多频段基站通信创新利器：宽带双极化滤波天线
芯格瑞 Slab
2024年05月11日 18:01 北京
● 滤波天线 ●
滤波天线是一种集成了滤波器功能的天线系统，用于在特定频率范围内实现信号的选择性传输或接收。通常，滤波天线的设计是基于在天线结构中集成滤波器元件或技术，以实现对特定频率范围的信号进行增强或抑制。
天线结构：滤波天线的天线结构通常由金属或其他导电材料制成，具有特定的形状和尺寸，以适应所需的频率范围和天线性能。天线的设计可以是各种类型的，如微带天线、天线阵列、螺旋天线等，具体选择取决于应用的要求和设计的目的。
滤波器：滤波天线的关键部分是滤波器，它可以被集成到天线结构中或者与天线连接在一起。滤波器用于选择性地通过或阻止特定频率范围内的信号，以满足特定的通信需求或要求。滤波器可以是各种类型的，如微波滤波器、陶瓷滤波器、表面声波滤波器等，具体选择取决于所需的频率范围、性能要求和应用环境。
● 摘要 ●
在本研究中，实现了一种具有宽阻抗带宽和良好的n78（3.3-3.8 GHz）和n79（4.8-5.0 GHz）频段拒绝水平的双极化滤波天线。通过巧妙激励双同轴馈送偶极天线的固有辐射零点，可以在较低频段和n79频段实现良好的带外抑制水平。
然后，通过用分裂环谐振器替换普通的偶极臂，在n78频段中可以获得新的可调辐射零点。分裂环谐振器的有效长度可以改变，以方便地改变这个辐射零点。为了验证设计原理，制作了提出设计的原型并进行了测试。制作的原型实现了52%的宽阻抗带宽（1.69-2.87 GHz），可以覆盖所有已建立的1.71–2.69 GHz LTE频段。此外，所提出的天线在n78和n79频段实现了良好的增益抑制水平。测试表明，其差分输入端口之间的互耦合低于-40 dB。
●01介绍 ●
随着无线通信技术的进步，越来越多的频段被释放出来。天线的设计不仅应该满足宽带的要求，还应该实现滤波特性，以减少在不同频段工作的天线之间的耦合。
目前具有宽阻抗带宽的双极化天线大部分都没有滤波能力。为了获得滤波响应，可通过在馈送传输线上引入滤波结构，开发了一些在不需要的频段具有良好增益抑制的双极化天线。然而，这种方法通常会使馈电结构的设计更加复杂。
对此引入了寄生结构来抑制较低或较高频带的增益。通过在辐射器上方放置一对交叉条，可以有效地抑制两个期望频段之间的增益。通过在辐射器周围引入四个U形寄生结构，可以在较低和较高频带实现两个辐射零点。最后，开发了一种紧凑且具有双极化和良好增益抑制水平的宽带滤波天线。该天线的阻抗带宽为63%
通过在地平面和贴片上对称加载槽，实现了一种低轮廓的双极化滤波天线，覆盖了23%的阻抗带宽。并结合缺陷地结构、分裂环谐振器、寄生环和差分馈电结构，天线实现了56%的阻抗带宽，在带外具有出色的增益抑制水平和高隔离度。
在本研究中，通过将分裂环谐振器合并到辐射器中并引入一个寄生环，设计了一种具有宽阻抗带宽和四个可控辐射零点的双极化滤波天线。所提出的天线获得了52%的宽阻抗带宽，可以覆盖2/3/4G频段（1.71-2.69 GHz），并在两个次6G频段（n78:3.3-3.8 GHz和n79 4.8-5.0 GHz）具有良好的增益抑制水平。为了验证所提出的天线的工作原理，制作了所提出的天线的原型并进行了测试。测试结果与使用Ansys HFSS获得的仿真结果非常吻合。
● 02双极化滤波天线 ●
一、配置
设计的详细尺寸如图1所示。如图所示，所提出的设计由两个厚度为0.5mm的Rogers 4003基板和三层金属层组成。用于连接内导体的两个金属条排列在基板1的顶层上。在基板1的底层上，有两对偶极子和一个寄生环。偶极臂通过同轴电缆的外导体连接到底部基板上的反射器。
本研究中的S参数可以通过：
图1. 模拟天线几何结构。(a) 3D视图，以及 (b) 俯视图
二、辐射零点
为了解释所呈现的天线的设计方法，设计了几个参考结构，如图2所示。Ant.1和reference Ant.1是两个单极化的差分馈天线，而Ant.2和reference Ant.2是两个双极化天线。Ant.1、2和reference Ant.1、2之间唯一的区别是T形槽。Ant.1和reference Ant.1的模拟实现增益如图3所示。可以观察到这两个天线的实现增益几乎相同。换句话说，在reference Ant.1上刻蚀T形槽对其性能没有影响。可以在Ant.1的较低和较高带外找到三个辐射零点。
图2. 所提出天线的演变
这里的Sij（i，j = 1a，1b，2a，2b）代表不同端口的S参数。
图3. Ant.1和参考天线1的模拟归一化增益
为了更深入地了解这些辐射零点，参数研究如图4和图5所示。如图4所示，较低频段的第一个辐射零点与偶极臂的长度有关。当长度L增加时，第一个辐射零点向较低频段移动。当L从12.3毫米变化到16.3毫米时，第一个辐射零点从1.3 GHz移动到1.1 GHz。图5描述了在各种H值下Ant.1的模拟归一化增益。如图所示，第二个和第三个辐射零点与Ant.1的高度密切相关。当天线的高度变小时，这两个辐射零点向较高频段移动。值得注意的是，上述参数可以调节目标辐射零点，而不影响其他辐射零点。这在滤波天线的设计中非常重要。
图4. 在各种L值下Ant.1的模拟归一化增益
图5. 在各种H值下Ant.1的模拟归一化增益
图6展示了Ant.2和参考Ant.2的模拟实现增益。如图所示，Ant.2比参考Ant.2多了一个辐射零点。新的辐射零点出现在3.5 GHz处。为了解释第四个辐射零点的工作原理，图7给出了Ant.2的辐射器上的模拟电流。如图所示，当端口1a和1b被激发时，电流密度集中在未激发的偶极臂上。每个偶极臂可以看作是一个分裂环谐振器。在其共振频率处，所有的功率将被耦合到其中然后返回到源端。因此，可以在分裂环谐振器的共振频率处实现一个辐射零点。
辐射零点的频率可以通过以下方式近似获得：
其中，Lslr代表分裂环谐振器的长度。c是光速。
图6. Ant.2和参考Ant.2的模拟归一化实现增益
图7. Ant.2在3.5 GHz处的模拟电流分布
图8显示了在不同G值下Ant.2的模拟实现增益。可以观察到，当间隙G从3毫米变化到7毫米时，第四个辐射零点从3.5 GHz移动到3.8 GHz。因此，通过改变G的值，可以调整分裂环谐振器（第四个辐射零点）的共振频率，而不会影响其他辐射零点。
图8. 在不同G值下Ant.2的模拟归一化增益
最后，通过将改进的辐射器与一个圆形的寄生结构结合起来，实现了一种具有双极化、宽阻抗带宽和良好的带外抑制水平的滤波天线，适用于第五代移动通信系统的两个次6 GHz频段。如图9所示，所提出的双极化天线的阻抗带宽可以覆盖1.71 GHz至2.86 GHz，参考值为|Sdd11| < -14 dB。所研制的天线的实现增益比两个次6 GHz频段的平均带内增益低13 dB和22 dB。在这两个频段上，最高的抑制水平分别为35 dB和36 dB。因此，当我们将这种天线放置在多频段基站中时，由于其在带外的高增益抑制性能，它对其他天线几乎没有影响。
图9. 从HFSS软件获得的归一化增益和|Sdd11|
三、研究结果
为验证所提出的设计原理的有效性，制作并测试了所提出天线的原型。制作的原型图片如图10所示。使用Keysight P9377B矢量网络分析仪和肯特大学天线实验室的消声室分别获取了测得的S参数和远场结果。
图10. 所提出天线的制作原型
测试和仿真的S参数如图11所示。从测试结果可以看出，所研制的天线可以覆盖从1.69 GHz到2.87 GHz的宽频率范围。此外，在n78和n79频段，反射系数高于-1.5 dB。这意味着几乎所有的功率都将被反射到源头。由于制造误差，这与仿真结果略有不同。由于差分馈电方法的使用，测试得到的互耦合低于-40 dB。
图11. 测量和仿真的|Sdd11|和隔离
图12和图13展示了所提出天线的远场结果。从图12中，我们可以发现所提出天线的测试带内实现增益约为8.5 dB。在3.3 GHz至3.8 GHz频段，测试的实现增益低于-4.6 dBi，最低水平达到-22.5 dBi，比操作频段中的增益低31 dB。在4.8 GHz至5.0 GHz频段，测量的实现增益低于-10.4 dBi，最低水平达到-20.2 dBi，比操作频段中的增益低28.7 dB。图13展示了所提出天线在中心和边缘频率处的仿真和测量辐射图案。测试结果与仿真结果吻合良好。这些辐射图案的半功率波束宽度范围为64°至68°。
图12. 测量和仿真的实现增益
图13. 在(a) 1.7 GHz、(b) 2.2 GHz 和 (c) 2.7 GHz 处测量和仿真的所提出天线的归一化辐射图案
表I对我们的天线和一些最近报告的设计进行了比较。其天线尺寸紧凑，为45mm×45mm，但该天线的增益相对较低。多数滤波天线具有比我们设计更宽的阻抗带宽。然而，它们中没有一款在n79频段具有带外抑制。虽然天线具有抑制n78频段增益的能力，但我们的天线的阻抗带宽、增益和隔离性都优于它。
表1. 双极化宽带滤波天线的比较
反射系数的参考级别为 -14 dB，除了 [15]。* 表示参考级别为 -10 dB。
● 03结论 ●
本研究提出了一种具有双极化、宽工作频率范围和在n78和n79频段具有良好增益抑制水平的滤波天线。首先研究了一些重要参数对辐射零点的影响。然后，通过精心选择关键参数的值并引入一个寄生环，实现了宽带双极化滤波天线。测量结果表明，所提出的天线不仅可以覆盖1.69-2.87 GHz频段，还可以抑制n78：3.3-3.8 GHz和n79：4.8-5.0 GHz频段的辐射。这样一款性能优越的滤波天线可以成为减少多频段基站中互耦合的良好选择。
学术引用：
Liu X, Sanz-Izquierdo B, Zhang H, et al. A wideband dual-polarized filtering antenna for multi-band base station application[C]//2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). IEEE, 2023: 1-5.
Liu, Xuekang, et al. "A wideband dual-polarized filtering antenna for multi-band base station application." 2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). IEEE, 2023.
Liu, X., Sanz-Izquierdo, B., Zhang, H., & Gao, S. (2023, March). A wideband dual-polarized filtering antenna for multi-band base station application. In 2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) (pp. 1-5). IEEE.
文：选编自Elsevier
编辑：祁景博
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