高階模理論下雙頻雙極化與低成本雙極化通信天線增益增強技術(shù)

中圖分類號：TN822 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0166-04

Abstract：Thegainenhancementtechnologyofdual-frequencydual-polarizationandlow-costdual-polarizationantennabased onthetheoryofhighordermodeisexplored.Dual-frequencydual-polarzationcommunicationantennaadoptscrossshaped design，increasesthesidegainbyaddingshort-circuitpinandsuperimposesthegaintoachievegainenhancementefect.Ithas theadvantagesoflessulti-pathfadingandstrongsignalantiinterferenceabilitybutitalsohassomelimitationssuchashigh costandnlysuitablefornarowbandcommunicationsystem.Onthisbasis，alow-costdual-polarizationcommunicationantenna isdesigned，whichstilladoptsthecruciformstructure，andusesalower-costepoxyresinplateasthedielectricsubstrate， forminganairdielectriclayerbetweenthefloorandthefloor，andaddingcoppercolumnstoimprovetheisolation.The experimentalresultsshowthatthecommunicationantennahasbetergainenhancementefectandlowercost，andhasthevalue of popularization and application.

Keywords：dual-frequencydual-polarization;short-circuitedpin;communicationantenna;gainenhancementtechnology： higher-order mode theory

微帶貼片天線具有尺寸小、重量輕、低剖面和易于集成等特點，在各類無線通信設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。但是微帶貼片天線存在低增益的弊端，無法應(yīng)用在遠距離的無線通信中。基于高階模理論增強微帶貼片天線的側(cè)射增益是一種可行的改進方式，具體方式是加入銷釘或加載槽以提升主模輻射時側(cè)射的方向性，其代價是增加了貼片尺寸、犧牲了一部分帶寬。還有一種思路則是從天線材料上進行改進，例如將普通介質(zhì)板替換成介電常數(shù)更低的泡沫板，通過抑制表面波、減少表面波在遠場時對輻射方向的影響，從而達到增強天線增益的效果。

1基于高階模理論雙頻雙極化通信天線增益增強設(shè)計

1.1 天線設(shè)計

在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，雙極化天線具有改善信道容量、減少多路徑衰落等優(yōu)點；雙頻天線則具有更廣泛的信號覆蓋和更強的抗干擾能力。雙頻雙極化通信天線將上述2種優(yōu)點結(jié)合起來，從而實現(xiàn)通信天線的增益增強。該天線的結(jié)構(gòu)組成包括單層介質(zhì)板、連接貼片、短路銷釘及加載槽等，整體為“十\"字形，如圖1所示。

如圖1所示，4條加載槽位于“十\"字形貼片非公共區(qū)域與公共區(qū)域的過渡位置；在非公共區(qū)域靠近邊緣處布置貼片，用16根（分4組，每組4根）短路銷釘連接貼片和底板，起到固定作用。該天線采用同軸線饋電，貼片材質(zhì)為銅，厚度為 0.04mm 。介電基板的尺寸為 150mm×150mm×2mm ，介電常數(shù)為 2.46

1.2 工作原理

在\"十\"字形天線中，側(cè)向輻射由窄邊輻射和寬邊輻射2部分組成，但是實際應(yīng)用中寬邊輻射與窄邊輻射的側(cè)射場會在遠場側(cè)相互抵消，會對天線的信號強度產(chǎn)生影響。改變中間場或邊緣場的相對幅值和流向能解決這一問題，因此在設(shè)計中采取了加入短路銷釘?shù)姆绞剑瑢崿F(xiàn)側(cè)向增益變大并對增益進行疊加，達到“十\"字形通信天線增益增強的效果。短路銷釘?shù)奈恢门c“十\"字形天線的增益增強效果有密切關(guān)系。當(dāng)短路銷釘位于電場分布接近零點位置時，會輕微影響天線的輻射，但是不會改變電場的分布，對天線增益增強效果不明顯；短路銷釘?shù)奈恢迷陴侂姸丝诘膬蓚?cè)時，周圍電場會重新分布，對寬邊為主輻射時形成的側(cè)射場影響尤其明顯。因此，在“十\"字形通信天線設(shè)計中，使用加載槽與短路銷釘可以達到雙極化、雙頻段、高增益的效果。

1.3 測試結(jié)果

為了驗證雙頻雙極化通信天線的增益增強效果，使用仿真軟件 ANSYS HFSS（High-Frequency Struc-tureSimulator）設(shè)計天線結(jié)構(gòu)并進行了實驗。考慮到該天線為對稱結(jié)構(gòu)，選擇 x 軸處的饋電端口與 y 軸處的饋電端口，獲得的仿真結(jié)果是一致的，因此這里以 y 軸處端口饋電的仿真為例展開探究。仿真實驗選取了3.4～3.5GHz 和 4.1～4.2GHz 兩個頻段，均有較好的隔離特性，以防止無關(guān)因素對實驗結(jié)果的干擾。當(dāng)工作頻段在 3.4～3.5GHz 之間時，通信天線的仿真輻射效率穩(wěn)定在 97.5% 以上；側(cè)射方向的仿真實際增益呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，最大增益為 12.5dB ，如圖2所示。

當(dāng)工作頻段在 4.1～4.2GHz 之間時，通信天線的輻射效率穩(wěn)定在 91.3% 以上，側(cè)射方向的實際增益最大值為 11.75dB 。綜合來看，該天線在雙頻段工作時都具有高輻射效率和高增益的特性。橫向?qū)Ρ葋砜矗?3.4～

3.5GHz 頻段內(nèi)最低實際增益為 6.8dB ，在 4.1～4.2GHz 頻段內(nèi)最低實際增益為 4.7dB ，這表明“十\"字形天線在高增益工作下的帶寬略窄。相比于差分饋電天線，基于高階模理論設(shè)計的雙頻雙極化天線具有高增益、低剖面、簡單饋電等特點，適合窄帶通信系統(tǒng)。

2基于高階模理論低成本雙極化通信天線增益增強設(shè)計

在通信天線的實際應(yīng)用中，除了要考慮輻射效率和實際增益外，還要關(guān)注其適用范圍和使用成本。雙頻雙極化通信天線存在帶寬窄、成本高的問題，在實際應(yīng)用中受到了一定的限制，為此提出了一種以空氣為介質(zhì)的低成本雙極化通信天線設(shè)計方案，在滿足雙極化、高增益等要求的前提下，降低使用成本，拓寬適用范圍。

2.1 天線設(shè)計

低成本雙極化通信天線仍然采用“十\"字形結(jié)構(gòu)，由2部分組成：上層結(jié)構(gòu)為覆銅且底層不接地的介質(zhì)基板，材料為FR4-epoxy（一種環(huán)氧樹脂材料），介電常數(shù)為4.5，厚度為 0.5mm ；下層結(jié)構(gòu)是有泡沫做支撐的空氣層，中間有一個高度為 2mm 直徑為 3.2mm 的銅柱，用于連接地板和介質(zhì)基板2。以銅柱為基準，兩側(cè)對稱分布16個短路銷釘，分成4組，每組4個，分布于“十\"字形貼片的邊緣處。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 工作原理

寬邊輻射場在遠場沒有得到有效利用是導(dǎo)致天線增益增強效果不理想的主要原因，因此可以提出一種設(shè)想：引入一個與既有電場輻射在相同工作頻段的寬邊輻射，通過輻射疊加作用可以讓通信天線的增益得到進一步增強，中心頻率也會在原來 3.4～3.5GHz 的基礎(chǔ)上有所增加。加入銅柱可以達到引進寬邊輻射的目的，為了使寬邊輻射最大化，需要合理設(shè)置銅柱的位置。已知加入銅柱后，會對饋電端口在 x 軸上的天線性能產(chǎn)生影響，只要保證銅柱的位置不為0，就可以改變天線的中心頻率和電場分布。選擇合適位置加入銅柱后，可以測得天線貼片邊緣處的電場接近0，并且貼片電場變成以貼片寬邊輻射場為主的輻射場，窄邊輻射場則在遠場端相互抵消，成為側(cè)向輻射。由于該\"十\"字形天線為對稱結(jié)構(gòu)，因此對于饋電端口在 ?y 軸上的情況，也會有同樣的結(jié)果，不再贅述。

2.3 測試結(jié)果

為了驗證低成本雙極化通信天線的增益增強效果，采用同軸線饋電設(shè)計天線，并借助于AgilentE5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀分析仿真參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，介質(zhì)材料、尺寸、帶寬及饋電方式等因素會對天線的實際增益產(chǎn)生影響，這里選取空氣介質(zhì)層高度（h，介質(zhì)基板與地板的垂直距離）與貼片最短距離 Ω（b ，“十\"字形關(guān)線對稱貼片的直線距離）2項參數(shù)，對比有無銅柱情況下的體現(xiàn)增益增強效果4]。

2.3.1無銅柱情況下各參數(shù)對天線增益增強的影響

在未加人銅柱的情況下，選擇天線參數(shù) h 作為唯一變量，探究 h=1mm，h=2mm，h=4mm 時對側(cè)射實際增益的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，從整體上看天線側(cè)射實際增益隨著頻率的增加呈現(xiàn)出先變大后變小的變化趨勢。當(dāng)h=1mm 時，在頻率 5.8GHz 處有最大側(cè)射實際增益，達到了 14.6dB ;將 h 增加到 2mm 后，最大側(cè)射實際增益雖然也出現(xiàn)在 5.8GHz 處，但是最大增益值（ 14.3dB ）有所降低；繼續(xù)將 h 增加至 4mm ，在頻率為5.7GHz 時出現(xiàn)最大側(cè)射實際增益，最大增益值為12.0dB 。由此可見，當(dāng) h 超過 1mm 后，“十\"字形通信天線的側(cè)射實際增益峰值會隨著 h 的增加而降低。想要讓通信天線在 5.8GHz 頻段處有最大實際增益增強，則空氣介質(zhì)層高度的理想值為 1mm 。當(dāng)然在實際應(yīng)用中，還要綜合考慮隔離度和加工難易度等問題，可以根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整高度。

在未加人銅柱情況下，選擇天線參數(shù) b 作為唯一變量，探究 b=76mm，b=80mm，b=84mm 時對側(cè)射實際增益的影響，結(jié)果如圖5所示。

貼片距離 b 通過影響天線工作時邊緣輻射電場的分布，進而影響了天線的側(cè)射增益。由圖5可知，在頻率為 5.5～6.1GHz 頻段內(nèi)，隨著頻率的增加，天線的側(cè)射實際增益呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢。其中，當(dāng) b=80mm 時，在 5.8GHz 處有最大實際增益，為14.5dB 。因此，要想讓“十\"字形通信天線在 5.8GHz 頻率處有最大側(cè)射實際增益，需要將天線銅柱的位置布置在 附近。

2.3.2 相同參數(shù)下有無銅柱對天線增益增強的影響

考慮到“十\"字形天線的2個饋電端口之間存在較強的互耦作用，在設(shè)計時加入了一個直徑為 3.2mm 高度為 2mm 的銅柱，以改善隔離度[5]。為了驗證加入銅柱后對側(cè)射實際增益的改善效果，設(shè)計了在 時低成本雙極化天線有無銅柱情況下的增益增強，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，加入銅柱以后，在相同頻率下天線的側(cè)射實際增益要高于無銅柱的天線。另外，銅柱的直徑和高度也會對天線側(cè)射實際增益產(chǎn)生影響，通常來說銅柱的半徑越大、高度越高，隔離度的改善效果越好，從而使天線側(cè)射實際增益得到增強。但是在實際應(yīng)用中，一味增加銅柱的直徑和高度也會讓天線的體積和成本變大，需要結(jié)合實際情況靈活選擇相應(yīng)尺寸的銅柱。

3結(jié)束語

相比于采用雙頻段設(shè)計增強天線增益，通過改良介質(zhì)板材質(zhì)提高天線帶寬、增強天線增益的方案，不僅能滿足通信天線雙極化、高增益的特性要求，而且還能進一步降低成本，拓寬技術(shù)的適用范圍。在應(yīng)用低成本雙極化通信天線增益增強技術(shù)時，介質(zhì)基板材料的選擇及銅柱尺寸的設(shè)定都是決定增益增強效果的關(guān)鍵因素，需要從實際出發(fā)合理選擇，才能兼顧實用性和經(jīng)濟性。

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