一种基于电磁超材料的大规模天线阵列天线罩解耦技术

陈政宏，蒋沅臻，侯建强

(西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

2019年，三大运营商上线5G套餐标志着中国商用5G元年的开启。相较于4G的产品，5G相关产品发展更为迅速[1]，目前已有产品包括5G智能手机、5G基站等[2]。相较于4G，5G的应用场景更加丰富，包括智慧化生活、数字化治理、产业数字化3个大方向[3]，以及增强现实(Augmented Reality，AR)/虚拟现实(Virtual Reality，VR)、车联网、智能电网、高清视频等基础应用[4]。在基站天线方面，5G相较于4G进行了大幅度改进[5]，最明显的是天线单元数量的增加。

随着通信技术快速发展，5G技术也趋近成熟。在基站端，5G天线阵列的规模至少在32个单元[6-9]，数量较多的天线单元若不能被紧凑排列，会使得天线阵列整体尺寸过大，增加基站选址以及架设的成本。若将天线单元的间距缩小，阵列内端口间的隔离度会出现明显的恶化[10-11]。因此，在研究缩小天线单元间距的同时保证端口隔离度的方法具有一定的现实意义。

电磁超材料的概念在最近几年迅速兴起。超材料的电磁性能独特，能够为该问题提供一种全新的解决方法[12]。超材料一般被设计成亚波长的结构，从而达到调控电磁波的目的，例如可以提高天线增益，切换电磁波极化方向，降低端口间的隔离度等。超材料的尺寸小于传统的相控阵天线系统，在未来小型化设备中更容易找到应用场景。电磁超材料的研究为未来天线系统的设计提供了一种新颖的思路[13-14]。本文将利用电磁超表面来解决紧凑排列的大规模天线阵列中相邻端口隔离度较低的问题，避免馈电网络复杂化。通过调节超材料结构来调节电磁波的辐射特性，避免去耦导致天线阵列辐射特性恶化。

1 天线罩去耦原理

去耦天线罩工作原理示意图如图1所示。去耦天线罩是一层具有低损耗性、低介电常数的基板，上面印有多个周期性小金属反射片。天线罩的工作原理如下[15]：天线阵列中相邻单元耦合效应较强，天线罩为其提供了额外的信号通道，可通过设计天线罩上金属反射片的形状尺、天线罩与天线阵列之间的距离，使得这条信号通道与耦合波具有相同的强度和相反的相位，从而消除相邻单元之间的耦合。去耦天线罩上的金属反射贴片可以分为两种类型：主要反射片和辅助反射片。主要反射片被设计用来提供主要的反射波，通常与耦合波具有相同的极化方向。辅助反射片被设计用来减小强度较弱的耦合波，例如交叉极化中的耦合波，或者被用来调整主要的反射波[16-19]。

图1 去耦天线罩工作原理Figure 1. Working principle of decoupling radome

2 天线阵列设计与加工

本文设计了一款针对中国移动5G试验频段2.515～2.675 GHz的低剖面双极化圆形介质贴片天线。该天线由耦合馈电的双层贴片天线构成，采用垂直列二合一的方式保证增益。相较于传统巴伦馈电的偶极子基站天线，该天线的结构简单可靠，安装方便快捷，且具有低剖面特性。天线单元的整体尺寸为1.05λ0×0.34λ0×0.06λ0(λ0是2.6 GHz时的波长)，高度为6 mm。在2.6 GHz频点处，该天线仿真增益可达10.1 dB。

在前文设计的天线单元基础上，组装一个4行8列的天线阵列，用来测试去耦天线罩对天线阵列辐射性能的影响。如图2所示，将天线单元以列为单位交错固定在工装上，相邻列之间的高度差为40.75 mm，天线阵列的尺寸是465 mm×795 mm。天线阵列将在后文中与去耦天线罩一起进行联合测试。

图2 天线阵列实物图Figure 2. Physical image of antenna array

3 去耦天线罩的设计与加工

去耦天线罩整体视图如图3所示，即在传统天线罩上设计周期排列的金属反射片结构。天线罩材料是低损耗介质板，介质板厚度为3 mm，材料是F4B，相对介电常数为2.2，损耗角正切是0.02。使用去耦天线罩时，只需将它与天线阵列平行放置并保持一个固定的高度h1。h1会影响天线罩对相邻单元间同极化端口的去耦效果。

图3 去耦天线罩整体视图Figure 3. Overall view of decoupling radome

周期性金属反射贴片的具体结构如图4所示。该形状可看作在一个交叉形十字的4条臂上开4条缝隙，从而将整个金属反射贴片分为两部分：主要反射片和辅助反射片。优化过的具体数值为s=1.8 mm，w=1.4 mm，l=1.5 mm。

图4 周期性金属贴片结构Figure 4. Structure of periodic metal patch

该设计利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)仿真软件，结合前文中的天线阵列，对去耦天线罩进行建模仿真。图5是加载天线罩前后的S11参数(回波损耗)仿真结果对比图。从图中可以看出，加载天线罩会轻微改善天线的工作频段，提升天线低频特性和工作带宽展宽。加载天线罩前的工作频率为2.55～2.71 GHz，加载天线罩后的工作频率为2.51～2.69 GHz。图6是加载天线罩前后S21参数(同一天线单元中异极化端口隔离度)仿真结果对比图，可以看出天线罩的加载使得中低频段内天线的S21参数得到改善，整体改善了约5 dB左右；在2.7 GHz之后，S21参数开始恶化。图7是加载天线罩前后S31参数(相邻天线单元间同极化端口的隔离度)的仿真结果对比图。在整个工作频段内，天线罩的加载对S31参数有改善作用，在低频段改善了约3 dB，在中高频段改善程度逐渐加大，在2.675 GHz处S31参数改善约10 dB。

图5 S11参数仿真结果对比图Figure 5. Comparison of S11 simulation results

图6 异极化端口隔离度仿真结果对比图Figure 6. Comparison of simulation results of heteropolarized port isolation

图7 同极化端口隔离度仿真结果对比图Figure 7. Comparison of simulation results of the isolation of the same polarization ports

本文在优化过程中发现，天线罩与天线阵列之间的距离h1对天线罩性能有较大影响。参数h1对同极化端口隔离度的优化结果如图8所示，可以看出，当h1=50 mm时，在工作频段内同极化端口隔离度最好。

图8 参数h1对同极化端口隔离度优化结果Figure 8. The optimization results of parameter h1 on the isolation of the same polarization ports

4 天线阵列与去耦天线罩联合实测及分析

本文对前文中加工的天线阵列和去耦天线罩进行联合实物测试，验证去耦天线罩对天线阵列中各端口隔离度的影响，以及去耦天线罩对天线阵列的辐射方向图的影响。测试整体分为两部分，分别是S参数测试和方向图测试。

图9 S参数的测试环境Figure 9. Test environment for S parameters

如图9所示为本次测试的测试环境，测试全程在一个半开放的微波暗室中进行，最大程度排除了环境对测试结果的影响。

图10给出了天线阵列中S11(回波损耗)的测试结果，可以看出各端口的回波损耗具有较好的一致性。在2.515～2.675 GHz频段内，加载天线罩前后S11均小于-10 dB。

图10 S11测试结果Figure 10. S11 test results

图11给出天线阵列的中间振子S21(单一振子异极化的隔离度)参数的测试结果。从图中可以看出，天线罩的加载使得S21参数在工作频段内下降了3～5 dB，稳定在-25 dB左右。

图11 中间振子S21参数测试结果Figure 11. S21 test results of the central vibrator

图12 中间振子S12参数测试结果Figure 12. S12 test results of the central vibrator

图12给出中间振子S12参数(相邻振子间同极化的隔离度)的实测结果。从图中可以看出，去耦天线罩加载后，在整个工作频段内S12参数下降了约3～5 dB，稳定在-25 dB左右。

方向图测试分为两部分：不加载天线罩时天线阵列的方向图与加载天线罩之后天线阵列的方向图。测试时通过设置辐相模拟器改变端口的馈电相位，达到特定角度的波束指向。在2.6 GHz处加载天线罩前后，水平面偏转60°、垂直面偏转12°的水平方向图对比结果如图13所示，垂直方向图对比结果如图14所示。

图13 水平切面各频点方向图Figure 13. Direction diagram of each frequency point

图14 垂直切面各频点方向图Figure 14. Direction diagram of each frequency point in vertical section

由图13、图14可以看出，去耦天线罩的加载不会影响最大波束的指向角度，最大波束指向与预设角度保持一致，说明去耦天线罩的加载不会影响天线阵列自身的辐射特性。

为了探究天线罩对天线阵列增益的具体影响，本文测试了在不同频点处以及加载去耦天线罩前后天线阵列的增益值，如表1所示。

表1 各频率增益变化值

由表1可以看出，在所有频点下加载天线罩都会使得天线阵列的增益有一定程度的改善。这说明去耦天线罩的加载可以在一定程度上改善原天线阵列的增益。

5 结束语

本文为了解决5G基站布置大规模天线阵列所带来的隔离度恶化的问题，提出了一种基于电磁超材料的去耦天线罩技术。该技术在一层低损耗的介质板上设计周期性的金属反射片结构，在保证原天线阵列辐射特性及电特性基本不变的前提下，改善了天线阵列各端口间隔离度。本文首先介绍了去耦天线罩技术的原理并设计加工一款适用于5G频率的基站天线单元，以便后期与去耦天线罩联合测试。同时，在此基础之上组装了一个8行4列的天线阵列。然后，本文针对双极化基站天线单元设计了一种去耦天线罩并进行了实物加工。最后，研究人员进行了天线阵列和去耦天线罩的联合测试。测试结果表明，去耦天线罩的加载可以同时降低天线阵列中异极化端口和同极化端口的隔离度，且不会影响天线阵列的辐射方向图特性，在一定程度上改善了增益。

该设计对去耦天线罩的设计具有一定的参考价值。但受制于不同的天线阵列，去耦天线罩的实现形式也有所差别。后续还需根据实际应用情况对设计方案进行进一步的研究与补充。