EBG结构宽频带双极化基站天线的设计

朱剑青,薛锋章,任　超

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640)



EBG结构宽频带双极化基站天线的设计

朱剑青,薛锋章,任超

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640)

摘要：介绍了一种新型的宽频带双极化辐射单元，该辐射单元采用了新型的电磁带隙(electromagnetic bandgap, EBG)结构加载，该EBG结构结合对称振子进行一体化设计，缩小了辐射单元的高度，其高度约为中心频率的0.16个波长。利用这种辐射单元组阵，形成四单元基站天线。HFSS仿真结果表明，在1.71-2.69 GHz频段内，该辐射单元的电压驻波比(voltage standing wave ratio， VSWR)小于1.5，隔离度大于22 dB。同时，组阵后的四单元基站天线辐射参数良好，水平面半功率波束宽度58.1°-72.1°，轴向交叉极化比大于21 dB，前后比大于20 dB，基本能够满足移动通信对基站天线的使用要求。

关键词：电磁带隙；双极化；宽频带；基站天线

0引言

随着移动通信的迅速发展，对移动通信系统提出了越来越高的要求，天线作为移动通信中重要的一个环节，其性能优劣对系统整体性能的发挥起到关键作用。出于商用需要，运营商对天线的要求越来越高。一方面，不断地追求优越的性能，希望得到更低的驻波比，更好的隔离度，更高的增益，更高的前后比等；另一方面，大家都希望在保证性能的前提下，尽量降低天线的体积、剖面、重量和成本。因此，这就使得基站天线的小型化和轻量化设计成为研究的热点。

近年来，由于考虑到多系统共用基站天线的选址、前期安装和后期维护的便利，天线外观的美化以及后续基站一体化设计的可能等，基站天线的小型化和轻量化受到越来越多的关注。传统辐射单元必须要求四分之一波长高度的固有条件，采用新型的电磁材料可以打破这一要求。其中，电磁带隙(electromagnetic bandgap, EBG)结构在某些频段上具有同相反射相位特性，若将其作为辐射单元的地平面，能够从根本上降低辐射单元的剖面高度，同时，又保持性能优异。对于各种形式的小型化技术，文献[1-5]已有报道。其中，文献[1]提出一种新颖的低剖面双极化微带天线，贴片高度只有6 mm，当回波损耗不小于10 dB时，在2.4 GHz只获得200 MHz的阻抗带宽,则相对带宽只有8.3%。文献[2]提出一种新型的双极化辐射单元，满足电压驻波比(voltage standingwave ratio, VSWR)小于1.5的阻抗带宽高达52%,但是总体高度达到32.5 mm。文献[3]提出了一种以EBG结构作为反射板的天线单元，振子离反射板高度只有6 mm，但满足回波损耗不小于10 dB的工作频段2.47—2.73 GHz，相对带宽只有11.63%。文献[4]提出一种低剖面超宽带天线，应用了EBG结构降低天线剖面高度，但天线工作频段为8—18 GHz，并没有覆盖移动通信的常用频段。可见，EBG结构对降低辐射单元的高度有着重要的作用，较早的一种实现方式指出[5]，构造了高阻抗结构表面，在带金属底板的介质基片上刻蚀周期金属结构，从而能在一定频率上显示出同相反射的特性。

在此基础上，本文提出了一种新颖的低剖面宽频带双极化辐射单元。该辐射单元在1.71—2.69 GHz频段保证电压驻波比小于1.5，隔离度大于22 dB，半功率波束宽度为65°±10°，前后比大于20 dB，轴向交叉极化比大于21 dB，能够基本满足移动通信行业标准。

1辐射单元设计

1.1理论分析

本文提出了一种新型的EBG结构作为反射板，该EBG结构反射板设计在相对介电常数εr为4.4，厚度H为1 mm的介质基片。其新型的EBC结构单元如图1所示。

通常将-90°—90°的反射相位对应的频率称为EBG结构产生同相反射作用的区域。该EBG结构的反射相位频带较宽，同相反射的频率为[1.44 GHz，3.22 GHz]，相对带宽有76.4%，该EBG结构可应用于宽频带基站天线的反射板设计。

文献[7]提出一种贴近 EBG结构表面的宽频带振子天线，并且阐述了一种对于特定振子与EBG结构一体化设计的方法。在此基础上，本文利用优化好的印刷偶极子与EBG结构进行一体化设计，得出EBG结构的初始值，该偶极子介质基片采用相对介电常数εr为4.4，厚度H为1 mm的环氧板(FR-4)。图2a为用于一体化设计的产品化辐射单元俯视图，图2b为其侧视图。最终确定的EBG结构几何尺寸如表1所示，表1参数定义如图1—图3标注所示。最后，以所述的新型EBG结构单元沿X,Y方向周期延拓而形成本文所需的EBG结构反射板。

图1　新型的EBG结构单元Fig.1　New structure unit of EBG

1.2辐射单元结构

由上述分析，我们得到了一种基于EBG结构的宽频带双极化辐射单元。该天线辐射单元主要由4部分组成：优化好的印刷偶极子、EBG周期结构、同轴馈电线及支撑柱、反射板。印刷偶极子是已经单独优化好的辐射单元，原始高度为34 mm，能够在1.71—2.69 GHz频段保证电压驻波比小于1.5；所采用的EBG结构如上描述，其周期数量为9×9，天线振子位于所述电磁带隙结构的上方，并置于其中心位置；同轴馈电线及支撑柱，同轴线一端的外导体与辐射臂电连接，该一端的内导体与偶极子馈电部件电连接，同轴线另一端穿过EBG结构与反射板电连接，而支撑柱一端与辐射臂电连接，该一端还与馈电部件电连接，另一端与反射板电连接；反射板采用108 mm×108 mm、厚1.5 mm的铝板，翻边高度为22 mm。最后得到振子的高度降低为常规0.25个波长的64%左右，如图3所示。

图2　用于一体化设计的产品化辐射单元Fig.2　Product radiation unit for Integrated design

参数长度/mm参数长度/mmW110.0H120W212.0H23W33.3H32W41.2H434W51.9H522W61.3h20R12.15a108g2.0b108L156.0L256L312.5L411.2L53.8L64.4L75.2R26R312.5

图3　辐射单元立体图、侧视图及俯视图Fig.3　Over view, side view and top viewof radiation element

1.3辐射单元仿真结果

图4a是辐射单元2个端口的VSWR随频率变化的曲线，由图4a可以看出，在1.71—2.69 GHz时，2个端口的驻波比都小于1.5；图4b是2个端口隔离度随频率变化曲线，在1.71—2.69 GHz的隔离度大于22 dB，基本满足移动通信行业指标。

图4　辐射单元电路参数Fig.4　Circuit parameters of radiation element

2天线阵列仿真分析

为了验证此辐射单元的实用性，我们利用此辐射单元进行组阵仿真分析，辐射单元间距设为110 mm。以四单元阵列天线为例子，对每个单元进行等幅同相馈电，如图5所示。图6是天线在水平面的主极化和交叉极化方向图。由仿真结果可知，在1.71—2.69 GHz频段，阵列的3 dB波束宽度为58.1°—72.1°，前后比大于20 dB，轴向交叉极化比大于21 dB。在中心频点2.2 GHz，-60°—60°的交叉极化比能达到13.22 dB，在1.71 GHz和2.69 GHz时，分别为7.7 dB和10.3 dB，这是因为理论上EBG结构只在中心频段实现同相反射，所以，两端的频点交叉极化比较差。

图5　四单元阵列天线Fig.5　Antenna array with four elements

图6　天线在水平面的方向图Fig.6　H-plans’radiation pattern of antenna

3结论

随着第四代长期演进(long term evolution,LTE)移动通信网络的商用，以及WLAN，WiMax等宽带无线网络的建设，完全覆盖以上标准的低剖面宽频带双极化天线的研究成为热点。

本文设计了一种低剖面辐射单元，并利用其组阵。仿真结果表明，电路参数和辐射参数都基本满足移动通信基站天线的行业标准[8]，对宽频带双极化天线的小型化研究和设计有一定的参考价值。在下一步工作中,可以从 2个方面对该辐射单元模型进行优化：①优化两端口隔离度；②提高频段两端交叉极化比。

参考文献：

[1]LAOHAPENSAENG T, BOONYING K. Dual-Polarized Microstrip Antenna with High Isolation Using an Inserted Slot[C]∥Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS), 2011 International Symposium on. Chiang Mai: IEEE, 2011: 1-5.

[2]GOU Yanshan, YANG Shiwen, NIE Zaiping. Wideband Dual-Polarized Printed Dipole Antenna with High Isolation[C]∥Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC). Chengdu: IEEE, 2013:219-221.

[3]YANG Fenhua, TANG Wei. A Novel Low-Profile High-Gain Antenna Based on Artificial Magnetic Conductor for LTE Applications[C]∥Antennas, Propagation & EM Theory (ISAPE), 2012 10th International Symposium on. Xian: IEEE, 2012: 171-174.

[4]YOUSEFI L, MOHAJER-IRAVANI B, RAMAHI O M, et al. Low Profile Wide Band Antennas using Electromagnetic Bandgap Structures with Magneto-Dielectric Materials[C]∥Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications, 2007. IWAT'07. International Workshop on. Cambridge: IEEE, 2007: 431-434.

[5]SIEVENPIPER D, ZHANG L, YABLONOVITCH E. High-impedance electromagnetic ground planes[J]. Microwave Symposium Digest, 1999 IEEE MTT-S International, 1999(4): 1529-1532.

[6]陈壁坚. EBG结构在降低基站天线辐射单元剖面高度中的应用 [D]. 广州：华南理工大学，2014.

CHEN Bijian. The Application of the EBG Structure in Reducing the Profile Height of the Base Station Antenna Element [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2014.

[7]BEST S R,HANNA D L.Design of a Broadband Dipole in Close Proximity to an EBG Ground Plane[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2008,50(6):52-64.

[8]信息产业部通信标准化中心．YD/T1059—2000，中华人民共和国通信行业标准[S]．北京:人民邮电出版社，2000．

Communications Standards Center of the Ministry of Information Industry. YD/T1059—2000，Telecommunications

industry standard of the People’s Republic of China[S]． Beijing: Post & Telecom Press，2000.

Design of a wideband dual-polarized base-station antenna with EBG structures

ZHU Jianqing, XUE Fengzhang，REN Chao

(School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P.R. China)

Abstract:A novel broadband dual-polarized base-station antenna is presented. An EBG structure backed dipole model is designed with less height of the original dipole. The height of the novel base-station antenna is only 0.16λ of the center frequency. Then，an antenna array with four of this element is simulated．The radiation element achieves a common impedance bandwidth of 1.71-2.69 GHz(VSWR<1.5) at both input ports, it also has good performance in isolation, which is more than 22 dB between the two input ports. Also, the antenna has an excellent performance in radiation pattern. Across the entire operating frequency, the measured half-power beamwidth in the H-planes is from 58.1°to 72.1°, the axial cross-polarization ratio is more than 21 dB and the front-to-back ratio is more than 20 dB, so the antenna can meet the demand of the mobile communication base station antenna.

Keywords：electromagnetic bandgap; dual-polarized; wideband; base-station antenna

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.014

收稿日期：2015-04-28

修订日期：2016-04-18通讯作者：朱剑青305488438@qq.com

中图分类号：TN82

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)03-0367-05

作者简介：

朱剑青(1989-),男，广东佛山人，硕士研究生，主要研究方向为移动通信基站天线。E-mail: 305488438@qq.com。

薛锋章(1963-),男，江西吉安人，华南理工大学电子与信息学院研究员、硕士生导师。近30年从事雷达相控阵天线、移动通信天线工作经历，目前的主要研究方向为移动通信天线。曾获得多项科技进步奖及专利成果奖，发表论文50余篇。E-mail:eefzxue@scut.edu.cn。

任超(1990-)，男，湖北洪湖人，硕士研究生，主要研究方向是移动通信基站天线。E-mail:936760575@qq.com。

(编辑：刘勇)