一種基于電磁超材料的大規(guī)模天線陣列天線罩解耦技術(shù)

陳政宏，蔣沅臻，侯建強

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

2019年，三大運營商上線5G套餐標志著中國商用5G元年的開啟。相較于4G的產(chǎn)品，5G相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展更為迅速[1]，目前已有產(chǎn)品包括5G智能手機、5G基站等[2]。相較于4G，5G的應(yīng)用場景更加豐富，包括智慧化生活、數(shù)字化治理、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化3個大方向[3]，以及增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)/虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、高清視頻等基礎(chǔ)應(yīng)用[4]。在基站天線方面，5G相較于4G進行了大幅度改進[5]，最明顯的是天線單元數(shù)量的增加。

隨著通信技術(shù)快速發(fā)展，5G技術(shù)也趨近成熟。在基站端，5G天線陣列的規(guī)模至少在32個單元[6-9]，數(shù)量較多的天線單元若不能被緊湊排列，會使得天線陣列整體尺寸過大，增加基站選址以及架設(shè)的成本。若將天線單元的間距縮小，陣列內(nèi)端口間的隔離度會出現(xiàn)明顯的惡化[10-11]。因此，在研究縮小天線單元間距的同時保證端口隔離度的方法具有一定的現(xiàn)實意義。

電磁超材料的概念在最近幾年迅速興起。超材料的電磁性能獨特，能夠為該問題提供一種全新的解決方法[12]。超材料一般被設(shè)計成亞波長的結(jié)構(gòu)，從而達到調(diào)控電磁波的目的，例如可以提高天線增益，切換電磁波極化方向，降低端口間的隔離度等。超材料的尺寸小于傳統(tǒng)的相控陣天線系統(tǒng)，在未來小型化設(shè)備中更容易找到應(yīng)用場景。電磁超材料的研究為未來天線系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新穎的思路[13-14]。本文將利用電磁超表面來解決緊湊排列的大規(guī)模天線陣列中相鄰端口隔離度較低的問題，避免饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化。通過調(diào)節(jié)超材料結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)電磁波的輻射特性，避免去耦導(dǎo)致天線陣列輻射特性惡化。

1 天線罩去耦原理

去耦天線罩工作原理示意圖如圖1所示。去耦天線罩是一層具有低損耗性、低介電常數(shù)的基板，上面印有多個周期性小金屬反射片。天線罩的工作原理如下[15]：天線陣列中相鄰單元耦合效應(yīng)較強，天線罩為其提供了額外的信號通道，可通過設(shè)計天線罩上金屬反射片的形狀尺、天線罩與天線陣列之間的距離，使得這條信號通道與耦合波具有相同的強度和相反的相位，從而消除相鄰單元之間的耦合。去耦天線罩上的金屬反射貼片可以分為兩種類型：主要反射片和輔助反射片。主要反射片被設(shè)計用來提供主要的反射波，通常與耦合波具有相同的極化方向。輔助反射片被設(shè)計用來減小強度較弱的耦合波，例如交叉極化中的耦合波，或者被用來調(diào)整主要的反射波[16-19]。

圖1 去耦天線罩工作原理Figure 1. Working principle of decoupling radome

2 天線陣列設(shè)計與加工

本文設(shè)計了一款針對中國移動5G試驗頻段2.515～2.675 GHz的低剖面雙極化圓形介質(zhì)貼片天線。該天線由耦合饋電的雙層貼片天線構(gòu)成，采用垂直列二合一的方式保證增益。相較于傳統(tǒng)巴倫饋電的偶極子基站天線，該天線的結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝方便快捷，且具有低剖面特性。天線單元的整體尺寸為1.05λ0×0.34λ0×0.06λ0(λ0是2.6 GHz時的波長)，高度為6 mm。在2.6 GHz頻點處，該天線仿真增益可達10.1 dB。

在前文設(shè)計的天線單元基礎(chǔ)上，組裝一個4行8列的天線陣列，用來測試去耦天線罩對天線陣列輻射性能的影響。如圖2所示，將天線單元以列為單位交錯固定在工裝上，相鄰列之間的高度差為40.75 mm，天線陣列的尺寸是465 mm×795 mm。天線陣列將在后文中與去耦天線罩一起進行聯(lián)合測試。

圖2 天線陣列實物圖Figure 2. Physical image of antenna array

3 去耦天線罩的設(shè)計與加工

去耦天線罩整體視圖如圖3所示，即在傳統(tǒng)天線罩上設(shè)計周期排列的金屬反射片結(jié)構(gòu)。天線罩材料是低損耗介質(zhì)板，介質(zhì)板厚度為3 mm，材料是F4B，相對介電常數(shù)為2.2，損耗角正切是0.02。使用去耦天線罩時，只需將它與天線陣列平行放置并保持一個固定的高度h1。h1會影響天線罩對相鄰單元間同極化端口的去耦效果。

圖3 去耦天線罩整體視圖Figure 3. Overall view of decoupling radome

周期性金屬反射貼片的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該形狀可看作在一個交叉形十字的4條臂上開4條縫隙，從而將整個金屬反射貼片分為兩部分：主要反射片和輔助反射片。優(yōu)化過的具體數(shù)值為s=1.8 mm，w=1.4 mm，l=1.5 mm。

圖4 周期性金屬貼片結(jié)構(gòu)Figure 4. Structure of periodic metal patch

該設(shè)計利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)仿真軟件，結(jié)合前文中的天線陣列，對去耦天線罩進行建模仿真。圖5是加載天線罩前后的S11參數(shù)(回波損耗)仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，加載天線罩會輕微改善天線的工作頻段，提升天線低頻特性和工作帶寬展寬。加載天線罩前的工作頻率為2.55～2.71 GHz，加載天線罩后的工作頻率為2.51～2.69 GHz。圖6是加載天線罩前后S21參數(shù)(同一天線單元中異極化端口隔離度)仿真結(jié)果對比圖，可以看出天線罩的加載使得中低頻段內(nèi)天線的S21參數(shù)得到改善，整體改善了約5 dB左右；在2.7 GHz之后，S21參數(shù)開始惡化。圖7是加載天線罩前后S31參數(shù)(相鄰天線單元間同極化端口的隔離度)的仿真結(jié)果對比圖。在整個工作頻段內(nèi)，天線罩的加載對S31參數(shù)有改善作用，在低頻段改善了約3 dB，在中高頻段改善程度逐漸加大，在2.675 GHz處S31參數(shù)改善約10 dB。

圖5 S11參數(shù)仿真結(jié)果對比圖Figure 5. Comparison of S11 simulation results

圖6 異極化端口隔離度仿真結(jié)果對比圖Figure 6. Comparison of simulation results of heteropolarized port isolation

圖7 同極化端口隔離度仿真結(jié)果對比圖Figure 7. Comparison of simulation results of the isolation of the same polarization ports

本文在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，天線罩與天線陣列之間的距離h1對天線罩性能有較大影響。參數(shù)h1對同極化端口隔離度的優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，可以看出，當h1=50 mm時，在工作頻段內(nèi)同極化端口隔離度最好。

圖8 參數(shù)h1對同極化端口隔離度優(yōu)化結(jié)果Figure 8. The optimization results of parameter h1 on the isolation of the same polarization ports

4 天線陣列與去耦天線罩聯(lián)合實測及分析

本文對前文中加工的天線陣列和去耦天線罩進行聯(lián)合實物測試，驗證去耦天線罩對天線陣列中各端口隔離度的影響，以及去耦天線罩對天線陣列的輻射方向圖的影響。測試整體分為兩部分，分別是S參數(shù)測試和方向圖測試。

圖9 S參數(shù)的測試環(huán)境Figure 9. Test environment for S parameters

如圖9所示為本次測試的測試環(huán)境，測試全程在一個半開放的微波暗室中進行，最大程度排除了環(huán)境對測試結(jié)果的影響。

圖10給出了天線陣列中S11(回波損耗)的測試結(jié)果，可以看出各端口的回波損耗具有較好的一致性。在2.515～2.675 GHz頻段內(nèi)，加載天線罩前后S11均小于-10 dB。

圖10 S11測試結(jié)果Figure 10. S11 test results

圖11給出天線陣列的中間振子S21(單一振子異極化的隔離度)參數(shù)的測試結(jié)果。從圖中可以看出，天線罩的加載使得S21參數(shù)在工作頻段內(nèi)下降了3～5 dB，穩(wěn)定在-25 dB左右。

圖11 中間振子S21參數(shù)測試結(jié)果Figure 11. S21 test results of the central vibrator

圖12 中間振子S12參數(shù)測試結(jié)果Figure 12. S12 test results of the central vibrator

圖12給出中間振子S12參數(shù)(相鄰振子間同極化的隔離度)的實測結(jié)果。從圖中可以看出，去耦天線罩加載后，在整個工作頻段內(nèi)S12參數(shù)下降了約3～5 dB，穩(wěn)定在-25 dB左右。

方向圖測試分為兩部分：不加載天線罩時天線陣列的方向圖與加載天線罩之后天線陣列的方向圖。測試時通過設(shè)置輻相模擬器改變端口的饋電相位，達到特定角度的波束指向。在2.6 GHz處加載天線罩前后，水平面偏轉(zhuǎn)60°、垂直面偏轉(zhuǎn)12°的水平方向圖對比結(jié)果如圖13所示，垂直方向圖對比結(jié)果如圖14所示。

圖13 水平切面各頻點方向圖Figure 13. Direction diagram of each frequency point

圖14 垂直切面各頻點方向圖Figure 14. Direction diagram of each frequency point in vertical section

由圖13、圖14可以看出，去耦天線罩的加載不會影響最大波束的指向角度，最大波束指向與預(yù)設(shè)角度保持一致，說明去耦天線罩的加載不會影響天線陣列自身的輻射特性。

為了探究天線罩對天線陣列增益的具體影響，本文測試了在不同頻點處以及加載去耦天線罩前后天線陣列的增益值，如表1所示。

表1 各頻率增益變化值

由表1可以看出，在所有頻點下加載天線罩都會使得天線陣列的增益有一定程度的改善。這說明去耦天線罩的加載可以在一定程度上改善原天線陣列的增益。

5 結(jié)束語

本文為了解決5G基站布置大規(guī)模天線陣列所帶來的隔離度惡化的問題，提出了一種基于電磁超材料的去耦天線罩技術(shù)。該技術(shù)在一層低損耗的介質(zhì)板上設(shè)計周期性的金屬反射片結(jié)構(gòu)，在保證原天線陣列輻射特性及電特性基本不變的前提下，改善了天線陣列各端口間隔離度。本文首先介紹了去耦天線罩技術(shù)的原理并設(shè)計加工一款適用于5G頻率的基站天線單元，以便后期與去耦天線罩聯(lián)合測試。同時，在此基礎(chǔ)之上組裝了一個8行4列的天線陣列。然后，本文針對雙極化基站天線單元設(shè)計了一種去耦天線罩并進行了實物加工。最后，研究人員進行了天線陣列和去耦天線罩的聯(lián)合測試。測試結(jié)果表明，去耦天線罩的加載可以同時降低天線陣列中異極化端口和同極化端口的隔離度，且不會影響天線陣列的輻射方向圖特性，在一定程度上改善了增益。

該設(shè)計對去耦天線罩的設(shè)計具有一定的參考價值。但受制于不同的天線陣列，去耦天線罩的實現(xiàn)形式也有所差別。后續(xù)還需根據(jù)實際應(yīng)用情況對設(shè)計方案進行進一步的研究與補充。