一種新型的雙頻段超寬帶雙極化天線

李 直，徐自強，向東紅，李元勛，吳孟強

?

一種新型的雙頻段超寬帶雙極化天線

李 直1，徐自強1，向東紅1，李元勛2，吳孟強1

（1. 電子科技大學 能源科學與工程學院，四川 成都 611731；2. 電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054）

提出一種集成雙頻段、雙極化、超寬帶特性的新型天線。該天線通過雙枝節(jié)結(jié)構(gòu)形成雙頻，利用多節(jié)阻抗匹配的巴倫饋電、寬縫形式對稱U型輻射面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超寬帶，并采用介質(zhì)板±45°正交以及合理饋電和交叉位置布局形成雙極化。結(jié)果表明，這款天線既可工作在824~960 MHz的全2G通信頻段內(nèi)，又可工作在1.7~2.7 GHz的全3G通信頻段內(nèi)，并且在兩個頻段內(nèi)回波損耗≤–14 dB，兩端口間帶內(nèi)隔離度≤–30 dB，交叉極化電平≤–20 dB。

雙頻段；超寬帶天線；雙極化；巴倫饋電結(jié)構(gòu)；正交；通信頻段

天線作為無線通信系統(tǒng)中收發(fā)單元的核心元件，其結(jié)構(gòu)、性能和體積直接影響著系統(tǒng)的功能[1]。近年來，隨著3G通信技術(shù)的普及以及4G通信的興起，現(xiàn)有的頻譜資源日益緊張，尋求寬頻譜和高效頻譜利用率的天線迫在眉睫。而超寬帶技術(shù)具有傳輸速率高、容量大、成本低、功耗小、保密性能好、抗干擾能力強等等優(yōu)勢，這使得超寬帶技術(shù)成為最具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一[2-3]。文獻[3]提出了一種開弧形槽超寬帶印刷天線，相對帶寬達到了51.6%，但是僅覆蓋了2.3~3.9 GHz單個頻段。隨著無線通信的進一步發(fā)展，天線的多頻性能也顯得尤為重要[4-5]。文獻[5]提出了一種集成缺陷地結(jié)構(gòu)的多頻段平面天線，完整覆蓋藍牙、TD-LTE、WiMAX和X波段衛(wèi)星通信下行頻段，但是每個頻段的帶寬都較窄。此外，文獻[3]和文獻[5]提出的天線均不具備多極化特性。事實上，多極化天線不僅能有效進行極化分集通信，還能增強抗多徑衰落能力，極大程度上降低頻率互擾，提高通信質(zhì)量[6-7]。文獻[7]采用雙層切角貼片結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種雙頻雙圓極化微帶天線，在兩個工作頻段內(nèi)都實現(xiàn)了雙圓極化輻射，但其工作頻段阻抗帶寬僅有1.611~1.618 GHz和2.439~2.558 GHz。文獻[8]提出了一種超寬帶雙極化基站的天線，在1.7~2.7 GHz超寬帶頻段內(nèi)實現(xiàn)了雙極化輻射，但其也僅有單個工作頻段。

本文首次將超寬帶天線和多頻天線以及雙極化天線集成到一個天線單元上來，做成多頻段超寬帶雙極化天線，不僅能夠大大縮減應用三類天線的占空體積，而且還兼?zhèn)淙愄炀€的優(yōu)良特性。對天線進行建模優(yōu)化并制作實物，實測結(jié)果證明介質(zhì)板整體空間上的±45°垂直放置對于實現(xiàn)雙極化的可行性，也證明了雙枝節(jié)條形饋電結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙頻帶的有效性，驗證了巴倫饋電結(jié)構(gòu)以及開槽處理對于拓寬頻帶的重要性。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先進行超寬帶頻段設(shè)計。要想獲得超寬帶特性，由式1可知，應盡量降低天線的值[9]。

式中：為天線帶寬；VSWR為電壓駐波比。一定程度上，基片越厚，片內(nèi)電磁波存儲能力越弱，所對應的值越小，結(jié)合成本和理論設(shè)計參數(shù)尺寸范圍，這里選用0.8 mm厚度的FR4環(huán)氧樹脂板。

采用直接耦合饋電形式下的巴倫饋電匹配結(jié)構(gòu)，使得阻抗匹配更加合理，直接耦合饋電形式同樣能展寬帶寬，一定程度上帶寬將得到進一步優(yōu)化。由于天線采用的是巴倫饋電匹配結(jié)構(gòu)，考慮到整個3G頻段的相對帶寬太寬，而后續(xù)的端口隔離度和交叉極化電平要求很高，所以采用對稱U型輻射面結(jié)構(gòu)。

第二步進行雙極化性能設(shè)計。在對稱U型輻射面間進行物理切割，將另一塊相同的超寬帶天線倒置插入，實現(xiàn)了雙極化性能的同時，極大地縮小占用空間體積。

第三步進行第二工作頻段設(shè)計。采用雙枝節(jié)條形饋電的耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最后的雙頻段特性，在饋電下方空間進行布局。由于另一個頻段相對來說頻點較低，意味著饋線長度需要很長，故采用曲型結(jié)構(gòu)。

綜上所述，圖1是天線設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，圖2是饋電單元結(jié)構(gòu)圖，圖3是輻射單元結(jié)構(gòu)圖。通過在HFSS中建立模型仿真，優(yōu)化參數(shù)，得到天線的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，最后制作實物并測試。從測試結(jié)果可看出，此天線能很好地滿足雙頻段超寬帶雙極化應用的需求。

圖1 天線設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖2 饋電單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 輻射單元結(jié)構(gòu)圖

2 天線仿真和參數(shù)研究

為了簡化參數(shù)分析，這里著重研究2和3對天線輸入回波損耗11的影響。圖4表示饋線的尺寸變化對天線回波損耗的影響，從圖4（a）中發(fā)現(xiàn)，當2增大，則兩段饋線平行部分的距離增大，則兩個頻段的互相耦合量降低，低頻段11更好，但是2增大，使得另一段饋線變長，則高頻諧振中心略微往低頻偏移。從圖4（b）發(fā)現(xiàn)，3的增大，使得低頻諧振中心略微往低頻偏移，并且對高頻的帶寬產(chǎn)生了影響，因為隨著長度的增加，天線自身阻抗會增加，使得原有的匹配變差，從而帶寬變窄。

(a) 饋線的長度2變化

(b) 饋線的長度3變化

圖4 饋線的尺寸變化對天線回波損耗的影響

Fig.4 The influence of the size of the feed line on the antenna return loss

天線的高頻部分的超寬帶特性受到低頻饋線的影響而產(chǎn)生陷波。在輻射面結(jié)構(gòu)上開寬縫來產(chǎn)生近似諧振點，從而抵消陷波特性?？p隙長度和寬度對天線的11性能的影響如圖5所示。當縫隙長度越長，天線的中心頻點往低頻偏移，而且?guī)拹夯⒃?.4 GHz附近產(chǎn)生陷波，且對寬縫的外加諧振點影響越來越大；而隨著縫隙寬度的增加，在2.4 GHz附近產(chǎn)生的陷波得到明顯減弱，當增大到一定程度使陷波完全消除時，卻造成外加諧振點對天線影響也越來越小，使得帶寬反而又變小了。

最后得到天線的回波損耗、端口隔離度、交叉極化電平以及方向圖的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。中心頻點分別落在0.9 GHz和2.2 GHz附近，并且在這兩個設(shè)計頻段內(nèi)兩個端口的隔離度基本上都低于–30 dB，主極化方向圖性能良好，而且交叉極化電平都低于–20 dB。

(a) 縫隙的長度變化

(b) 縫隙的寬度變化

圖5 縫隙的尺寸變化對天線回波損耗的影響

Fig.5 The influence of the size of the wide slot on the antenna return loss

圖6 雙端口的回波損耗和隔離度

3 天線實物測試結(jié)果

最終，得到天線優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合圖2和圖3的尺寸標注（單位為mm），1=8.5 mm，1=3.8 mm，2=8 mm，2=5 mm，3=14.9 mm，4=20.5 mm，5=8 mm，6=7 mm，6=6.5 mm，7=7 mm，7=3.5 mm，1=20 mm，2=6 mm，3=48 mm，1=12 mm，2=31 mm，3=66 mm，1=45 mm，2=10 mm，3=15 mm，=15 mm，=7.2 mm，1=1.1 mm。加工出實物如圖8所示。

圖8 天線實物圖

實測結(jié)果如下圖9、圖10和圖11所示。該款天線實現(xiàn)了雙頻特性，兩個端口的諧振中心頻率也基本上落在0.9 GHz和2.2 GHz附近處，并且2端口天線的–10 dB帶寬在1.7~2.7 GHz超寬帶頻段以及824~960 MHz寬頻段，達到了設(shè)計要求。由于采用正交隔開而且還是異側(cè)饋電，兩個端口隔離度都非常好，曲線也很接近，兩個頻段內(nèi)基本上達到設(shè)計要求的–30 dB以下，并且由于單一輻射板結(jié)構(gòu)也是完全對稱，其交叉極化電平都非常小，基本上都低于–25 dB，而且方向圖上的全向性也很好，基本上達到了H面的全向性特性。

端口1的低頻段帶寬很窄，回波損耗較大，原因在于兩塊輻射板正交穿插放置，端口1位于底部，其輻射特性受到板子邊緣雜散頻率的干擾。兩個端口的主極化電平較高，意味著輻射強度好，傳輸信號質(zhì)量有保證。但是兩個端口在兩個中心頻點0.9 GHz和2.2 GHz處的極化方向圖有所差異，在高頻段的主極化強度明顯高于低頻段的主極化強度，原因在于巴倫饋電匹配結(jié)構(gòu)是針對2.2 GHz而設(shè)計的，后續(xù)的雙枝節(jié)曲型結(jié)構(gòu)只是產(chǎn)生了另外的低頻諧振頻段并有一定的帶寬拓展，但是阻抗匹配沒有做到最佳，所以在低頻段電流損耗較大，輻射強度較小。端口2高頻段的E面和H面方向圖相比于端口1有所惡化，原因是端口2所在的輻射板倒置穿插，使得高頻段的耦合能量經(jīng)過反射板發(fā)生了一定的損耗，而且低頻部分的諧振波對它的高頻部分的諧振波產(chǎn)生很大的干擾。

圖9 實物測試的雙端口S參數(shù)圖

圖10 實物測試的0.95 GHz處雙端口方向圖

圖11 實物測試的2.2 GHz處雙端口方向圖

相比文獻[8]的天線，雖然本文提出的天線輻射單元高度增加了一倍，但表面積更小，只有其面積的42.2%。與文獻[8]相仿，在1.7~2.7 GHz超寬帶頻段兩個端口隔離度也基本達到–30 dB以下。同時，本天線交叉極化電平基本上都低于–25 dB，對比文獻[8]的基本上低于–20 dB，表現(xiàn)出更好的交叉極化電平性能。而且，文獻[8]僅有1.7~2.7 GHz單個頻段，本文天線在雙極化超寬帶的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了兼有824~960 MHz和1.7~2.7 GHz雙頻段特性，而且在方向圖上基本達到了H面的全向性特性。從整體性能來看，該天線實測結(jié)果和軟件仿真基本一致，這能很好地滿足實際生產(chǎn)中的天線性能要求。

4 結(jié)論

本文以雙頻天線、超寬帶天線和雙極化天線為基礎(chǔ)，逐步設(shè)計并最終完成了雙頻段超寬帶雙極化天線，使之工作在824~960 MHz和1.7~2.7 GHz頻段，此雙頻段覆蓋了全2G通信頻段和全3G通信頻段，并且具有很好的端口隔離度和交叉極化電平。天線在盡可能小型化的同時，還具有良好的輻射特性，適應現(xiàn)代通信理念的高集成度高效性的需求，具有極廣的應用前景。

[1] 徐自強, 鄭軼, 楊邦朝, 等. 小型化低溫共燒陶瓷片式天線研究[J]. 電波科學學報, 2011(5): 850-854.

[2] LIU H, XU Z Q, WU B, et al. Compact UWB antenna with dual band-notches for WLAN and WiMAX applications [J]. IEICE Electron Express, 2013, 10(17): 1-6.

[3] 延曉榮. 小型化超寬帶與極寬帶印刷天線 [D]. 上海: 上海大學, 2008.

[4] KALIALAKIS C F, ANAGNOSTOU D E, CHRYSSOMALLIS M T. Mutual coupling effects on the MIMO capacity using dual band Wi-Fi double-T printed antennas [C]//2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. NY, USA: IEEE, 2015: 713-714.

[5] 周國榮. 多頻段平面天線的設(shè)計與研究[D]. 武漢: 華中師范大學, 2014.

[6] LEE J N, LEE K C, SONG P J. The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2015, 63(2): 791-795.

[7] 楊杰, 盧春蘭, 沈菊鴻. 雙頻雙圓極化小型化微帶天線的設(shè)計 [J]. 軍事通信技術(shù), 2013(3): 16-19.

[8] 肖勇才, 薛鋒章. 一種新型的寬帶雙極化基站天線 [J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2013(5): 589-592.

[9] 呂文俊. 超寬帶（UWB）天線原理與設(shè)計 [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

（編輯：陳渝生）

Novel dual-band ultra-wideband dual-polarized antenna

LI Zhi1, XU Ziqiang1, XIANG Donghong1, LI Yuanxun2, WU Mengqiang1

(1. School of Energy Science and Engineering of UESTC, Chengdu 611731, China; 2. State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices of UESTC, Chengdu 610054, China)

A new dual-band ultra-wideband dual-polarized antenna was designed. The dual band was formed by double branch structure. The ultra-wideband was formed by Balun feeding structure of multi-section impedance matching and symmetrical U-shaped radiating surface structure with opening wide slot. The dual polarization was formed by using ±45° orthogonal placement of the dielectric plates, reasonable feeding and cross position layout. The results show that this antenna works in both the whole frequency band of 824－960 MHz in 2G communication, and the whole frequency band of 1.7－2.7 GHz in 3G communication. And in the frequency ranges, the return losses are basically less than –14 dB, the isolation zones between the two ports are less than –30 dB, and the cross polarization levels are less than –20 dB.

dual band; ultra-wide band antenna; dual polarization; Balun feeding structure; orogonal; communication band

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.006

TN823

A

1001-2028（2016）11-0025-05

2016-09-20

徐自強

國家自然科學基金資助項目（No. 61301052）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助（No. ZYGX2015J095）

徐自強（1980－），男，四川成都人，副教授，從事LTCC微波器件研究，E-mail: nanterxu@uestc.edu.cn；

李直（1991－），男，湖北武漢人，碩士，研究方向為天線和微波無源器件，E-mail: leeowen027@hotmail.com。

2016-10-28 14:04:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.006.html