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｜击种成尖赛４＇ＵＮＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯ－ＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＥＬＥ石ＴＲＯＮＩＥＮＦＣＨＩＮＡＩＣＳＣＣＥＫ＞－硕：ｆｃ学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳ：＇‘融。祕＇她ｊ山妇Ｉ：：／＾ｊ藥分八乐反＇：：：－Ｂｌｉ：ｈＢ论丈题目双极化高隔离度微带阵列天线技术妍究学科专业电磁场与微波技术＾学号２Ｑ１３２１Ｑ２０２１２：化者姓名罗雪：指哥教师杨仕支教授ＨＲ 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究王作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加Ｗ标注和致谢的地方夕不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为ｈ，论文中获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与－我－同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。：、歹６＾弯八：作者签名日期：年Ｘ月［］；论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技火学有关保留、使用学位论义，的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可Ｗ将学位论文的全、，缩印或描部或部分内容编入有关数据库进行检索可从采用影印扫制手段保、。存汇编学位论文等复密）后应遵守此规定（保密文在解Ｉ的学位论者＾导签名：签名：呼师作Ｓ口期：日＞年Ｃ月化 分类号密级注1UDC学位论文双极化高隔离度微带阵列天线技术研究（题名和副题名）罗雪（作者姓名）指导教师杨仕文教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业电磁场与微波技术提交论文日期2016.3.30论文答辩日期2016.5.4学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。 StudiesonDual-polarizationandHighIsolationMicrostripArrayAntennaAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:ElectromagneticfieldandMicrowaveTechnologyAuthor:XueLuoSupervisor:Prof.ShiwenYangSchool:SchoolofElectronicEngineeringofUESTC 摘要摘要最近十多年，更多普通用户接触到了互联网，移动互联网开始快速发展，用于能高速传递信号的天线需求也日益明显。3G技术已经成熟，4G也开始被大规模运营商投入商业运用，微基站对于无线移动通信的信号收发起着关键作用。相对于传统基站天线，微基站天线由于具有体积小、发射功率低、成本低、易维护等特点，正逐步引起业界的广泛兴趣。在微基站中，由于天线单元间距一般较小，给天线性能带来了较大影响。为此，开展在有限的基站天线体积内提高天线单元之间的隔离度具有重要意义。本文主要针对高隔离度、低交叉极化等方面对微基站天线进行了较为深入的研究。论文的主要工作涵盖以下几个方面：首先，论文前两章介绍了微基站天线的研究背景与发展现状，并针对高隔离和双极化天线相关指标参数进行讨论。其次，设计了一种新型的双极化加载V型槽的贴片天线单元，论文详细给出了它的设计过程及实验测试结果，并对其性能进行了分析。该天线具有单元隔离度高、低剖面等特点，适合用于微基站天线组阵。第三，基于上述微带贴片单元，设计并仿真了一款44微基站天线阵列。通过在阵列四周加载锯齿形围栏，有效提高了阵列的交叉极化特性。同时，设计并仿真了一款14微基站天线阵列，采用在阵列之间对地板开槽形成缺陷地等措施，减少了地板之间的直接耦合。同时，在阵列之间采用加载H型槽的围栏，阻断了近场能量耦合，有效提高了阵列之间的隔离度。最后，对14天线阵列进行了加工和实验测试，测试结果与仿真结果吻合较好，子阵内隔离度优于25dB，天线阵列间隔离度优于50dB。相比于其他高隔离度措施，该结构能同时提高同极化端口和交叉极化端口的隔离度，该结构尺寸小，可以用于微基站系统中。关键词：双极化，高隔离，低交叉极化，微带天线，微基站天线，阵列天线I ABSTRACTABSTRACTIntherecent10years,morecommonusershavebeenobtainingaccesstotheinternet.Withtherapiddevelopmentofthemobileinternet,antennastransmittinghigh-speedsignalareincreasinglydemanded.3Gtechnologyhasmatured,4Gisalsoincreasinglyubiquitoustobeputintocommercialuse,andmicrobasestationforradiosignaltransmissionalsoplaysakeyrole.Themicrobasestationhasthecharacteristicsoflowprofile,lowtransmissionpowerandlowcostascomparedtotraditionalbasestation.Inmicrobasestation,duetothesmalldistancebetweenantennaelements,thereisaninterferencebetweeneachother.Thus,improvingtheisolationbetweenantennaelementsinsuchaconfinedareahasimportantresearchsignificance.Thehighisolationandlowcrosspolarizationofthemicrobasestationantennasarediscussedinthispaper.Themainworkofthisthesisincludesthefollowingaspect.Firstofall,theresearchbackgroundanddevelopmentstatusareintroducedinthefirsttwochaptersofthethesis,includingadiscussionofthekeyparametersofhighisolationanddualpolarizationantennas.Secondly,anewtypeofdualpolarizedpatchantennaelementloadedV-slotisdesigned.Thedesignprocessandexperimentalresultsaregivenindetails.Theantennaelementhasahighportisolationandalowprofile,whichissuitableforbasestationantennaarrays.Inthefourthchapter,a4x4antennaarrayisdesignedandsimulated.Comparedtotraditionalstructures,thecrosspolarizationperformancesoftheantennaarrayloadedwithfenceareimprovedobviously,becauseofchangingthecurrentdirectionatthefence.Inaddition,designandsimulationofa14antennaarrayarepresented.Thedefectedgroundstructureisusedtoreducethedirectcouplingbetweenthearrayelements.Finally,the14antennaarrayisfabricatedandmeasured,andthetestresultsareconsistentwithsimulationresults.Theisolationofantennaarrayisbetterthan50dB.Thestructurecanimproveisolationofco-polarizationandcross-polarizationport.Thestructurecanbeusedinmicrobasestationsystem.Keywords:dualpolarization,highisolation,lowcrosspolarisation，microstripantenna,microbasestation，antennaarrayII 目录目录第一章绪论..................................................................................................................11.1课题背景与意义...............................................................................................11.2国内外微基站发展动态...................................................................................31.3论文主要工作和内容安排...............................................................................4第二章微基站天线和双极化天线基本理论................................................................62.1微带天线和基站天线基本简介.......................................................................62.1.1天线的辐射特性....................................................................................72.2基站天线基本特性.........................................................................................102.2.1基站天线的隔离和分集特性..............................................................102.2.2基站天线的辐射特性...........................................................................112.3阵列天线基本理论.........................................................................................132.3.1最大辐射方向......................................................................................132.3.2栅瓣抑制..............................................................................................142.3.3副瓣电平..............................................................................................142.3.4波瓣宽度..............................................................................................142.4本章小结.........................................................................................................15第三章双极化高隔离度微带天线单元设计..............................................................163.1微带天线基础知识.........................................................................................163.1.1微带天线辐射原理..............................................................................163.1.2微带天线的常用馈电方式..................................................................173.2双极化天线高隔离技术.................................................................................193.1.2双极化天线的常见形式......................................................................193.2.2双极化微带天线高隔离技术..............................................................193.3双极化高隔离天线单元设计.........................................................................213.3.1方形双极化微带天线设计..................................................................213.3.2槽加载双极化微带天线设计..............................................................223.4本章小结.........................................................................................................28第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计......................................294.1馈电网络设计.................................................................................................294.1.1阻抗变换计算......................................................................................29III 目录4.1.2T型结功分器........................................................................................294.244低交叉极化微带天线阵列设计..............................................................324.2.1低交叉极化天线简介..........................................................................324.2.244低交叉极化天线阵列仿真和结果分析.......................................334.3阵列天线高隔离技术.....................................................................................384.3.1地板开槽提高隔离度..........................................................................384.3.2EBG结构提高隔离度..........................................................................394.3.3金属围栏提高隔离度..........................................................................394.414高隔离微带天线仿真..............................................................................404.4.1未加隔离措施的14阵列.................................................................404.4.2缺陷地加载的14阵列设计.............................................................424.4.3地板开槽和正交H槽围栏加载的14阵列设计............................434.5本章小结.........................................................................................................51第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究......................................................525.1双极化高隔离度微带天线阵列加工及测试..................................................525.1.1天线阵列回波损耗和隔离度测试......................................................525.1.2天线阵列方向图测试..........................................................................555.2双极化高隔离度微带天线阵列结果分析.....................................................585.3本章小结.........................................................................................................59结束语............................................................................................................................60致谢............................................................................................................................61参考文献........................................................................................................................62攻读硕士学位期间取得的成果....................................................................................65IV 第一章绪论第一章绪论1.1课题背景与意义如今通信技术快速进步，移动设备的普及使得人们对高传播速度、大容量的天线需求增加。通信技术也在开始日新月异变化。移动生态系统也随着通信技术的变化而进步。移动设备持有人员迅速增加，网络与终端客户的关系越来越紧密，通信行业也在史无前例地充实。在用户的需求增加和运营商的激烈竞争中，第四代通信系统[1,2]（4G）已经开始进入市场。相比于第三代通信系统[3]，第四代移动通信能传输高质量的视频图像，图像的传输质量、传播速度都有很大提高。进入（4G）时代后，用户对无线带宽的需求会更高，移动设备的通话功能会逐渐淡化，人们更大的需求将转向移动上网。第四代通信技术的推广会让手机终端上网越来越普及，人与人之间连接变得更加方便。然而，由于我国现在处于（4G）网络的普及阶段，人与人之间的通话及上网迅猛普及，系统延迟和设备容量小等问题越来越严重。现今无线网络已经逐渐地融入到了人们生活学习当中，在人口分布密集的地方，如电影院、饭店、商场等，一般的基站天线已经不能满足用户的多层次需求。建站位置的越来越稀缺，让基站建址受到更多外界条件约束。微基站相比传统基站来说重量轻、体积小、易携带和安装的特点让它适用于室内覆盖和密集的地方，它也能承载较多话务量，减轻了周边的宏基站的话务负担。自从LTE的出现后，微基站也逐渐成为了当今天线领域研究的重点。基站天线[4]是无线通信系统中收发环节的重要组成部分，它的性能的好坏程度影响了整个移动通信系统的运行质量。微基站中的基站天线对性能要求更严格，要求高隔离、宽频带、小型化等。首先小型化让微基站天线变得容易安装和携带，微基站天线的小型化也让微基站便于美化，缓解了人们认为微基站对人体伤害的担心。而且建站地址越来越稀少，让多天线共站缓解了地址稀少的压力。天线的宽带性能可以让一个天线覆盖多个频段，使得一个天线多用，这也缓解了建站站址资源稀缺这一难题。另外，通过让一个基站天线多性能工作也可以有效地降低天线的建造成本。第三，频谱资源如今也越来越稀少为了充分提高天线的频谱利用率，使得双极化天线在微基站基站中广泛使用。天线高隔离度性能使得天线收发通道的影响减小，收发天线隔离的好坏会直接影响天线发射和接收端的工作性能，因此对基站隔离度要求也很高。总的来说，新一代无线通信系统要求具有宽频带、小型化、高隔离[5]，这也是1 电子科技大学硕士学位论文未来微基站天线技术的关键挑战。图1-1UC-EBG高隔离天线结构[5]图1-1所示为采用了UC-EBG结构的高隔离天线单元。EBG结构可以等效为LC谐振回路，它具有滤波特性，合理调整金属片尺寸，可以改变谐振频率。相比与传统的EBG结构，它的金属片与天线不共面，可以有效调整天线平面尺寸。图1-2所示为采用的曲流谐振环的高隔离天线结构[6]。通过改变曲流环的尺寸，可以阻断相应频率的介质板表面电流，增加天线的隔离度。图1-2曲流环谐振器高隔离天线结构[6]2 第一章绪论1.2国内外微基站发展动态宏基站作为LTE[7,8]网络的基础设备，在通信网络中扮演了重要的角色。不过LTE处于高频时，信号容易被障碍物遮挡，特别是在城市这种高楼大厦等障碍物密集区，很多区域无法覆盖。尤其是现阶段，群众对于自身保护意识加强和对基站的误解，大功率的宏基站建设受到更多的阻碍。微基站由于它体积小、便于安装等特点，可以作为宏基站的一种辅助性设备，增加网络的覆盖率，因此微基站的发展也越来越受到市场的重视。运营商开始加大微基站的应用，现如今微基站主要用于覆盖室外局部盲区或者是大型超市、餐厅室内，弥补了宏基站建站难等困难。从微基站的覆盖面来分类的话，主要包括以下几种：（1）人口密集区域。增强室内的信号覆盖强度。（2）宏站建站困难的地方。微基站主要用于宏站覆盖密度带来的问题。（3）偏远地区或者人口密度较少区域。微基站相比宏基站，费用较低。从微基站的容量思考，微基站可以用于以下情况。（1）主要用于数据业务的流量分发。（2）话务量容量大的地方。从通话的效率方面考虑，微基站能够提高通信系统的质量，特别是提高网络的微调效应。如今的通信系统主要为第三代移动通信系统（3G）和正交频分复用的长期演进技术。第四代移动通信网络技术也在逐渐扩展它的市场。4G与3G之间的过度阶段为LTE，它采用了MIMO[9]和OFDM技术，能够提高小区边缘的覆盖率，并且能够降低系统延迟以及提高小区的话务容量。4G作为新的通信技术，能够满足多种市场需求，因为它具有多频带宽频带、高传输效率、高系统容量。总的来说，如今的移动通信在往宽带化、小型化、高容量、高速率方向发展，因此对基站天线性能也有更高的要求。基站天线从早期的定向辐射、全向辐射的天线发展到了后面的电调控的天线，再到多频多极化的天线以及市场上热门的有源天线和多输入多输出天线。功能越丰富，对天线形式的多样化要求也越高。由于对终端设备和运营商成本考虑，过去投入市场应用的通信设备短时间来同时会运用。4G的普及会解决以前基站天线中的站址资源稀缺等问题，更多的是充分利用空间，多个天线共站。多频带、宽频带特性的基站天线可以同时覆盖几个通信系统，这也有效的解决了建站地址空间少等问题。为了充分利用空间利用率，小尺寸的天线单元更有利于组成阵列天线。紧凑的结构可以为馈电网络留下更多的设计空间，能够实现高集成度的天线，因此，可以实现多通信频带的紧凑小型化天线可以逐步代替传统的天线。运营商不仅对天线的尺寸、性能有严格的要求，对价格的控制更是给天线设计带来更多限制条件。天线成本越低，那天线本身材料的性能可能就更低，工艺3 电子科技大学硕士学位论文上也可能不太便于实现。为了能同时满足低成本和高性能，设计的时候就需要天线工程师发挥更多的创造力。在新一代的通信系统建设过程中，实现微基站的小型化是研究的重点。在降低微基站尺寸同时，天线单元之间互耦会增强。互耦增加后会对驻波、芳香图、效率等天线关键指标造成恶化。所以如何在实现微基站天线小型化的同时保证天线之间的高隔离度具有重要意义。1.3论文主要工作和内容安排在以上对国内外基站天线技术发展探讨以及如今对基站天线需求的多样化前提下，本论文针对3.4GHz-3.6GHz频段内不同场景下的性能要求，设计了多款天线和天线阵列，天线指标要求如下：双极化高隔离天线单元天线尺寸：60mm×60mm×7.8mm性能指标：工作频段：3.4GHz-3.6GHz极化方式：±45°驻波：≤1.5隔离度：≥30dB增益：≥8dBi交叉极化：≥20dB双极化高隔离14天线阵列天线尺寸：270mm×70mm×23mm性能指标：工作频段：3.4GHz-3.6GHz极化方式：±90°驻波：≤1.5子阵内隔离度：≥25dB子阵间隔离度：≥55dB前后比：≥18dB交叉极化：≥20dB双极化低交叉极化44天线阵列天线尺寸：320mm×320mm×13mm性能指标：4 第一章绪论工作频段：3.4GHz-3.6GHz极化方式：±90°驻波：≤1.5端口隔离度：≥25dB增益：≥18dBi最大辐射方向交叉极化：≥18dB本文主要围绕以上的工作展开，共分为六章，如下安排：第一章：阐述了本课题的研究背景知识，讲述了无线通信系统中微基站国内外的发展近况，以及未来微基站的发展方向。第二章：首先介绍了微带天线和基站天线的理论知识，详细描述了微带天线辐射原理和基本结构。然后再阐述了天线中极化的定义和常见极化分集技术，以及双极化在通信系统应用中的优缺点、发展难点。第三章：首先系统介绍了微带天线的相关知识和性能指标。然后分析了常见的提高双极化微带天线隔离度的措施，根据理论仿真设计了一款高隔离微带天线单元。工作频段在3.4GHz-3.6GHz，驻波小于1.5，隔离度大于30dB，满足天线的指标要求。设计的天线单元满足小型化、高隔离度等良好辐射特性特点。第四章：首先利用第三章中设计的单元设计了4×4天线阵列，通过在阵列周围加载锯齿型围栏有效降低了交叉极化。同时仿真了1×4天线阵列。通过在阵列之间加入开H型槽围栏和在地板上增加缺陷地，提高阵列之间的隔离度。仿真结果满足指标要求，在3.4GHz-3.6GHz内，子阵内隔离度在25dB以下，子阵间隔离度在50dB左右，端口驻波也小于1.5，与仿真结果较一致。该1×4阵列能够应用于微基站中。第五章：对第四章的1×4天线阵列进行加工和测试，测试结果与仿真结果基本吻合。子阵内隔离度优于25dB，子阵间隔离度优于50dB。增益大于10dBi，效率优于0.8。该结构能够用于微基站中。5 电子科技大学硕士学位论文第二章微基站天线和双极化天线基本理论2.1微带天线和基站天线基本简介在1953年的时候，有人提出过通过利用微带线的辐射性能来设计微带天线，但是这期间没人重视这个想法，到了20世纪七十年代，因为微波集成技术这方面的技术进步以及对低剖面天线的迫切需求，J.Q.Hwell等人设计了第一批用于工程的微带天线。由于微带天线[10]的性能和低剖面等特点，国际上越来越多的人开始探索微带天线。从那开始，微带天线就成为了天线领域的一个独立分支，也陆续出版了一系列微带天线专著。20世纪七十年代是微带天线迅猛发展得时期，在后面的十年中，微带天线不管是从理论还是在应用方面都获得了进一步的发展。经过差不多五十年的发展，微带天线技术逐渐成熟，被广泛用于民用基站天线、军用航空航天器上以及各种各样的无线通信系统。微带天线基本结构如图2-1所示，包括地板、介质板和辐射贴片，它的形式多种多样，如果从辐射贴片的形状来分，有环形、圆形、矩形；如果是按照辐射原理来分，可以分为行波天线和驻波天线。行波天线工作频率较宽，因为它不受谐振尺寸的影响，只需要在天线加上匹配负载就可以了；驻波天线谐振频率和其尺寸相关，工作频带较窄。图2-1微带天线结构图[9]目前微带天线广泛用于民用和军用方面。在民用领域，微带天线主要用于移动设备、通信系统以及医疗设备；在军用领域，微带天线主要覆盖100MHz-100GHz，比如导弹测控、卫星传输等。因此，微带天线有着广泛的应用场景。与一般的天线相比，微带天线有以下的优势：1.易加工、成本低，容易批量生产；6 第二章基站天线和双极化天线相关理论2.剖面低、重量小、尺寸下，容易制成共形天线；3.容易与其他电路模块集成化；4.性能多样化，容易获得各种极化、各种频段。同时，微带天线也有不足之处：1.辐射贴片和地板间容易产生表面波，使得天线损耗大，效率低；2.常规的微带天线是谐振型天线；3.辐射功率小。总的来说，因为它无可替代的优点，以及微带天线的发展，它的缺点也在通过技术手段在弥补，微带天线在被广泛的研究和设计应用。如今已通过一些手段来增加它的带宽、多频带、高增益等。比如多层天线结构增加带宽、利用加载手段实现小型化等等。1.小型化：随着现在集成技术的发展，各种电子设备不仅性能优越，而且尺寸小巧，天线作为通信系统中重要的收发元件，它的性能和尺寸决定着系统的尺寸和性能。像在航天系统、个人手持设备中，都对天线尺寸有严格限制。2.宽频带：常规的微带天线带宽一般低于百分之十，通过采取多层结构、改变馈电方式和增加阻抗匹配枝节，可以将微带天线带宽提高到百分之八十以上。3.多极化：天线的极化是一个重要指标，由于现在通信设备增多，可用频段减少，在同一个频段内增加极化可以有效增加天线的信息容量。极化特性的好坏也影响到接收天线和发射天线能被接受的程度。4.高增益：微带天线由于其尺寸较小，因此有效辐射面积较小，增益也不太高。为了增加天线的增益，多层结构和加载技术也是有效的手段。5.在通信系统中，天线是最重要的组成之一。在发射信号的时候，它将电路中的高频电流转换成自由空间的无线电磁波朝实现预定的方向发射出去；在接收信号的时候，将自由空间的无线电磁波转换成电路中的高频电流。天线的工作频率与其结构相关，而基站天线的工作频段根据其特殊应用来确定。在天线的设计过程中，我们不仅需要考虑到它的工作频段，还需要考虑效率、增益、输入阻抗、隔离度、方向图等，因为这些指标也会衡量天线的性能好坏。2.1.1天线的辐射特性2.1.1.1天线方向图天线在向空间辐射能量的时候，除了理想点源[11]外，一般朝各个方向辐射能量是不均匀的。为了描述场强在各个方向的大小，我们引入了方向图这个概念。为了能清楚的表达出来，我们引入了三维的球坐标系。在三维的球坐标系中绘制7 电子科技大学硕士学位论文方向图难度较大，在工程运用中为了简化，引入了E面方向图和H面方向图[10]，其中E面试经过最大辐射方向并且平行于电场的面，H面方向图是经过最大辐射方向并且平行于磁场的面，同一个场中E面和H面垂直。jreEAf(),（2-1）rEHA（2-2）0在表达式中，A是场强的一个系数，它的大小由辐射源来决定。E是电场沿方向分量，H为磁场沿方向分量，f(),是能量与空间各个方向的关系。为了简化方向性系数，通常对其标准化：f(,)F(,)（2-3）f(,)nn(,)是能量强度对大的地方，标准化的方向性系数在0-1之间变化。nn图2-2天线方向图上图是一个平面的辐射方向图，朝着各个方向辐射的能量是不同的。为了准确描述能量的分布特性，可以用以下参数来量化：1.波瓣宽度：这个指标指的是功率下降到最大辐射方向功率的一半或者是场强下降到最大方向场强的2/2时，该方向与最大辐射方向的夹角大小，我们也可以定义为3dB宽度，通常我们讨论的波瓣宽度都是指的水平面的波瓣宽度。在通信8 第二章基站天线和双极化天线相关理论系统的实际应用场景中，主瓣宽度决定了天线的覆盖范围。一半情况下，天线的主瓣宽度为60°、90°、180°，在城市中心区域，人口密集的地方，为了防止天线之间辐射区域的重叠合干扰，通常选主瓣宽度为60°的天线。在农村人口稀少地方，为了减少成本支出，通常选取主瓣宽度为180°天线。2.副瓣电平：在天线工作时，理想的情况是能量只朝着我们想要覆盖的方向辐射，而不想要的覆盖方向能量为0，但是这在设计中不现实。副瓣能量描述朝了朝非主瓣方向能量辐射的大小，为了量化两者之间的关系，引入了副瓣电平（SLL），其公式表达式为如下：ESLL20log（2-4）Emax在基站天线中，副瓣电平不仅会浪费能量，还会干扰其他天线的工作，因此副瓣电平越小越好。3.前后比：在天线设计中，通常与最大辐射方向相反方向的就是后瓣，后瓣通常覆盖60°，为了量化后瓣的大小，引入前后比，也就是最大辐射方向能量与后瓣最大辐射能量的比值。和副瓣电平一样，后瓣辐射会造成天线能量的损失，还会对其他天线的覆盖区域有影响，因此，前后比越小越好。通常情况下，一般基站天线的前后比指标要求为20dB-30dB。2.1.1.2极化通常我们说的天线的极化[12]，也就是天线最大方向辐射出来的电磁场极化。往能量传播的方向看去，电场在自由空间中随着时间变化的轨迹。极化一般分为线极化、椭圆极化和圆极化，而圆极化可以分解为幅度相同、方向正交相位相差90度的线极化。如果把地面当作参考面，极化也可以分成水平极化和垂直极化。水平极化指的是电场与地面平行，垂直极化指的是电场与地面垂直。为了能让天线最大程度接受到信号，通常要保证收发天线极化形式相同。工作在同一频段的正交极化电磁波不会相互影响，因此在实际应用中，通常采用双极化天线，可以提高天线的信号容量。同时，双极化天线同时工作时，可以减少多径效应，增加信号的传输效率。2.1.1.3方向性系数和增益方向性系数作为天线的一个重要指标，主要是描述了天线朝着某个方向辐射能量的集中程度，定义为在和点源同样的辐射功率下，天线在某个方向的辐射强度与点源在该方向辐射强度比值：9 电子科技大学硕士学位论文1U(,)（2-5）av4其中，U(,)是天线朝着某个方向的辐射强度，U(,)点源在该方向的辐av射强度。式中，电源的辐射强度和天线辐射强度关系为：12U(,)U(,)sindd（2-6）av400通常我们所说的方向性系数都是指的最大辐射方向的方向系数D，但是在实际情况中，从信号输入到信号辐射是有损耗的，因此我们需要考虑在相同的输入功率下天线的辐射能力，引入天线增益这个概念。天线增益定义就是在相同的输入功率和辐射下，天线在指定方向的辐射强度与理想点源在该处的辐射强度比值：，SMG（2-7）SO增益有两种单位表示方法，分别为dBi和dBd。dBi指的是以点源为参考的增益，因为点源朝各个方向辐射是均匀的；dBd是以偶极子天线作为参考的增益。为了简化增益的运算，还可以表示为：32000GdBi()10log（2-8）10EH和指的是天线在两个主平面的波瓣宽度。EH2.2基站天线基本特性2.2.1基站天线的隔离和分集特性通常情况下，由于设计和加工误差，以及摆放的角度，天线接受能量的极化和天线自身能量的极化不是完全一致的，这样就不可避免的造成能量损失。比如发射天线为圆极化时，接收天线若为线极化，那么接收的能量会有3dB的损失，也就是能量减少了一半；如果发射天线为右旋元极化，接收天线为左旋圆极化，那么能量完全接收不到；同样，发射天线为水平极化，接收天线为垂直极化，那么能量也完全损失。在如今的无线通信中，双极化天线[13,14]主要是45极化和水平垂直极化。通常双极化天线的交叉极化隔离度要求是25dB以上。相比45双极化天线，水平垂直极化隔离度较好。所以在早期的双极化天线中，水平垂直极化应用范围更广。但是，随着移动互联网的普及，手机等手持通信设备大规模使用，对天线的传播特性有了变化。因为在水平垂直极化天线中，水平极化在传播过程中比垂直极化10 第二章基站天线和双极化天线相关理论端口损耗更大，因此水平极化不太实用。在蜂窝通信系统中，基站的发射系统比移动设备的更高的发射功率，因此当能量从移动设备向基站传输时，能量会有很大的反射损耗，因此到达基站的能量是多个相位、极化和幅度不同能量叠加，叠加的信号会产生多径衰落，无用信号会增强，有用信号衰弱，接收机接接收失真信号，导致通信系统没办法正常工作。为了增加移动设备到接收机的传输效率，提高通信成功率，我们通过分集接受技术来完成。他定义为将接收机接收到的不同路径传输过来的彼此独立的能量分集处理，从而减少多径衰落效应。能量在不同路径中传播时，每个路径衰落的程度都不一致，分集技术可以让接收机同时接收多个携带同一信号的独立路径的能量，然后再将接收到的不同路径能量进行合并以减少接收能量的误差。为了减少大尺度衰落而应对的分集技术为宏分集；为了减少小尺度衰落而进行的分集为微分集，目前常用的微分集手段为时间分集、空间分集、场分集、角度分集。天线常应用的是极化和空间分集。图2-3极化分集天线极化分集如图2-3，接收端由一个天线组成，发射端由两个天线组成，并且极化相互正交。通过将接收到的信号进行处理，能减小天线的多径衰落效应。2.2.2基站天线的辐射特性随着移动通信的快速发展，信号传输对基站的要求越来越高，使用场景也越来越多样化，因此基站也需要在功能上进行丰富。MIMO天线[15]正是顺应了天线应用场景多样化，因为相比传统天线，他们可以通过改变阵列中各个单元相位、幅度，使得天线在需要辐射能量的地方能量叠加，不需要辐射能量的地方能量抵11 电子科技大学硕士学位论文消，增加了天线的利用率，也减少了天线对邻近天线的能量干扰。而且，由于增加了天线的实际覆盖效率，所以能够减小发射机的功率，减小无用信号干扰和增加接收的信噪比。相比于MIMO天线，有源天线由于增加了电动化的馈电模块，能够方便的改变馈电的幅度和相位，从而方便对天线波束进行赋型。不管是在方位面还是在俯仰面上，天线能够实现宽波束的覆盖和自由扫描，因此能够对无用信号进行抑制和增加接收发机的容量。在蜂窝通信中，相邻区域的基站天线工作在同一频段。一旦相邻天线覆盖区域重合，自然会对终端设备正常通信有影响。因此，为了避免基站天线的信号重叠覆盖，基站天线的最大辐射方向是与水平方向有一定角度的，这就是所谓的下倾角度。如果下倾角越大，也就是最大辐射方向偏离地面越近，那么基站天线覆盖的面积就越小；下倾角越小，也就是最大辐射方向越偏离水平方向，那么覆盖的面积越大。具体下倾角度大小是根据用户量、基站天线排布数量相关的。图2-4方向图下倾示意图基站天线中的下倾技术[16]主要包括电控下倾和机械下倾[14]。电控下倾原理和相控阵天线差不多，主要是改变天线阵列中各个单元的相位和幅度，使得基站天线的方向图改变。电控下倾操作起来比较简单，只需要通过计算机控制馈电系统的幅度和相位就可以了，而且精度较高；机械下倾主要是通过人为的去改变天线的方向图朝向，在调整最大辐射方向时，需要断开电源，因此会影响天线的正常工作，而且机械调整误差精度不够。通常情况下，机械下倾用于垂直极化基站天线中，电控下倾主要用于双极化天线中。在实际运用中，如果下倾角度低于5°时，机械下倾和电控下倾性能差不12 第二章基站天线和双极化天线相关理论多；当下倾角大于5°小于10°时，机械下倾时方向图会畸变，电控下倾性能较好；当下倾角大于10°时，不管是机械下倾还是电控下倾，方向图都会有一定变化，所以下倾角是有一个变化范围限制的。2.3阵列天线基本理论图2-5均匀直线阵示意图均匀直线阵[17]指的是多个相同形式的天线单元按一定的间距规律排列起来，他们的馈电幅度和馈电相位也是按照等量的一个变化。2.3.1最大辐射方向正如示意图2-5中那样，均匀直线阵由I到I共N个单元组成，每两个单元0N1间距离为d，N个单元对应的编号分别为1,2到N-1。我们定义每个天线的能量辐射方向和阵列所在的方向夹角角度为。所有天线单元激励的幅度相同，相位变化为均匀变化的，定位每两个单元之间的相位变化为。那么我们可以得到该均匀直线阵列的阵因子为sinN/2fI（2-9）0sin/2dcos（2-10）根据数学运算，可以得到当0时，此时函数值为最大值fmax，那么与最大值相对应的即为阵列天线的最大辐射方向。通过简单运算，可以得到阵因子最m大值和最大辐射方向表达式为公式4-3和4-4：fmaxlim()fIN0（2-11）arccos()（2-12）md13 电子科技大学硕士学位论文2.3.2栅瓣抑制对于f来说，他是周期为2π的三角函数，因此函数的最大值也会是周期性的出现，当2mm,0,1,2......时，函数值均为最大值。当m=0时，对应的方向为均匀直线阵的主瓣，而当m为其他整数值时，对应的方向均是天线的栅瓣。在天线的实际应用中，栅瓣是我们不希望要的方向，而主瓣才是我们想要的天线辐射方向。因为栅瓣会导致天线的辐射能量往不希望的方向分布，使得天线的增益也会下降，而且栅瓣也会干扰对目标定位和距离测量。在阵列天线的设计中，我们要避免出现栅瓣。为了保证不出现栅瓣，我们只需要让m=1时，不出现栅瓣即可。因此抑制栅瓣的条件是2，即maxd（2-13）1cosm以上式子即为均匀直线阵的栅瓣抑制条件，在非均匀直线阵中，比如泰勒阵和切比雪夫阵，也必须满足以上抑制条件。2.3.3副瓣电平除了最大辐射方向和栅瓣抑制外，在阵列天线中我们也需要考虑副瓣电平[18]。副瓣电平表达式如下Ef()sms1SLL20lg20lg（2-14）Efmmax表达式中ECf()为最大辐射方向幅值外的最大辐射强度，ECf为sms1mmax最大辐射方向的复制，其中C是常数。因为相比第一副瓣，其他副瓣幅值都要小，所以我们只需要考虑主瓣和第一副瓣的幅度比值。在阵列天线设计中，我们通常希望副瓣电平越小越好。因为副瓣电平过大，一方面会造成能量的损失，另外一方面副瓣电平也会干扰天线的正常工作。2.3.4波瓣宽度除了最大辐射方向、栅瓣抑制和副瓣电平[17]为，主瓣宽度也是阵列天线中的重要指标。它定义为当天线辐射功率降低到最大辐射方向功率一半时，该方向与最大辐射方向的夹角，通常也叫3dB波瓣宽度。功率下降一半即为场强下降了0.707。主瓣宽度描述了天线的能量集中程度，主瓣越小，说明方向图越尖锐，能量越集中；主瓣越大，天线能量越分散。在天线的不同应用场景中，我们队主瓣宽度要求是不一致的。14 第二章基站天线和双极化天线相关理论2.4本章小结第二章中先介绍了微带天线的发展历程和优缺点，然后介绍了微带天线和基站天线的常见指标定义，包括电路特性中的输入电阻、反射系数、驻波以及辐射特性中的方向图、副瓣、增益等。然后介绍了双极化天线中的隔离度定义，以及极化分集。最后概述了基站天线中的方向图下倾技术，详细讨论了机械下倾和电控下倾的优缺点以及他们的应用场景。15 电子科技大学硕士学位论文第三章双极化高隔离度微带天线单元设计3.1微带天线基础知识3.1.1微带天线辐射原理微带天线[18]可以理解为金属贴片、介质层、地板还有馈电组成，我们可以用最简单的边馈矩形贴片来解释辐射原理。二分之一波长馈线辐射金属片介质板地板图3-1微带天线辐射原理图辐射金属片的长L约为二分之一个波长，宽是W，介质板的厚度为h，那么辐射金属片、介质片和地板可以等效为半波长的微带传输线，传输线两段是断开的，因此可以看成是开路。介质片厚度h远远小于波长，因此可以认为电场强度在剖面方向是等幅同相的。默认为沿着W方向，电场幅度和相位是相同的，当天线工作在TE10模时，电场可以用公式3-1表示出来：EEcos(yL/)（3-1）X0正如图中电场分布那样，当沿着y方向长度改变半个波长，电场沿着水平分量方向相同，沿着垂直方向相反，因此微带天线辐射可以等效为辐射金属片四周和地板之间的缝隙。辐射源可以看作是等效磁流源。MnxE（3-2）Sxn的方向是沿着缝隙的外法线，x是朝着X方向。在W方向的场相聚二分之一个波长，因此水平方向相位相同，同相叠加；垂直方向相位相反而抵消。在L方向上，电场和磁场都抵消，因此可以忽略L边方向上的场辐射。16 第三章双极化高隔离微带天线单元设计3.1.2微带天线的常用馈电方式3.1.2.1微带线直接馈电微带线直接馈电分为角馈和边馈[19,20]，通过与辐射金属片共面的微带线将能量馈给辐射源[17]。由于馈线与辐射金属片在同一个面，因此工作时不可避免的会辐射出能量，对本身的方向图产生微扰。所以，为了减小微带线干扰，尽量让其宽度减少，在对介质层进行选择时，也有一定要，越大，微带线越窄，但是辐射效率越低；越小，微带线越宽，但是辐射效率越高。所以，最后需要进行折中考虑。LW馈线图3-2微带线直接馈电结构3.1.2.2同轴线馈电同轴线馈电指的是其内导体从微带天线下部地板引入，贯穿到天线辐射金属片，外导体与地板相连。由于一般所选的同轴特性阻抗都是50欧姆，所以要合理选择天线的馈电点，使得天线阻抗与特性阻抗相匹配。图3-3微带天线同轴馈电示意图17 电子科技大学硕士学位论文相比直接馈电，同轴馈电由于其探针与辐射金属片在不同表面，因此对天线本身的辐射性能影响较小；而且同轴馈电的馈电网络与辐射金属片在不同表面，也便于馈电网络的排布。但是同轴馈电的带宽较窄，所以在宽带工作下不宜采用同轴馈电。3.1.2.3近场耦合馈电图3-4微带天线近场耦合馈电示意图近场耦合[21,23]指的是馈线不与辐射贴片直接接触，而是通过馈线和贴片的能量进行耦合激烈天线工作。相比于传统的探针馈电，近场耦合可以有效增加带宽。因为探针可以看成是电感，馈线与辐射金属片之间的耦合可以看成是电容。所以相当于又增加了一个谐振回路。但是由于近场耦合馈电时，馈线和天线相对位置不好调整，所以不便于批量加工。3.1.2.4缝隙馈电图3-5缝隙馈电示意图18 第三章双极化高隔离微带天线单元设计缝隙馈电[24,25]是在两层介质板之间的地板上开一个缝隙，通过下层截至版下表面的馈线对金属片进行馈电。因为有两层介质板，因此对于馈线的设计来说有较大的自由度。缝隙称二次辐射源，因此带宽较宽。不好的地方是缝隙会对背面辐射有一定影响，背向辐射较大。3.2双极化天线高隔离技术3.2.1双极化天线的常见形式双极化天线的常见形式如果按照贴片形状来分的话有圆形双极化和方形双极化，如果按照馈电方式来分的话有±45°和水平极化、垂直极化。方形贴片天线最常见，它工作的模式是TM、TM模式。当两个端口激励的是等幅同相的时，1001就是工作在双极化天线；当激励的幅度相同，但是相位相差90度时，就是圆极化。图3-6双极化微带天线常见形式3.2.2双极化微带天线高隔离技术3.2.2.1平衡馈电提高隔离度图3-7平衡馈电双极化微带天线结构[26]19 电子科技大学硕士学位论文为了提高双极化微带天线单元的隔离度，常见的方式之一是可以进行平衡馈电[26]。如图3-7，端口A和端口C相位相差180°，端口B和端口D相位相差180°，而且AB=BC=CD=DA。所以当端口1和端口2馈电时，A对D的耦合可以被C对D的耦合抵消；同理，C对B的耦合可以被A对B的耦合抵消，所以可以增加A和C的隔离度。3.2.2.2混合馈电提高隔离度为了提高双极化端口之间的隔离度[27]，可以利用馈电结构本身的不对称性来实现。一个端口是探针馈电，另一个端口是磁耦合环馈电，可以把缝隙理解为一个磁流，探针当作是电流源，因此本身的电流路径不一样，两个端口之间耦合的感应电流较少，因此隔离度较高。图3-8不对称馈电结构3.2.2.3辐射金属片槽加载提高隔离度通过在为带天线金属片上合理开槽也是提高双极化微带天线隔离度的有效措施。槽加载[28,29]可以改变电流的路径，引起电流分布变化。另一方面，槽加载可以改变原有的谐振模式，使得当一个端口激励时，另一个端口处于该模式下电场最小值处，减小端口之间的耦合；同理，当另一个端口激励时，前一端口也出去该模式下电场的最小值。20 第三章双极化高隔离微带天线单元设计图3-9槽加载结构3.3双极化高隔离天线单元设计3.3.1方形双极化微带天线设计1.确定馈电形式和天线结构由于该微带天线结构用于基站天线中，因此成本和安装难易程度需要考虑，因此选择了双探针馈电的结构。为了有较高的增益，选择双层辐射金属片，并且双层金属片可以有效的增加天线的带宽。相比于单层辐射金属片，上面增加的金属片可以理解为一个引向器，增加了天线的增益。2.确定介质层介电常数和厚度微带天线介质层对天线性能影响较大，因此选择时需要重点考虑。介质层的介电常数越大，可以使得天线尺寸越小；介电常数越小，天线的尺寸越大，介电常数最小的介质层就是空气。同理，如果介电常数越大，天线的带宽相对会降低，而且介电常数大了，会增强天线的表面波，天线的效率会降低。所以综合以上多方面考虑，最终选取了介电常数为2.55的TL8。3.计算出辐射金属片的长宽尺寸21 电子科技大学硕士学位论文确定好了介电常数之后，就可以计算天线辐射金属片的长和宽尺寸了。f为天线的工作频段的中心频率，那么天线的长度L为式子3-3：cLL2（3-3）2fe是等效介电常数，L是等效的缝隙长。e111hrr(112)2（3-4）22w(0.3)(/wh0.246)eLh0.412（3-5）(0.258)(/wh0.8)e其中h为介质板厚度，W为辐射金属片宽度。通过以上公式就可以计算出辐射金属长度初值了。辐射金属片的宽度可以用以下公式计算1c1w()r2（3-6）22f4.算好贴片的长和宽之后，后面工作就是对长和宽进行微调了。3.3.2槽加载双极化微带天线设计1.天线形式和馈电方式选择图3-10双极化微带天线初始模型，俯视图（左），侧视图（右）如图3-10所示，为了增加天线单元的增益和拓宽工作频带，选择了双层结构的天线[24,25]；为了减小天线尺寸，辐射金属片选择了方形的；为了使得馈电网络22 第三章双极化高隔离微带天线单元设计便于组装，选择了同轴探针馈电。上层辐射金属片在上层介质板的下表面，因此可以把上层介质当做天线罩，对辐射贴片起保护作用。对于馈电的同轴探针，采取了对下层介质板过孔的方式，保证同轴探针内导体可以正常对辐射金属片馈电。最原始的双层结构如下：模型的两层介质板采用的介电常数为TL-8介质板，他们的介电常数为2.55，正切损耗为0.0019，厚度均为0.7874mm。0-5-10S11S12-15Magnitude(dB)-203.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图3-11天线S参数2.槽加载双极化高隔离微带天线图3-12开槽后的下层方形贴片（左）和上层方型贴片（右）如图3-12所示，双层结构的微带天线在工作频段内回波损耗达到要求，但是隔离度较差，为了提高单元的隔离度，通过在辐射金属贴片上采取开槽，改变它谐振模式的电场分布来提高隔离度。本结构通过在下层贴片中心开T型槽，沿两23 电子科技大学硕士学位论文边开V型槽，增加单元隔离度。相比于非平衡馈电、天线加载等高隔离措施，开槽不会增加天线的尺寸，而且有助于天线的批量生产，因此选择通过开槽来增加天线单元的隔离度。0-5S11-10S12-15-20-25Magnitude(dB)-30-35-40-453.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图3-13开槽后天线的S参数图3-14天线四周导角的结构图对天线进行开槽后，隔离度有了明显的提升。从3.3GHz到3.5GHz，隔离度优于30dB；从3.3GHz到3.5GHz，回波损耗优于14dB。天线工作频段稍微往低频偏了0.1GHz，为了让天线在工作频段3.4GHz到3.6GHz内满足指标要求，因此需要减小天线尺寸，让天线往高频偏移。通过对辐射金属片上层和下层开槽，减小24 第三章双极化高隔离微带天线单元设计天线的尺寸，使得天线往高频偏。而且对四个角开槽后也可以使得在单元组阵后，增加单元之间的距离，有效提高物理上的距离，增加隔离度。通过对上层金属贴片和下层金属贴片四周导角，减小了金属贴片的物理尺寸，因此中心频率从3.4GHz偏移到3.5GHz。在整个工作频段3.4GHz-3.5GHz内，回波损耗优于14dB，端口隔离度优于30dB，较好的结果使得单元组阵后能够保证阵列有较好的性能。3.槽加载双极化高隔离微带天线的仿真结果表3-1主要参数最终优化结果参数L0L1L2L3L4L5L6W0单位：mm6419.226.7214.47.222.084.4864参数W1W2W3h0h1h2h3θ单位：mm19.0426.722.243.143.147.20.78738图3-15天线结构图通过用仿真软件HFSS15对双极化高隔离单元进行仿真和优化，得到了最终的天线单元结构，具体模型和参数见表3-1和图3-15。天线横向尺寸50mm，剖面高度9.8mm，高度仅为0.11个工作波长，满足了基站天线低剖面的要求。25 电子科技大学硕士学位论文0-5S11S22-10S12-15-20Magnitude(dB)-25-30-353.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图3-16天线的S参数图3-16为双极化高隔离微带天线单元的回波损耗和隔离度。从图中可以发现，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，回波损耗优于14dB，端口隔离度优于30dB。这是由于对下层辐射金属片开槽，对电场分布进行围绕，因此可以提高端口的隔离度。100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0deg-40co-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图3-17天线在3.4GHz仿真方向图图3-17为双极化高隔离单元在3.4GHz处的E面和H面方向图，在最大辐射方向处，天线交叉极化优于18dB，前后比优于15dB，主瓣宽度为60度。26 第三章双极化高隔离微带天线单元设计100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0deg-40co-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图3-18天线在3.5GHz仿真方向图100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0deg-40co-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图3-19天线在3.6GHz仿真方向图图3-18到图3-19中，交叉极化辨别率优于18dB，满足指标要求。当端口馈电时H面、E面的主瓣波瓣宽度达到了60度。108Gain64Gain(dBi)203.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图3-20天线增益方向图27 电子科技大学硕士学位论文图3-21天线三维方向图图3-20和图3-21为天线的增益和三维方向图。在工作频段3.4GHz到3.6GHz上，天线的增益均大于8dBi，为后面组阵后的高增益做了准备。双极化高隔离单元天线的方向图正常，最大指向朝着theta=0度方向，能够保证基站天线的正常工作。3.4本章小结本章首先介绍了双极化微带天线的辐射原理和常用的馈电方式，包括探针馈电、微带线馈电、近场耦合馈电和缝隙耦合馈电几种常见馈电的定义和优缺点，然后分析了四种常见的双极化微带单元高隔离措施，包括平衡馈电、混合馈电、辐射金属片开槽场微扰手段的优缺点，最后根据辐射金属片开槽微扰手段，详细设计了工作在3.4GHz-3.6GHz的双极化高隔离微带天线单元，通过对下层金属片开槽使得端口隔离度提高到了30dB以上，回波损耗优于14dB。在工作频段内，增益在8dBi以上，主瓣辐射方向交叉极化辨别率优于18dB，前后比优于20dB，三维方向图正常。该天线单元可以组阵后用于微基站天线中。28 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计4.1馈电网络设计4.1.1阻抗变换计算在通信系统的传输线[30]里，当两段特性阻抗不一样的传输线直接连接，会因为不匹配导致能量反射，因此需要/4阻抗变换器进行过度。如下图4-1所示，负载阻抗为Z,输入端特性阻抗为Z，因此在负载端与输入传输线间插入特性阻20抗为Z的阻抗变换线，它的长度为/4。1图4-1阻抗变换线ZZZ（4-1）1024.1.2T型结功分器4.1.2.1T型功分器相关理论在阵列天线中对单元馈电时，需要用功分器来进行馈电。常见的功分器包括威尔金森功分器和T型结。相对来说，T型结由于其结构简单，能运用在对隔离度和带宽要求不高的网络中。T型结由三个端口组成，一个输入端和两个输出端，因为在设计中，我们默认两个输出端口和一个输入端口接入的负载都是50欧，因此我们默认三个端口的特性阻抗都是50欧姆。等公分T型功分器示意图如4-2所示。29 电子科技大学硕士学位论文四分之一阻抗变换线（特性阻抗70.7欧姆）并联50欧姆100欧姆50欧姆图4-2T型结设计图T型结功分器设计好后，为了便于能量在功分器中传输效率更高，我们可以对T型结中拐角的地方进行导角处理。拐角的宽度可以相同，也可以不相同。为了便于加工，我们选择等间距导角。该手段减小了拐角处的电容分布，减小了不连续性造成的能量反射。4.1.2.2T型功分器仿真对于一分二功分器[31,32]来说，根据图4-3的设计图可以得出，只需要设计特性阻抗为70.7欧姆的微带线和特性阻抗为50欧姆的微带线即可。功分器的介质层为FR4，介电常数为4.4，厚度为0.8mm，根据特性阻抗设计软件TXLINE可以计算出，当特性阻抗为50欧时，微带线的宽度为2mm；当特性阻抗为70.7欧时，微带线的宽度为0.8mm，设计的T型结如图4-6所示。图4-3特性阻抗计算工具图4-4一分二T型结结构图30 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计0-5-10-15-20S11-25Magnitude(dB)-30-35-403.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-5功分器输入端口S参数正如图4-5所示，在工作频段内，功分器端口1的匹配较好，回波损耗优于25dB，中心频率在3.5GHz。图4-7是功分器端口1和端口2的传输系数，对于理想情况来说，一分二等公分功分器传输系数理论值为-3dB，但是由于传输损耗，实际值肯定会低于-3dB，只要保证两个输出端口能量均分就可以了。对于功分器来说，我们也会考虑传输系数的幅度不平衡度，保证在同一频段内，能量值波动不超过0.2dB。在图4-7中，两个端口传输系数保持在-3.2dB左右。S120.0S13-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5Magnitude(dB)-3.0-3.5-4.03.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-7T型结传输系数31 电子科技大学硕士学位论文4.244低交叉极化微带天线阵列设计4.2.1低交叉极化天线简介在过去的移动通信中，由于可用的频谱资源较多，因此单极化的天线在工作中交叉极化不是我们考虑的首要天线性能。随着极化分集技术的发展，交叉极化辨别率显得尤为重要。在有限空间内多个天线工作时，天线的交叉极化辨别率越高，因此正交极化端口对其相关性越低，耦合越小，隔离度肯定也会更高，在不增加天线之间物理尺寸的情况下，也可以提高端口隔离度。交叉极化辨别率是一个相对值，它的大小由辐射强度来定义的。在天线的工作中，我们对天线期望的极化为主极化，与其方向不一致的为交叉极化。它的值为在辐射远场，主极化在该处的增益与交叉极化在该处的增益之比。在微基站的实际工作情况中，对天线的交叉极化要求通常不一样。在最大辐射方向上，交叉极化辨别率通常要优于16dB。而且，在主瓣工作范围内，对天线的交叉极化也有要求。随着极化分集技术的发展，更多的人开始研究提高交叉极化辨别率。通过改变单元结构，利用对称性来减小天线的交叉极化，不过在提高交叉极化同时，降低了天线的带宽。在文献[33,34,35]中，通过对天线辐射贴片本身开槽，改变电流路径，保证电流在正交的两个方向流动，提高天线的极化纯度。不过该结构在提高交叉极化纯度同时，降低了天线带宽。图4-8槽加载双极化低交叉极化天线在文献[36]中，通过对天线采用混合型馈电结构，提高端口隔离度以提高交叉32 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计极化辨别率。端口1采用反相平衡馈电，相位相差180度，因此它对端口2的耦合可以相互抵消。同时，对端口2采用磁耦合环馈电，不仅能提高天线的工作带宽，还能够利用结构的不对称性，增加端口之间的隔离度，以提高交叉极化辨别率。图4-9电磁馈电双极化低交叉极化天线4.2.244低交叉极化天线阵列仿真和结果分析图4-10双极化低交叉极化天线结构图33 电子科技大学硕士学位论文WHS图4-11加载锯齿结构阵列选用的单元为第二章中设计的槽加载的双极化高隔离单元，工作频段再3.4GHz-3.6GHz。组阵形式如图4-10所示，阵列周围加载了锯齿形围栏。每一个锯齿可以当做是一个寄生天线，通过锯齿的辐射来改变阵列的方向图，最后达到降低交叉极化的目的。0-10S12S11-20-30Magnitude(dB)-40-503.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-12围栏加载的阵列S参数如图4-12所示，为加载了围栏结构的44面阵。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，阵列的回波损耗优于14dB，子阵内隔离度优于25dB，满足指标要求。20Gain1816Gain(dBi)14123.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-13围栏加载的阵列增益随频率变化34 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计如图4-13所示，为44面阵的增益图。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的增益优于18dBi，满足指标要求。由于加载的锯齿围栏本身可以当作是寄生天线，因此锯齿围栏也对天线增益有提高。20100-10-20Gain(dBi)-30withfenceco-polwithfencecro-pol-40withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-14围栏加载的阵列E面方向图@3.4GHz如图4-14所示，为44面阵在3.4GHz频率处E面的方向图的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于18dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了2dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了6dB，交叉极化辨别率优于15dB。20100-10-20Gain(dBi)-30withfenceco-polwithfencecro-pol-40withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-15围栏加载的阵列H面方向图@3.4GHz如图4-15所示，为44面阵3.4GHz频率处H面的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于20dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了3dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了6dB，交叉极化辨别率优于15dB。35 电子科技大学硕士学位论文20100-10-20Gain(dBi)-30withfenceco-polwithfencecro-pol-40withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-16围栏加载的阵列E面方向图@3.5GHz如图4-16所示，为44面阵在3.5GHz频率处E面的方向图的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于16dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了3dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了4dB，交叉极化辨别率优于12dB。20100-10-20Gain(dBi)-30withfenceco-pol-40withfencecro-pol-50withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-60-180-120-60060120180Theta(deg)图4-17围栏加载的阵列H面方向图@3.5GHz如图4-17所示，为44面阵在3.5GHz频率处H面的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于18dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了2dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了6dB，交叉极化辨别率优于15dB。36 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计20100-10-20Gain(dBi)withfenceco-pol-30withfencecro-pol-40withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-18围栏加载的阵列E面方向图@3.6GHz如图4-18所示，为44面阵在3.6GHz频率处E面的方向图的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于16dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了3dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了5dB，交叉极化辨别率优于14dB。20100-10-20Gain(dBi)-30withfenceco-polwithfencecro-pol-40withoutfenceco-polwithoutfencecro-pol-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-19围栏加载的阵列H面方向图@3.6GHz如图4-19所示，为44面阵在3.6GHz频率处H面的方向图。可以看到在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线的主瓣宽度约20度。在最大辐射方向，交叉极化辨别率优于20dB。当锯齿围栏加载后，在最大辐射方向交叉极化提高了3dB。在15度处，交叉极化辨别率提高了8dB，交叉极化辨别率优于16dB。37 电子科技大学硕士学位论文图4-20锯齿围栏电流分布如图4-20所示，为锯齿围栏结构的电流分布图。从图中可以发现，在围栏表面电流较小，但是电流分布有一定规律。围栏中间部分电流较大，两边电流较小，而且两边的电流与中间电流方向相反。4.3阵列天线高隔离技术在阵列天线中，天线之间会有能量的耦合，耦合过大会影响天线的正常工作。耦合分为两种，一个是直接耦合[37,38]，能量通过共用的地板或者是介质板直接进行耦合，另一个是近场耦合。所以所有的隔离措施都是来消除这两种耦合。本文主要探讨了地板开槽、EBG结构、吸波材料和金属围栏四种手段来提高阵列之间的隔离度。4.3.1地板开槽提高隔离度在下图的4-21中，两个双极化天线单元并列排布，每个单元通过四个L型探针馈电[39,40]。由于探针的垂直部分相互靠近，会产生较大的电磁耦合，因此对两个单元间的地板进行开槽。图4-21地板开槽提高隔离度38 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计在天线工作时，地板不可避免的会耦合上能量。在两个单元间开槽，增加了地板表面电流的路径，可以有效的提高隔离度。4.3.2EBG结构提高隔离度微带天线工作时，不是所有能量都能辐射出去的，还有一部分能量在介质板里面多次反射，形成一个反射腔，表面波不仅会降低天线的辐射效率，还会增加阵列天线中单元之间的耦合。当两个单元共用介质板时，介质板内部会存在表面波。因此，我们有必要来消除表面波对微带天线之间的影响。图4-22EBG结构提高隔离度[41]对于EBG[41,42,43]结构的隔离原理，我们可以把它理解为一个等效的LC谐振回路。当工作频段和谐振频段一致时，它可以有效的阻隔表面波的传输。与地板平行的平面与地板之间形成一个分布电容，竖直的金属探针部分可以理解为电感。正如式子4-8所示，合理的选择EBG结构的金属面尺寸、金属面间距和探针的直径可以调整谐振频率。1（4-8）LC4.3.3金属围栏提高隔离度为了提高微带天线阵列之间的隔离度，通过在阵列之间添加金属围栏[44,45]。通常情况下，金属围栏可以是看作一个谐振的金属片，天线辐射的能量与其谐振时，相当于阻断了能量的传播。如图4-23所示，就是通过在单元之间添加了金属39 电子科技大学硕士学位论文围栏，使得隔离度提高。而且，我们为了将围栏的隔离效果最大化，也可以在围栏上开槽或者加载，使得他们能最大结构的与电磁场发生耦合。当然，隔离围栏本身也会产生辐射，影响天线的方向图，因此在设计过程中，我们需要综合考虑几方面因素，调整围栏的结构和尺寸。图4-23围栏提高阵列隔离度4.414高隔离微带天线仿真4.4.1未加隔离措施的14阵列图4-24未加隔离措施14阵列图4-24为未加任何隔离措施的14阵列，两个12阵列之间间距0.7个波长。单元采用第三章所设计的槽加载微带天线单元。单元由两层贴片组成，下层贴片中心开V型槽、两个边开T型槽，两个单元之间采用一分二等公分T型结来实现功率分配。由于在单元设计时，单元的隔离度以及交叉极化性能较好，保证了组阵以后阵列的隔离度也好。40 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计0-10-20S12S34-30Magnitude(dB)-40-503.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-25未加措施的子阵间S参数0-10S13-20S14S23-30S24-40Magnitude(dB)-50-60-703.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-26未加措施的子阵间S参数如图4-25所示，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线阵列间的同极化隔离度S13、S24为35dB和40dB，交叉极化隔离度S14、S23为50dB左右。之所以同极化端口隔离度会低于交叉极化端口隔离度，是由于天线的结构所影起的。同极化端口，由于结构上的相似性，更容易影起另一端口的谐振。阵列之间能量耦合分为直接耦合和近场耦合，直接耦合就是电磁波通过地板相互之间耦合，另一种直接耦合就是通过公用的介质层能量传递；近场耦合就是天线辐射的能量对另外的天线进行激励，天线会进行二次辐射，产生耦合。能量耦合一方面影响了天线的能量辐射，降低了天线效率；另一方面能量耦合也会造成天线的方向图，影起方向图畸变。41 电子科技大学硕士学位论文4.4.2缺陷地加载的14阵列设计图4-27缺陷地隔离措施14阵列0-10-20S12S34-30Magnitude(dB)-40-503.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-28缺陷地隔离措施子阵内S参数如图4-28所示，是两个12阵列内的隔离度。隔离度均优于25dB，中心频率稍微有点频偏。子阵内的较好隔离度也能保证12阵列单独工作时，两个端口影响较小。0-10-20S13S14S23-30S24-40Magnitude(dB)-50-603.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-29缺陷地隔离措施的阵间S参数42 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计对比图4-26和图4-29可以发现，通过对地板采取隔离措施，阵列间隔离度有一定提高。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，同极化端口隔离度也提高了。同极化端口S13在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为45dB-40dB，未加隔离措施时在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为41dB-39dB，隔离度提高了3dB左右；同极化端口S24在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为40dB-38dB，未加隔离措施时在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为36dB-34dB，隔离度提高了4dB左右；交叉极化端口S14在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度58dB-55dB，未加隔离措施时在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为53dB-45dB，隔离度提高了4dB左右；交叉极化端口S23在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为60dB-55dB，未加隔离措施时在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度为50dB-42dB，隔离度提高了10dB左右。所以地板对同极化端口隔离度提高5dB左右，对交叉极化端口提高了10dB左右。为了进一步提高两个阵列之间的隔离度，可以再减少两个1*2阵列之间的近场耦合。4.4.3地板开槽和正交H槽围栏加载的14阵列设计为了进一步增加天线的隔离度，在两个1*2阵列之间，不仅对地板进行开槽增加隔离度，还增加了加载正交H型的金属围栏。相邻阵列之间的耦合分为两种，一种是直接耦合，一般是通过共用地板和共用介质板进行能量传递；另一种是通过近场进行能量耦合，一个阵列的天线辐射能量引起另一个天线，发生谐振，从而产生耦合。近场耦合不仅会影响天线的效率，还会让天线的方向图发生畸变。所以为了保证天线的正常工作，需要严格控制这两种耦合。通过合理的改变金属围栏的尺寸和H型槽的尺寸、位置，可以使得当有电磁波与之耦合时，发生谐振，从而提高隔离度。如图4-30所示，围栏安装简单，只需要对介质板开一个缝隙，将围栏插入即可，可以通过仿真可以发现，缝隙的大小对天线性能较小，利于产品的批量化加工。金属围栏为厚度0.7874mm的TL-8，高度为28mm，接近0.3个波长，相比传统的高隔离措施，剖面低，也利于天线的小型化。之所以采取正交的H型槽，是因为当H型槽方向一致时；当采用正交H型槽的时，不仅对水平极化端口隔离度有明显的提高，对垂直极化端口隔离度也有明显提高。最终采用正交H型围栏措施来提高阵列之间的隔离度。43 电子科技大学硕士学位论文图4-30地板开槽正交混合型围栏天线阵整体图图4-31天线侧视图天线的上层辐射金属片在上层天线介质板的下表面，这样的好处是上层介质板可以充当天线罩的作用；天线的下层辐射金属片在下层介质板的下表面，上层辐射金属板的能量是通过下层辐射金属片耦合上去的。两层金属片一方面是可以增加带宽，另一方面是增加增益；下层馈电介质板的下表面是大地板，大地板下表面是馈电介质板，馈电介质板材料为FR4，厚度0.5mm，介电常数为4.4.之所以选择FR4，是因为其价格便宜，便于商业运用的批量化生产。馈电介质板的下表面是馈电网络。图4-32天线俯视图44 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计由于馈电网络可以理解为双层板结构，下层介质板与馈电介质板之间不可避免的会产生缝隙夹杂空气，影响馈电层的介电常数。考虑到后期加工的原因，在馈电介质板四周打满了通孔，后期采用尼龙柱对其进行稳固，减小空气缝隙对馈电介质板等效介电常数的影响。天线阵列的参数如表4-1所示。表4-1天线阵列参数最终优化结果参数P1P2P3P4P5P6P7T1单位：mm64.83.12.111.82.51.527027参数T2T3T4T5T6单位：mm3.53.113.73.770图4-33为双极化高隔离微带天线阵列四个端口的回波损耗。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，双极化高隔离微带天线的四个端口的回波损耗均优于14dB（VSWR<1.5），S11和S33在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，结果较一致，隔离度为25dB-15dB；S22和S44在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，结果较一致，隔离度为30dB-15dB满足项目指标要求。调整金属围栏的尺寸和位置，天线各个端口的回波损耗基本不变化。天线性能对参数的不敏感性可以保证双极化高隔离微带天线在加工过程中的误差对性能影响较小，便于天线的批量生产。四个端口的中心频点基本一致，在3.5GHz左右，因为天线本身的结构具有对称性，因此回波损耗结果基本一致。0S11-10S22S33S44-20Magnitude(dB)-303.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-33天线S参数45 电子科技大学硕士学位论文0-10S12-20S34Magnitude(dB)-30-403.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-34天线子阵内S参数子阵内的隔离度如图4-34所示，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，隔离度从40dB-27dB，中心频点稍有偏移，为3.58GHz，但是在整个工作频段内，指标均优于25dB。由于在设计单元时，考虑到单元较好的隔离度会保证组阵后的隔离度，所以单元设计的性能优于30dB。子阵内较好的隔离度也会使得交叉极化性能较好。通过和未加任何措施的子阵内隔离度作对比，可以发现对共用地板加载槽对天线阵内隔离度并无影响。0-10-20S13S14-30S23S24-40Magnitude(dB)-50-60-703.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-35天线阵间S参数阵列间的同极化端口隔离度和交叉极化端口隔离度如图4-35所示，由于在共用地板采用开槽措施和在阵列间添加H型槽加载围栏，使得阵列间的隔离度有明46 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计显提升。未加隔离措施前，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，同极化端口隔离度S24从37dB到35dB，加隔离措施后，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，同极化端口隔离度S24从48dB到45dB，隔离度提高了10dB；未加隔离措施前，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，同极化端口隔离度S13从42dB到40dB，加隔离措施后，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，同极化端口隔离度S13从57dB到55dB，隔离度提高了15dB；未加隔离措施前，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，交叉极化端口隔离度S14从51dB到43dB，加隔离措施后，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，交叉极化端口隔离度S14从60dB到57dB，隔离度提高了7dB；未加隔离措施前，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，交叉极化端口隔离度S23从53dB到45dB，加隔离措施后，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，交叉极化端口隔离度S23从62dB到58dB，隔离度提高了6dB。通过结果对比可以发现，隔离措施对端口之间的同极化端口隔离度提升更明显。表4-2阵列间交叉极化隔离度结果对比S24（dB）S13(dB)S14（dB）S23（dB）未加隔离措施-37至-35-42至-40-51至-43-53至-45地板开槽和围栏加载-48至-45-57至-55-60至-57-62至-58隔离度+10+13+8+10100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0degco-polphi=90deg-40cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(deg)图4-36端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.4GHz如图4-36所示，为14双极化高隔离阵列端口1馈电时在E面和H面的方向图，工作频点为3.4GHz。从图中可以发现，在E面（Phi=0deg），天线的主瓣3dB宽度为30度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于20dB；在Theta=30度时，交叉极化优于18dB；E面的前后比优于18dB；在H面（Phi=90deg），天线的主瓣3dB宽度为60度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于22dB；在Theta=30度时，47 电子科技大学硕士学位论文交叉极化优于20dB，H面的前后比同样优于18dB，均满足指标要求。20100-10Gain(dBi)-20-30co-polphi=0degcro-polphi=0degco-polphi=90deg-40cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(deg)图4-37端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.5GHz如图4-37所示，为14双极化高隔离阵列端口1馈电时在E面和H面的方向图，工作频点为3.5GHz。从图中可以发现，在E面（Phi=0deg），天线的主瓣3dB宽度为35度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于21dB；在Theta=30度时，交叉极化优于20dB；E面的前后比优于18dB；在H面（Phi=90deg），天线的主瓣3dB宽度为65度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于24dB；在Theta=30度时，交叉极化优于21dB，H面的前后比同样优于18dB，均满足指标要求。20100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0deg-40co-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图4-38端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.6GHz如图4-38所示，为14双极化高隔离阵列端口1馈电时在E面和H面的方向图，工作频点为3.6GHz。从图中可以发现，在E面（Phi=0deg），天线的主瓣3dB宽度为33度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于22dB；在Theta=30度时，交叉极化优于20dB；E面的前后比优于18dB；在H面（Phi=90deg），天线的主瓣48 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计3dB宽度为65度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于22dB；在Theta=30度时，交叉极化优于21dB，H面的前后比同样优于18dB，均满足指标要求。20100-10-20Gain(dBi)-30-40co-polphi=0degcro-polphi=0degco-polphi=90deg-50cro-polphi=90deg-60-180-120-60060120180Theta(deg)图4-39端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.4GHz100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0deg-40cro-polphi=0degco-polphi=90deg-50cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(deg)图4-40端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.5GHz20100-10-20Gain(dBi)-30-40co-polphi=0degcro-polphi=0deg-50co-polphi=90degcro-polphi=90deg-60-180-120-60060120180Theta(deg)图4-41端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.6GHz49 电子科技大学硕士学位论文结合以上图4-36至图4-41所示，14双极化高隔离阵列端口1馈电时在E面和H面的方向图，在工作频点3.4GHz、3.5GHz、3.6GHz处，方向图较一致。一方面是由于天线的工作频段较窄，所以方向图变化较小，另一方面是天线工作频点本身较低，方向图随频点变化较小。在三个频点内，在E面（Phi=0deg），天线的主瓣3dB宽度优于30度，在Theta=0度时，交叉极化优于20dB；在Theta=30度时，交叉极化优于20dB；E面的前后比优于18dB；在H面（Phi=90deg），天线的主瓣3dB宽度优于60度左右，在Theta=0度时，交叉极化优于20dB；在Theta=30度时，交叉极化优于20dB，H面的前后比同样优于18dB，性能均达到指标要求。由于结构的对称性，当对14阵列端口2（垂直极化端口）馈电时，天线方向图基本和端口1馈电一致。121086Gain(dBi)42Gain03.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-42双极化高隔离微带天线增益1.00.80.6Efficiency0.4Efficiency0.20.03.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图4-43双极化高隔离微带天线效率50 第四章低交叉极化和双极化高隔离度微带天线阵列设计在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，天线增益大于10.7dBi，随着频率增加增益越来越高，很大原因是随着频率增加以后，天线的尺寸相对波长来说，有效面积增加，因此增益越来越大，增益的峰值达到了11.3dBi，天线的辐射效率均优于0.8，满足天线指标。4.5本章小结本章首先分析了T型结的原理和设计过程，设计了一分二等公分的T型结，传输系数在3.2dB左右；再从原理上详细讨论了低交叉极化的常用手段，设计了锯齿围栏加载的44阵列天线，有效降低了阵列的交叉极化。再介绍了三种常用隔离措施，包括抑制直接耦合和近场耦合，通过在地板开槽抑制地板的表面电流传播，通过在阵列间加金属围栏抑制近场耦合；仿真了两种提高阵列间隔离度的措施，包括在地板上开槽增加隔离度和地板开槽加上金属围栏结构的隔离措施，隔离度有了大幅度提升，同极化端口和交叉极化端口隔离度提高了10dB左右，指标满足实际需求。51 电子科技大学硕士学位论文第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究5.1双极化高隔离度微带天线阵列加工及测试5.1.1天线阵列回波损耗和隔离度测试正如上一章节的仿真结构所示，通过对阵列之间地板开缝隙和在阵列之间增加加载H型槽的金属围栏，隔离度有了明显提升。该天线结构主要由以下几部分组成,包括两个一分二的馈电结构，双层辐射贴片以及隔离措施。馈电网络介质板是印刷在厚度为0.5mm的FR4上，双层天线辐射金属片印刷在厚度为0.7874mm的TL-8上，金属围栏是厚度为0.7874mm的TL-8。图5-1双极化高隔离微带阵列天线结构图天线的馈电网络在FR4介质板的背面，开槽的地板在FR4介质板的反面，他们共用一个介质板。由于馈电介质板、地板和下层辐射金属片相当于是多层结构，在建模仿真的时候，馈电介质板和下层天线介质板之间是真空，为了保证加工的准确性，我们在介质板四周和中间打满了尼龙螺钉孔，便于加固多层结构介质板。上下层介质板中间开了两个矩形槽，便于插入开H型槽的金属围栏。52 第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究图5-2双极化高隔离微带阵列天线结构图如图5-3所示，用矢量网络分析仪对天线进行回波损耗和隔离度的测试。先要对矢量网络分析仪进行校准。在测回波损耗和端口隔离度时，空余的端口接上50欧姆的匹配接头。图5-3双极化高隔离微带阵列天线测试图如图5-4所示，为天线的回拨损耗。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，四个端口的回波损耗基本都在14dB以下。与回波损耗的仿真结果相比而言，有三个端口的中心频点稍微往高频偏移。有可能是介质板和下层天线介质板中间空气造成的，尼龙螺钉在沾两层介质板的时候，上下层天线介质板的实际厚度高于仿真厚度，也会让频率上偏移。53 电子科技大学硕士学位论文0S11-10S22S33S44-20Magnitude(dB)-30-403.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-4双极化高隔离微带阵列天线S参数0-10S12S34-20Magnitude(dB)-30-403.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-5双极化高隔离微带天线子阵内S参数0-10-20S13-30S14S23S24-40Magnitude(dB)-50-60-703.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-6双极化高隔离微带天线子阵间S参数如图5-6和5-7所示，与仿真结果相对比，子阵内隔离度比较一致，在工作频54 第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究段3.4GHz-3.6GHz内，阵内隔离度在25dB以下，满足指标要求。阵列间隔离度S24相对较小，与仿真结果相一致，不过在工作频段内，整个双极化高隔离微带阵列天线阵间隔离度基本在50dB以下，性能较好。5.1.2天线阵列方向图测试1.00.80.6Efficiency0.4Efficiency0.20.03.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-7双极化高隔离微带阵列效率121086Gain(dBi)42gain03.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-8双极化高隔离微带阵列增益如图5-8和5-9所示，为双极化高隔离微带阵列天线辐射效率和辐射增益测试结果。在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，效率在0.8以上，最高值达到了0.9，与测试结果较一致。双极化高隔离微带阵列天线增益在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，55 电子科技大学硕士学位论文均优于10.5dBi，与仿真结果也一致。100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0deg-40cro-polphi=0degco-polphi=90deg-50cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(deg)图5-9端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.4ghz100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0degco-polphi=90deg-40cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(deg)图5-10端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.5ghz200-20Gain(dBi)-40co-polphi=0degcro-polphi=0degco-polphi=90deg-60cro-polphi=90deg-180-120-60060120180Theta(dB)图5-11端口1馈电时阵列E面/H面方向图@3.6ghz56 第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究如图5-9、图5-10、图5-11所示，为双极化高隔离微带阵列天线端口1方向图在3.4GHz、3.5GHz、3.6GHz上的测试结果，在三个频点处方向图基本一致。在0度方向交叉极化基本在20dB以上，在正负30度交叉极化优于18dB，前后比优于20dB，与仿真结果基本一致，满足指标要求。100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0deg-40cro-polphi=0degco-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图5-12端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.4ghz100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0deg-40cro-polphi=0degco-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图5-13端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.5ghz如图5-12、图5-13、图5-14所示，为双极化高隔离微带阵列天线端口2方向图在3.4GHz、3.5GHz、3.6GHz上的测试结果，在三个频点处方向图也基本一致。在0度方向交叉极化基本在20dB以上，在正负30度交叉极化优于16dB，前后比优于20dB，与仿真结果基本一致，满足指标要求。57 电子科技大学硕士学位论文100-10-20Gain(dBi)-30co-polphi=0degcro-polphi=0deg-40co-polphi=90degcro-polphi=90deg-50-180-120-60060120180Theta(deg)图5-14端口2馈电时阵列E面/H面方向图@3.6ghz5.2双极化高隔离度微带天线阵列结果分析通过比较测试结果和仿真结果，隔离度和天线的方向图结果基本一致。测试结果中，天线的增益优于10dBi，效率优于0.8，比仿真结果稍微下降，可能是在测试过程中电缆损耗造成的影响。天线的方向图测试结果中，结果也基本与仿真结果一致，测试结果与仿真结果较大差别的是回波损耗，四个端口的回波损耗都往高频偏了0.05GHz。通过HFSS对天线的关键参数进行仿真发现，当改变两层辐射金属片空气间距的时候，天线频率有明显偏移。双层辐射金属板之间的间距越大，频率越往上偏。在仿真过程中，两层金属板之间用的是7.5mm长的尼龙柱进行固定的，而在实际加工过程中，当用7.5mm的尼龙柱固定时，由于尼龙柱与上层金属片之间有间距，因此导致的频率的偏移。0h2=7.5mm-10h2=7.7mmh2=7.9mm-20Magnitude(dB)-30-403.33.43.53.63.7Frequency(GHz)图5-15S11随空气厚度变化58 第五章双极化高隔离度微带天线阵列实验研究5.3本章小结本章首先对仿真结构进行了加工和测试，测试结果与仿真结果稳合，在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，四个端口回波损耗优于14dB，子阵内隔离度优于25dB，效率在0.8以上，阵列的增益优于10dBi。同极化端口和交叉极化端口隔离度均在50dB以上，在最大辐射方向交叉极化辨别率优于20dB，前后比优于18dB。然后对频率偏移做了分析，通过仿真验证了频率偏移原因。该结构可用于微基站天线中。59 电子科技大学硕士学位论文结束语随着移动互联网的快速发展，2G已经不能满足人们日常的移动通信应用了，3G和4G的高速发展对微基站天线的高容量、小型化发展提出了更高要求。而且由于现在的建筑物越来越密集，容纳基站天线的有效位置越来越少，因此对天线的小型化和便于集成提高了很高要求。本文主要针对双极化高隔离微带天线阵列进行了详细讨论。通过采用仿真软件进行反复仿真并对仿真结构进行加工测试，验证了模型的有效性。本篇文章主要做了以下几方面的探索：第一，首先针对双极化微带天线的相关理论，仿真了一款槽加载双极化高隔离微带天线单元。该天线单元在工作频段内，隔离度优于30dB，增益9dBi，回波损耗优于14dB，满足指标要求。在提高单元隔离度方面，主要是围绕场分布原理对单元进行开槽措施。而且天线剖面低，不到0.07个中心频率波长，较低的剖面也能保证单元组阵后实现阵列的小型化。第二，针对微基站的方向图要求，对以上的槽加载双极化微带天线单元进行组阵14阵列，并对天线进行仿真，回波损耗损耗优于14dB，交叉极化辨别率优于20dB，前后比优于18dB。第三，针对微基站的低交叉极化要求，设计和仿真了44阵列，通过利用锯齿围栏加载，降低了天线阵列的交叉极化，在最大方向交叉极化优于18dB，主瓣范围内优于10dB。针对微基站的高隔离要求，对14阵列间提出了地板开槽和金属围栏加载措施来抑制阵列间的直接耦合和近场耦合，并对仿真结构进行了加工和测试。测试结果与仿真结果一致，同极化端口和交叉极化端口隔离度，结果均优于50dB，与未加隔离措施相比，隔离度提高了10dB左右，该结构能用于微基站天线中。该篇文章主要对小阵列之间的高隔离措施进行了仿真和测试，因此在后期的探索中还可以朝着以下几个方面深入探索：第一，可以对大型阵列进行探索。但是在现如今的基站应用环境中，为了提高天线的增益，多采用大型阵列，因此在后期的探索中，可以增加单元数量进行仿真验证。第二，该高隔离措施主要对同一个微带天线单元进行了验证，在今后的工作中，可以进一步谈论如果改变天线单元结构和阵列的结构，该隔离结构能不能保证有同样的效果。60 致谢致谢不得不感叹时光飞逝，在电子科技大学已经度过了本科和研究生，回顾自己的研究生生活，有在实验室里看论文忙碌，有老师为自己答疑并提出指导的感激，有一遍又一遍修改模型进行仿真的充实，有第一次将仿真模型加工后做测试的激动，有和实验室小伙伴打球放松的快乐。在即将踏入社会之前，有太多人需要感谢。首先，特别感恩我的研究生导师杨仕文教授。杨老师不仅是循循善诱的老师，更是一位慈父。杨老师在科研上以严谨态度要求自己，也将这种标准贯彻在每个学生身上，使得每个学生能在实验室里有实质性的收获很成长，杨老师在生活上也予以学生无微不至的关怀。在以后的工作中，我会牢记杨老师的教导，严以律己，兢兢业业。感谢聂在平教授、陈益凯教授、屈仕伟教授给自己科研上的指导。感谢李锦新博士、倪东博士、陈宗师兄在科研上的帮助。尤其是李锦新博士和倪东博士，一次次耐心的教自己如何查阅论文、修改模型，教会我在科研的过程中，一定要用物理原理去指导自己科研，正是这些宝贵的经验，使得自己能在科研的过程中少走弯路。感谢我的同学：吴坚林、吕超、马腾龙、蒋秋芳、张航宇、金鑫源，你们在科研上的认真和努力促进我不断进步，祝福你们能在职场中越来越好。感谢的师弟师妹们，祝福你们能够在接下来的一年里，科研上勇攀高峰。感谢我的父母这25年里含辛茹苦，自己即将步入职场，希望自己能在职场里努力前行，用职场上的荣誉来回报你们。谢谢给答辩组的老师们，你们的每一句话必将使自己受益匪浅。感谢成电七年里的每一位同学，谢谢你们让自己的青春变得充满色彩，祝你们前程似锦。61 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