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加载FSS结构的高增益5G微带贴片天线设计
卜千
西北工业大学
摘要:本文主要研究了加载FSS覆层的5G高增益微带天线,首先通过加载经典的耶路撒冷十字结构,大幅提高了微带天线的增益,针对经典耶路撒冷结构会恶化天线驻波的缺陷,提出了两层加载FSS的优化方案,同时兼顾了天线驻波和增益两方面的性能;最后引入准
周期结构理论,对原有天线覆层结构进行优化,进一步提高5G微带天线的增益,通过加
工实测验证了设计的有效性。
关键词:FSS覆层,5G,高增益天线
1.简介
FSS即频率选择表面为一类二维周期结构,通过很多金属谐振分子组合而成,频率选择
表面自身不能进行入射波能量获取,需要利用电磁波入射角和工作频段的改变产生带通现
象,实现能量获取。正是得益于频率选择表面对于不同频率、不同入射角度的电磁波呈现出滤波特性,近年来FSS被广泛应用于提高天线增益,降低天线RCS及提高天线罩的透波特性等领域,本文中主要研究如何通过加载频率选择表面提高天线辐射增益。
在研究加载频率选择表面对微带贴片天线辐射增益的影响前,需要先完成微带贴片单
元的设计,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。基站天线作为移动通信天线的核心组件,如何让基站天线具有高增益特性也成为能否提升基站通信系统覆盖能力的关键,2017年末左右时
工业和信息化部确定了第五代通信技术的工作频段为3300MHz~3600MHz,关于5G频谱划分
的初步方案是,中国联通和中国电信将分别获得100MHz左右的频谱资源,结合实际应用,
综合U型槽原理研究一种工作频段为3300~3600MHz的基站单元天线,图1-1为5G基站单元
天线设计结构示意图。
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图1-15G基站单元天线设计结构示意图
如图1-1中所示,整个5G基站单元天线是基于U型槽天线理论设计完成的,该结构上面
为刻蚀U型槽的金属贴片,中间部分是介质层,下面是接地板,接地板厚1.5mm,介质层选
择的是FR-4,其相对电容率是4.3,整个微带贴片天线尺寸为L=35.5mm,W=26mm,红色U
型槽的尺寸为Ws=12.8mm,t=1.6mm,红色U型槽与微带贴片两边的间隔是a=9.1mm,
b=11.35mm,黄色U型槽尺寸为Ks=7mm,p=2.1mm,整个微带天线选用同轴线背馈馈电,
馈电点离贴片中点7.8mm。根据双槽天线理论,整个天线的谐振频率的近似经验公式如式
(5-20):
f
1
?
(2(L
s
?W?
W
s
4
c
?
2F?b?
t
)
2
?
r
)
………………(1-1)
式(1-1)所示为天线在TM01模式工作时的谐振频率计算公式,由于该贴片天线为双
槽结构,红色U型槽和黄色U型槽都有自己的谐振频带,然而若把这两谐振频带不断靠近,
能够实现提高天线工作频段的结果,这里将工作频段设定为3.45GHz,通过调谐U型槽尺寸
分别得到两组不同U型槽结构即可,表1-1为5G基站单元天线设计结构具体尺寸:
表1-15G基站单元天线设计结构尺寸
几何参数LWWsKstp
尺寸大小mm35.52612.871.62.1
选用三维电磁场仿真软件CST对结构进行仿真分析,能够得到图1-25G基站单元天线S参数仿真结果图。
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图1-25G基站单元天线S参数仿真结果
图1-2中可以看出,整个天线的工作频段为3.28GHz~3.73GHz,阻抗带宽为450MHz,相
对宽带为12.59%,此时天线的工作频段范围包含了已经确定的5G工作频段,同理利用仿真
得到图1-35G基站单元天线增益随频率变化曲线图。
图1-35G基站单元天线增益随频率变化曲线
从图1-3中能够发现,天线工作在频段2GHz到频段4.2GHz范围之间时其前向辐射增益都
大于0,在3.28~3.73GHz工作频段内,天线的辐射增益为5dBi~8.25dBi
从图1-4中仿真结果可知,天线的3dB波束宽度为71.1°,天线表面利用率是87%,为了证明仿真数据是否正确以及仿真数据的可行性,设计了如图1-5的5G基站单元天线实物加工图。
2019达索系统SIMULIA中国区用户大会3
图1-55G基站单元天线实物加工图
利用经典耶路撒冷十字覆层结构及5G基站贴片天线的特性,本文将以上两者结合在一起,设计了一款加载耶路撒冷十字覆层的高增益基站单元天线,整个天线的结构示意图如下所示,上层为频率选择表面覆层,覆层是由6x6个耶路撒冷十字单元周期排列而成的,而
下层辐射源则为前文提及的基站贴片天
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