一種新型雙極化低剖面基站天線.docx

1、現(xiàn)代電子技術(shù)ModernElectronicsTechniqueDOI：10.16652/j.issn.l004-373x,2019.07.002-種新型雙極化低剖面基站天線陶長劍歐毅f歐文(1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029：2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇無錫214135：3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100029)摘要：文中提出一種雙線極化、低剖面的新型通信基站天線，該天線的特點在于具有相對較低的剖面，同時在兩端口間的隔離度和交叉極化比指標也相當(dāng)優(yōu)秀。它是由一塊鋁制圓形薄片、一個鋁制邊框和一塊雙面印刷電路板組成，印刷電路板的兩邊分別是具有一分二功能的Wilkinson功分器饋電網(wǎng)絡(luò)和

2、-個混合了T形結(jié)構(gòu)的十字漸變縫隙。仿真和測試結(jié)果表明，該天線在關(guān)注的頻段內(nèi)具有小于-30dB的端口隔離度，-10dB帶寬為8061010MHz。天線的水平面和垂宜面半功率波束寬度分別為88.22。±3.38。和71.37。±5.25。，交叉極化比最高為-28.9dB。除此之外，該天線還具有易于加工組裝、成本低等許多優(yōu)點，可以在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中GSM和CDMA的頻段內(nèi)工作。關(guān)鍵詞：基站天線：雙極化：低剖面天線：十字形縫隙：高隔離度：寄生貼片中圖分類號：TN820.l-34文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2019)07-0005-06Anoveldual-polari

3、zedandlow-profilebasestationantennaTAOChangjian'21OUYi1,2,OUWen*2(I.InstituteofMicroelectronicsofChinese/XcadcmyofSciences.Beijing100029.China：2.JiangsuR&DCenterforInternetofThings.Wuxi2I4I35China：3.UniversityofChineseAcademyofSciences.Beijing】00029.China)Abstract：Anewdual-linearpolarization

4、andlow-profileantennausedformoderncommunicationbasestationisproposed.Theantennahaslheadvantagesofrelativelylowprofilestructure,highcross-polarizationfactorandisolaiionbetweentwoports.Theantennaiscomposedofanaluminumthincircularslice,analuminumframeandatwo-sidedprinted-circuitboard(PCB).TwoU-shapedfe

5、edingnetworkswithWilkinsonpowerdividerfunctionsandacrossgradientslotwithT-shapedstructureareslottedonthetwosidesofPCB.Simulationandmcasurcmcnlresultsshowthattheportisolationoftheantennawithintheworkingbandsislowerthan-30dB,andtheantennacoversthe806-1010MHzat-10dBreturnloss；thehalfpowerbeamwidths(HPB

6、Ws)oftheantennaarerespectively88.22°±3.38°(atH-Plane)and71.37°±5.25°(atV-Plane),andthecross-polarizationratiocanreachupto-28.9dBatmost.Moreoverrtheproposedantennahaslheadvantagesofeasyprocessingandassembly,andlowcost,andcanworkatthebandsofGSMandCDMAinmoderncommunication

7、system.Keywords：basestationantenna；dual-polarization；low-profileantenna；cross-slot：highisolation；parasiticpatch0引言現(xiàn)代通信的快速發(fā)展使得基站天線逐漸具有了越來越令人滿意的性能，比如較寬的帶寬、穩(wěn)定的增益和方向圖、單向輻射的能力和體積的小型化等。為應(yīng)對移動用戶日益增長的對無線通信系統(tǒng)的要求，研究人員做出許多提高天線性能的研究。對于目前主流的采用±45。雙極化和以單向輻射形收稿日期=2018-05-26修回日期：2018-06-11基金項目：國家重點研發(fā)計劃(2017YFF0

8、107206)ProjectSupportedbyNationalKeyR&DProgramofChina(2017YFFOI07206)式工作的戶外基站天線來說，可以按照振子的材料將其分為金屬振子"偵、微帶印刷振子"5和金屬與PCB板混合振子匠山三類。文獻4報道了一種緊湊的多頻帶、雙極化通信基站，該天線可以覆蓋從第一.代到第四代所有通信頻段。類似的結(jié)構(gòu)還可以被應(yīng)用在LTE700頻段"七純金屬半波振子雖然具有輻射效率高、交叉極化指標較好和形式多樣化等特點，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使加工難度較大。若采用合金壓鑄工藝則成本會大大提高。文獻7報道了一款針對室內(nèi)走廊或著狹長

9、街道應(yīng)用的小功率基站，該天線的振子采用雙面覆銅板制成，雖然具有成本低、小型化的優(yōu)點，但同時充分暴露了微帶天線帶寬窄、效率低的缺點。其僅有5.8%的相對帶寬和4.3dBi的增益，使得其在實際應(yīng)用中受到了極大限制。文獻9-11分別報道了三款金屬與PCB板混合振子的通信基站天線。這種類型的天線同時具有成本低和易于加工的優(yōu)點，又克服了微帶天線本身無法滿足寬帶寬要求和輻射效率低下的缺點。低隔離度、低交叉極化比和小型化均是基站天線關(guān)注的重要指標，但由于混合振了的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致這種類型的天線剖面比其他形式天線剖面高o為了克服這一問題，本文提出一款帶有諧振腔的新型雙極化、低剖面基站天線。該天線由一塊金屬片、一

10、個鋁制反射腔和雙面覆銅板組成，并通過板背而的一對一分二路功分器饋電。仿真和測試結(jié)果表明，該天線在端口隔離度、交叉極化比和小型化方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,可以工作在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中GSM和CDMA所需要的頻段內(nèi)。1天線設(shè)計1.1工作機制概述金屬與雙面覆銅板混合振子天線具有較寬帶寬的基本原理可以概述為，通過在雙面覆銅板上方仿真一塊金屬板作為寄生單元產(chǎn)生新的諧振頻點，當(dāng)這個頻點與由微帶縫隙產(chǎn)生的諧振頻點靠近時，兩個頻點產(chǎn)生耦合,帶寬就得以展寬。當(dāng)腔體高度和反射板高度滿足諧振條件時，-部分由微帶縫隙泄露的電磁波遇到上方反射板得以反射，同時又和另部分泄露電磁波同相疊加，從而具有低剖面和高增益的特點。當(dāng)諧振腔

11、處丁諧振狀態(tài)時，泄露電磁波在寄生貼片和雙面覆鋼板間經(jīng)過多次反射后，在諧振腔外側(cè)得以加強，達到一種幾乎沒有任何反射的全透射傳播。PCB板上每一側(cè)縫隙的尺寸應(yīng)為半個波長左右，其中波導(dǎo)波長與自由空間中的波長應(yīng)滿足下式：=Ao/Etc(&+1)2/式中：兀為半個波導(dǎo)波長，長度應(yīng)與單側(cè)縫隙總長度大致相等：山為第二個諧振頻點對應(yīng)頻率自由空間中的波長;玨為PCB板的等效介電常數(shù)；研為PCB板的設(shè)計介電常數(shù),本文應(yīng)為3.66o1.2天線結(jié)構(gòu)圖I展示了本文所述的天線在加工組裝完成后的結(jié)構(gòu)，信號由一對阻抗為50。的N接頭饋入雙面覆銅板背面饋電網(wǎng)絡(luò)。雙面覆銅板選用羅杰斯4350B,它的介電常數(shù)是3.66,損

12、耗角正切是0.0031,厚度是0.762mm,上下兩面各覆有0.017mm的銅。邊框和圓形貼片的材料均為硬鋁。圓形貼片在匹配阻抗、形成方向圖和提高增益方面均具有重要作用，它被一個由PVC塑料制成的支架固定在基板正上方。貼片和基板的距離O=41cm?；灞环胖迷谶吙蛏?，并由四個螺絲固定。距基板中心30mm處設(shè)置了四個3.5mmx5mm的孔用于安裝PVC塑料支架。Fig.1Antennastructure如圖2所示，板的頂面放置了-個十字形漸變縫隙和一對空氣橋：板的背面放置了一個圓形貼片和一對饋電網(wǎng)絡(luò)，N接頭的探針和饋電網(wǎng)絡(luò)入口通過焊接相連。四個電鍍通孔被放置在饋電網(wǎng)絡(luò)四個末端，它們的半徑是0.4

13、mm,通孔中心與饋電網(wǎng)絡(luò)邊緣末端的距離是0.8rn.no金屬化通孔可以使帶狀線和地板良好連接，實現(xiàn)共地。除此之外，它還可以有效抑制饋電網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_。饋電網(wǎng)絡(luò)末端中線和基板邊緣的距離為18.5cm?？諝鈽蛏贤椎脑O(shè)置與饋電網(wǎng)絡(luò)末端通孔的設(shè)置方式相同。天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：GN=168.5mm,R=133mm»Ri=33.3mm.Hi=38.3mm,=1.8mm,Hx=10.1mm»Ha=3.4mm,Hs=24.8mm,=10.2mm,Hi=1.6=5.25mmJVi=35nini,W?=3mm»VVi=1.45mm,肌=19.4mm,W$=16.2mm,W6=32

14、mm.ABi=10.5mm,ABi=3mm,AB；=9mm,4i=22mm,4：=16.7mm,A.=22.5nini,A,=2n】ni,/h=35.6nim,/U=28.2mm,A?=1.8mm,As=18.5mm,A9=7mm,Aw=10.5mm,An=1.65mm,人=A“=0.9mm»1.3饋電網(wǎng)絡(luò)本文中進行的仿真在有限元電磁仿真軟件中完成。仿真模型和實物稍有不同。本文采用一款一分二Wilkinson功分器對天線進行饋電。端口1的饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果如圖3所示。在工作頻段內(nèi)，輸入端回波耗損S,為_34.48-24.43dB,端口間的傳輸系數(shù)弘和S”均為-3.18-3.14dB&#

15、176;一分二功率分配較好地實現(xiàn)設(shè)計目標。端口2與之結(jié)果相同，在此不再贅述。a)XXltnlQM板面1>)UHUIQM板底帥圖2雙面覆銅板結(jié)構(gòu)Fig.2Structureoftwo-sidedcoppercladlaminate圖3端II饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果Fig.3SimulationresultsoffeedingnetworkofportI2天線分析本日將對影響該天線諧振特性的四個主要器件尺寸進行分析說明。從端口饋入的信號經(jīng)微帶線傳輸至縫隙附近，并由縫隙向外泄露。為了使電磁波具有最大的輻射,每一側(cè)的縫隙長度被設(shè)計為約等于半波長。如圖4所示，T形縫隙的長度對于兩個諧振頻點的諧振強度都有影

16、響，隨著縫隙長度的逐漸增大，天線的整體諧振強度在逐漸減弱，同時第一個諧振頻點也在向低頻移動。但總體來說，縫隙長度的變化*f天線整體諧振性能影響不大。Fig.4EffectsoflVontheproposedantenna's圖5展示了鋁制寄生貼片與雙面覆銅板下表面的驅(qū)動貼片距離的改變對天線諧振的影響。由圖5可知，兩個貼片的距離與諧振強度之間并不呈現(xiàn)線性變化的規(guī)律，而是隨著距離的加大呈現(xiàn)出“弱強弱”的諧振特性，并在。=41mm時兩個諧振點達到最強的耦合。Fig.5EffectsofDontheproposedantenna's5n圖6和圖7分別展示了雙面覆銅板背面驅(qū)動貼片半徑和鋁

17、制寄生貼片半徑的改變對諧振的影響。對于本設(shè)計來說，這一組器件尺寸的改變對天線整體性能影響最為顯著。驅(qū)動貼片的尺寸直接影響了第二個諧振頻點的產(chǎn)生和變化。隨著貼片直徑的不斷增加，第二個諧振頻點呈現(xiàn)出單調(diào)向低頻移動的規(guī)律，并顯著地影響了諧振強度。R=16.75mm時達到了最強諧振，經(jīng)綜合考慮，本文最終選用R=16.65m作為驅(qū)動貼片的尺寸。在這-尺寸下，天線的隔離度和交叉極化比指標有2dB左右的優(yōu)化，而其他指標乂均能滿足設(shè)計要求。鋁制寄生貼片作為輻射體起到了提高增益和形成方向圖形狀的作用，是本設(shè)計中最為關(guān)鍵的器件。它的尺寸直接影響了天線工作性能。如圖7所示，寄生貼片形成了低頻處的諧振點。隨著其半徑的

18、逐漸減小，低頻處的諧振強度也逐漸加強并不斷向高頻處移動。伴隨著兩個頻點的耦合逐漸加強，帶寬也不斷變窄，由此可以得出天線的帶寬主要受到驅(qū)動貼片和寄生貼片的尺寸影響的結(jié)論。通過在仿真軟件中杳看不同頻點處表面電流的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，寄生貼片在第一個諧振頻點表而電流較大，而驅(qū)動貼片在第二個諧振頻點表面電流較大。這也再次證明第一個諧振頻點由寄生貼片產(chǎn)生，而第二個諧振頻點由驅(qū)動貼片產(chǎn)生。除此之外，金屬邊框的高度昂對HPBW也會產(chǎn)生影響。加高"后，HPBW會逐漸變窄，增益也會隨之增大。o-45!1111117007508008S090()950I(XM)!050I100II5CI'miur

19、tn/MHx-45!1111117007508008S090()950I(XM)!050I100II5CI'miurtn/MHx圖6K對S”的影響Fig.6EffectsofRiontheproposedantenna'sSn圖7R對S”的影響Fig.7EffectsofRontheproposedantenna'sS”3測試結(jié)果本文所示的參數(shù)測試結(jié)果均在SATIMOSG64全電波暗室中完成。圖8中的S參數(shù)測試結(jié)果是由安捷倫E8362B網(wǎng)絡(luò)分析儀給出。如圖8所示，天線的-10dB帶寬為8061010MHz,兩端口間隔離度在工作頻段內(nèi)均在-30dB以下。仿真和測試結(jié)果吻合

20、良好。如圖9所示，天線在工作頻段內(nèi)取得了79.19%92.33%的效率和6.57.55dBi的增益。與仿真結(jié)果相似,增益曲線也呈現(xiàn)出了整體向上的趨勢，但是與仿真結(jié)果有最大0.6dBi的差距。這或許是由加工和測試誤差造成的。值得注意的是，實測的增益曲線在諧振點處可以取得最大值，與普遍認知相符。up、u<.z1s-n*-3E9TX-45750780810840870900930960990I020105CFrrqurno/MHx圖8S參數(shù)仿真和測試結(jié)果Fig.8MeasuredandsimulatedSparametersFn*qurno/MHx圖9天線增益和效率Fig.9Measureda

21、ndsimulatedgainandefficiencyofantenna圖10,圖11分別展示了端口1、端口2的方向圖，圖中左側(cè)三個是水平面方向圖，右側(cè)三個是垂直面方向圖。表1中展示了該天線在820MHz,890MHz和960MHz三個典型工作頻點的測試結(jié)果。從中可以得知，該天線端口1的交叉極化水平最小為28.9dB,端口2的交叉極化水平最小為29.5dB。水平而和垂直面的半功率波束寬度范圍是88.22。±3.38°和71.37。±5.25氣仿真和測試結(jié)果吻合較好。表2列舉了一些其他類似應(yīng)用的基站天線與本工作的性能對比。文獻10報道了一款與本文結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)。從

22、表2可以看出，本文所提出的天線具有比文獻10低34%的剖面和與之相當(dāng)?shù)母綦x度，較好地滿足了設(shè)計預(yù)期。但是由于本文所提出的天線結(jié)構(gòu)波束較寬，因此增益較低。這一問題可以通過加大天線口徑和提高邊框高度等措施加以解決。IOOIO2OM40S040M2OIOOI0IO0IO20MI40W403020IO0IO表1天線輻射性能端LI1(+45°)頻率/MHz水平面垂直面半功率波束寬度/C)交叉極化/dB半功率波束寬度/(°)交叉極化/dB82090.6536.776.6238.589087.9331.871.4332.596084.8428.966.4331.6端口12(-45

23、6;)頻率.水平面垂直面/MHz半功率波束寬度/(°)交叉極化/dB半功率波束寬度/(°)交叉極化/dB82091.0234.576.3537.389088,3632.971.1334.996086.5433.166.2629.5TableIRadiancecharacteristicsofproposedantenna表2基站天線性能比較圖10天線端口1方向圖Fig.10DirectionaldiagramsatportIofantenna基站犬線劑面島帶寬/MHz隔離度/dB半功率波束寬度(水平面)N若MR；度/mm文獻90670-980>4061.7°

24、±1.5°9文獻68790-960>2565。±4.83。Max10.24文獻10|71770-990>3065°±4.4°-9文獻1168698-960>20NGNG本文天線53806-1010>3088.22。±3.38。7Tabic2Comparisonofpcrfonnanccsofantenna圖II天線端口2方向圖4結(jié)論本文提出的雙極化通信基站天線結(jié)構(gòu)簡單、易于組裝、剖面低、成本低，同時又具有隔離度、交叉極化比良好,效率高等性能。該天線可以形成較為穩(wěn)定的水平和垂直方向圖，可以作為基站天線單

25、元應(yīng)用于2G通信系統(tǒng)中。注：本文通訊作者為歐毅。參考文獻II滕知李淑飄盛等.LTE基站大線陣列設(shè)計J.現(xiàn)代電子技術(shù)2014,37(11):88-90.TENGFei,LIShuying,SHENGZhe,etal.DesignofLTEbasestationantennaarrayJJ.Modemelectronicstechnique.2014,37(11):88-90.WUR.CHUQX.ResonatorloadedbroadbandantennaforLTE700/GSM850/GSM900basestationsJ.IEEEantennasandwirelesspropagation

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32、(1975),男，北京人，博士，研究員，主要研究方向為MEMS微波器件。歐文(1963-),男，涼人，博士，研究員，主要研究方向為MEMS傳感器。(上接第4頁)PENGZ,MUNOZ-FERRERASJM,TANGY,etal.Portablecoherentfrequency-modulatedcontinuous-waveradarforindoorhumantrackingC/2016IEEEInternationalConferenceonBiomedicalWirelessTechnologies.Networks»andSensingSys-tems.Austin,TX.USA:IEEE,2016：36-38.4 KWAGYK.JUNGJS,WOOIS,elai.Multi-bandmulti-modeSDRradarplatformC/2015IEEEInternationalConferenceonSyntheticApertureRadar.Singapore：IEEE,2015：46-49.5 NOWAKM,WICKSM,ZHANGZ,etal.Co-designedradar-communicationusinglinearfrequencymodulationwaveformJ.IEEEaerospace&electronicsy