一種低不圓度的垂直極化全向超寬帶天線

張涌萍，葉亮華

（1.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

全向垂直極化天線因?yàn)槠淙蛱匦院痛怪睒O化特性而一直備受研究者的關(guān)注。近年來(lái)研究者對(duì)傳統(tǒng)的單極子天線進(jìn)行了大量的研究。例如文獻(xiàn)[1]提出一種由一個(gè)倒單極子構(gòu)成的天線，它的頻段范圍是1.64～2.5 GHz，其相對(duì)帶寬為41.5%，但該天線阻抗匹配性能較差，其|僅達(dá)到-10 dB，無(wú)法滿足當(dāng)前基站天線的標(biāo)準(zhǔn)。與此結(jié)構(gòu)類(lèi)似的其他天線也有相同的缺點(diǎn)[2-3]。為了解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]采用了可以改善阻抗匹配性能的短路針結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，焊接在單極子四周的4 個(gè)短路針與地板相接。該結(jié)構(gòu)的工作頻段為1.7～2.7 GHz，具有45.4%的相對(duì)帶寬，同時(shí)使得VSWR 下降到1.8以下)。與此類(lèi)似的結(jié)構(gòu)也同樣可以降低VSWR[5-6]。而為了進(jìn)一步展寬帶寬和改善阻抗匹配性能，Mohsen Koohestani 提出了一種垂直不規(guī)則輻射單元板結(jié)構(gòu)[7]，它主要由一片三塊相互夾角為60°的金屬片組成的單元板單極子、同軸電纜、一個(gè)帶有3 個(gè)短路針的耦合金屬片和一個(gè)頂部加載片構(gòu)成。它的頻帶范圍為0.86～6 GHz，并且在此頻段內(nèi)，|S11|＜-13.9 dB。然而，該結(jié)構(gòu)的不圓度高達(dá)8 dBi 左右。而其他具有相似結(jié)構(gòu)的天線也存在同樣的不圓度較差等問(wèn)題[8-11]。

為了改善天線不圓度，文獻(xiàn)[12]提出一種由單極子、頂部金屬十字加載板和銅制地板組成的天線模型。該天線的工作頻帶為0.82～6 GHz，相對(duì)帶寬大約為152%，不圓度為2.8 dBi，但它的阻抗匹配性能較差。與其相似的結(jié)構(gòu)也同樣存在阻抗匹配性能差的問(wèn)題[13-14]。

本文提出了一種具有頂部加載和地板開(kāi)槽的垂直極化單極子全向天線。與文獻(xiàn)[1-14]所提出的結(jié)構(gòu)相比較，該結(jié)構(gòu)保證了不圓度在1.7～5 GHz 頻段內(nèi)穩(wěn)定。此天線工作頻段可覆蓋DCS、PCS、UMTS、LTE、N7、N41、N77、N78、N79 等多個(gè)不同制式的頻率通道，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容多系統(tǒng)、多制式的超寬帶全向功能，減少基站的多天線使用。同時(shí)，工作頻段內(nèi) |S11|＜-14 dB，增益約為3 dBi。

1 水平極化全向天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 天線的總體尺寸

該天線由三部分組成：頂部為圓形加載金屬片，通過(guò)三根塑料支撐柱固定在反射板上，可改善天線在高頻段的不圓度，同時(shí)減小天線的剖面；中間部分為一個(gè)錐形銅制單極子，錐形單極子位于加載金屬片的正下方，通過(guò)底部的塑料墊片固定在反射板上。錐形單極子底部與50 Ω 同軸電纜線連接，通過(guò)同軸電纜饋電，實(shí)現(xiàn)垂直極化輻射；底部為天線的輻射反射板，反射板是由底部覆銅的FR4 介質(zhì)板構(gòu)成，其介電常數(shù)為4.4。為了進(jìn)一步改善天線的阻抗匹配，地板上引入了圓環(huán)狀開(kāi)槽。

為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配和較低的不圓度，對(duì)天線模型進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后可得參數(shù)如下：Gr=78 mm，R1=30 mm，R2=23 mm，R3=16 mm，R4=19 mm，Subh=1.524 mm，H1=2.286 mm，H2=31 mm，H3=2 mm，H4=8 mm。

1.2 工作原理與設(shè)計(jì)步驟

該天線的演化過(guò)程如圖2 所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不圓度、阻抗匹配、相對(duì)帶寬等參數(shù)都得到了顯著的提升。天線1 由銅制單極子和PCB 以及PCB 底部的金屬鍍層所等效的地板組成。在天線2 當(dāng)中，地板引入圓環(huán)狀開(kāi)槽。天線3 在天線2 的基礎(chǔ)上增加了由三根FR4 塑料柱支撐的金屬頂端加載片。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，天線實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖2 演化過(guò)程中的天線

在天線1 到天線3 的演化過(guò)程中，天線的阻抗性能也得到了改善。由天線阻抗匹配理論可知[15]，天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸入阻抗實(shí)部部分和虛部部分分別趨近50 Ω 和0 Ω。

如圖3 所示，天線1 的阻抗實(shí)部值在1.7～2 GHz 頻段超過(guò)100 Ω。同時(shí)，天線1 的阻抗虛部值在1.7～2 GHz頻段由40 Ω 減小到-20 Ω。而在天線2 當(dāng)中，引入地板開(kāi)槽使得天線2 與天線3 的阻抗實(shí)部總體上比天線1 的阻抗實(shí)部更加接近50 Ω，阻抗虛部相較天線1 的阻抗虛部更加貼近于0 Ω，從而改善了天線2 和天線3 的阻抗匹配。在天線1 當(dāng)中，2～4 GHz 頻段的|S11|整體處于-10 dB 以下-15 dB 以上。而在天線2 與天線3 當(dāng)中，該頻段的|S11|＜-15 dB，相較于天線1 性能得到了極大的提升，如圖4 所示。該現(xiàn)象表明：地板開(kāi)槽能夠顯著提升中低頻段的阻抗匹配。

圖3 演化過(guò)程中不同天線阻抗值對(duì)比

圖4 設(shè)計(jì)過(guò)程中不同天線的S11

三種模型在5 GHz 的電流分布如圖5 所示，在地板引入開(kāi)槽后，天線2 地板上電流密度分布相對(duì)于天線1地板上的電流分布變得更加均勻。天線3 采用頂端加載片結(jié)構(gòu)之后，單極子上的電流也變得更加均勻，從而改善天線的不圓度，如圖6 所示。因此，天線的設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟：

圖5 演化過(guò)程中不同天線在5 GHz 的電流分布

圖6 演化過(guò)程中不同天線不圓度對(duì)比

第1 步：設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)的單極子天線和一個(gè)底部印刷金屬地板的FR4 材質(zhì)PCB 作為反射板。

第2 步：在地板上引入圓環(huán)狀開(kāi)槽來(lái)改善阻抗匹配和不圓度。

第3 步：在單極子上方加入頂端加載片從而改善不圓度。

2 加工與測(cè)試分析

對(duì)優(yōu)化后的天線進(jìn)行打樣和測(cè)試，天線樣品如圖7所示。

圖7 本文提出的天線實(shí)物照片

如圖8 所示為天線的測(cè)試匹配圖，從圖中可知天線在1.7～5 GHz 頻段內(nèi)，|S11|＜-14 dB。

圖8 仿真和實(shí)測(cè)| S11 |對(duì)比

如圖9 所示為天線在2.2、3.5 和4.9 GHz 的測(cè)試輻射方向圖，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。它們之間的誤差可能由安裝誤差、基板物料誤差、電纜誤差、暗室測(cè)試誤差等因素的影響所導(dǎo)致。從圖中可知，天線可實(shí)現(xiàn)垂直極化水平輻射，具有穩(wěn)定的輻射特性。

圖9 在E 面(xOz平面)和H 面(xOy 平面)上的仿真和測(cè)試方向圖

如圖10 所示為天線輻射不圓度和增益的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試不圓度小于1.5 dB，增益在（3±1.5）dBi 范圍內(nèi)。

圖10 增益和不圓度測(cè)試及仿真結(jié)果

表1 將本文提出的天線和其他文章提出的天線模型進(jìn)行比較。與文獻(xiàn)[1]所提出的天線結(jié)構(gòu)對(duì)比，本文提出的天線具有更小的不圓度；而與文獻(xiàn)[4-5]相比，本文天線具有更寬的相對(duì)阻抗帶寬；同時(shí)，和文獻(xiàn)[6]提出的結(jié)構(gòu)相比，本文天線阻抗匹配能夠在頻段內(nèi)達(dá)到|S11|＜-14 dB，相較而言，表現(xiàn)更優(yōu)，從而減少天線的回波損耗，提升信號(hào)質(zhì)量。本文所提出的天線能夠很好地平衡天線不圓度和阻抗匹配等性能，這個(gè)特點(diǎn)使得該天線適用于室內(nèi)3G/LTE/5G 通信場(chǎng)景。

3 結(jié)論

本文提出了由加載金屬板、錐形銅制單極子和反射板構(gòu)成的超寬帶垂直極化全向天線。通過(guò)增加加載金屬板結(jié)構(gòu)，天線的輻射不圓度降至1.5 dB 以下。同時(shí)，在金屬板底部增加環(huán)形金屬槽，使天線的相對(duì)阻抗帶寬增加至104%。通過(guò)上述仿真測(cè)試結(jié)果證明，本文所提出的天線具有較寬的相對(duì)阻抗帶寬和較小的輻射不圓度，可應(yīng)用于3G/LTE/5G 室內(nèi)通信場(chǎng)景。