宽波束±45°双线极化偶极子天线阵列设计*

姜 兴，程 林，李晓峰，彭 麟，廖 欣

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

0 引 言

45°双线极化天线可以增加信道容量，因此在基站中非常流行，设计小尺寸和宽阻抗带宽的双极化天线以覆盖更多通信频段,同时占用有限空间成为研究人员面临的挑战。文献[1]提出了一种基于磁电偶极子的双极化天线，具有宽阻抗带宽、交叉极化低等良好性能，然而，它具有较大的孔径尺寸(0.62λ0×0.62λ0)。文献[2]提出了一种差分馈电双极化缝隙天线，具有高隔离度和低剖面的优良性能。文献[3]提出了一种基于矢量合成机制的双极化天线，具有高隔离度和低交叉极化。文献[4]提出了一种具有两种独立可控谐振模式的宽带双极化天线，实现了45 %的阻抗宽带，且隔离度优于25 dB。文献[5]提出了一种人工电磁媒质天线，工作在1.7～2.98 GHz以及3.99～5.34 GHz频段，相比普通贴片天线工作带宽明显扩宽。

近年来，为了大幅度提高网络容量和信号质量，基站采用大型电子扫描阵列(Electronic Scanning Array，ESA)，因此宽波束正成为一个必不可少的特性。文献[6-8]分别提出了一种宽频带天线，带宽分别达到70 %、46.4 %、51 %，但它们实现的3 dB波束宽度仅为65°左右。文献[9]提出了一种具有人工磁导体接地的广角扫描阵列，扫描3 dB波束宽度可覆盖-105°～105°。文献[10]提出了一种低剖面可重构单元，组成1 × 32的阵列天线，实现了± 45°的波束扫描范围。

综合考虑了宽频带、宽波束、± 45°双线极化辐射的需求，本文设计了一款宽带宽波束的± 45°双线极化天线，天线尺寸为0.38λ0×0.38λ0×0.36λ0；以该天线为单元、0.53λ0为单元间距设计了一款宽角域扫描的宽带线极化相控线阵。国际电联WRC-19大会提出将6 425～7 125 MHz频段用于国际移动通信，因此本文设计的天线及其阵列可以很好地应用于该频段。

1 天线单元的设计与仿真

由于要实现± 45°双极化辐射，因此采用正交对称振子结构，且振子的形状采用椭圆形，可以一定程度提高波束宽度，如图1中的模型1。图1中模型3通过在椭圆中心适当挖孔产生了两个谐振点，从图2可以看出有效地展宽了阻抗带宽，但总体频段向高频移动。图1中模型5和模型6通过在椭圆一端加载梯形结构且在上边进行挖圆，得到模型2，从图2可以看出展宽带宽的效果不是太大，但频段没有发生偏移。因此，最终采用加载梯形结构和挖孔两种方式结合，如图1中模型4。从图2可见，模型4有效展宽了阻抗带宽，-15 dB带宽从5.5～6.6 GHz改善为5.6～7.6 GHz，阻抗带宽相对提高了40 %。

图1 天线模型演变

图2 天线模型演变对S11的影响

图3给出了6.6 GHz两个端口相位为0°时的电流情况，可见1端口产生电流主要指向45°方向，2端口产生电流主要指向- 45°方向，因此最终的辐射方向为± 45°方向。从电流图中还可以看出中心处电流影响较大，因此重点研究了参数rp、ly1对S参数的影响。从图4(a)可以看出，rp对端口隔离度和反射系数都有影响，最终折中选取rp为2.5 mm。从图4(b)可以看出，ly1的变化会影响反射系数，最后选取中间值ly1为2 mm。

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图3 电流分布

(a)rp影响S参数

最终确定天线结构如图5所示，此天线设计在厚度为1 mm，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001的F4B介质基板上，具体结构参数如表1所示。

图5 单元结构

表1 天线单元的结构参数

2 天线单元实测

使用矢量网络分析仪与微波暗室分别实测天线的S参数和方向图，实测环境如图6所示。

图6 实测环境

所设计天线的反射系数仿真与实测结果如图7(a)所示，S11、S22在频段内仿真结果均低于-15 dB。实测结果低于-12 dB，这是由于实物焊接导致阻抗匹配稍有偏差，频带范围内隔离度都高于28 dB。仿真和实测的增益和隔离度如图7(b)所示，实测的增益为6.46±0.9 dBi，略低于仿真的6.8±0.5 dBi，这是由于实测过程中存在一些损耗。

(a)单元反射系数

图8为6 GHz、6.6 GHz、7.1 GHz不同频率下H平面的仿真和实测的方向图，测得的3 dB波束宽度为127.2°±3.7°，交叉极化比为22±5 dB，可以看出与仿真的3 dB波束宽度126.5°±3.9°以及交叉极化比22±5 dB基本一致，这表明该天线在整个频段上具有稳定的低交叉极化水平辐射方向图，实测方向图与仿真结果吻合良好。

(a)6 GHz

3 阵列天线的设计与仿真

将设计的天线单元沿φ=90°的平面等间距排列，组成1×16的均匀直线阵。综合考虑栅瓣、小型化以及耦合度等因素，以及仿真优化设计，最终选取阵元间距为0.53λ0=23.85 mm。

由于阵列是完全对称的结构，因此只给出了线阵其中一边4个阵元的S参数曲线，如图9所示。工作频带内各端口的反射系数均小于-13 dB，端口间的隔离度均接近18 dB。在图9(a)中，因为1、2端口只受到一边的相邻单元影响，而其他端口受到两边相邻单元的影响，所以1、2端口和其他端口有一定差别，而且由于对称性，3、5、7端口和4、6、8端口分别重合。在图9(b)中，S21为最外侧单元内隔离度，S43、S65为内测单元内隔离度，可以看到内测单元内隔离度更差是因为受到更多相邻单元影响；S31、S53、S42、S64分别为单元间同一极化端口的隔离度，可以看到都接近相等。

(a)反射系数

阵元5的辐射方向图如图10所示，在各频点都有130°波束宽度，交叉极化比达到15 dB以上，具有良好的宽波束线极化辐射特性，保证了阵列可实现大角度线极化扫描。

图10 阵元5在各频点的方向图

图11给出了阵列天线在各频点的扫描情况。当主波束增益下降小于3 dBi时，阵列波束扫描角度达到±55°；主波束增益下降小于5 dBi时，阵列波束扫描角度达到±60°，最大旁瓣电平小于9.2 dB,交叉极化比达到15 dB，表现出良好的线极化辐射、宽角域扫描覆盖以及低旁瓣、低交叉极化等特性。

4 结束语

本文设计了一款宽带宽波束± 45°双线极化天线单元以及1×16相控线阵。由实测结果，天线单元在6.425～7.125 GHz的频带内电压驻波比小于1.3，具有38.8%的相对阻抗带宽，在工作频带内其端口隔离度优于28 dB，3 dB波束宽度在126°以上，交叉极化比达到20 dB。由仿真结果，该单元组成的1×16相控线阵在6.425～7.125 GHz的频带内可实现-57°～60°的波束扫描。该阵列不仅克服了双线极化相控线阵的主波束在扫描过程中由于阵元耦合导致的隔离度恶化和阻抗失配问题，还实现了在较宽频带内进行波束扫描。设计的天线体积小，可以更好满足未来基站通信小型化的要求，具有巨大的应用前景。此外，该阵列的阵元间耦合还有一定的提升空间，可通过加载单负材料进一步提高隔离度。