加载周期性附属结构的宽带双极化微带天线

王双双，安文星

(天津大学 微电子学院，天津 300192)

0 引言

随着5G通信技术的快速发展，5G商用系统已经在全球范围内大规模部署[1]。为了提高5G通信系统的信号覆盖率、提升信号质量和减小信号干扰，对微型5G基站提出了更高的要求。宽带技术具有高传输效率、强穿透能力和多径分辨能力强的优点，且相较于单极化天线，双极化微带天线具有信道容量高、安装成本低、集成度高等优点[2-6]。

目前对应用于5G通信频段的天线很难满足带宽覆盖3～6 GHz的频段[7-10]，文献[11]采用缝隙耦合馈电方式，提出了一种相对带宽为25%，端口隔离为34 dB的双极化低轮廓宽带超表面天线。文献[12]利用差分馈电，提出了一种基于双孔径耦合激励的双极化设计，仿真结果表明其相对带宽大于50%。通过合理设计辐射和馈电结构，有望在5G通信中实现一些具有宽带性能的新型双极化天线设计。

本文通过加载周期性附属结构，加强双极化天线的辐射性能，提高天线的带宽，仿真结果表明天线带宽大于61%，宽带双极化微带天线的设计可以满足5G通信系统高数据速率和大信道容量的需求。

1 天线结构

设计了一种加载周期性附属结构的宽带双极化微带天线，整体结构如图1所示。该天线包含3层介质板和2层金属辐射贴片结构，上2层介质板中间由厚度为H的空气层隔开。两端口馈线通过地板上的弧形缝隙耦合能量来激励该双极化天线。为了获得较宽的带宽，同时加大双端口的隔离度，两端口均采用了双孔径耦合的馈电方式，馈电结构由主馈线和2条分支馈线组成，将分支馈线两臂进行不同程度弯折，有效避免了不同极化方向上2个馈线的交叉。

图1 天线结构

位于上层介质板的附属辐射结构呈对称分布，由16个W1×W1的正方形贴片和8个W2×W2的方形贴片构成，16个贴片相邻两贴片间的距离为G1，8片方形贴片之间的距离为G2，且8片尺寸W2×W2的方形贴片与16片方形贴片之间的距离为G3。中层的辐射贴片由W3×W3的菱形贴片构成，在4片菱形贴片的中心挖去一个半径为R1的圆，菱形贴片外边挖去了近似梯形的结构，用以改善天线的匹配，扩展带宽。两端口采用双孔径缝隙耦合，馈线结构如图2所示。

图2 天线馈线结构

优化后的天线尺寸参数如表1所示。

表1 天线尺寸参数

2 双极化天线的仿真分析

近年来对扩展天线带宽和降低天线剖面高度做出了很多的研究。根据研究发现，将周期性结构作为天线的辐射结构可以实现天线小型化和宽带设计，有利于扩展天线的带宽[10-13]，在微带天线的设计中，使用周期性结构可以抑制表面波传播，降低背瓣，提高增益。对于所设计的宽带双极化天线，参数的变化对天线的性能有很大影响，为了进一步优化天线性能，利用电磁仿真软件对天线中部分参数进行仿真分析。分析了周期性附属结构的加载对天线性能的影响。

天线设计演进如图3所示。

(a) 天线1

天线1为仅4片辐射贴片天线，天线2为加载4×4周期性附属结构的天线，天线3为在加载4×4周期性结构外加8片W2×W2方形贴片。对3个天线的性能进行对比分析。

不同结构天线S参数对比如图4所示。由|S11|和|S22|的仿真结果对比图可以分析出，加载周期性附属结构的天线2的阻抗性能明显得到改善，目标频段内的|S11|小于-10 dB。在天线2四周加上8片贴片之后，天线的高频处匹配得到改善，增加外围贴片后，辐射口面变大，性能变好，天线在3.2～6 GHz频段内两端口阻抗匹配均小于-10 dB，天线3的|S11|和|S22|曲线在目标频段内都小于-12 dB。

(a) |S11|结果对比

天线增益对比如图5所示，天线增加上层周期性附属之后，能量通过中层贴片辐射到上层的周期性附属结构，辐射口面增加，并且使得辐射的波束更加汇聚，天线的增益在目标频段内得到了3 dBi提升。

(a) 端口1增益对比

3 双极化天线的结果

设计的宽带双极化微带天线的仿真S参数结果如图6所示。

图6 天线S参数结果

由图6可以看出，天线两端口的阻抗带宽为3.2～6.2 GHz,两端口的相对带宽分别为63.82%和61.70%，两端口的阻抗带宽完全能覆盖5G通信(3.3～5 GHz)和5G无线局域网WLAN频段(5.15～5.282 5 GHz)且覆盖了车用无线通信技术V2X频段(5.905～5.925 GHz)[16]。2个端口的隔离度为35 dB，2个端口在目标频段内可以稳定工作。

天线两端口的增益随频率变化的仿真结果如图7所示。

图7 天线增益结果

由图7可以看出，天线两端口在目标频段内具有稳定的增益，增益变化在7.4～10.4 dBi，两端口的平均增益分别为8.29，8.54 dBi。天线增益稳定、波动较小，天线的辐射性能稳定，可以有效地传输通信信号。

为了更好地观察天线的辐射特性，图8给出了天线4.5 GHz的E面和H面方向图。

(a) 端口1

天线E面和H面辐射能量主要集中在+Z方向，具有良好的稳定性，且在4.5 GHz处，两端口的交叉极化水平均在-18 dB以下，天线交叉极化性能良好。

为了详细说明所设计天线的优势，与其他已发表的研究成果进行了比较，如表2所示。文献[11]提出了一种低剖面宽带超表面天线，该天线的相对带宽达到25%，端口隔离度34 dB。文献[15]所提出的超表面天线相对带宽为28.4%，为了扩展带宽提出了偶极子和差分馈电超表面天线，相对带宽为36%[17-18]。在文献[19]提出了高隔离度双极化超表面天线，该天线的相对带宽达到38.65%，隔离度35 dB。本文所提出的天线相对带宽为61.7%，隔离度为35 dB，结果表明所提出的天线具有较宽的阻抗带宽同时具有良好的隔离性能。

表2 所提出的双极化天线与其他文献天线性能比较

4 结束语

本文提出了一种加载周期性附属结构的宽带双极化微带天线，该天线工作在5G通信低频段和5G无线通信频段，具有良好的宽带性能和高隔离度，可应用于5G通信系统。通过加载附属结构可以改善天线的匹配和增益，周期性结构不仅可以作为主辐射结构也可以作为附属结构改善天线性能，可以将该方法应用到其他天线。本文提出的天线具有宽带、低剖面、结构简单、易于集成和成本低的优点，双极化增加信道容量提高了信号传输效率，可以为以后宽带双极化天线的设计提供思路。