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设计了一种工作在LTE及5G频段的新型微带基站天线,该天线通过在反射背板上加载新型EBG的方法,既满足天线的工作带宽及辐射增益,还达到了降低天线剖面高度的作用,将天线的高度从40 mm降低至22 mm。该基站天线的工作频带为1.65~3 GHz,阻抗带宽达到了1.351 GHz,阻抗带宽达到58%,在2.1 GHz频率上天线的方向性系数为8.13 dBi。研究证明,贴片在反射背板上加载EBG结构可以有效降低天线高度。
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一种新型一种新型EBG低剖面的微带基站天线设计低剖面的微带基站天线设计
设计了一种工作在LTE及5G频段的新型微带基站天线,该天线通过在反射背板上加载新型EBG的方法,既满足
天线的工作带宽及辐射增益,还达到了降低天线剖面高度的作用,将天线的高度从40 mm降低至22 mm。该基
站天线的工作频带为1.65~3 GHz,阻抗带宽达到了1.351 GHz,阻抗带宽达到58%,在2.1 GHz频率上天线的
方向性系数为8.13 dBi。研究证明,贴片在反射背板上加载EBG结构可以有效降低天线高度。
0 引言引言
伴随移动通信系统的快速发展,每一次的迭代更新都对信号传输速率、通信设备的小型化以及智能化提出更高的要求。而
当前移动通信天线的发展方向也聚焦在宽带化、小型化领域。基站天线作为移动通信天线的核心组件,如何让基站天线更薄、
更小也成为能否提高基站通信系统集成度的关键所在,不仅如此,基站天线的小型化还具有风阻小、便于安装以及成本低等优
点。
对于实现基站的小型化,学者们提出了很多方法和理论,常用的手段包括天线中加载介质、减少辐射单元的数量以及设
计低剖面的阵元等,但基于常规手段的基站天线高度往往很难突破四分之一波长的限制。对此近年来学者们提出采用左手材
料、新型电磁带隙结构、等离子结构等理论突破原有电磁理论的极限
[1-4]
,其中等离子体天线目前尚处于理论摸索阶段,相关
理论还不够成熟,无法大规模商用;基于左手材料的天线虽然可以有效较低天线剖面,但现阶段还很难实现足够的工作带宽,
难以满足当前LTE(第四代移动通信系统)甚至5G移动通信的市场要求;相比较前几种方法,基于加载EBG(电磁带隙结构)结构
的天线发展较为成熟,可以将天线的剖面高度降低至十分之一波长以下,其工作带宽也丝毫不逊于传统的基站天线,另外其具
有易于加工、重量轻、制作成本简单等优点,目前已经得到广泛的应用和推广。文献[5]中在EBG结构中加入铁氧体材料共同
作为天线背板,在保持天线低剖面的同时有效拓展天线带宽,但由于铁氧体材料的磁损较大,天线在工作频带内很难保持很高
的辐射效率和增益;文献[6]中则是在EBG结构中加入有源器件,可以有效提高天线的增益,但有源组件的加入提高了天线结
构的复杂度,加工难度很大,推广价值较小;文献[7]中则是采用加载多层介质的方法,但多层介质的加入又缩窄了电磁带隙
结构的带宽,天线的工作带宽很难保障;文献[8]中提出一种新型EBG加载结构,具有剖面低、带宽大等优点,但其极化隔离
度不够,应用在基站天线时很难保证天线主分级间的隔离度。
本文重点研究EBG结构在降低基站高度中的应用,首先改变现有天线的馈电方式,采用平面结构进行馈电。在此基础上,
对EBG结构进行深入研究,并用该方法在保持天线带宽基本不变的情况下,大幅降低天线的高度,即将现有基站天线的高度
由原来约40 mm降低到22 mm,高度降低约45%,且宽带(1 650~3 000 MHz)性能基本不受影响。在不牺牲天线带宽性能的
基础上,大幅降低天线的高度,从而便于系统集成,且可以大幅减少迎风面的面积,有效减低成本,便于基站选址和安装。
1 EBG单元设计单元设计
本文提出了一种新型EBG结构单元,其结构如图1所示。该结构厚度为0.98 mm,介质采用Rogers4350作为介质基板,其
相对介电常数为3.6。介质基板与地背板之间是厚度为15 mm的空气层。EBG结构与地板之间靠铜柱进行连接,外围矩形贴片
的长度为L
1
,内层矩形贴片的长度为L
2
,贴片表面蛇形走线的臂长分别为L
3
和L
4
,而蛇形走线宽度为L
5
,通过调整贴片内部的
蛇形走线臂长和臂间宽度,将其谐振频率调整至金属连杆与贴片到地之间的缝隙组成的谐振频点的附近,可以起到展宽带宽的
作用。同时受EDA布局布线原理的启发,蛇形走线拐角处做了倒角处理,倒角α=47°,使其表面电流流经拐角时可以减少电流
的反射,这样也有效展宽EBG单元的工作带宽,详细结构尺寸如表1所示。
为了考察新型EBG结构反射相位随频率变化的关系,利用CST全波电磁仿真软件对其进行仿真,四周采用Unit Cell元胞边
界,可以快速完成仿真,其仿真结果如图2所示。
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