一种新型的宽频带双极化微带偶极子天线
陈 辉 薛锋章 华南理工大学电子与信息学院
【摘 要】根据通信行业标准，从工程应用角度出发，文章提出了一种新型的宽频带双极化微带偶极子天线，并应用HFSS 11对天线性能进行仿真。仿真结果显示，在1.7GHz～2.7GHz频段内，天线VSWR＜1.3，隔离度小于-29dB，交叉极化比小于-15dB，具有较为稳定的方向图。
【关键词】宽频带双极化微带偶极子天线 双倒L型馈电 HFSS 11
1 引言
近年来，第三代移动通信网络的建设和运营，以及WLAN等宽带无线网络的广泛应用，对宽频带通信基站天线提出了巨大需求。1.7GHz～2.7GHz频段覆盖以下通信标准：GSM1800、CDMA1900、IMT-2000、TDSCDMA、WLAN、WiMAX等。可以预见，该频段的天线将成为研究热点。宽频带双极化天线本身的多性能和工程应用要求，给研究和设计带来了困难：一方面要求天线具有较宽的频带、较好的增益和方向图、良好的隔离度和交叉极化，另一方面也需要考虑成本、安装与调试、体积、重量等因素。这两年，宽频带双极化天线的研究取得了一些新的进展。Bi Qun Wu和Kwai-Man Luk在文献[1]中提出了一种双倒L型馈电的双极化天线，实现了65.9%的阻抗带宽（VSWR<2）和低于-36dB的隔离度，有着稳定的增益和方向图。
但是，该天线存在几个缺点：一是采用金属直接成型的结构，重量较大；二是馈电线与支撑柱之间的距离很小，该距离对阻抗带宽影响很大，必然会增加安装、调试、维护的成本；三是该天线两个倒L型馈电线之间距离过大，阻抗的一致性差。为此，本文提出一种新型的宽频带双极化微带偶极子天线，并利用基于有限元法的专业电磁仿真软件HFSS11对天线特性进行仿真。
2 天线结构
本文提出的宽频带双极化微带偶极子天线如图1～3所示。该天线主要由四部分组成：微带偶极子、梯形微带支撑柱、双倒L型馈电线和反射板。文献[1]中，微带偶极子为方形贴片，通过减小耦合微带线与支撑柱之间的耦合距离，展宽天线带宽。而通过改变方形贴片边缘形状、中间挖孔等方式，可改变方形偶极子表面电流的流向，展宽天线带宽，优化隔离度。图1和图2所示的微带偶极子是改进后的方形贴片，使用1mm厚的介质板，耦合距离是固定的。
仿真发现，大部分表面电流都沿着方形偶极子边缘流动。本文改进后的方形偶极子，具有较好的阻抗带宽特性和隔离度。反射板采用长宽为150*150mm、厚2mm的铝板，翻边高为25mm。双倒L型馈电线由两部分组成：传输线和耦合微带线。传输线蚀刻在梯形微带支撑柱中间部分的背面，高度大约为中心频率波长的四分之一，同轴线内芯接于传输线的底端；剩下的部分为耦合微带线。耦合微带线的水平部分，蚀刻在微带偶极子介质板的上下两侧，成十字交叉形状；垂直部分蚀刻在梯形微带支撑柱中间部分的背面，大约为八分之一波长的开路线。介质板采用介电常数为2.65、厚为1mm的PCB板。仿真发现，介电常数固定时，较细的耦合微带线能够展宽阻抗带宽，提高两个端口的隔离度；但是过细的耦合微带线不利于天线的安装、调试。为此，本文设计出“工”字型耦合微带线，其较细部分能够展宽阻抗带宽、降低端口隔离度，较粗部分有利于天线的安装和调试，如图3所示。
3 仿真结果及分析
采用HFSS 11对天线进行电磁仿真和优化，优化后的尺寸如表1所示：3.1 仿真结果图4为天线两端口间的VSWR（Voltage StandingW a v e R a t i o ， 驻波比） 变化曲线， 由图可见，改进后的方形偶极子具有更好的阻抗带宽特性，在1 . 7 G H z ～ 2 . 7 G H z 频段内， V S W R ＜ 1 . 3 ； 在1.52GHz～2.78GHz频段内，VSWR＜1.5。图5为天线的S21参数变化曲线，由图可见，在1.7GHz～2.7GHz频段内，改进后的方形偶极子在介质板厚为1mm和2mm时，S21分别小于-29dB和-30dB，均满足通信行业标准。
图6和图7分别为天线在水平面与垂直面的主极化和交叉极化辐射方向图，由图可见，在1.7GHz～2.7GHz频段内，该天线具有较为稳定的方向图，半功率波束宽度为65度，轴向交叉极化比大于15dB，60度方向内交叉极化比大于10dB；在相同频率点上，天线的水平面和垂直面3.2 仿真结果分析根据通信行业标准，天线的VSWR＜1.5即符合要求。考虑到天线在制作、安装等过程中可能出现的误差，本文设计天线满足VSWR＜1.3。图5表明，使用厚2mm介质板制作的天线，比厚1mm介质板的天线具有更高的隔离度。
这是因为更厚的介质板增大了双倒L型馈电线水平馈线之间的距离，降低了耦合程度，从而增大了隔离度。在满足通信行业标准的情况下，从降低成本角度出发，这里采用1mm介质板设计天线。天线采用梯形立体微带支撑柱结构，双倒L型馈电线同时激励梯形立体微带支撑柱和辐射贴片，相当于磁偶极子和电偶极子一起辐射，与采用单片微带支撑柱或者铜管支撑柱结构的微带天线[3]相比，展宽了阻抗带宽，而且天线的水平面和垂直面具有几乎相同的方向图。
4 总结
本文从工程应用角度出发，设计了一款新型的宽频带双极化基站微带天线，并对该天线进行了仿真。结果表明，该天线具有较宽的带宽、较高的隔离度、良好的交叉极化比和较为稳定的方向图，符合通信行业标准，对今后宽频带双极化天线的工程应用研发和设计具有一定的参考价值。