基于高阻抗表面的低剖面天线设计

来源:用户上传      作者:刘松林

　　摘 要：该文提出一种基于高阻抗反射表面（HIS）的宽带低剖面基站天线，天线采用平面微带偶极子天线结构进行设计，另外通过设计高阻抗反射单元，使其在设计频段内的反射相位在±90°内来代替传统的理想导体反射表面，可以有效降低天线的剖面高度，并通过制作天线实物进一步验证方法的正确性。实测结果表明，制作的低剖面天线在800～960 MHz频段内具有良好的频率响应。其中，驻波系数（VSWR）小于1.8，天线增益整个频带内在7 dB以上，整体剖面高度小于20 mm。
　　关键词：宽带;高阻抗反射表面;偶极子天线;低剖面;高增益
　　中图分类号：TN822 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）24-0108-04
　　Abstract： This paper presents a broadband low profile base station antenna based on high-impedance reflective surface （HIS）. The antenna is designed with planar microstrip dipole antenna structure. In addition， by designing a high impedance reflection unit， the reflection phase in the designed frequency band is within ±90° to replace the traditional ideal conductor reflection surface， which can effectively reduce the profile height of the antenna and further verify the correctness of the method by making the antenna. The measured results show that the low-profile antenna has a good frequency response in the 800～960 MHz frequency band. Among them， the voltage standing wave ratio （VSWR） is less than 1.8， the antenna gain is above 7 dB in the whole frequency band， and the overall profile height is less than 20 mm.
　　Keywords： broadband; high-impedance reflective surface （HIS）; dipole antenna; low profile; high gain
　　现代通信设备要求天线向小型化、宽带和多频段、智能方向发展。而无线通信基站的天线一般采用偶极子天线加金属背板的形式，但根据镜像原理，偶极子天线的辐射性能会受到金属地板强烈的影响，因为理想电导体表面的入射电磁波与反射电磁波有180°的相位差。所以，偶极子天线距离金属背板的高度不能少于四分之一波长，这样显然不能满足未来无线通信系统对于小体积的苛刻要求，尤其在适合广覆盖的低频段通信难以接受。因此，人们在如何有效降低天线剖面高度方面作出了许多努力。Tran等[1]中提出了一种利用矩形贴片加载接地板辐射圆极化波的单向偶极子天线。天线高度减小到0.1 λ0，但天线带宽较窄。1999年，Sievenpiper等[2]提出了一种电磁结构，使其在谐振频率附近具有与理想磁导体（Perfect Magnetic Conductor， PMC）非常接近的特性，即表面的入射电磁波与反射电磁波几乎没有相位差，且具有很高的阻抗，因此称为高阻抗电磁表面（HIS）。人们通过研究无通孔人工磁导体（AMC）的周期性片表面结构[3-4]发现在一定的频率范围内，反射波的相位等于入射波的相位，所以这个AMC反射器可以用来降低天线的高度[5]。通常，反射相位小于90°的AMC表面的带宽很窄，这限制了天线的带宽。Agarwal等[6]中，设计了一种双层结构来提高AMC结构的同相带宽。天线的阻抗Э恚VSWR<2）为36.2%，轴比带宽（AR<3 dB）为33.2%。然而，双层结构也变相增加了天线的复杂度和高度。所以，宽带低剖面的天线设计仍是一个巨大的难题。
　　本文为了降低基站天线整体的剖面高度，使用高阻抗反射表面（HIS）来代替传统的理想导体反射表面，并通过制作天线实物进一步验证设计方法的正确性。实测结果表明，制作的天线在800～960 MHz频段内具有良好的频率响应。其中，驻波系数（VSWR）小于1.8，天线增益整个频带内在7 dB以上，整体剖面高度小于20 mm。
　　1 设计原理及分析
　　1.1 天线设计
　　本文中设计的天线采用传统的贴片偶极子天线设计，天线结构如图1所示，介质基板采用Fr-4板材，厚度为1 mm。天线采用双面PCB板设计，介质基板的上表面是1对偶极子贴片辐射单元，包括1对正交的花瓣形金属贴片，实现双极化电磁波的收发。其中1个辐射单元靠中心处开设1个通孔，用于同轴内芯馈电。同时，介质基板的下表面印刷有与上表面偶极子天线相互垂直的寄生贴片，寄生贴片也由1对正交的花瓣形金属贴片构成，用于增加带宽。寄生贴片中的2个花瓣形金属贴片之间设有1个T形贴片，与同轴馈电线金属外导体连接，以耦合馈电的方式给介质基板上表面的另一个金属贴片馈电。天线质基板的4个角处分别开设通孔用于整机的安装固定。其S11仿真曲线如图2所示，从图中可以看出，设计的天线在780～1 050 MHz频段内的S11均在-10 dB以下，展现出了良好的天线性能。

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