一种新型低剖面双频双极化宽频带阵列天线的研究与设计

第22卷第6期2006年12月

微　波　学　报

JOURNAL OF M I CROWAVES

Vol.22No.6

　Dec.2006

文章编号:100526122(2006)0620040205

一种新型低剖面、双频、双极化宽频带

阵列天线的研究与设计3

王红星1　刘锡国1　刘　敏2

(1.海军航空工程学院电子工程系,烟台264001;2.空军工程大学电讯工程学院,西安710077)

摘　要:　设计了一种结构新颖的双频、双极化基站阵列天线并进行了仿真和实验研究。双频阵列由采用新型印刷金属圆弧耦合馈电的圆环天线(低频)与交叉微带印刷振子(高频)嵌套构成。首次采用印刷金属圆弧耦合馈电拓宽了圆环天线带宽,并利用反相馈电技术提高了端口隔离度(<-28dB)、加强了方位面方向图的对称性、降低了交叉极化电平;对在双频结构中受影响较大的高频阵元进行了相位误差分析;最后给出了整个双频阵列的实测结果,与仿真理论值吻合较好。该阵列天线具有宽频带(806～960MHz、1710～2170MHz)、低剖面(35mm)、高极化隔离、结构紧凑、方位面波瓣恒定(65±6°)等优点,适合用于双频基站系统或星载/舰载通信系统。

关键词:　基站天线,双频,双极化,印刷偶极子,圆环天线

A Novel Low2Profile,Dual2Band,Dual2Pol ari zati on

Broadband Array Antenna

W ANG Hong2x i n g1,L I U X i2guo1,L I U M i n2,

(1.D epart m ent of Electronic Engineering,N aval A eronautical Engineering A cade m y,Yantai264001,China;

2.Teleco mm unication Engineering Institute,A FEU,X i’an710077,China)

Abstract:　I n this paper,a novel dual2band br oadband array antenna with l ow p r ofile and dual polarizati on is p r oposed and devel oped experi m entally.The array is f or med by novel arc2p r obe2fed annular ring elements and pairs of cr oss m icr ostri p di poles nested t ogether.The band width of the annular ring antenna is i m p r oved thr ough arc2p r obe2fed technique.The meas2 ured i m pedance band widths deter m ined by VS WR<2cover806～960MHz and1710～2170MHz.The port is olati on and the sy mmetry of the radiati on for the l ower band are i m p r oved by the"anti2phase and dual2feed"technique which als o reduces the cr oss polarizati on level.The influences on the radiati on patterns of upper band caused by the phase err or are invested and the radiati on patterns are i m p r oved thr ough the phase co mpensati on.The array is designed and the si m ulated and measured results are p resented.The p r oposed array antenna is highly app licable t o the base stati on of multi2band operati ons and satel2 lite/shi pborne communicati ons.

Key words:　Base stati on antenna,Dual2band,Dual2polarizati on,Printed m icr ostri p di pole,Annular antenna

引　言

目前,在我国现有的GS M基站和CDMA基站密布的状况下,第三代移动通信系统建设中大量新建3G基站存在选址困难且成本昂贵等问题[1]。采用双频基站天线代替现有天线可以在不增加新基站的基础上实现站址共享,是3G系统建设中一种非常可行的方案。但是,目前f

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/f2≈2的双频天线产品大都采用双排阵列结构,结构复杂,体积笨重且价格昂贵。设计新的低剖面、小尺寸、性能优良的双频双极化基站天线具有很强的理论和实际意义。

近年来,已有许多学者对双频或双极化天线单元进行了研究,提出了许多方案,但都存在问题。Z.Zaharis[2]研制成功一种加有多个寄生振子的垂

3收稿日期:2006206206;定稿日期:2005210211　

直极化双频天线,但带宽较窄,通过电阻加载的匹配网络损耗过大,且结构上很难构成双极化(±45°)阵列;u等人[3]提出的通过矩形环馈电的单极子天线有两个谐振频率,但是这种天线带宽很窄、交叉极化电平较高;H ir oki Y AGI[4]等人研制了一种加有寄生辐射元的双频宽带印刷振子天线,结构紧凑、剖面低,已用于很多地区的基站系统,但该天线仅能实现垂直线极化,无法实现双极化,并且对于高频而言,由于低频辐射部分不可避免地会激励起较强的高次模成分,交叉极化电平比较高,水平面的波束宽也很难控制;Tzung2W ern Chi ou和Kin2Lu Wong[5]提出的缝隙耦合馈电的块状天线拥有双频、双极化特征,且极化纯度较高,具有较高的端口隔离,适合用作通信天线,但是对于高频而言,在实现±45°极化时过大的阵列间距(≈1.4λ)将会导致栅瓣的出现,并且天线的效率较低;Fat on Tefiku和Craig A.Gri m es[6]提出的辐射元串连式印刷偶极子天线可以在双频工作,但两个频段之间的隔离差,对于高频而言,阵列间距过大,低频辐射部分也将激励起较强的高次模而导致交叉极化,方向图也无法满足通信天线标准;双层L形探针耦合馈电天线[7]可以实现双频双极化(垂直/水平极化),但在用于±45°极化时对于高频而言同样存在阵列间距过大(≈1.4λ)而导致栅瓣出现的情况,并且由于高频部分存在两个反射板(低频辐射部分、天线接地板),其水平面的波瓣变化较大,很难与低频部分波瓣宽度一致。u等人[8]将L形和T形探针结合,改进了探针耦合天线,但T形探针无法实现双极化,天线的频带过窄、交叉极化电平较高。总之,若要在实现宽带、双频、双极化的前提下满足通信基站天线苛刻的性能指标要求存在很多亟待解决的问题和困难。

本文提出的新型宽带双频(806～960MHz,1710～2170MHz)、双极化(±45°)阵列天线具有频带宽、双极化、增益高、水平面波瓣恒定等优点。该双频阵列单元由采用新型印刷圆弧耦合馈电的圆环天线和交叉微带印刷偶极子嵌套构成,结构紧凑。通过对试制天线的测试可知,该双频单元可满足设计频段要求(VS WR<2),端口隔离度小于-28dB,通过调节反射板尺寸使水平面的半功率波瓣宽度(HP BW)在整个工作频段内基本满足65°±6°的波瓣要求,并通过相位补偿在垂直面获得了较规则的方向图。1　双频双极化天线设计

1.1　宽带双极化圆环天线

圆环天线近年来受到广泛关注和深入研究[6,9,10],但是其固有的窄带特性很难满足现代天线设计的需要。本节提出的新型圆环天线采用了新的馈电方式———印刷圆弧耦合馈电,在拓宽天线带宽的同时获得了双极化特性。天线结构如图1所示。天线为三层结构,分别为金属圆环层、印刷微带馈电圆弧层及反射板。特性阻抗为50Ω的同轴电缆内芯和印刷微带圆弧相连接,四段圆弧为对称结构,每根电缆内芯连接一段圆弧,电缆穿过反射板连接到馈电网络上,互为对角的两根电缆采用等幅反相馈电。等幅反相馈电可以抵消相邻电缆处部分产生的感抗及干扰(例如2和4对1的影响可以相互抵消)从而获得较高的端口隔离度,同时等幅反相馈电还可以使辐射金属圆环上的电流分布更加均匀以获得规则、对称的方向图,提高方向图的交叉极化性能

。

图1　新型圆环天线结构示意图

经有限元法仿真和实验调整,确定天线尺寸如下:作为辐射体的金属圆环内径和外径分别为68mm和136mm,距反射板高度为32mm;馈电圆弧的内径和外径分别为47mm和52mm,距反射板高度为15mm。印刷辐射圆环和馈电圆弧由绝缘支撑棒固定在反射板上,圆环天线作为双频单元的低频部分(806～960MHz)辐射体。

1.2　微带偶极子天线[11]

微带偶极子天线的结构如图2所示。图中浅色部分表示正面的印刷振子,深色部分表示背面的微带馈线,在馈电点处由同轴电缆对其馈电。振子中心高度设置在距反射板λ

/4附近,采用反射板可实现定向辐射。整个微带印刷板的高度和宽度分别为43mm和70mm,通过改变振子两臂的宽度和长度可改变偶极子的谐振频率。将天线馈电点移到一侧,使两个偶极子天线正交地嵌在一起即可构成双极化

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