广电网络中5G 高隔离度双频段线阵技术的研究

吕 键，李博聪

（黑龙江工商学院，黑龙江 哈尔滨）

引言

广电网络是以数字化为基础的广播电视传输网络，是无线电视、数字电视、卫星传输、互联网等多种技术形式的集成，由于现代无线通信技术的高速发展，5G 通信的应用逐渐增加，与2G、3G、4G 通信系统共同存在，因此需要强化天线性能以满足相应需求，保证无线通信的体积轻便化、功能多样化，本文在设计过程中主要以紧耦合偶极子为天线形式，以实现广电网络的高效运转。

1 紧耦合相控阵天线

相控阵系统主要构成包括天线阵、馈电网络和波束控制器，为了实现5G 天线的多频带、高效率、高增益、轻量化发展，本文设计了一种具有宽带性能的一维双极化相控阵天线，具有占用空间小、应用范围广等优势，其扫描原理见图1。相控阵天线设计时需要考虑结构简单、调节方便的要求，因此采用了紧密耦合的半波偶极子阵列，这种阵列的原件之间具有较强大的耦合性，半波阵子总长仅为λ/2，而且馈源位置设计对称，在两个阵子交接处，其指标也相同，因此在运行时极大地节省了空间[1]。通过半波偶极子阵列的电流分布呈正弦函数，因此在计算辐射场时需要考虑电长度对电磁传播方式产生的影响。

图1 一维相控阵天线扫描示意

为了扩大天线带宽，需要合理设计单元结构，降低各个单元之间的电容耦合能够在一定程度上降低偶极子谐振频率，使得电流能够传播到相邻单元，从而抵消一部分地平面电抗，维持宽带范围内的稳定阻抗，产生低剖面、超宽带的特性。在设定电抗频率时，需要计算好地平面的电抗变化，使得两者之间实现相互补偿，从而进行网络内的抗组匹配，本设计中的偶极子电抗能够在低频工作时释放电容，在高频工作时释放电感，并与地面电抗呈反向相关，同时再在天线上方放置介质层，有利于阻抗匹配，实现带宽的拓宽。

2 5G 高隔离度双频段线阵的双极化单元仿真设计

2.1 子单元参数

2.1.1 尺寸设计

本文设计了一款双频段紧耦合相孔阵天线，以达到优化广电网络的5G 通信系统的目的，其结构中的低频单元及高频单元分别有3 个子单元和2 个子单元，前者工作频段的范围集中在3.3～3.8 GHz，后者工作频段的范围集中在5.4～5.95 GHz，馈电均采用等幅同相的功分器。双极化子单元的结构由宽角阻抗匹配层、紧密耦合的偶极子、折叠的Marchand Balun和地板共同组成，其中耦合片位于垂直极化和水平极化的交叉处。垂直和水平极化的材料均为PCB 板，设置在偶极子末端开卡槽。水平极化偶极子有4 个，垂直间距设置为16 mm，以保证频带内驻波比的平缓性。为了避免馈电相位差引发的谐振问题，该设计中的子单元尺寸最终设计为10.5 mm×80 mm×31.7 mm[2]。

2.1.2 结构调整

子单元结构较为复杂，具有电流路径多、同极与异极化建耦合强、功分器层数多等特征，需要对其进行调整与优化，改进内容主要有以下三项：

第一项是改进匹配层，双极化单元中的阻抗匹配层是厚度为7 mm 的Rogers 5880 介质块，在大角度扫描过程中出现了高频驻波过高的问题，因此采用在匹配层上开孔的方式进行处理，通过介电常数的降低实现对表面波传播的阻断；

第二项是改进卡槽，开槽的最初对象是两个极化的金属贴片和介质板，但是这种结构导致电流呈现出连续性差的不良特征，改进后保持水平极化金属面的完整性，以便于有效降低驻波比；

第三项是改进功分器输入端微带线，为了降低谐振问题的发生概率，应优化输入端微带线长度，在原有基础上适当加长线路，增加回路长度，同时将线路内的低频驻波比谐振点移出。

2.2 高频单元仿真设计

高频单元包含2 个子单元，水平极化与垂直极化的馈电分别采用一分八和一分六等幅同相功分器，且均被设计为带状线结构，功分器总厚度为3.24 mm，结构中的PCB 板为Rogers 5880 介质板，厚度规格有0.254 mm 和0.508 mm，介电常数均为2.2。高频单元中垂直极化和水平极化的馈电网络如图2 所示，二者的抗阻匹配特性都较好，相位具有较高的一致性，符合相控阵天线的基本标准，即使在系统带宽内的插损值产生了一些浮动，但其整体都控制在±0.8 dB 内，不会影响天线的正常运行。以不同的扫描角度测试高频单元中对应的驻波比与隔离度，当单元工作状态稳定在5.8 GHz 时，扫描角度为0°时，天线在Z 轴方向上存在最大辐射，具有较好的定向性；扫描角度为60°时，高频单元的功率增益在-25 dB 以下，水平极化与垂直极化的交叉极化比较好；不扫描时，高频单元的功率增益也在-25 dB 以下。当频率为5.4～5.95 GHz 时，扫描角度范围是±60°的前提下，两个极化的有源驻波比均未超过3.2，端口隔离度在未超过-35 dB。综合来看，水平极化与垂直极化的增益会随频率的增大而变大，呈正比例关系，主要是由于列阵增益与波长为反比、与频率为正比，具体可以参考列阵增益理想计算的公式，如式（1）所示。

图2 高频单元垂直极化和水平极化的馈电网络结构

在式（1）中，A 为有限阵列的物理口径大小；θ为扫描角度；λ为自由空间波长[3]。

2.3 低频单元仿真

低频单元包含3 个双极化子单元，馈电需要一分十二与一分九等幅同相功分器，总厚度是3.24 mm，其中垂直极化功分器的厚度为1.824 mm，水平极化功分器的厚度为1.316 mm，两者的馈电网络如图3所示，工作频带内S11均未超出-15 dB，输出端口幅度差的波动范围是±0.8 dB，相位一致性好，都符合相控阵的要求[4]。同样以不同的扫描角度测试低频单元中对应的驻波比与隔离度，在工作频率为3.3～3.8 GHz 的前提下，扫描角度为50°时，水平极化与垂直极化的有源驻波比分别低于2.8 和3.0；扫描角度为60°时，水平极化与垂直极化的有源驻波比分别变化为3.1 以下和4.5，两端口隔离度低于-30 dB。在工作频率为3.5 GHz 的前提下，扫描0°和60°时XOZ面的方向图，两个极化的交叉极化较好，且交叉极化比均未超出-25 dB。综合来看，低频单元与高频单元一样，水平极化与垂直极化的增益会随频率的增大而变大，呈正比例关系。

图3 低频单元垂直极化和水平极化的馈电网络结构

3 1×24 阵列天线仿真结果分析

3.1 高频阵列

高频阵列包括24 个馈电端口，由水平极化和垂直极化共同均分，其结构如图4 所示，图中垂直极化功分器和水平极化功分器分别对应垂直方向和水平方向，垂直极化馈电和水平极化馈电分别对应双数号端口和单数号端口[5]。以垂直极化12 号端口为例，扫描角度为55°时，频带内驻波比在3.2 以下；扫描角度为60°时，5.95 GHz 驻波比为3.5，其他频带驻波比均低于3，同时边缘单位中的2 号和24 号端口驻波比低于3.2。以水平极化11 号端口为例，将扫描角度设定为55°时，驻波比低于2.7；扫描角度继续增至60°时，最严重的5.95 Hz 频带驻波比甚至恶化至4，但其他频带驻波比均低于3，同时边缘单位中的1 号和23 号端口驻波比大部分均低于3。

图4 高频阵列平面结构

以5.8 GHz 为标准，扫描垂直极化H 面时，大部分典型扫描角度的方向图均存在明显的主瓣、副瓣，当端口不进行扫描工作，波束指向阵列法向处，如设定扫描角度为45°，波束指向阵列44°处，扫描角度增至60°时，实际波束指向58°，可以发现扫描角度越大，波束指向偏移也会随之增大，不扫描时，阵列增益逐渐增加且交叉极化比在40 dB 以上；

当扫描水平极化E 面时，角度为0°波束指向阵列的0°处，扫描角度分别在±45°和±60°时均呈现出较低的副瓣电，扫描角度为60°时实际波束指向为56°，比垂直极化波束实际偏移更多、增益下降更大，特别是高频时情况更为严重[6]，这主要是因为5.95 GHz 端口驻波比不断恶化，导致辐射效率下降，再加上场分布不均匀，使得主极化增益变小。

3.2 低频阵列

高频阵列包括16 个馈电端口，由水平极化和垂直极化共同均分，其结构如图5 所示，图中垂直极化功分器和水平极化功分器分别在上方和下方，垂直极化馈电和水平极化馈电分别对应双数号端口和单数号端口，现分别对垂直极化及水平极化进行研究：

图5 低频阵列平面结构

首先，分析垂直极化中心端口和边缘端口的驻波比，扫描角度为50°时，3.3～3.8 GHz 的端口驻波比均低于3；扫描角度为60°时，最差驻波比值为5，低频恶化问题较严重，主要是因为扫描阻碍耦合，而且驻波比与扫描角度呈正相关。

其次，分析水平极化中心端口和边缘端口的驻波比，扫描角度为50°时，3.3～3.8 GHz 的端口驻波比均低于3；扫描角度为60°时，最差驻波比值为4，恶化情况也较为明显，这是因为在进行水平极化单元的扫描时，仪器移动方位与电流流向一致，产生的边缘电流会作用到端口，从而降低驻波比效率。

以3.5 GHz 为标准，扫描垂直极化H 面时，其方向图上呈现的主瓣、副瓣比较突出，开始扫描前可观察波束在阵列法向，当将扫描角度调整到45°时，波束指向43°处，继续增加扫描角度为60°时，波束指向55°处。根据以上数据可以发现波束指向偏移随扫描角度增大而变大，且波束指向更低角度偏移。主要原因是与低频段的电长度相比，阵列总体大小相对更小，准确指向的能力不够充足，此外，3.3～3.8 GHz 范围内，且在不扫描和扫描角度为60°的两种条件下，垂直极化增益均会随频率增大而变大，交叉极化均不低于25 dB。

扫描水平极化E 面时主瓣与副瓣较为明显，不扫描时阵列波束指向阵列法向，当扫描角度为45°时，实际波束指向41°，扫描增至60°时，实际波束指向58°。扫描角度为0°和45°时，增益随频率逐渐增大，扫描角度为60°时，驻波比恶化情况较为严重，且增益起伏波动较大。

4 结论

针对本文设计的竖直结构的单极化一维线阵，其高频与低频单元的工作频率范围分别是3.3～3.8 GHz 和5.4～5.95 GHz，如果扫描角度设置在60°，驻波比及交叉极化比较为理想，前者在3 以内，后者在20 dB 以内，因此可以作为5G 高隔离度双频段线阵结构原件，能够满足双频段大角度扫描要求，应用在广播网络5G 技术中具有一定的可靠性。