全向及定向圆极化天线的小型化研究
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来源：《南京信息工程大学学报（自然科学版）》2019年第01期
        摘要本文提出了两种分别应用于全向以及定向圆极化天线的小型化设计.这两种天线设计方案是基于电偶极子与磁偶极子的有机结合.全向圆极化方向图具有很广的覆盖范围及避免极化失配的特点，非常适合应用于移动物联网以及卫星间通信等.对于两组水平放置的电磁偶极子，如果采用等幅激励且相位相差90°，会产生全向的圆极化方向图.本文介绍了一种工作在下一代移动通信28 GHz频率的呈车轮形的紧凑全向圆极化天线.整个天线印刷在直径仅4 mm的圆形介质板上，且具有宽带高效率等良好电器特性，非常适合应用于5G小型化移动通信终端.定向圆极化天线具有高增益且避免极化失配的特点，广泛应用于卫星移动通信终端中.两组正交放置的电磁偶极子如果等幅且同向激励，会产生定向呈心形的辐射方向图.本文还介绍了一种电小且高辐射效率的惠更斯天线，该天线有机结合了两个电小的辐射单元，形成结构紧凑的定向圆极化天线，非常适合卫星通信以及无线能量传输等应用.
        关键词圆极化天线;全向辐射方向图;定向辐射方向图;天线小型化
        中图分类号TN820
        文献标志码A
        0引言
        全向及定向圆极化天线在当今及未来无线通信领域将具有广泛应用.未来的无线物联网将实现物物互联[1].全向圆极化天线具有辐射覆盖面大以及避免极化失配的特点，特别适用于无线设备与设备之间的通信[2].同时，毫米波将应用于下一代（5G）无线通信系统中，可以大幅提高系统的通信容量.28 GHz （27.35 ～ 28.5 GHz）频段已经被定为5G标准之一，基于该频段的通信系统研发商用正在广泛进行.研究具有小型化的28 GHz全向圆极化天线具有重大意义及工程应用前景[3].定向圆极化天线具有高增益且避免极化失配的特点，已经广泛应用于卫星通信终端.随着未来无线通信终端进一步小型化，结构紧凑且具有高辐射效率的定向圆极化天线具有重大应用价值[4].
        设计应用在毫米波频段且结构紧凑的全向圆极化天线具有很大挑战.在本文设计提出之前，通过查阅文献，只有两款天线设计[5-6]可以实现工作在毫米波频段的全向圆极化辐射.
然而，这兩款天线的尺寸非常大，设计复杂且加工难度高，不能应用于小型化的无线通信终端中.同时，设计高辐射效率且电小结构紧凑的惠更斯定向方向图的圆极化天线也具有很大挑战.在本设计提出之前，已有很多惠更斯圆极化天线在文献中被报道[7-8]，然而，没有一款天线设计可以实现电小尺寸.惠更斯圆极化天线的小型化具有重要意义.
        为了解决上述问题，本文提出了基于电磁偶极子的小型化全向以及定向圆极化天线.首先，通过在一片直径仅有4 mm的介质板上设计紧凑的车轮形辐射结构，产生了一组工作在28 GHz频段的相互平行的电磁偶极子.同时，这两组电磁偶极子天然形成90°的相位差，实现了全向的圆极化辐射.其次，通过将一组由超材料启发的电小电磁偶极子单元有机结合，实现了电小结构紧凑的惠更斯定向圆极化辐射.加工实测结果表明，两款小型化的全向以及定向圆极化天线均与仿真很好吻合，在未来小型化通信系统中具有广泛应用价值.
        128 GHz全向圆极化天线的小型化
        本节介绍一款工作于28 GHz的小型化全向圆极化天线.由于28 GHz频段远远高于当今移动通信使用的微波频段1～2 GHz，更高的无线通信速率（20 Gbps）将得以实现.同时，未来的无线设备将实现万物互联，物物之间的通信十分重要.圆极化天线由于其可以避免极
化失配的独有特性将在物物互联的系统中扮演重要角.工作在28 GHz的全向圆极化天线将满足日益增加的通信需求.下面将介绍一款基于电磁偶极子的28 GHz小型化全向圆极化天线设计.
        1.1设计思路
        全向圆极化的辐射方向图可以由激励两个平行放置的电磁偶极子实现，如果一个电偶极子与一个磁偶极子平行放置，并且激励幅度相位相差90°，就产生全向圆极化辐射方向图.这是因为，单个电磁偶极子产生的方向图均是全向的，但是其极化方向是正交的.如果它们之间的相位刚好相差90°，全向的圆极化方向图就可以形成.本设计的目的就是在一个紧凑的结构里面实现两个电磁偶极子，并激励它们产生合适的幅度相位.
        1.2天线结构及工作原理
        设计的28 GHz全向圆极化天线如图2所示.整个天线印刷在一块直径仅为4 mm、高度为1.58 mm的圆形介质上面.天线用同轴线进行馈电.同轴线的内导体位于天线的中心并于顶层进行连接.同轴线的内导体作为天线辐射结构的一部分.天线辐射结构的另一部分由4个弯
折的辐射单元组成，形成一个车轮的形状.8个弧形的辐射单元分别位于介质板的上下两个表面.每两个弧形辐射单元由一个金属化孔连接.同轴线的外导体跟一块小金属地相连.整个天线结构紧凑，可以安装在无线移动设备终端中.电流分布可以看出：所有弧形的辐射体形成了一个顺时针的环形电流，这个环形电流产生磁偶极子的效果;所有的垂直辐射体形成了电偶极子的效果.一个周期中的电流分布动态中可以看出：所有辐射体上的电流都是同时增强及减弱的.由于磁偶极子与产生它的电流环之间有90°的相位差，在此结构中，其电磁偶极子天然满足90°的相位差.电磁偶极子的强度可以通过调节弯折辐射单元的数量决定.4个弯折辐射单元可以产生最佳的全向圆极化辐射特性.
        1.3实验测试结果
        显示的是天线的加工实物，天线使用标准的电路板加工工艺，可实现低成本大批量生产.从显微镜中可以看出天线的结构很小，易于安装在移动设备终端中.在测试中，由于同轴线长度远大于天线高度，使用了套筒巴伦防止同轴线外导体上形成的电流泄漏.显示了天线的测试构架，此测试系统使用远场测试原理.网络分析仪产生信号通过放大器由标准喇叭天线发射，由本文所设计天线接收，然后经另一放大器放大返回网络分析仪，通过与另一个
标准喇叭天线进行比较对比，可以计算出被测天线的增益与辐射方向图.由于是圆极化天线，在测量过程中，需要用标准线极化喇叭天线测试一组正交的幅度相位数据，然后通过计算得到天线的圆极化轴比以及增益.
        顯示了天线的测试回波损耗、增益以及轴比结果.可以看出，天线测试结果与仿真十分吻合，标准的电路板加工工艺可以满足精度要求.天线的阻抗以及轴比带宽完全覆盖5G通信系统的28 GHz频段（27.5～28.35 GHz）.天线的增益在频段内稳定，最大增益达到2.2 dBi.天线的圆极化特性很好，最小的轴比接近1 dB，在整个28 GHz频段内均小于2 dB.
        显示了天线的测试辐射方向图.可以看出，天线实现了很好的全向圆极化辐射特性.仿真结果与测试吻合良好，尤其是交叉极化，证明了测试系统的可靠性以及加工工艺的精度.该天线十分适用于下一代5G无线系统的移动终端中.polarised
        2定向圆极化天线的小型化
        本节介绍一款小型化惠更斯定向圆极化天线.定向圆极化天线广泛用于卫星通信移动终端中，例如微带贴片天线.然而，微带天线的辐射特性例如增益会随着天线面积的缩小而恶
化.本文将2个由超材料启发的电磁辐射单元有机结合，实现惠更斯定向圆极化辐射方向图.整个天线尺寸属于电小天线范围 （ka<1，k指波数，a指包围天线整体的最小球体的半径），ka仅为0.7.虽然整体尺寸很小，该天线却具有高的辐射效率（70%）以及惠更斯心形辐射方向图.
        2.1设计思路
        全向圆极化天线设计方法需要将2个电磁偶极子平行放置并且给予90°相位差的激励，而定向惠更斯圆极化天线需要将2组惠更斯线极化天线给予90°相位差的激励，其中每个惠更斯线极化天线又包含一对正交放置并且同向激励的电磁偶极子，2组两两正交的电磁偶极子给予90°相位差的激励，产生惠更斯心形圆极化辐射方向图.本设计的目标就是在一个非常紧凑的天线结构中实现4个电磁偶极子并且给予合适幅度相位的激励.为了实现天线的小型化，本设计采用了由超材料启发的电磁辐射体作为基本单元，埃及斧偶极子作为电小的电偶极子单元.这个电小结构的形状类似著名的埃及斧，故以其命名.埃及斧辐射体弯折部分的电流辐射相消，故天线整体呈电偶极子特性.相比起传统半波长偶极子天线，埃及斧偶极子仅仅为1/5波长.电小的磁偶极子单元是电容加载环辐射体.该辐射体可以产生环形电流，
形成磁偶极子，该辐射体可以由一个短的偶极子激励.本文的目的是将两组埃及斧电偶极子与两组电容加载环磁偶极子设计在一个紧凑的结构中，并给予等幅且相位差90°的激励.
        2.2天线结构及工作原理
        天线结构，在3块介质板上实现了2组十字形埃及斧电偶极子与2组十字形电容加载环磁偶极子.十字形埃及斧电偶极子印刷在位于中间的介质板上表面.十字形电容加载环磁偶极子印刷在上下2块介质板的上表面，由4个直径为1.5 mm的金属柱连接.金属柱不与埃及斧偶极子辐射体接触.天线的馈电结构印刷在底层介质板的下表面，是一个非等长的十字形结构.2组电磁偶极子之前90°的相位差由这个馈电结构的长度差决定.天线辐射体上的电流在一个周期内的分布，可以看出，电磁偶极子在一个周期内顺时针旋转，产生左旋圆极化惠更斯辐射方向图.
        2.3实验测试结果
        天线加工实物.天线由标准的低成本电路板加工工艺加工.天线用同轴线进行馈电，为了防止同轴线外导体的电流泄漏，在同轴线外导体上加了一个套筒巴伦.天线整体结构非常紧凑，ka只有0.7且高度只有1/20波长.
        显示了天线的测试结果.可以看出，测试结果与仿真吻合很好.天线测量的工作中心频率（1.584 GHz）对比仿真仅仅发生微小的偏移.在中心频率天线的轴比小于1 dB，并且产生定向惠更斯圆极化方向图.天线增大增益3.3 dBi.这是业内第一款电小惠更斯圆极化天线.由于其结构紧凑的特点，非常适用于移动设备终端以及无线能量传输等应用.
        3结束语
        本文针对未来无线通信系统对设备小型化的要求，分别介绍了全向以及定向圆极化天线的小型化设计.利用电磁偶极子的独特结合，在紧凑的空间内实现了平行以及正交的电磁偶极子单元，分别实现了全向及定向的圆极化辐射.两种天线的设计思路具有普遍性，可以拓展到其他工作频率.由于其结构紧凑、高效率、加工成本低的特点，本文所设计的小型化天线具有十分广阔的应用前景.
        参考文献References
        [1]Tehrani M N，Uysal M，Yanikomeroglu H.Device-to-device communication in 5G cellular networks：challenges，solutions，and future directions[J].IEEE Communications Magazine，2014，52（5）：86-92

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