基于FSS的紧凑型微基站天线

尹 波，冯幸幸，毛申尉

(重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)

0 引 言

微基站作为宏基站在覆盖深度和容量上的有效补充，有着占用空间小、利于移动通信网络建设与优化等特点，在近年来发展迅速，同时多输入多输出技术(multiple-input multiple-output，MIMO)可大大提高系统信道容量和数据传输速率，被广泛应用在微基站天线中。但由于空间的限制，天线单元间会产生一定的耦合，对天线的整体性能产生影响，这使得在天线设计过程中，为保证各天线单元独立工作且不受邻近天线干扰，高隔离度成为首先考虑的因素。

目前国内外针对天线单元端口间解耦合的方法有如下4种：①添加去耦合网络[1]，通过该网络与天线间达到了良好的阻抗匹配；②在天线金属辐射贴片下，使用螺旋谐振器来达到天线的高隔离度的目的[2]；③利用枝节对天线单元进行解耦合[3]；④加载寄生元件结构来减小天线耦合[4]。

针对天线单元间解耦合的方法有以下2种：①增加金属围栏、金属网等结构屏蔽天线单元间的能量窜扰的同时，也可以增加天线的前后比、方向性等[5]；②增设特殊结构，如电磁场带隙结构(electromagnetic band gap，EBG)，频率选择性表面(frequency selective surface, FSS)，左手结构等来提高天线单元间隔离度[6-8]。文献[9]在地板上设计缺陷地结构来增加多天线间的隔离度，缺陷地结构即在地板上刻蚀槽型结构使其在特定的频带内形成谐振，以达到改变电流分布和表面波的目的。此外，该文献提出在大地板上面做一个天线单元独立使用地板，极大地增加了低频段的隔离度。在天线的工作频段2～2.8 GHz内，各天线单元间隔离达到20 dB。缺陷地结构对天线谐振特性的总体改变并不大，但使得天线的带宽变小。文献[10]在2个微带贴片天线阵元之间放置一种用于增强MIMO天线隔离度的矩形开口谐振环阵列，每个矩形环单元结构都具有超材料特性，同时在地板上开2个L型槽用于增强天线的阻抗带宽。该天线尺寸较小，但在其工作频段5.725～5.825 GHz内天线隔离度不高。文献[11]对采用磁耦合环馈电方式的双极化微带天线进行组阵，通过在天线单元间引入渐变型金属条阵来有效提高同极化隔离度，该结构位于2个天线单元的对称中心处，且结构本身关于中心轴对称。在工作频段2.5～2.7 GHz内，虽然该天线的同极化端口及交叉极化端口隔离度较高，但其尺寸较大，解耦合结构较复杂。

本文所提出的MIMO微基站天线尺寸为0.87λ0×1.74λ0×0.43λ0，采用角馈、缝隙耦合和短路金属柱的方式来增加双极化天线单元各端口间的隔离度，进行1×2组阵时，通过在天线单元间加载由FSS构成的隔离墙来减小耦合。由于环形结构在接收不同方向入射波时具有比较稳定的谐振频率，且不会产生因频偏而无法吸收固定频率波的现象，因此，本文设计频率选择表面为环形结构。通过仿真优化可知，该结构在2.5～2.7 GHz时有一定的带阻特性，即当该频段的电磁波入射频率选择表面时，可以抑制电磁波的传播。

1 天线设计与仿真

本文研究并提出了基于耦合角馈的双极化微基站天线单元和基于FSS的1×2微基站天线。其中，针对双极化微基站天线单元，采用角馈技术来提高天线单元端口的隔离度，叠层技术来增加天线的带宽，此外，在设计中增加短路铜柱以实现高的端口隔离度。针对微基站天线，单元间采用频率选择表面，实现在需要频段内抑制电磁波传播的目的。

1.1 双极化微基站天线单元

1.1.1 天线结构设计

为了达到微基站天线小型化的要求，设计了结构紧凑的双极化微基站天线，高度为5 mm，结构如图1所示。该天线采用叠层的方式增加天线的带宽，利用角馈和缝隙耦合的方式增加端口隔离度实现双极化。天线单元由2层介质基板组成，上层介质基板为εr=2.7的Arlon AD270，下层介质基板为εr=4.4的FR4材料，2层介质基板内有敷一层金属地。下层介质基板下表面有2条弯折的微带线，对弯折处进行切角处理，并在地板对角线处，刻蚀关于对角线对称的“工”字型的缝隙。为了使天线端口输出匹配，对微带馈线进行阻抗变换处理，微带馈线与地板上的缝隙垂直。微带线在缝隙处产生电磁耦合并对距离上层基板h的金属薄片进行馈电。此外，辐射结构的中心处有一个连接金属片和地板的短路铜柱来增加端口隔离度，同时为了增加低频部分的带宽，对金属片的4个角做切割处理。天线的主要尺寸参数如表1所示。

图1 双极化天线结构单元视图Fig.1 Unit view of double polarized antenna structure

参数尺寸/mm参数尺寸/mmL100L313.5Lp45.7L410L114.6H13.1L211.83H22.2

1.1.2 仿真结果及分析

用HFSS软件对天线模型进行仿真分析。天线单元2个端口反射系数的仿真结果如图2所示，结果显示，在频率2.5～2.7 GHz，2个端口的反射系数达到-14 dB，满足微基站天线驻波比达到1.5的指标要求。图3显示端口1和端口2之间在加载与不加载短路铜柱2种情况下，天线端口隔离度的比较，仿真结果显示，在低频部分2个端口之间的耦合相比高频部分要强烈，在不加载铜柱的情况下，低频带宽部分的隔离度为25 dB，说明端口之间有耦合。端口之间的电场分布如图4所示，可以看出，对端口1进行激励后，金属片的对角线附近为电场的峰值，而在另一条对角线附近为电压的零点区域，另一个端口同理。因此，金属片的中心处为整个金属片电压的最小值，在这位置加入金属短路柱对天线的辐射模式影响不大，即不改变天线带宽前提下提高2个天线的隔离度，仿真结果显示，加载金属短路柱后端口隔离度大于30 dB。

图2 双极化天线各端口反射系数Fig.2 Reflection coefficient of each port of double polarized antenna

图3 短路铜柱对传输系数影响系数Fig.3 Transmission coefficient of loading and without loading short column

图4 端口1激励时的电场幅值分布Fig.4 Amplitude distribution of electric field excited by port 1

图5和图6分别给出端口1和端口2在2.6 GHz时，E面、H面的主极化方向图和交叉极化方向图特性。仿真结果显示，在频率2.5～2.7 GHz内，天线单元都满足半功率波束宽度大于60°，交叉极化比大于20 dB的要求，且前后比在10 dB 附近。

图5 端口1的E面与H面方向图Fig.5 E surface and H surface pattern of port 1

1.2 1×2微基站天线

1.2.1 天线结构设计

对上述天线进行1×2组阵，天线整体尺寸在200 mm×100 mm内，频率选择表面墙的尺寸为50 mm×100 mm×1 mm，在满足微基站天线工程指标的前提下，本文设计微基站天线单元间距为54 mm。1×2微基站天线结构如图7所示，其主要参数如表2所示。为了提高天线单元间的隔离度，在天线单元之间加载了一面具有带阻特性的隔离墙。该隔离墙的周期单元结构能够对2.5～2.7 GHz频段上的电磁波进行吸收，产生类似带阻滤波器的效果，并有强烈的反射，由于透射过该隔离墙的电磁波较少，因此，该结构可以削弱由于空间限制所带来的的天线单元间的耦合。

图6 端口2的E面与H面方向图Fig.6 E surface and H surface pattern of port 1

图7 天线全视图Fig.7 Full view of antenna

参数dpwplflfhfd尺寸54100200394022

该隔离墙采用在厚度为1 mm，介电常数εr=4.4的FR4材料上敷金属环形结构，该结构在接收不同方向的入射波时均具有比较稳定的谐振频率，不造成因频偏而无法吸收固定频率的电磁波的情况，周期单元结构如图8所示，其主要参数如表3所示。针对该结构，其半个环形长度等于1/2波长，以避免出现零点，并在开口的方形环内加载T型枝节。将其设计为频率选择表面，当该单元结构的谐振频率与入射波的谐振频率吻合时，入射波无法穿透该表面，其传输系数S12在2.5 GHz～2.7 GHz小于-10 dB，即所设计的表面能够大大减少该频率波的入射，如图9所示。周期表面加载的传输线仿真图如图10所示。

图8 周期单元结构Fig.8 Periodic element structure

参数g1g2m1m2w1尺寸1411.74.54.51.5

图9 垂直入射周期单元的透射特性Fig.9 Transmission characteristics of periodic elements

图10 周期表面加载的传输线仿真图Fig.10 Simulation of transmission line with periodic surface

将一段微带传输线置于周期性结构表面下方1 mm处。如图11所示，在不加载该表面时，传输线的传输系数稳定，在加载该表面后，在2.5～2.7 GHz出现了反射，意味着传输线上的能量传输出现了阻碍，因此,该结构的采用能够提高天线单元间的隔离度。

图11 加载周期表面对传输线影响Fig.11 Influence of periodic surface to transmission line

1.2.2 仿真结果及分析

通过仿真优化得到不加载FSS时，每个馈电端口的反射系数和端口之间的隔离度结果分别如图12和图13所示，可以看出，每个端口的回波损耗均大于14 dB，满足良好的驻波特性，并且不同极化端口隔离度都大于30 dB，满足双极化天线的设计要求。但是从图13中可以看出，同极化端口1和端口3、以及端口2和端口4在2.5～2.7 GHz隔离度突然变小，说明同极化端口间由于间距过小会产生干扰。

图12 不加载FSS各端口的反射系数Fig.12 Reflection coefficients of each port without loading FSS

图13 不加载FSS各端口的传输系数Fig.13 Transmission coefficients of each port without loading FSS

图14显示了只增加金属隔离墙和只增加FSS结构隔离墙情况下，同极化端口之间的隔离度。从仿真结果可以发现，当金属墙的高度达到一定值时，其隔离度达到了32 dB，而加载了FSS结构的天线，端口1和端口3、端口2和端口4之间的隔离度达到了35 dB，高频部分甚至达到了42 dB，说明FSS结构对该频率的波有较好的带阻特性。此外，加载了整块FSS隔离墙后的4个端口的反射系数也都小于-14 dB，可以说明，每个天线单元在2.5～2.7 GHz都有良好的阻抗匹配。但端口1和端口3以及端口2和端口4存在较大的耦合，对于不同极化端口来说，空间波之间的耦合可能性更大。

针对FSS隔离墙结构，仿真结果如图15所示，可以看出，加载整块FSS隔离墙后，同极化端口1，3之间的隔离度以及端口2，4之间的隔离度均大于30 dB。不过从另一组不同极化端口隔离度的数据中可以发现，天线单元上的不同极化端口隔离度在低频部分变差。虽然该频率的波能大部分被频率选择表面结构吸收，但是由于天线单元间的极化波被频率选择表面部分散射，当另一个极化方向的波所对应的激励端口接收到这些各个方向的极化波时，将导致天线单元的端口隔离度变差。通过对图13和图15进行比较，显示了加载FSS后的各端口隔离度的数值变化。由于FSS对电磁波进行部分反射，导致了不同极化端口之间的隔离度恶化，但在不加载的情况下，不同极化端口间的隔离度又比较好，因此，对整块频率选择表面墙上做部分切割，以减小部分介质基板的反射面积。由图16可以发现，在加载部分FSS后，天线单元不同极化端口间的隔离度提高至32 dB。图17显示周期单元发生谐振时引起的电场变化。

图14 加载墙或FSS后的传输系数Fig.14 Transmission coefficient with wall or FSS

图15 加载整块FSS的传输系数Fig.15 Transmission coefficients with full FSS

图18显示了加工测试的微基站天线的反射系数，从结果来看，在工作频段2.5～5.7 GHz，各端口反射系数达到-14 dB以下。图19为不同极化端口间的测试参数，结果显示端口1和3以及端口2和4也满足端口隔离度达到30 dB，从而保证了天线单元间的独立工作。此外，图20显示了天线单元馈电端口1与2间传输系数的仿真与测试结果，显示隔离度达到了30 dB。

图16 部分加载FSS后S12变化Fig.16 Change of S12 with part FSS

图17 FSS结构上电场分布情况Fig.17 Electric field distribution on FSS

图18 测试的反射参数Fig.18 Reflection parameters of test

图21和图22显示了天线单元在2.6 GHz时的仿真方向图特性。从图21和图22可以看出，天线单元的波瓣宽度>60°，说明水平面的辐射比较均匀。其主方向交叉极化比都在20 dB左右，且波动不大，满足微基站要求。

图19 仿真和测试的不同极化端口的传输系数S13及S24Fig.19 Simulation and testing of S13 and S24 with different polarization ports

图20 仿真和测试不同极化端口的S12Fig.20 Simulation and testing of S12 with different polarization ports

图21 端口1的E面方向图Fig.21 E radiation pattern of port 1

图22 端口1的H面方向图Fig.22 H radiation pattern of port 1

2 结 论

本文设计了一款基于FSS的1×2双极化微基站天线，采用角馈和短路金属柱来保证单元端口高的隔离度，在天线单元间加载具有频率选择表面特性的隔离墙以提升天线单元间同极化端口隔离度，并对隔离墙作部分切割来减少散射波。该微基站天线各天线单元在2.5～2.7 GHz，驻波比小于1.5，各端口间的隔离度均大于30 dB。此外，各天线单元的辐射特性均满足基站天线要求，且结构紧凑，保证了天线的分集性能。