基于磁电偶极子的双极化天线单元设计

摘  要：Sub 6GHz的3~5 GHz的频段被作为5G基站天线的主频段进行使用，然而随着频段的升高，天线辐射范围的缩小及辐射功率衰减加大等问题不容忽视。文中设计了一款基于磁电偶极子的基站双极化天线单元，单元尺寸为 0.50λ×0.50λ×0.23λ（中心频率为 4 GHz），其在 3~5 GHz内 VSWR < 1.5。天线单元相对带宽（VSWR<2）达到 63.5%（2.9~5.6 GHz），其增益在 3~5 GHz内大于 7.8 dBi，单元的峰值增益达到了 11 dBi左右，并实现了 2 × 2的平面阵列仿真，天线阵列的峰值增益达到了 17.2 dBi。由 HFSS软件仿真可知，设计的天线不仅结构简单、紧凑，且覆盖带宽较大，能满足 5G 基站天线的需求。

0 引 言

随着无线通信技术的不断更迭，如今已经发展到第五代通信技术（5G）。5G通信作为如今的通信发展热潮，其不同于4G通信的优点在于具有较低的延时、较高的数据传输速率等[1⁃2]。2019年6月6日，工信部正式将5G牌照颁发给了国内的运营商，此前，运营商分别在Sub 6 GHz获得相应的5G基站频段，其中除了部分频段处于低频段，其余的频段均在3~5GHz内，且3~5GHz被作为5G基站天线的主频段进行使用。电磁波的传输损耗公式为：

式中：F为频率；D为距离。

由此可看出，频率越高，距离越远，损耗越大。由于5G频段的升高，其损耗的加大及传输距离的覆盖问题不容忽视，由此设计一款覆盖3~5GHz频段的高增益基站天线是当今通信领域的研究热点。

文献[3]率先提出磁电偶极子天线（Magneto⁃Electricdipole antenna），其利用电偶极子（Electric dipole）和磁偶极子（Magnetic dipole）在E场和H场的辐射机制，将两者巧妙地搭配组合，形成了E场和H场同等的辐射效果，具有高增益、低交叉、低后瓣的优点。其辐射原理如图1所示。运用微波电路的互补阻抗概念，其等效电路[4]如图 2所示。

根据微波电路原理，运用阻抗的关系，式（2）可以实现整个电路等效阻抗虚部为零。当并联电路和串联电路同时谐振时，就可以达到频率相叠加的结果。此时，电偶极子和磁偶极子在同一频点谐振，达到提高增益的效果。同时，两个谐振电路分别在两个频点发生谐振，可以达到增益增强和频带加宽的效果。

在后续的研究发展中，磁电偶极子天线主要利用改变电流流经路径的原理，在基础模型上改善形状以达到提升性能和降低尺寸的目的。

1）通过改变电偶极子的形状实现较佳的性能和较低的尺寸。例如文献[5]采用C型结构，文献[6]采用鱼尾形状。

2）磁偶极子中短接金属底板的竖直金属部分弯折或者倾斜可达到降低高度的目的。例如文献[7]使其倾斜以达到降低高度的目的，文献[8]使其弯折以达到降低高度的目的。

近年基于磁电偶极子的天线研究趋向于宽频带、微阵列的方向发展。其中文献[9]设计一款2×2矩形形状的阵列天线，文献[10⁃11]设计了2×2的平面阵列，文献[12]提出了 4×4 应用于5G通信的平面阵列，文献[13]提出2×2的平面阵列。以上设计主要集中于单个5G频段的覆盖，很少有完全覆盖3~5GHz的天线阵列，且以往的天线单元结构尺寸过大。综上，设计一款覆盖3~5GHz适用于5G微基站的高性能、小型化的磁电偶极子天线是此领域的趋势及热点。

本文设计了一款基于磁电偶极子的双极化天线单元，并且进行了组阵设计。通过实验仿真分析，天线单元在3~5GHz 内端口的驻波比均低于1.5，端口的隔离度大于25 dB，相对带宽达到了63.5%（VSWR ≤ 2），并对其实现了2×2的平面阵列仿真，阵列的峰值增益达到了17.2dBi。

1 天线单元

1.1 天线单元设计与优化

基于磁电偶极子设计的双极化天线单元满足3~5GHz频段的覆盖 。天线单元的整体结构 如图3所示。

天线单元由相互对称的4个辐射单元构成，辐射单元由金属柱和平面金属板构成。其中，加载 L 型缝隙的金属平板起到电偶极子的作用，并且其边缘采用垂直弯折的方式以减小天线单元的尺寸，金属平面边缘加载的L 型缝隙拓宽了辐射电流的流经路径，增大了带宽。垂直于金属底板并短接相连的金属柱及金属底板起到了磁偶极子的作用，其相邻辐射单元缝隙中加载的两块矩形金属块拓宽了阻抗带宽。金属底板的四周金属挡板减少了电磁波的散射，增大了远场辐射的增益。天线由同轴线通过金属底板馈电给“Γ”形正交馈电结构，其中“Γ”形馈线的连接同轴线竖直部分起到传输线的作用，通过调节“Γ”形馈线的水平部分和另一端垂直部分的长度可有效控制其感抗和容抗，从而实现良好的阻抗匹配。信号通过馈线耦合到辐射单元，使其产生±45°的双极化辐射效果，馈电结构之间距离一定的高度，起到了良好的隔离作用，减少了耦合的发生。馈电结构如图4所示，辐射单元如图5所示。

天线单元参数数值如表1所示，其尺寸是基于半波偶极子天线的原理，利用HFSS优化后所得的结果。

1.2 天线单元结果分析

天线单元利用HFSS软件进行模拟仿真，其仿真结果在3~5 GHz频段内表现良好。

图6为天线两端口的 S11，S22 和 S21，从图6中可以看出 ，在所需求的频段内S11和S22均小于-15 dB ，在3~5 GHz内S21的数值小于-25 dB。S 参数的结果表示该单元具有较低的反射和良好的隔离效果。

图7表示天线的驻波比和增益，可看出在3~5GHz频带内VSWR<1.5，平均增益>7.8 dBi，表示远场辐射效果较好。

以下通过对参数Sh和Sl的研究优化（如图8所示），来探究电偶极子弯曲折叠的长度及L 型缝隙的宽度对天线性能的影响。通过实验显示，Sh=Sl=2 mm 时，可达到一个较好的结果。

图9为天线单元电偶极子边缘是否加载L型缝隙、辐射单元有无加载矩形金属块的S11 的仿真结果对比图，经过对比，加载缝隙和金属块实验效果更佳。以下均为单一变量对比，即有无加载金属块时，其均存在L型缝隙，有无L型缝隙时，其均存在金属块。

图10分别为在3.5GHz，4.7GHz 时的天线单元辐射方向图。图中结果显示，天线单元具有较低的后瓣和交叉极化的效果。

2 阵列天线

天线单元进行了2×2阵列仿真，其整体结构如图11所示。其中Al=Aw=154.7 mm，Ah=20mm，其中阵子间的距离Dis=54.7 mm。

阵列在4GHz 的+45°和-45°极化的方向图如图12所示。图13为阵列天线在±45°极化的增益。从图12中可以看出，阵列具有紧凑的结构、良好的辐射性能以及较宽的带宽。

本文提出的天线阵列结果与其他文献对比结果如表2所示。

3 结 论

本文设计了一款基于磁电偶极子的天线单元，其覆盖 Sub 6 GHz 的 5G 天线频段的主频段 3~5 GHz，其中VSWR<1.5，平均增益大于 7.8 dBi，在所需求的频带内表现良好，相对带宽达到了 63.5%，并对其进行 2×2组阵仿真，阵列的增益峰值达到了 17.2 dBi。综合以上仿真结果来看，本文设计的天线性能满足5G基站天线的需求。

审核编辑：汤梓红