、容易實現多頻段和雙極化等優點，被廣泛應用于無線通信系統中，較適用于大規模天線陣列[5-7]。但常規微帶天線的帶寬較窄，需采用寄生耦合、貼片開槽、探針耦合、縫隙耦合多點饋電等方法展寬帶寬[8-11]。本文基于微帶天線理論及設計方法，根據錐削漸變饋電結構、多點饋電方式在輻射性能上的變化情況，設計了一種小型化的雙極化微帶輻射單元。在此輻射單元的基礎上，設計出了4×3 小型陣列天線，并進行了測試驗證。

1 微帶輻射單元的設計與分析

1.1 單元結構

基于微帶天線理論，矩形微帶貼片天線可以將輻射元看作是一段長為L的低阻抗微帶傳輸線，傳輸線的兩端斷開形成開路，開路處兩電場垂直分量反向，水平分量同相。貼片可以等效為相距半個波長、長度為W的兩個縫隙（磁偶極子）。

但考慮到邊緣場的影響，在設計時：

其中，h為微帶基材厚度。

針對5G 在3.4—3.6 GHz 的工作頻段，取中心頻點3.5 GHz，基材為空氣εr=1，h=9 mm，初步計算可得微帶貼片尺寸為W≈42.3 mm、L≈36.9 mm?；谠摮跏汲叽邕M行了雙極化微帶輻射單元設計，新型小型化的微帶輻射單元結構示意圖如圖1 所示：

圖1 微帶輻射單元結構示意圖

在圖1（a）中，輻射單元由反射器1、方形微帶貼片2、圓形寄生片3、漸變饋電片4、支撐柱5/6/7 以及置于反射器背面的功分電路組成。其中，反射器為150×150×2.5 mm厚的金屬鋁板；微帶貼片為邊長30.4 mm 的正方形鋁片，其與反射器間距為9 mm；寄生片為直徑30 mm 的鋁片，其與方形貼片間距為7 mm。在圖1（b）中，饋電片形狀呈Г 形，四個饋電片與微帶貼片間距為2 mm，其穿過反射板，與背面的一分二功分電路相連，見圖1（c）。功分電路如圖1（d）所示，其蝕刻在PCB 板上，PCB 板材料為IS680AG，介電常數為3.45，基材厚度為0.762 mm，敷銅厚度為0.035 mm，線路為兩個一分二功分器，功分器兩端等幅反相，對應的正極（+）和負極（-）分別連接相對的兩個饋電片，形成雙極化饋電，同極化饋電點相距25.8 mm。

1.2 輻射單元設計分析及仿真結果

微帶貼片的饋電方式包括直接饋電、邊饋、耦合饋電等多種方式，不同的饋電方式影響帶寬及實現的難易程度。目前常用的微帶天線通常采用直接饋電方式，這種饋電方式制作簡單，相對帶寬較窄，約為2.2%，缺點是頻帶窄、輻射效率低、極化純度不高、交叉極化比差；邊饋方式的相對帶寬約為6.5%，但這種饋電方式天線尺寸較大，不利于大規模天線陣列；耦合饋電[12]方式通過電容補償調節，相對帶寬可達20%，但實現相對復雜。

圖2 是雙極化微帶輻射單元直饋與耦合饋電情況下S 參數變化仿真結果，耦合饋電較直接饋電方式在所示帶寬范圍內S參數均有較明顯的提高。在3.4—3.6 GHz 頻段，S11 和S22 從-5 dB 提高至-14 dB，端口隔離從25 dB 提高至35 dB。此外，圖1（b）中的饋電片在結構上有一個錐削變化的過程[13-14]，這種結構可以等效為多個階梯阻抗變換段，饋電片的阻抗有一個平滑漸變的過程，這對提高輻射單元的匹配帶寬有一定的效果，圖3 是漸變饋電與非漸變饋電的效果仿真對比。

圖2 輻射單元直饋與耦合饋電S參數變化

圖3 漸變饋電與非漸變饋電S參數變化

通常微帶天線采用單點饋電，雙極化方式時一般每種極化一個饋電點。在圖3 中的單點饋電方式，饋電片偏向一個方向，存在輻射體表電流分布不對稱的問題，主要體現在方向圖不對稱，最大輻射方向會有一定的偏斜。另外，單饋在+/-60°方向交叉極化比較差。因此，本設計采用四點饋電[15-16]，具體實施方法是在同一個極化方向增加一個饋電點，這種結構解決了輻射體表面電流分布不對稱的問題，具有提高極化隔離度、展寬帶寬和提高交叉極化比的功能。圖4 對比分析了單饋電點和雙饋電點雙極化輻射單元的方向圖變化，雙饋點情況下主極化方向圖增益和對稱性有明顯改善，交叉極化在+/-60°范圍內提高了5 dB 左右。雙極化輻射單元經過優化后，仿真結果在3.4—3.6 GHz 范圍內回波損耗低于-15 dB，端口間隔離度大于30 dB，中心頻點3.5 GHz 輻射特性如圖5 所示。Port1 和Port2 方向圖對稱較好，軸向交叉極化大于20 dB，仿真結果滿足陣列設計需求。

圖4 輻射單元單饋與雙饋方向圖變化

圖5 f=3.5 GHz時Port1和Port2方向圖

1.3 陣列設計分析及實測驗證

為了驗證上述微帶輻射單元是否滿足天線陣列的基本要求，設計了一款小型4×3 天線陣進行驗證。天線陣由四列天線子陣單元組成，共有P1～P8 八個端口，陣列結構如圖6 所示，列間距為46 mm 約0.54 個波長，此間距相鄰振子間互耦較大。

設計微帶輻射單元時，對互耦問題也有所考慮，本設計中主要采取了三個措施：輻射單元尺寸盡量小、增加寄生單元以及列間錯位。圖6 兩列之間錯位32 mm，其中減小輻射單元尺寸和列間錯位都是為了增加輻射單元間的距離，對降低輻射單元間互耦、提高列間端口隔離度有一定的作用；增加寄生單元能讓能量更多地集中在振子上方。

關于天線去耦技術，可借鑒的方法有去耦合網絡、缺陷接地結構（DGS,Defected Ground Structure）、電磁帶隙結構（EBG,Electromagnetic Band-Gap）和人工超材料等[17-20]，本設計主要驗證單元性能，陣列間互耦可在此基礎上進一步研究分析。圖6 中每個子陣單元由三個輻射單元組成，相鄰輻射單元間距為64 mm，輻射單元通過PCB線路進行饋電，材料為IS680AG，介電常數為3.45，基材厚度為0.762 mm，敷銅厚度為0.035 mm。同極化的輻射單元由一分三的功分電路饋電，一分三功分電路等幅同相。每列子單元包括一組耦合電路，用于檢測各列端口的輻度相位分布，耦合電路由一分二功分器和兩個耦合器組成。4×3 天線陣實測樣機如圖7 所示。

圖6 4×3陣列結構

圖7 4×3天線陣實測樣機

實測P1&P2、P3&P4 端口的S 參數及方向圖性能，得到S 實測參數與仿真結果如圖8 和圖9 所示。仿真和實測結果曲線基本一致，端口回波損耗均小于14 dB，隔離度大于32 dB。

圖8 P1&P2 S參數實測與仿真結果

圖9 P3&P4 S參數實測與仿真結果

圖10 至圖13 為P1～P4 端口E 面和H 面方向圖實測與仿真結果。半功率波束寬度E 面仿真結果21°～23°、H 面82°～103°，實測結果E 面20°～24°、H 面79°～107°，軸向交叉極化比仿真結果為22 dB 左右，實測結果為16 dB。從測試結果與仿真值對比圖形分析來看，二者基本吻合，通過這個小型陣列的測試驗證，微帶輻射單元能夠滿足大型陣列天線需求。

圖10 P1&P2 E面方向圖實測與仿真結果

圖11 P1&P2 H面方向圖實測與仿真結果

圖12 P3&P4 E面方向圖實測與仿真結果

圖13 P3&P4 H面方向圖實測與仿真結果

2 結束語

本文通過研究一種新型的5G 頻段小型化多點漸變饋電雙極化微帶輻射單元，采用耦合、四點饋電方式，并且饋電方式利用漸變式結構，使得阻抗有一個漸變的過程，從而達到增加帶寬、提高隔離度的效果。在此基礎上，設計了一款4×3 小型陣列，對輻射單元間的互耦進行了研究。經過實測驗證，輻射單元及陣列性能均達到預期效果。本文采用的設計方法不僅可以對天線小型化設計增加帶寬、提高隔離度提供參考，而且對開發大規模5G 陣列天線如32T32R 和64T64R 等也具有一定的工程應用前景。