一种用于5G通信的双极化水平全向天线

2019年第12期
信息与电脑
China Computer & Communication网络与通信技术一种用于5G通信的双极化水平全向天线
朱惠斌1　黄正琛2　刘天勃2
（1.中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司，广东 深圳　518026；
2.广东盛路通信科技股份有限公司，广东 佛山　528100）
摘　要：目前，5G应用已迫在眉睫。

笔者设计了一款由三天线单元组成的±45°极化水平全向天线，单元之间采用一分三功分器进行馈电，并利用HFSS软件进行仿真。

经实际测验，3 300～3 800 MHz所需频段，天线驻波小于1.8，覆盖了LTE 3400（3 400～3 600 MHz）和5G的Sub-6 GHz（3 300～3 600 MHz）频段，端口隔离小于-20 dB，天线在工作频段内的增益大于1.5 dBi，圆度小于5 dB。

关键词：双极化；全向；5G；微带天线；隔离度
中图分类号：TN828.6 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2019）12-183-02
A Dual-polarized Horizontal Omnidirectional Antenna for 5G Applications
Zhu Huibin1, Huang Zhengchen2, Liu Tianbo2
(1.Shenzhen Branch, China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518026, China;
2.Guangdong Shenglu Communication Technology Co., Ltd., Foshan Guangdong 528100, China)
Abstract: At present, 5G application is imminent. In this paper, a horizontal omnidirectional antenna consisting of three antenna elements is designed. The feed between the elements is carried out by a one-point-three-power divider, and the simulation is carried out by using HFSS software. The actual test shows that the standing wave of the antenna is less than 1.8 in the required frequency band of 3 300-3 800 MHz, covering LTE 3400 (3 400-3 600 MHz) and 5G Sub-6 GHz (3 300-3 600 MHz). The isolation of the port is less than - 20 dB. The gain of the antenna in the working frequency band is more than 1.5 dBi, and the roundness is less than 5 dB.
Key words: dual-polarized; omnidirectional; 5G; microstrip antenna; isolation
０　引言
目前，随着移动互联网业务和无线物联网业务的迅速发展，5G的应用迫在眉睫。

相比4G而言，5G通信的流量密度、传输速率大幅度提升，同时，5G端到端通信的时延大幅下降，仅为原先的五分之一。

5G通信广泛使用后，人与物、人与人之间的互通互联将变得更加便利，可以为人们带来极佳的用户体验[1-3]。

因此，针对5G通信的发展需求与发展趋势，5G 频段天线的开发已迫在眉睫。

双极化天线可以同时发射或者接收一对极化正交的电磁波，有效避免了两个极化电磁波之间的相互干扰。

对于天线，正交极化能够提高天线两个输入端口的隔离度，可以在辐射时实现较好的交叉极化隔离度。

双极化天线能够实现双工操作和收发一体化，同时，可以进行极化分集通信，增强抗多径衰落能力。

双极化全向天线可以用于很多场景，如移动终端、小型基站等。

2012年，Li Y等人提出了一种紧凑型双极化全向天线，其工作在2.4 GHz无线局域网频段，天线的端口隔离度达到30 dB。

该天线通过在一个细长的金属长方体柱上切出两个相互正交的缝隙，实现水平极化和垂直极化。

通过对这两个相互正交的缝隙天线馈电，实现了双极化全向[4]。

2016年，RongLin Li等人首次使用了两个正交的偶极子阵列，实现了双极化全向天线。

其利用四个垂直放置的偶极子实现垂直极化，四个水平放置的偶极子实现水平极化。

两种极化都采用缝隙巴伦进行馈电，实现了1.7～2.3 GHz的频带覆盖[5]。

本文结合双极化天线技术，运用微带天线结构，设计了一种适用于5G频段的双极化水平全向天线。

１　天线设计
如图1所示，天线由三个互呈120°的天线单元及功分器组成。

天线单元由两层微带振子构成。

其中，微带贴片1的介质板采用介电常数4.3、厚度为0.8 mm的PCB材料。

作者简介：朱惠斌(1987—)，男，广东深圳人，博士研究生，工程师。

研究方向：无线与基建研究。

2019年第12期
信息与电脑
China Computer & Communication
网络与通信技术
介质板尺寸为48 mm ×45 mm ×0.8 mm ，天线平面结构如图2所示。

辐射体采用圆形结构，有利于实现较好的阻抗匹配。

介质板背面为金属地板，发挥反射辐射波的作用。

从圆形辐射贴片引出两支正交的馈电枝节，采用1.37 mm 同轴线进行馈电。

微带贴片2的介质板采用介电常数为4.4、厚度为1 mm 的FR4环氧基树脂。

辐射贴片为矩形，如图3所示。

将其放置在主辐射贴片的辐射方向上，能够发挥两种作用，一是引向辐射波，二是通过耦合产生新的谐振点，从而扩展带宽。

三组天线单元呈120°摆放，每种极化馈电端口采用一个一分三功分器进行馈电，如图4所示。

功分器介质板采用介电常数为2.65、半径为34 mm 、厚度1.5 mm 的F4b
材料。

图
1　天线整体结构
图2　微带贴片1 图3　微带贴片2 图4　功分器
２　仿真结果
确定天线结构后，采用基于有限元的商业软件Ansoft HFSS 进行仿真。

通过改变圆形辐射贴片半径及矩形贴片的边长，观察其对天线驻波比的影响，可以看到二者分别影响两个谐振点的位置。

当贴片半径和周长分别为12.2 mm 和27.7 mm 时，谐振点及驻波带宽最接近所需工作频段。

天线单元的驻波比仿真曲线如图5所示。

工作频段为3 300～3 800 MHz 时，驻波比在1.8以下，天线具有良好的匹配。

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9
4.0
1.0
1.5
2.02.5
3.03.5
4.0V S W R
Freb/GHz
图5　天线单元仿真驻波比
该天线在H 面具有良好的全向辐射特性。

其在该频点的H 面方向图如图6所示，各频点的H 面峰值增益及不圆度如
表1所示。

从表1可以看出，在所需频段内，天线增益大于1.78 dBi ，不圆度小于3.5 dB ，满足工程需求。

-20-1000
30
60
90
120
150
180210
240
270
300
330-30-20-100
增益/d B i 3.3GHz
3.4GHz 3.5GHz 3.6GHz 3.7GHz 3.8GHz
图6　各频点H 面方向图
表1　双极化全向天线H 面性能参数
频点/GHz
参数
峰值增益/dBi
不圆度/dB 3.3 1.80 2.113.4 1.78 1.723.5 1.87 1.723.6
2.31 2.10
3.7 2.79 2.583.8
3.19
3.14
本文设计的双极化全向天线的实物，通过微调，利用矢量网络分析仪测试天线的驻波特性，天线驻波在工作频段（3 300～3 800 MHz ）驻波小于1.8，端口隔离小于-20 dB ，与仿真结果基本吻合。

天线水平面增益大于1.5 dBi ，不圆度小于5 dB ，满足工程需求。

３　结　语
本文设计了一款具有三天线单元的双极化全向天线。

该天线在5G 频段中的Sub-6 G 频段有良好性能。

实测结果显示，3 300～3 800 MHz 驻波小于1.8，增益达到1.5 dBi 以上，不圆度小于5 dB ，能够满足工程需求，具有良好的应用前景。

参考文献
[1]Andrews J G,Buzzi S,Wan C,et al.What Will 5G Be?[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2014,32(6): 1065-1082.
[2]王胡成,徐辉,程志密,等.5G 网络技术的研究现状与发展趋势[J].电信科学,2015(9):156-162.
[3]赵国锋,陈婧,韩远兵,等.5G 通信网络关键技术综述[J]. 重庆大学学报(自然科学版),2015,27(4):441-452.
[4]Li Y,Zhang Z,Zheng J,et pact Azimuthal Omnidirectional Dual-Polarized Antenna Using Highly Isolated Colocated Slots[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagati on,2012,60(9):4037-4045.
[5]Dai X W,Wang Z Y,Liang C H,et al.Multiband and Dual-Polarized Omnidirectional Antenna for 2G/3G/LTE Application[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2013,12(3):1492-1495.。