一种多极化天线的设计

林周福

摘   要：文章主要对多极化天线进行研究，提出了一种多极化天线设计方案—双频带双极化介质谐振天线，采用混合馈电方式，并引入平衡线微带馈电和新的馈电结果，通过新型优化设计进一步提高了端口隔离度，对于多极化天线场分布的方向对称性也有极大提高，主要应用于WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）频段的无线通信。

关键词：多极化天线;多谐振;仿真1    多极化天线及其研究现状

天线多极化的研究实现始于20世纪60年代，车载移动通信的能量密度（Energy Density，ED）天线中引入该技术，希望通过电磁场量极化分集处理提高其无线通信系统信号传输的可靠性。在初始研究中，采用相交的单极子和磁单/偶极子搭配的方式完成能量密度天线设计，并实现分集性能。

关于多极化天线研究不断深入，在21世纪初，Andrews和Svantesson等通过实验设计验证了多极化天线的多路分集增益性能，之后大量研究者也展开研究与佐证。在多极化天线发展背景下，人们不断提高增益的同时，还希望提高多极化天线的适应性，解决多极化天线效率适应性问题以及体积适应性问题。在信号通道测量中，常采用磁偶极子和电偶极子组合方式构成天线阵引入通信系统，但这种方式存在自身体积过大的缺陷，不能在移动设备中推广应用。在多极化天线发展浪潮下，我国研究所以及高校也展开大量关于多极化天线的研究，长期积累之下做出多项成果。具有代表性的有清华大学设计的三极化共形天线、国防科技大学设计的双频双圆极化层叠结构微带天线以及解放军理工大学设计研究的新型弹载共性多极化天线。我国目前关于多极化天线研究中均是共用一个基板配置多种形式天线辐射体实现多极化设计，需要综合考虑辐射体电磁兼容、电磁信号干扰等对系统整体质量的影响，在目前高性能、集成化的通信中存在一定不足，需要进一步优化调整[1]。

2    电介质谐振天线概述

介质谐振器天线（Dielectric Resonator Antenna，DRA）最早在19世纪80年代由Stuart提出，电介质谐振天线结构如图1所示。在该天线设计中，地面上方的圆柱采用相对介电常数大于10的高介电常数介质，因此，其四周可以作为磁壁。电介质谐振天线结构具有损耗低、体积小的特征，而且辐射效率较高、工作频带较宽、不存在表面波传播，这些信号传输的优点让其在双极化天线中应用。馈电端的能量一般采用金属探针馈电、混合馈电以及耦合缝隙馈电的方式耦合传递进入DRA，以此能有效激励介质谐振器工作模式。金属探针馈电主要利用探针结构插入DRA或接触DRA表面进行馈电，为合理设计耦合强度，需要对DRA和探针的相对位置进行调节，这种馈电传递方式和同轴相连，不需要额外匹配网络。耦合缝隙馈电和平行于缝隙长边的磁流等效，一般可以采用矩形缝隙或圆极化十字交叉缝隙实现馈电作用，这种馈电方式在多种模式下具有很好应用性。

在不断研究的背景下，结合金属探针馈电和耦合缝隙馈电发展起来混合馈电形式，这种馈电形式也逐渐被应用到双极化天线当中。在混合馈电中优化探针位置和尺寸、优化选择介质材料、调整缝隙形状尺寸等，能获得很好的端口隔离度[2]。

3    基于电介质谐振的多极化天线设计及仿真

3.1  多极化天線设计

在本文进行双极化天线设计中，主要结合多模谐振进行设计，采用混合馈电形式实现双极化。最终设计的介质谐振天线的无线通信在WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）中。如图2所示，本文设计的双极化天线一共包括矩形介质谐振器和介质板两部分，矩形介质谐振器处于介质板上方，矩形介质谐振器采用相对介电常数19的材料，且大小尺寸设计为 29.4 mm×29.4 mm×31 mm;介质板采用相对介电常数为3.38 Arlon 25 N基板，为实现功能采用150 mm×150 mm×0.762 mm的尺寸设计。介质板下层是馈电网络，上层是接地面。沿x轴方向金属微带线的中间位置设置系统端口1，相互垂直的两个金属探针位于微带线两端，每个探针和介质谐振器微带（1.5 mm×9 mm）相连。另外，两个金属探针和端口2相连，介质谐振器微带（1.5 mm×10.4 mm）和微带紧密相连，为优化系统设计，采用的探针尺寸为4 mm×0.75 mm。天线的侧视图及其尺寸标注如图2所示。

3.2  多极化天线仿真分析

为验证多极化天线设计的性能，对设计的多极化天线进行仿真，仿真得到的反射系数如图3所示。通过图中数据能看出天线在微带内的反射系数明显<﹣10 dB，而且通过图中数据能够发现两个端口的隔离度优于﹣60 dB。其中，在2.27 GHz处设计的多极化天线出现了微小谐振，但该频率处于微带外，并不会影响多极化天线性能[3]。

模拟仿真DRA天线两个正交面的方向，结果如图4所示。通过图中数据能够看出设计的多极化天线增值峰值能够达到6.5 dB。在该设计中引入平衡微带馈电设计，因此，场分布显示出良好对称性，交叉隔离度较优，前后对比显著，超过20 dB。对应于端口2，低频是TE111模式，而高频则是 TE113模式。

在本文进行研究中设计了一种新型的双极化天线—双频带双极化介质谐振天线，在进行天线设计中采用混合馈电方式，并引入平衡线微带馈电和新的馈电结果，通过新型优化设计进一步提高了端口隔离度，对于多极化天线场分布的方向对称性也有极大提高，主要应用于WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）频段的无线通信。

4    结语

在当前移动通信迅速发展，尤其是5G网络即将来临的背景下，传统的单一线极化形式还存在一定问题，信道容量不足、信道衰落等局限性促进新的天线形式的开发。双极化天线作为一种新型能够提高频谱利用率的天线方案，能够有效减少天线使用数量、降低频谱数量，进行多极化天线的设计研究具有重要意义。本文在前言研究基础上进行了进一步优化，提出了一种基于混合馈线的新型双频带双极化介质谐振天线。这种天线方式在完成设计之后进行了仿真模拟，通过仿真模拟发现效果较好。在未来的多极化天线设计中，需要不断优化设计方案，创新设计，提升多极化天线水平，提高通信质量。

[參考文献]

[1]谢辉.一种多极化天线的设计[J].空间电子技术，2018（5）：50-55，61.

[2]饶玉如，王建，刘华涛，等.超宽带多极化跟踪天线及馈源的设计[J].现代雷达，2017（5）：66-69，74.

[3]张建国，钱祖平，关东方.基片集成波导多极化阵列天线的设计与实现[J].通信技术，2016（3）：378-382.

Design of a multipolarization antenna

Lin Zhoufu

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company， Guangzhou 510663， China）

Abstract：In this paper， the multi-polarization antenna is studied， and a design scheme of multi-polarization antenna， dual-band dual-polarization dielectric resonant antenna， is proposed， which adopts hybrid feed mode and introduces balanced line microstrip feed and new feed results. The port isolation is further improved by the new optimization design， and the directional symmetry of multi-polarization antenna field distribution is also greatly improved. It is mainly used in wireless communication in WIMAX（2.58 ～2.63 GHz）and PCS（1.83 ～1.99 GHz）bands.

Key words：multipolarization antenna; multi-resonance; simulation