一種具有低不圓度的寬帶水平極化全向天線

劉 港,李源俊,葉亮華

(廣東工業大學 物理與光電工程學院,廣東 廣州 510006)

全向天線可在水平面內實現360°均勻輻射,被廣泛地應用于無線通信系統,比如無線傳感網絡、WLAN 和移動通信基站等[1]。全向天線可分為垂直極化全向天線[2-4]和水平極化全向天線[5-15]。相比于垂直極化全向天線,水平極化全向天線可顯著提高接收和發射設備之間的極化匹配,同時有效地節約極化資源[16]。盡管當前5G 通信系統發展迅速,但2G/3G/4G 通信系統仍然扮演著重要的角色,多種無線通信系統共存的場景會長期存在,實現天線寬帶化設計,對節約基站的站址資源和成本具有重要意義。因此需設計一種可工作在4G/5G 通信頻段的寬帶水平極化全向天線。

實現水平極化全向天線的方式可分為兩種。第一種是采用小環形天線[5-6]實現水平全向輻射,由于小環形天線輻射阻抗較小,使其難以匹配[17]。為了使此類全向天線獲得良好的阻抗匹配和輻射性能,在小環形天線的基礎上提出了性能更好的衍生天線[7-10],例如Wang 等[7-8]提出的Alfred 環狀天線及其衍生天線,通過對印刷在介質板上的Alfred 環饋電,實現水平極化全向輻射,但這兩種天線帶寬較窄;Park 等[8]提出了一種左手加載環形天線,該天線輻射體是由環形排列的T 型電偶極子組成,經饋電網絡饋電實現水平全向輻射;Zhao 等[9]和Shi 等[10]分別提出了一種分段環形天線,這兩種天線結構較簡單,均由幾段電偶極子連接成一段圓環并印刷在介質板上,通過探針饋電實現水平全向輻射。但上述天線的相對阻抗帶寬均小于40%(VSWR＜2),較小的帶寬制約著此類水平極化全向天線的實際應用。

另外一種方式是采用電偶極子陣列,將多個電偶極子均勻排布為一個圓環,經饋電后可實現水平全向輻射。例如Fan 等[11-14]提出的水平極化全向天線,這些天線均是由多個相同電偶極子排列成圓環,通過饋電網絡饋電實現水平極化全向輻射。但是這些天線的相對阻抗帶寬仍然較小,均低于49%。為了進一步擴展帶寬,加載引向器被應用到全向天線設計中,Huang 等[15]提出了由四個電偶極子和四組引向器組成的天線,該天線可將其相對阻抗帶寬擴展至63%,但該天線不圓度接近2.9 dB,且尺寸較大。

本文針對上述小環形全向天線和電偶極子陣列全向天線相對阻抗帶寬小、不圓度高的問題,提出了一種小尺寸、低不圓度和寬頻帶的水平極化全向天線。三個弧形電偶極子經由寬帶饋電網絡饋電,實現良好的水平全向輻射,加入三組引向器可有效地擴展天線的相對阻抗帶寬,并將不圓度降低至1.2 dB 以下。經過樣品的加工與測試,仿真結果與實測結果吻合。

1 水平極化全向天線設計

1.1 天線結構

水平極化全向天線結構如圖1 所示,此天線包括三部分: 三個弧形電偶極子、三組引向器和一個寬帶饋電網絡。如圖1(a)和圖1(b)所示,弧形電偶極子均勻地印刷在相對介電常數為4.4,厚度為0.2 mm 的圓筒形介質板外表面,三個電偶子可排列成一個圓環,并由寬帶饋電網絡饋電。電偶極子的正上方加入引向器,可有效地提高天線的阻抗匹配和降低天線的不圓度。電偶極子的長度和圓筒形介質板的高度約為天線最低工作頻率對應波長的四分之一。

圖1 天線結構Fig.1 Geometry of the proposed antenna

圖1(c)所示為此天線的寬帶饋電網絡,包括一個一分三功分器和三個寬帶巴倫。每個巴倫是由微帶線和縫隙傳輸線組成,微帶線和縫隙傳輸線分別印刷在相對介電常數為3.55,厚度為0.762 mm 的介質板上表面和下表面。為了調節天線的匹配,微帶線由一段L型微帶線和一段具有漸變結構的開路枝節組成,印刷在介質板的上表面。縫隙傳輸線則是由一段縫隙線和一段短路枝節組成,印刷在介質板的下表面。一分三功分器被印刷在介質板的上表面,分別與三段微帶線相連接。通過上述方法,可以實現饋電網絡和天線一體化設計,從而達到減小天線尺寸的目的。

通過仿真優化,可得具體參數值為:D=46 mm,h1=23.5 mm,h2=5.7 mm,Wp=10.5 mm,Lp=36 mm,Wd=3 mm,Ld=39 mm,L1=3.5 mm,L2=7.3 mm,L3=3.2 mm,L4=2.5 mm,L5=1.8 mm,L6=13.5 mm,L7=5 mm,L8=5.1 mm,L9=8.7 mm,W1=0.3 mm,W2=2.5 mm,W3=3.8 mm,W4=5.1 mm,W5=1.1 mm。

1.2 工作原理

為了描述引向器的工作原理,研究了引向器對天線的輸入阻抗、阻抗匹配和不圓度的影響,結果如圖2 所示。由圖2(a)和(b)可以看出,相較于不增加引向器的模型,增加引向器后的水平極化全向天線輸入阻抗的電阻更接近于50 Ω,電抗更接近于0 Ω。由圖2(c)可以看出,增加引向器后,天線的電壓駐波比小于2。根據圖2(a)～(c)所示的結果,說明引向器可改善天線的阻抗匹配,從而擴展其相對阻抗帶寬。由圖2(d)可以看出,在未增加引向器的情況下,天線的不圓度在高頻段逐漸增大至3 dB 左右。當加入引向器后,天線的不圓度在整個工作頻段均保持較小值,其中在低頻段小于1 dB,在高頻段小于1.1 dB。上述結果說明,引向器可有效提高天線的阻抗匹配和降低天線的不圓度。

圖2 引向器對天線性能的影響Fig.2 The effect of directors on antenna performance

圖3 為電偶極子在2.3 GHz 和3.8 GHz 兩個頻點的電流分布。由圖3 可知,相較于電偶極子在3.8 GHz 時的電流分布,電偶極子在2.3 GHz 時電流分布更均勻,這將導致天線在低頻段的不圓度小于高頻段,與圖2(d)所示的結果吻合。對比圖3(a)和圖3(b)可知,當加入引向器后,電流將均勻地分布在電偶極子的表面。由于電偶極子表面電流均勻分布,全向天線在水平面內能實現360°均勻輻射,從而減小其輻射不圓度。

圖3 電偶極子在2.3 GHz(左側圖)和3.8 GHz(右側圖)頻點處的電流分布圖Fig.3 Current distribution on the curved dipoles on 2.3 GHz(the left pictures) and 3.8 GHz(the right pictures)

2 加工與測試分析

對設計的水平極化全向天線進行加工,樣品實物如圖4 所示。對天線樣品進行測試,天線的測試電壓駐波比(VSWR)如圖5 所示,天線在2.3～3.9 GHz 頻段的駐波比小于2,相對阻抗帶寬達到51.6%。測試結果與仿真結果基本一致,它們之間的差別主要是由加工誤差、安裝誤差和測試電纜的影響導致的。

圖4 天線實物圖Fig.4 The photograph of the proposed antenna

圖5 天線電壓駐波比Fig.5 The VSWR of the proposed antenna

圖6 為天線在2.3,3 和3.8 GHz 的方向圖。由圖6 可知,天線在水平方向上可實現穩定的360°全向輻射。天線的不圓度小于1.2 dB、交叉極化比大于25 dB。天線的測試增益如圖7 所示,在工作頻段內,天線增益為0.3～3.5 dBi。

圖6 天線單元在H 面(左側圖)和V 面(右側圖)的方向圖Fig.6 Measured radiation patterns of the proposed antenna on H-plane(the left pictures) and V-plane(the right pictures)

圖7 天線測試增益Fig.7 The gain of the proposed antenna

將本文所述的天線與其他參考文獻所提出的天線進行了對比,如表1 所示。相比于Fan 等[12-14]提出的天線,本文設計的天線具有更寬的相對阻抗帶寬。與Huang 等[15]提出的天線相比,本天線具有更低的不圓度以及更小的尺寸。比較結果說明,本文設計的水平極化全向天線具有良好的性能,可應用于移動通信基站。

表1 電偶極子天線性能對比Tab.1 Performance comparison of the dipole antenna

3 結論

本文提出了一種基于三個弧形電偶極子和三組引向器的寬帶水平極化全向天線。三個電偶極子排列成圓環,由寬帶饋電網絡激勵,實現穩定的全向輻射。通過增加三組引向器,天線不圓度減小至1.2 dB 以下,相對阻抗帶寬在工作頻段內提高至51.6%。同時,將功分器與天線進行一體化設計,可使天線獲得良好的阻抗匹配和較小的尺寸。通過上述的設計方法,本文提出的天線與傳統水平極化全向天線相比,具有帶寬高、不圓度小和尺寸小的優點,可應用于無線通信系統。