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(shè)備的小型化以及智能化提出更高的要求。而當(dāng)前移動通信天線的發(fā)展方向也聚焦在寬帶化、小型化領(lǐng)域。基站天線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(guān)鍵所在，不僅如此，基站天線的小型化還具有風(fēng)阻小、便于安裝以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

    對于實(shí)現(xiàn)基站的小型化，學(xué)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(zhì)、減少輻射單元的數(shù)量以及設(shè)計(jì)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(xué)者們提出采用左手材料、新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)、等離子結(jié)構(gòu)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(guān)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(shí)現(xiàn)足夠的工作帶寬，難以滿足當(dāng)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(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)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(diǎn)，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和推廣。文獻(xiàn)[5]中在EBG結(jié)構(gòu)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(xiàn)[6]中則是在EBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，加工難度很大，推廣價(jià)值較??；文獻(xiàn)[7]中則是采用加載多層介質(zhì)的方法，但多層介質(zhì)的加入又縮窄了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶寬，天線的工作帶寬很難保障；文獻(xiàn)[8]中提出一種新型EBG加載結(jié)構(gòu)，具有剖面低、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，但其極化隔離度不夠，應(yīng)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(diǎn)研究EBG結(jié)構(gòu)在降低基站高度中的應(yīng)用，首先改變現(xiàn)有天線的饋電方式，采用平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。在此基礎(chǔ)上， 對EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǔ)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(fēng)面的面積，有效減低成本，便于基站選址和安裝。

1 EBG單元設(shè)計(jì)

    本文提出了一種新型EBG結(jié)構(gòu)單元，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)厚度為0.98 mm，介質(zhì)采用Rogers4350作為介質(zhì)基板，其相對介電常數(shù)為3.6。介質(zhì)基板與地背板之間是厚度為15 mm的空氣層。EBG結(jié)構(gòu)與地板之間靠銅柱進(jìn)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(diǎn)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(xì)結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

    為了考察新型EBG結(jié)構(gòu)反射相位隨頻率變化的關(guān)系，利用CST全波電磁仿真軟件對其進(jìn)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(jié)果如圖2所示。

    圖2 中PMC曲線為理想磁壁的仿真結(jié)果，PEC曲線為理想電壁的仿真結(jié)果。從圖2的仿真結(jié)果可知，新型EBG結(jié)構(gòu)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(dá)到28.5%，EBG結(jié)構(gòu)的原理類似于理想磁背板，因?yàn)閷τ诶硐氪疟嘲澹肷潆姶挪ㄔ诒嘲灞砻娴乃诫娏髋c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(qiáng)度是最強(qiáng)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(jié)構(gòu)的天線背板高度正是介于兩者之間，達(dá)到了降低天線剖面高度的效果。

2 基于EBG結(jié)構(gòu)的低剖面基站天線設(shè)計(jì)

    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(jìn)行饋電，兩個U型振子分別刻蝕在介質(zhì)基板的正反兩面，介質(zhì)采用常用的Roger4350材質(zhì)，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(jié)構(gòu)的加載讓天線的高度降低了45%?；咎炀€結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化后，可以得到相對理想的仿真效果。

3 仿真結(jié)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(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shí)際的基站天線應(yīng)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(dá)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(yuǎn)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(jié)束語

    本文設(shè)計(jì)了一種基于EBG結(jié)構(gòu)的新型微帶基站天線，因?yàn)镋BG結(jié)構(gòu)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(xiàn)

[1] TSE S，IZQUIERDO B S，BATCHELOR J C，et al.Reduced sized cells for electromagnetic bandgaps structures[J].Electronics Letters，2003，39(24)：1699-1701.

[2] ABEDIN M F，AZAD M Z，ALI M.Wideband smaller unitcell planar EBG structures and their application[J].IEEE Transactions on Antennas And Propagation，2008，56(3)：903-908.

[3] FOROOZESH A，SHAFAI L.Investigation into the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broadening, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(1)：4-20.

[4] BELL J M，ISKANDER M F.Effective propagation properties of an enhanced hybrid EBG/ferrite ground plane[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：74-77.

[5] KERN D J，WERNER D H，WILHELM M J.Active negative impedance loaded EBG structures for the realization of ultra-wideband artificial magnetic conductors[C].IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2003，2：427-430.

[6] STEARNS S D.Non-foster circuits and stability theory[C].IEEE  International Symposium on Antennas and Propagation(APSURSI)，2011：1942-1945.

[7] GREGOIRE D J，WHITE C R，COLBURN J S.Wideband artificial magnetic conductors loaded with non-foster negative inductors[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：1586-1589.

[8] EUN Y K，JI H Y，YOUNG J Y，et al.Low profile dual-band reflector antenna with dual resonant AMC[C].IEEE International Symposium on Antennas and Propagation(APSURSI)，2011：1800-1803.

作者信息:

楊  波1，2，孟慶東3

（1.吉林大學(xué) 電子與科學(xué)學(xué)院，吉林 長春130000；2.長春理工大學(xué) 電信學(xué)院，吉林 長春130000；

3.長春理工大學(xué) 光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院，吉林 長春130000）