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宽带双极化全向天线
适用于2G / 3G / LTE / WIFI应用
黄河，刘颖，龚书喜和IEEE公司成员
摘要：本文针对2G / 3G / LTE / WIFI通信系统提出了宽带双极化全向天线。它由一个垂直极化（垂直极化）元件和一个水平极化（水平极化）元件组成。垂直极化元件由接地平面和通过具有四个短路腿的圆形贴片耦合的中心馈送盘形构成，而水平极化元件由印刷偶极阵列，馈电网络和四对寄生分支组成。 通过这样的仔细设计，可以实现用于垂直极化的从820MHz到大于6GHz（大约大于152％）和用于水平极化的1530到2950MHz（大约63％）的宽带宽，同时保持天线紧凑。还获得了良好的端口隔离，水平面中的全向模式，以及可接受的交叉极化和增益。提出和讨论天线设计的细节以及实验结果。
索引术语 - 双天线，双极化天线，全向天线，印刷偶极天线。
I.引言
在增强频谱效率和克服密集环境中的多径衰落的同时，在现代无线通信系统中广泛采用了具有不同极化的多个天线的多极化分集技术。然而，当涉及到需要360度全覆盖性能的一些特殊应用场合时，普通双天线天线不再满足需求。因此，具有全向辐射特性的双极化天线随着时间的流逝而出现。该天线具有减少通信盲区和服务于大面积的能力，可以应用于许多无线通信系统，例如室内分布式系统，便携式接入点和移动基站。
已经研究了几种设计作为双极化全向天线的潜在候选。例如，组合三个陷波天线和导线天线用于极化分集接收。它具有窄带宽（对于H-pol和V-pol天线为17％和8.5％）和10dB隔离水平。开发一种新颖的平面缝隙天线。它具有10.6％的阻抗带宽和高互耦。通过在细长的柱状立方体的壁上切割两个正交槽，可以在WLAN（2.4-2.48GHz）频带上操作，端口隔离大于33.5dB。双极化天线安装天线的阻抗带宽在[9]范围从2.3到2.7 GHz，覆盖TDSCDMA频段（2.3-2.4 GHz）。描述的双极化全向天线可以分别提供3.9％（2.4-2.484）和25％（1.7-2.2GHz）的重叠带宽。使用六个偶极子（用于H-pol）嵌套在不对称双锥形（对于V-pol）之间，可以利用垂直极化（垂直极化）元件实现17.4％的带宽（806-960MHz）垂直极化和水平极化（水平极化）元件的重叠带宽为35％（1880-2700MHz）。通过集成改进的锥形和旗形偶极子，可以工作在671到3580 MHz的垂直极化，从1.7到3.0 GHz的水平极化，在最近出版的文献中具有最有吸引力（重叠）带宽。
基于对上述文章的大量研究，提出了宽带双极化全向天线。与表I中所示的其他设计相比，本文中开发的天线具有更宽的（重叠的）带宽，并且占用更小的体积。
文章的其余部分组织如下：具体的天线设计将在第二部分中描述，第三部分将讨论模拟和测量结果。最后，将在第四节中简要介绍这文章。
表1
尺寸和双极化全向带宽天线
|
Ref. |
尺寸(mmsup3;) |
垂直极化的带宽 |
水平极化的带宽 |
|
[9] |
130*130*（未给出） |
116%(1.2-4.5GHz) |
22.7%(2.23-2.8GHz) |
|
[10] |
78*78*7 |
3.9%(2.39-2.485GHz) |
5.7%(2.37-2.51GHz) |
|
[11] |
120*120*72.8 |
27.8%(1.7-2.25GHz) |
25.6%(1.7-2.2GHz) |
|
[12] |
200*200*117 |
115% (0.806-3GHz) |
40%(1.8-2.7GHz) |
|
[13] |
168*168*102.6 |
137%(0.671-3.58GHz) |
55%(1.7-3GHz) |
|
所提出的天线 |
140*140*97.5 |
152%(0.82-6GHz) |
63%(1.53-2.95GHz) |
Ⅱ双极化OMNIDIRECTIONAL天线
- 垂直极化元
基于单极子天线的成熟研究，最初采用一个迪斯尼天线作为垂直极化操作的基本辐射器，如图1所示。它从双锥形天线转换而成，其中一个锥体被盘形接地平面代替。然后用于改善高频图案的圆形贴片位于盘片上方，距离为15mm（h2）。然而，我们对更宽带宽的要求仍然不能满足。为了解决这个问题而不增加天线尺寸，增加了四个用作分布电阻负载的短路支路。这种小型化技术使得天线的电长度能够延长，从而改善天线的阻抗特性。值得注意的是，垂直极化天线具有更简单的三维结构，并且与[16]中所示的相比容易手动制造。列出了使用高频结构模拟器（HFSS VER.13）导出的垂直极化天线的最终尺寸如下（单位：毫米）。
图1 垂直极化天线的几何结构
（a）透视图
（b）扩展视图
图2 水平极化天线的几何形状
B.水平极化元件
图2示出了水平极化天线的配置。四个同心布置的偶极子及其馈电网络印刷在基底的两侧上。这里，四路功率分配器可以提供具有相等幅度和相位的信号。然后，在衬底的顶表面的边缘处添加旨在补偿天线的重新动作并改善天线性能的四对寄生分支。通过这种对称布置，将在方位平面中产生顺时针，同相电流，如图3所示，从而在方位平面中形成全向辐射。
水平极化天线的优化参数如下（单位：mm）
图3 水平极化天线在2.2 GHz的电流分布
C.双极化全向天线
通过在垂直极化和水平极化天线之间插入大间隙（约45mm），可以实现双极化全向天线。
为了进一步了解每个偏振元件的工作原理，研究了不同环境下的参数。图4（a）给出了当存在单个盘盒（情况1）时的垂直极化天线的反射效率，通过仅具有两个腿（情况2）的盘片耦合。。可以得出结论，短路负载结构的功能是降低垂直极化元件的截止频率，短路腿的数量在调节垂直极化带宽中起重要作用，并且没有铜环可以改善阻抗 匹配同时减轻重量。
此外，为了获得关于寄生分支如何影响水平极化带宽的直观印象，图4（b）绘制了添加寄生枝（所提出的）的曲线（情况4）。可以看出，当附加分支，出现附加谐振，阻抗匹配和带宽更好。
（a）
（b）
图4 不同情况下寄生分支比较
III 结果与讨论
为了验证所提出的天线的设计，已经制造了原型。其照片如图5所示。垂直极化元件由0.3mm厚的铜制成，并且水平极化元件制造在相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1mm的FR-4环氧基板上。垂直极化和水平极化元素都连接到标准50-SMA连接器。在实际制造过程中，纸板将被放置在垂直极化元件的盘片和接地平面之间，并且低介电常数泡沫材料将被插入在垂直极化和水平极化元件之间，用于固定。
图5 建议天线的照片
在完全自动的消声室中通过ANRITSU 37269A矢量网络分析仪测量天线。其模拟和测量的参数，包括端口隔离，如图6所示。可以看出，垂直极化天线具有用于仿真的从820到6000MHz的10dB阻抗带宽，以及用于测量的800-6000MHz。覆盖GSM850 / 900，DCS 1800，PCS 1900，UMTS，增强型TDLTE 高达3.5GHz）和WIFI（2.4 / 5.2 / 5.8GHz）]，并且水平极化天线具有用于模拟的1530至2950MHz的10dB阻抗带宽，用于测量的1500至2980MHz [覆盖DCS 1800，PCS 1900，UMTS，LTE 2300/2500（2305-2400 / 2500-2690MHz）和WIFI 2.4GHz]。此外，跨越重叠频带的隔离优于仿真的33dB和测量的31dB。模拟和测量结果之间的微小差异可能归因于同轴电缆的影响，制造缺陷和测试环境。
（a） （b）
图6 VP元素测量的归一化远场辐射模式比较图
测量的归一化远场辐射图在图7和图8中示出。垂直极化和水平极化元件都在H平面（平面）中显示全向图案。在0.9,2.3,3.8,4.2和5.8GHz下，H平面中的垂直极化的图案纹波小于0.7,3.3,3.2,3.6和5.4dB，而水平极化的图案纹波小于2.1,2和2.9 dB，分别为1.6,2.2和2.8 GHz。虽然H平面中的图案波纹不可避免地在较高频率处增加，但是其仍然以单极方式辐射。此外，由于在较高频带中圆形接地平面的屏蔽效应，出现垂直极化在仰角平面中的最大辐射方向的一些倾斜。还可以观察到，对于垂直极化和水平极化，测量的交叉极化电平在工作带宽内分别低于15和20dB。
(a)
(b)
图7.测量的垂直极化元件的归一化远场辐射图（a平面）（H平面）（b平面）（E平面）
(a) (b)
图8. 垂直极化元素测量的归一化远场辐射模式比较图
如图9所示，垂直极化（水平极化）天线的模拟增益范围为1.3至6.5dBi（从2.4至5.6dBi），而垂直极化（水平极化）天线的测量增益范围为2至4.7dBi（2.3至4.9dBi）。测量增益小于模拟的增益的现象是由于馈电网络的损耗，制造误差和测量环境的影响。
图9.所提出的天线的模拟和测量增益
IV 结论
在这文章中为2G / 3G / LTE / WIFI通信系统展示了宽带双极化全向天线。天线由一个垂直极化元件和一个水平极化元件组成。通过在传统盘上放置顶部耦合的短路结构，垂直极化元件可以获得超过152％的增强阻抗带宽。水平极化天线的带宽可以在寄生分支的帮助下扩展到高达63％。对于垂直极化和水平极化都观察到H平面中的良好全向辐射图案。还可获得大于31 dB的高端口隔离。具有宽（重叠）带宽，高隔离度，可接受的交叉极化和稳定增益的优点，所提出的天线可以在许多现代通信系统中找到应用，例如室内分布式系统，便携式接入点和移动基站。
参考文献
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- Y. Li, Z. Zhang, W. Chen, Z. Feng, and M. F. Iskander, “A du alpolarization slot antenna using a compact CPW feeding structure,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 9, pp. 191–194, 2010.
-
N. Kuga, H. Arai, a
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