適用于5G通信系統的寬帶圓極化縫隙天線

柴 琨， 韓國瑞， 韓麗萍

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

0 引 言

隨著移動數據流量爆炸式增長以及物聯網的快速發展， 人們對通信系統的數據傳輸速率、 頻譜利用效率和頻譜帶寬提出更高的需求， 5G通信成為各大運營商和通信廠商普遍關注的焦點. 5G通信系統選Sub-6G頻段能夠解決電波信號廣域覆蓋的問題， 可降低建設成本， 并且電波信號具有更強的穿透性. 寬帶天線在通信系統中發揮著舉足輕重的作用， 能夠大幅度提高通信系統的數據傳輸速率和信道容量. 圓極化天線對干擾、 多徑畸變和衰落具有更強的抵抗力， 并且圓極化天線在發射-接收天線之間能夠提高通信系統的可靠性. 因此， 設計能夠覆蓋5G通信系統Sub-6G工作頻段的寬帶圓極化天線具有廣泛的應用價值[1-2].

縫隙天線具有較低的品質因數和較寬的阻抗帶寬， 被廣泛用于衛星通信系統、 導航以及雷達等系統中[3-4]. 文獻[5]通過饋電網絡激勵兩個線極化單元， 實現寬帶圓極化輻射， 天線的軸比帶寬高達107%； 文獻[6]在接地板上刻蝕3個相連的橢圓縫隙， 實現圓極化輻射， 倒L形微帶線上加載貼片電阻， 使得天線的軸比帶寬達到89.7%； 文獻[7]通過L形微帶線擾動圓形縫隙產生圓極化模式， 采用在上層介質基板的下表面加載方形環的方法， 使得天線的軸比帶寬達到57%； 文獻[8] 在矩形縫隙中引入對踟Y形條帶， 天線的軸比帶寬為41.3%； 文獻[9]由Γ形饋電結構擾動十字交叉縫隙實現圓極化輻射， 通過調整饋線與縫隙間的偏移距離并且加載匹配短截線， 實現了 42.6% 的軸比帶寬； 文獻[10]由一段偏移饋電的垂直枝節激勵矩形縫隙， 并在矩形的右側加入一段水平枝節， 實現寬帶圓極化輻射， 天線的軸比帶寬為40%； 文獻[11]在對角加載矩形條帶的方形縫隙， 實現三頻段圓極輻射， 在接地板刻蝕矩形縫隙展寬高頻段帶寬， 3個頻段的軸比帶寬分別為35.9%， 44%和6.3%. 文獻中部分天線采用復雜結構， 實現了較大的圓極化帶寬， 而簡單結構天線的圓極化帶寬則小于50%.

本文的目標是設計一種結構簡單的寬帶圓極化縫隙天線. 天線采用微帶饋電方式， 通過L形枝節激勵接地板上的縫隙實現圓極化輻射， 通過采用叉形縫隙結構并在L形枝節的底部切角， 展寬天線的圓極化帶寬. 對倒叉形縫隙和L形枝節頂部倒角， 改善天線的阻抗匹配， 進一步拓展了展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬. 設計的天線具有結構簡單， 易于制作等特點， 適用于5G通信系統.

1 圓極化縫隙天線設計

1.1 天線結構

天線的結構如圖 1 所示， 包括3層， 上層是50 Ω微帶饋線和L形枝節， L形枝節的頂部和底部分別進行倒角和切角； 中間層是介質基板； 下層是蝕刻倒叉形縫隙的接地板， 叉形縫隙兩端做倒角， 縫隙下方的矩形槽用于改善天線的阻抗匹配. 設計的天線工作在Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz 頻段， 選用相對介電常數為2.2， 損耗正切角為0.002， 厚度為1 mm的聚四氟乙烯介質基板. 優化后的參數為：l=60 mm,w=60 mm,lc=40 mm,l1=25 mm,w1=7 mm,l2=8.5 mm,w2=7.5 mm,l3=20 mm,w3=13 mm,l4=15 mm,w4=8 mm,l5=3.8 mm,lf=11 mm,wf=3 mm,g=8 mm,r1=8 mm,r2=5 mm,r3=6 mm.

(a) 頂視圖

1.2 工作原理

一般來說， 圓極化輻射是由等幅且相位相差90°的正交電場分量產生. 本文通過引入不對稱L形枝節形成微擾， 產生兩個幅度相等、 相位差為90°的正交電場分量， 從而實現圓極化輻射. 為了解釋天線實現圓極化輻射的原理， 圖 2 給出了天線在3.55 GHz和4.7 GHz時的表面電流分布. 從圖 2 中可以看出， L形枝節和接地板均存在水平方向和垂直方向的電流元， 產生兩個等幅正交的電場分量， 實現了圓極化輻射.

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz圖 2 天線表面電流分布Fig.2 Surface current distribution of antenna

由圖2(a)可知， 水平、 垂直方向電流元合成的疊加電流在0°相位時沿φ=225°方向； 90°相位時沿φ=315°方向； 180°相位時沿φ=45°方向； 270°相位時沿φ=135°方向. 疊加電流隨相位增加逆時針旋轉， 表明天線在3.55 GHz輻射右旋圓極化. 同理， 天線在4.7 GHz 輻射右旋圓極化， 如圖 2(b) 所示.

2 寬頻帶圓極化實現

2.1 寬頻帶實現

本文采用寬縫隙結構， 實現較大的阻抗帶寬， 通過改變接地板的縫隙形狀改善天線的阻抗匹配， 在饋線切角， 拓展軸比帶寬， 實現了寬頻帶圓極化特性. 為了更清楚地解釋天線實現寬頻帶特性的原理， 圖 3 給出了天線演化設計的3個結構， Ant1為加載L形枝節的方形縫隙天線； Ant2在方形縫隙左側和右側分別加載矩形金屬貼片構成叉形縫隙天線； Ant3為本文提出的天線.

圖 3 天線演化過程Fig.3 Evolution process of antenna

圖 4 給出了圖 3 中天線仿真的反射系數和軸比曲線， 從圖 4 中可以看出， Ant1通過L形枝節激勵方形縫隙產生兩個相互正交且具有90°相位差的電場分量， 實現一個窄帶圓極化， 但是在4.7 GHz 處的匹配性能較差， 仿真得到的阻抗帶寬為 1.54 GHz～2.54GHz， 軸比帶寬為4.27 GHz～4.5 GHz. Ant2在方形縫隙兩側加載矩形金屬貼片， 構成倒叉形縫隙， 改善4.7 GHz處的阻抗匹配和兩個正交電場分量的幅值比， 展寬了軸比帶寬， 仿真得到的阻抗帶寬為 3.27 GHz～4.95 GHz, 軸比帶寬為3.33 GHz～4.4 GHz. Ant3對倒叉形縫隙和L形枝節倒角， 進一步改善阻抗匹配性能， 進而展寬了天線的阻抗帶寬. 通過在L形枝節切角， 提高正交電場的幅度性能， 使得正交電場在很寬的頻帶內均保持90°的相位差， 展寬了軸比帶寬. 仿真得到的阻抗帶寬為1.42 GHz～6.0 GHz, 軸比帶寬為2.51 GHz～4.91 GHz. 結果表明Ant3的圓極化帶寬能夠完全覆蓋Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz頻段.

(a) 反射系數

(b) 軸比圖 4 圖3中天線的反射系數和軸比Fig.4 S11 and AR of antennas in Fig.3

2.2 關鍵參數分析

通過對天線進行敏感性分析， 發現接地板上矩形金屬貼片的寬度w3,w4和L形枝節的切角長度l5對天線性能影響較大.

圖 5 給出了縫隙左側金屬貼片的寬度w3對天線反射系數和軸比的影響.由圖 5 可知， 隨著w3的增大， 在工作頻內， 天線的阻抗匹配逐漸變好， 軸比帶寬隨w3的增加先增大后減小， 當w3=13.0 mm時， 軸比帶寬達到最大.

(a) 反射系數

(b) 軸比圖 5 不同w3時的反射系數和軸比Fig.5 S11 and AR for different w3

圖 6 為縫隙右側矩形金屬貼片的寬度w4變化時的天線反射系數和軸比曲線.

(a) 反射系數

(b) 軸比圖 6 不同w4 時的反射系數和軸比Fig.6 S11 and AR for different w4

從圖 6 中可以看出， 隨著w4的增加， 在工作頻段內， 低頻段的阻抗匹配逐漸變好， 高頻段的阻抗匹配逐漸變差， 軸比帶逐漸展寬， 當w4=8.5 mm時， 軸比帶寬為2.0 GHz～4.85 GHz， 不能覆蓋Sub-6G的 2.515 GHz～4.9 GHz頻段， 折中選擇w4=8.0 mm.

(a) 反射系數

(b) 軸比圖 7 不同l5時的反射系數和軸比Fig.7 S11 and AR for different l5

圖 7 給出了不同L形枝節的切角長度l5對天線反射系數和軸比的影響， 隨著l5的增大， 在 2.515 GHz～4.9 GHz工作頻段內天線的阻抗匹配逐漸變差， 軸比帶寬逐漸展寬， 當l5=3.8 mm時， 軸比帶寬達到最大.

3 結果與討論

天線印制在相對介電常數為2.2的聚四氟乙烯介質基板上， 圖 8 為天線的實物圖， 采用Agilent公司N5221A矢量網絡分析儀測量天線的反射系數， Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統測量天線的方向圖.

圖 8 天線實物圖Fig.8 Photograph of antenna

圖 9 為天線仿真和測試得到的反射系數和軸比曲線. 從圖 9 中可以看出， 實測結果與仿真結果基本一致. 仿真的-10 dB阻抗帶寬為123.4%(1.42 GHz～6.0 GHz)， 3 dB軸比帶寬為64.6%(2.51 GHz～4.91GHz)； 測試的阻抗帶寬和軸比帶寬分別為121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz) 和72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 測試結果和仿真結果的差異源于天線的介電常數偏差以及加工誤差的影響.

圖 10 給出了天線在3.55 GHz和4.7 GHz的歸一化輻射方向圖.

(a) 反射系數

(b) 軸比圖 9 天線的反射系數和軸比Fig.9 S11 and AR of antenna

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz圖 10 天線輻射方向圖Fig.10 Radiation patterns of antenna

從圖 10 中可以看出， 仿真與測試的結果基本一致， 天線沿+z方向輻射右旋圓極化(RHCP)波， 沿-z方向輻射左旋圓極化(LHCP)波.

最后， 表 1 給出了本文提出的天線和文獻中寬帶圓極化天線的性能比較. 由表 1 可知， 本文天線的阻抗帶寬最大， 高達121.5%； 軸比帶寬為72.2%， 僅小于文獻[5-6]中天線的軸比帶寬. 另外， 文獻[5]需要額外的饋電網絡激勵兩個線極化單元滿足圓極化特性； 文獻[6]通過加載貼片電阻實現寬頻帶圓極化特性； 本文天線通過L形枝節實現圓極化， 引入微擾結構展寬圓極化帶寬， 所以不需要額外的饋電網絡或無源器件， 天線具有較簡單的結構.

表 1 寬帶圓極化天線的性能比較

4 結 論

本文設計了一種適用于5G通信系統的寬帶圓極化縫隙天線. 采用叉形縫隙結構并對L形枝節切角， 實現寬帶圓極化性能. 測試結果表明： 天線-10 dB阻抗帶寬達到121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz)， 3 dB軸比帶寬達到72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 該天線尺寸較小， 結構簡單， 易于加工且具有良好的圓極化性能， 可以用于5G通信系統.