一種基于EBG結構的新型微帶基站天線設計介紹

0 引言

伴隨移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，每一次的迭代更新都對信號傳輸速率、通信設備的小型化以及智能化提出更高的要求。而當前移動通信天線的發(fā)展方向也聚焦在寬帶化、小型化領域?；咎炀€作為移動通信天線的核心組件，如何讓基站天線更薄、更小也成為能否提高基站通信系統(tǒng)集成度的關鍵所在，不僅如此，基站天線的小型化還具有風阻小、便于安裝以及成本低等優(yōu)點。

對于實現(xiàn)基站的小型化，學者們提出了很多方法和理論，常用的手段包括天線中加載介質、減少輻射單元的數(shù)量以及設計低剖面的陣元等，但基于常規(guī)手段的基站天線高度往往很難突破四分之一波長的限制。對此近年來學者們提出采用左手材料、新型電磁帶隙結構、等離子結構等理論突破原有電磁理論的極限［1-4］，其中等離子體天線目前尚處于理論摸索階段，相關理論還不夠成熟，無法大規(guī)模商用；基于左手材料的天線雖然可以有效較低天線剖面，但現(xiàn)階段還很難實現(xiàn)足夠的工作帶寬，難以滿足當前LTE（第四代移動通信系統(tǒng)）甚至5G移動通信的市場要求；相比較前幾種方法，基于加載EBG（電磁帶隙結構）結構的天線發(fā)展較為成熟，可以將天線的剖面高度降低至十分之一波長以下，其工作帶寬也絲毫不遜于傳統(tǒng)的基站天線，另外其具有易于加工、重量輕、制作成本簡單等優(yōu)點，目前已經(jīng)得到廣泛的應用和推廣。文獻［5］中在EBG結構中加入鐵氧體材料共同作為天線背板，在保持天線低剖面的同時有效拓展天線帶寬，但由于鐵氧體材料的磁損較大，天線在工作頻帶內(nèi)很難保持很高的輻射效率和增益；文獻［6］中則是在EBG結構中加入有源器件，可以有效提高天線的增益，但有源組件的加入提高了天線結構的復雜度，加工難度很大，推廣價值較??；文獻［7］中則是采用加載多層介質的方法，但多層介質的加入又縮窄了電磁帶隙結構的帶寬，天線的工作帶寬很難保障；文獻［8］中提出一種新型EBG加載結構，具有剖面低、帶寬大等優(yōu)點，但其極化隔離度不夠，應用在基站天線時很難保證天線主分級間的隔離度。

本文重點研究EBG結構在降低基站高度中的應用，首先改變現(xiàn)有天線的饋電方式，采用平面結構進行饋電。在此基礎上， 對EBG結構進行深入研究，并用該方法在保持天線帶寬基本不變的情況下，大幅降低天線的高度，即將現(xiàn)有基站天線的高度由原來約40 mm降低到22 mm，高度降低約45%，且寬帶（1 650～3 000 MHz）性能基本不受影響。在不犧牲天線帶寬性能的基礎上，大幅降低天線的高度，從而便于系統(tǒng)集成，且可以大幅減少迎風面的面積，有效減低成本，便于基站選址和安裝。

1 EBG單元設計

本文提出了一種新型EBG結構單元，其結構如圖1所示。該結構厚度為0.98 mm，介質采用Rogers4350作為介質基板，其相對介電常數(shù)為3.6。介質基板與地背板之間是厚度為15 mm的空氣層。EBG結構與地板之間靠銅柱進行連接，外圍矩形貼片的長度為L1，內(nèi)層矩形貼片的長度為L2，貼片表面蛇形走線的臂長分別為L3和L4，而蛇形走線寬度為L5，通過調(diào)整貼片內(nèi)部的蛇形走線臂長和臂間寬度，將其諧振頻率調(diào)整至金屬連桿與貼片到地之間的縫隙組成的諧振頻點的附近，可以起到展寬帶寬的作用。同時受EDA布局布線原理的啟發(fā)，蛇形走線拐角處做了倒角處理，倒角α=47°，使其表面電流流經(jīng)拐角時可以減少電流的反射，這樣也有效展寬EBG單元的工作帶寬，詳細結構尺寸如表1所示。

為了考察新型EBG結構反射相位隨頻率變化的關系，利用CST全波電磁仿真軟件對其進行仿真，四周采用Unit Cell元胞邊界，可以快速完成仿真，其仿真結果如圖2所示。

圖2 中PMC曲線為理想磁壁的仿真結果，PEC曲線為理想電壁的仿真結果。從圖2的仿真結果可知，新型EBG結構的同相反射相位1.85 GHz~2.45 GHz，可以覆蓋到 LTE的工作帶寬，相對帶寬達到28.5%，EBG結構的原理類似于理想磁背板，因為對于理想磁背板，入射電磁波在背板表面的水平電流與其鏡像電流方向相同，這樣兩者相互疊加后的反射波信號輻射強度是最強的，理想狀態(tài)的磁背板可以將天線的剖面高度降為0，理想電背板的天線剖面高度難以突破四分之一波長，而基于新型EBG結構的天線背板高度正是介于兩者之間，達到了降低天線剖面高度的效果。

2 基于EBG結構的低剖面基站天線設計

在目前的移動通信系統(tǒng)中，為了抗多徑衰落，基站天線大多選擇雙極化天線，而為了減輕天線重量以及便于批量加工，基站天線的陣元天線一般采用±45°雙極化的微帶貼片天線。本文采用的天線形式為U型振子天線，采用一段微帶短截線直接進行饋電，兩個U型振子分別刻蝕在介質基板的正反兩面，介質采用常用的Roger4350材質，天線放置在一塊平面反射背板上，而反射背板則是由前文描述的EBG單元組成的7×7的陣列，陣元間距為15 mm，EBG反射背板自身高度為15 mm，而陣元至背板的高度僅為7 mm，即天線的總高度為22 mm，對比傳統(tǒng)的工作在2 GHz頻率下的基站天線，其高度至少為40 mm，因此新型EBG結構的加載讓天線的高度降低了45%?；咎炀€結構設計如圖3所示。

利用時域全波電磁仿真軟件CST對基站天線的結構尺寸進行優(yōu)化后，可以得到相對理想的仿真效果。

3 仿真結果

利用CST全波電磁仿真軟件可以得到天線的S參數(shù)，如圖4所示。

圖4所示為天線的仿真與實測曲線，天線在1.6 GHz~3 GHz頻段內(nèi)其回波損耗小于-10 dB，該頻段可以完全覆蓋TDD LTE、FDD LTE以及5G低頻段。不僅如此，從仿真結果不難看出，在天線的整個工作頻段內(nèi)，12端口間的隔離度都大于37 dB，這樣也充分保證了天線間的收收隔離?？傊?，EBG結構的加載在保證了天線足夠的工作帶寬以外還有效降低了天線的高度，大大提高了系統(tǒng)的集成度。

另外，還可得到天線的增益隨頻率變化的關系曲線，如圖5所示。

從圖5的仿真可見，天線在工作頻段內(nèi)的增益均大于6 dBi，在實際的基站天線應用場景中，一般陣子的數(shù)量為6~8個，這使得整個基站天線的增益達到了14~15 dBi，保障了基站具有足夠的覆蓋面積。

最后可以在farfield中查看基站天線的遠場輻射方向圖，如圖6所示。

由圖6可知，在FDD 2.1 GHz頻段內(nèi)天線的方向性系數(shù)為8.13 dBi。

4 結束語

本文設計了一種基于EBG結構的新型微帶基站天線，因為EBG結構的加載，使得天線的高度從40 mm降低至22 mm，同時天線仍然具有帶寬特性及法向輻射能力，該方法適用于各類微帶貼片天線。

參考文獻

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