多点渐变馈电双极化微带辐射单元的研究

李惊生，詹敏峰，李俊

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引言

大规模Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）天线技术是5G 系统中的最关键技术之一，与传统2G/3G/4G 基站不同的是，5G 大规模天线阵列所采用的辐射单元个数明显增加，64T64R、32T32R 和16T16R 天线对应了不同的应用场景，所用辐射单元多达192 个[1-4]。一般辐射单元间距在1/2 波长左右，如此多的辐射单元要紧凑布局，这就对单个辐射单元的形状和大小以及如何减小辐射单元间的强耦合提出了更高的要求。微带天线具有低剖面、低成本、易共形以及易于加工、容易实现多频段和双极化等优点，被广泛应用于无线通信系统中，较适用于大规模天线阵列[5-7]。但常规微带天线的带宽较窄，需采用寄生耦合、贴片开槽、探针耦合、缝隙耦合多点馈电等方法展宽带宽[8-11]。本文基于微带天线理论及设计方法，根据锥削渐变馈电结构、多点馈电方式在辐射性能上的变化情况，设计了一种小型化的双极化微带辐射单元。在此辐射单元的基础上，设计出了4×3 小型阵列天线，并进行了测试验证。

1 微带辐射单元的设计与分析

1.1 单元结构

基于微带天线理论，矩形微带贴片天线可以将辐射元看作是一段长为L的低阻抗微带传输线，传输线的两端断开形成开路，开路处两电场垂直分量反向，水平分量同相。贴片可以等效为相距半个波长、长度为W的两个缝隙（磁偶极子）。

但考虑到边缘场的影响，在设计时：

其中，h为微带基材厚度。

针对5G 在3.4—3.6 GHz 的工作频段，取中心频点3.5 GHz，基材为空气εr=1，h=9 mm，初步计算可得微带贴片尺寸为W≈42.3 mm、L≈36.9 mm。基于该初始尺寸进行了双极化微带辐射单元设计，新型小型化的微带辐射单元结构示意图如图1 所示：

图1 微带辐射单元结构示意图

在图1（a）中，辐射单元由反射器1、方形微带贴片2、圆形寄生片3、渐变馈电片4、支撑柱5/6/7 以及置于反射器背面的功分电路组成。其中，反射器为150×150×2.5 mm厚的金属铝板；微带贴片为边长30.4 mm 的正方形铝片，其与反射器间距为9 mm；寄生片为直径30 mm 的铝片，其与方形贴片间距为7 mm。在图1（b）中，馈电片形状呈Г 形，四个馈电片与微带贴片间距为2 mm，其穿过反射板，与背面的一分二功分电路相连，见图1（c）。功分电路如图1（d）所示，其蚀刻在PCB 板上，PCB 板材料为IS680AG，介电常数为3.45，基材厚度为0.762 mm，敷铜厚度为0.035 mm，线路为两个一分二功分器，功分器两端等幅反相，对应的正极（+）和负极（-）分别连接相对的两个馈电片，形成双极化馈电，同极化馈电点相距25.8 mm。

1.2 辐射单元设计分析及仿真结果

微带贴片的馈电方式包括直接馈电、边馈、耦合馈电等多种方式，不同的馈电方式影响带宽及实现的难易程度。目前常用的微带天线通常采用直接馈电方式，这种馈电方式制作简单，相对带宽较窄，约为2.2%，缺点是频带窄、辐射效率低、极化纯度不高、交叉极化比差；边馈方式的相对带宽约为6.5%，但这种馈电方式天线尺寸较大，不利于大规模天线阵列；耦合馈电[12]方式通过电容补偿调节，相对带宽可达20%，但实现相对复杂。

图2 是双极化微带辐射单元直馈与耦合馈电情况下S 参数变化仿真结果，耦合馈电较直接馈电方式在所示带宽范围内S参数均有较明显的提高。在3.4—3.6 GHz 频段，S11 和S22 从-5 dB 提高至-14 dB，端口隔离从25 dB 提高至35 dB。此外，图1（b）中的馈电片在结构上有一个锥削变化的过程[13-14]，这种结构可以等效为多个阶梯阻抗变换段，馈电片的阻抗有一个平滑渐变的过程，这对提高辐射单元的匹配带宽有一定的效果，图3 是渐变馈电与非渐变馈电的效果仿真对比。

图2 辐射单元直馈与耦合馈电S参数变化

图3 渐变馈电与非渐变馈电S参数变化

通常微带天线采用单点馈电，双极化方式时一般每种极化一个馈电点。在图3 中的单点馈电方式，馈电片偏向一个方向，存在辐射体表电流分布不对称的问题，主要体现在方向图不对称，最大辐射方向会有一定的偏斜。另外，单馈在+/-60°方向交叉极化比较差。因此，本设计采用四点馈电[15-16]，具体实施方法是在同一个极化方向增加一个馈电点，这种结构解决了辐射体表面电流分布不对称的问题，具有提高极化隔离度、展宽带宽和提高交叉极化比的功能。图4 对比分析了单馈电点和双馈电点双极化辐射单元的方向图变化，双馈点情况下主极化方向图增益和对称性有明显改善，交叉极化在+/-60°范围内提高了5 dB 左右。双极化辐射单元经过优化后，仿真结果在3.4—3.6 GHz 范围内回波损耗低于-15 dB，端口间隔离度大于30 dB，中心频点3.5 GHz 辐射特性如图5 所示。Port1 和Port2 方向图对称较好，轴向交叉极化大于20 dB，仿真结果满足阵列设计需求。

图4 辐射单元单馈与双馈方向图变化

图5 f=3.5 GHz时Port1和Port2方向图

1.3 阵列设计分析及实测验证

为了验证上述微带辐射单元是否满足天线阵列的基本要求，设计了一款小型4×3 天线阵进行验证。天线阵由四列天线子阵单元组成，共有P1～P8 八个端口，阵列结构如图6 所示，列间距为46 mm 约0.54 个波长，此间距相邻振子间互耦较大。

设计微带辐射单元时，对互耦问题也有所考虑，本设计中主要采取了三个措施：辐射单元尺寸尽量小、增加寄生单元以及列间错位。图6 两列之间错位32 mm，其中减小辐射单元尺寸和列间错位都是为了增加辐射单元间的距离，对降低辐射单元间互耦、提高列间端口隔离度有一定的作用；增加寄生单元能让能量更多地集中在振子上方。

关于天线去耦技术，可借鉴的方法有去耦合网络、缺陷接地结构（DGS,Defected Ground Structure）、电磁带隙结构（EBG,Electromagnetic Band-Gap）和人工超材料等[17-20]，本设计主要验证单元性能，阵列间互耦可在此基础上进一步研究分析。图6 中每个子阵单元由三个辐射单元组成，相邻辐射单元间距为64 mm，辐射单元通过PCB线路进行馈电，材料为IS680AG，介电常数为3.45，基材厚度为0.762 mm，敷铜厚度为0.035 mm。同极化的辐射单元由一分三的功分电路馈电，一分三功分电路等幅同相。每列子单元包括一组耦合电路，用于检测各列端口的辐度相位分布，耦合电路由一分二功分器和两个耦合器组成。4×3 天线阵实测样机如图7 所示。

图6 4×3阵列结构

图7 4×3天线阵实测样机

实测P1&P2、P3&P4 端口的S 参数及方向图性能，得到S 实测参数与仿真结果如图8 和图9 所示。仿真和实测结果曲线基本一致，端口回波损耗均小于14 dB，隔离度大于32 dB。

图8 P1&P2 S参数实测与仿真结果

图9 P3&P4 S参数实测与仿真结果

图10 至图13 为P1～P4 端口E 面和H 面方向图实测与仿真结果。半功率波束宽度E 面仿真结果21°～23°、H 面82°～103°，实测结果E 面20°～24°、H 面79°～107°，轴向交叉极化比仿真结果为22 dB 左右，实测结果为16 dB。从测试结果与仿真值对比图形分析来看，二者基本吻合，通过这个小型阵列的测试验证，微带辐射单元能够满足大型阵列天线需求。

图10 P1&P2 E面方向图实测与仿真结果

图11 P1&P2 H面方向图实测与仿真结果

图12 P3&P4 E面方向图实测与仿真结果

图13 P3&P4 H面方向图实测与仿真结果

2 结束语

本文通过研究一种新型的5G 频段小型化多点渐变馈电双极化微带辐射单元，采用耦合、四点馈电方式，并且馈电方式利用渐变式结构，使得阻抗有一个渐变的过程，从而达到增加带宽、提高隔离度的效果。在此基础上，设计了一款4×3 小型阵列，对辐射单元间的互耦进行了研究。经过实测验证，辐射单元及阵列性能均达到预期效果。本文采用的设计方法不仅可以对天线小型化设计增加带宽、提高隔离度提供参考，而且对开发大规模5G 阵列天线如32T32R 和64T64R 等也具有一定的工程应用前景。