一款面向5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线的设计与分析

忻伶怡 周雪芳 胡淼 毕美华 杨国伟 王天枢

（1.杭州电子科技大学通信工程学院，杭州 310018；2.长春理工大学空间光电技术研究所，长春 130022）

引 言

现代移动通信技术的发展，提升的不仅仅是相应的技术，还有对应的工作频段.从1G的800～900 MHz到5G的2 515～2 675 MHz、3 400～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz，工作频段上升带来的高衰耗和高能量需求使得覆盖面积小的微基站成为未来基站天线的主要去处[1-3].相同覆盖范围对微基站的数量需求要远大于宏基站，小型化是进行微基站天线设计的重要考量.

基站天线的小型化，需要考虑的不仅仅是天线本身的小型化，还有天线性能对基站需求天线数量的影响.5G天线由于工作频段较高，天然地具有小型化的优势.如果能在单个天线上实现双频段，有效减少天线的数量需求；实现双极化，有效提高系统信道容量和传输质量，就能很好地抵抗多径衰落的影响，在提高整个系统的抗干扰能力的同时，很大程度上节约基站的建设成本和建站空间.

通常选用偶极子天线来进行基站天线的设计，容易实现双极化，是进行5G基站天线设计的优良选择.得益于良好的方向图性能和结构简单的特点，在短短十多年的时间里，电磁偶极子天线得到了较为广泛和深入的研究.各色设计中有宽频带的、双频带的、低剖面的、双极化的[4-10]等等，它们均表现出不俗的性能，可以针对性地适用于不同的应用场景.但同时满足双频双极化，并且工作频段覆盖5G工作频段的电磁偶极子天线设计还非常少，以冯波涛为代表的研究者是探索适用于5G基站的电磁偶极子天线设计的先行者.他们创新地通过双层U形电偶极子、正交η形馈电线和改进的四面体反射板的配合使用，使得电磁偶极子天线在实现3.25～4.08 GHz和4.29～5.22 GHz的双频段和双极化的同时，拥有良好的方向图性能[11].此外，祝聪聪等人提出了一款在电偶极子表面添加缝隙增加低频带宽、在天线上方添加圆形寄生贴片来降低高频频点的设计，最终实现了2.11～3.84 GHz和4.72～5.16 GHz的工作频段[12].这两篇文献中的设计在工作频段和方向图表现上实属优秀，但在天线小型化方面上，还有进一步提升的空间[13].

本文受祝聪聪等人用于降低频点的寄生贴片法启发，充分利用天线长度与天线频率的关系，设计了一款工作频段覆盖5G中频段的低剖面天线.在5G逐渐进入商用阶段的今天，探索研究具有高隔离度、低剖面、稳定方向图等性能的双频双极化微基站天线具有十分重要的学术价值和工程意义.

1 天线结构设计

本文设计的双频双极化电磁偶极子天线的结构如图1所示.天线由一对正交的电磁偶极子贴片，一对垂直放置、高低不同的Γ形渐变馈电线，一个圆形的寄生贴片和一块正方形的反射板共同构成.其中，电磁偶极子的交叉放置，实现了天线的双极化；圆形寄生贴片的存在，实现了天线的双频段.

图1 天线的结构Fig.1 The structure of the designed antenna

设计中，电磁偶极子由梯形的水平辐射贴片和矩形的垂直短路贴片组成.梯形的水平辐射贴片可以通过调节梯形长边长度的方式，在不改变辐射贴片长度的情况下，改变水平贴片的面积，十分有利于阻抗匹配的调节.放置在天线中央的馈电线采用易于调节结构的渐变式设计，可以实现阻抗的微调，如图2所示.适当拉长高低馈电线之间的距离，可以有效提高双极化天线的端口隔离度，改善天线性能.表1是天线的具体结构参数.

表1 天线结构参数表Tab.1 Antenna structure parameters

图2 渐变式馈电线结构Fig.2 The structure of graded feed line

2 天线分析与优化

为清晰说明天线的工作原理，绘制天线单元工作在3.1 GHz和4.9 GHz下表面电流分布情况，如图3所示，其中T为不同频率对应的振荡周期.可以看出：当t=0（t=T/2）时，电流主要分布在磁偶极子上，磁偶极子被激发；当t=T/4（t=3T/4）时，电偶极子被激发，天线的电流分布呈周期性变化；圆形寄生贴片的存在并不影响电磁偶极子的常规表现.

图3 目标天线在不同频率和时间下的电流分布Fig.3 Current distribution of the proposed antenna at different frequencies and times

事实上，添加圆形寄生贴片的方式对天线单元在低频段的频带展宽和高频段谐振频率的降低效果明显[12].可以简单地将在天线上方增加寄生贴片的方式视为在天线中并联一个电容，通过调节电容的大小来调节天线的输入阻抗匹配.将LC谐振回路中谐振频率的计算公式

和电容大小的计算公式

对应到寄生贴片中，可知随着Rc的增加，电容大小增大，对应的振荡频率降低.类似的，随着hA的增大，电容减小，振荡频率增大.

在天线的大小与天线的工作频段息息相关的背景下，通过设计工作在稍高频段的天线单元并在此基础上添加合适的寄生贴片来降低工作频段的方式，有效减小目标天线的大小，实现天线的小型化.

辐射贴片的宽度K，短路贴片的高度H3，寄生贴片半径Rc和寄生贴片高度hA（即寄生贴片与辐射贴片的垂直距离）对整个天线的性能起着决定性的影响.其中，K和hA可通过1/4波长的方式近似得出，但由于寄生贴片影响，仿真优化后的结果与最初设计结果存在较大差距.本文将略过K和H3的确定过程，主要分析Rc、hA、K2变化对天线阻抗匹配的影响.

2.1 Rc对S11的影响

图4是输入回波损耗随Rc变化的曲线图.可以看出：其他条件不变的情况下，随Rc的增大，电偶极子与寄生贴片之间形成的电容增大，高频段的谐振点向低频部分移动，对应的S11<−10 dB的频段范围减小.而在低频部分，Rc大小对阻抗匹配的影响存在一个转折点Rc=12 mm，当Rc≤12 mm时，低频部分阻抗匹配极差不予考虑；当Rc>12 mm时，随着Rc的增大，电偶极子和贴片间耦合过大，影响到低频部分阻抗匹配，使其带宽减小.综合高频与低频的表现，当Rc=13 mm时，可以在改善阻抗匹配的同时，最大程度上拓宽低频带的带宽.

图4 Rc变化对S11的影响Fig.4 The relation curves between the Rc and S11

2.2 hA对S11的影响

hA变化对阻抗匹配的影响如图5所示.观察可知：在低频段，随着hA的减小，天线的工作带宽增大；在高频段，耦合电容的增大在降低天线工作频点的同时，降低了天线的阻抗匹配.如图5所示，工作带宽的表现在3 mm左右达到最佳，综合仿真结果，在使工作频段满足要求的前提下，进行小数值的仿真优化，最终确定hA为2.45 mm.

图5 hA变化对S11的影响Fig.5 The relation curves between the hA and S11

2.3 K2对S11的影响

除了寄生贴片外，辐射贴片的面积对天线的工作频带宽度也有很大的影响.在保持其他条件不变的情况下，通过调节梯形辐射贴片的短边K2的方式来改变辐射贴片的大小，如图6所示.类比于寄生贴片，可以通过调节天线输入阻抗的容性，达到拓宽低频带宽的目的.观察图中曲线可知，随着K2的减小，对应的低频带频带宽度增大，但当K2减小到K2=38 mm时，阻抗匹配变坏.

图6 K2变化对S11的影响Fig.6 The relation curves between the K2 and S11

3 天线仿真结果

采用HFSS仿真和优化后的天线S参数如图7所示.由图7可知，天线在2.50～3.62 GHz和4.8～5.0 GHz两个工作频段内，输入回波损耗小于−10 dB，端口隔离度小于−25 dB.

图7 天线S参数Fig.7 The S parameters of the designed antenna

天线在不同频率上的增益曲线如图8所示.通过计算可知，天线在低频段的平均增益为9.84 dBi，在高频段的平均增益为5.57 dBi.

图8 天线增益曲线Fig.8 The gain curves of the designed antenna

图9为天线在各个频率上的辐射方向图.可以看出，天线在E面和H面的方向图近似对称，除4.9 GHz外的所有交叉极化比均小于−20 dB.

图9 不同工作频率下天线辐射方向图Fig.9 Radiation pattern of antenna at different operating frequencies

4 天线性能对比

表2是本文设计的天线和其他已有天线的一些关键性能比较.由表2可知，在隔离度和剖面高度上，本设计具有显著优势，而在覆盖的频带宽度和峰值增益方面上较为中庸.文献[12]是与本设计最为接近的方案，同样的双频段、双极化，其所设计的工作频带在完全覆盖5G的全部中频段的同时还能覆盖LTE的工作频段.但在天线单元大小方面，其所占的体积要大于本设计，在体积限定的微基站条件下，本设计也具有一定的优势.本设计的剖面比较低，是文献[14]中的一半.在对体积要求不甚严格，剖面要求较为严格的应用场景中略有优势.此外，本设计中电磁偶极子部分长、宽分别为45.9 mm、45.9 mm，应用时根据场景的需求，改进反射板的面积和形状，还可以进一步减小天线体积[11,15].

表2 本文设计的天线和其他天线的性能比较Tab.2 The comparison of the designed antenna with other antennas

5 结 论

本文设计了一款工作频段覆盖5G中频段的双频双极化基站天线，工作频段为2.50～3.62 GHz和4.8～5.0 GHz，天线剖面为14.85 mm，是为数不多的同频段天线设计中低剖面设计的简单尝试.相较于其他面向于5G基站的天线而言，其所覆盖的频带宽度有待进一步拓宽，来补足理论和实际之间的差距.总的来说，天线的结构简单，具有较低剖面、较高增益、高隔离度、良好的方向图等性能，可以较好地满足5G微基站的需求.