【学术论文】一种新型EBG低剖面的微带基站天线设计

摘要

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。

中文引用格式： 杨波，孟庆东. 一种新型EBG低剖面的微带基站天线设计[J].电子技术应用，2019，45(4)：92-94.
英文引用格式： Yang Bo，Meng Qingdong. New low-profile BS antenna based EBG structure[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(4)：92-94.

0 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

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L₁，内层矩形贴片的长度为L₂，贴片表面蛇形走线的臂长分别为L₃和L₄，而蛇形走线宽度为L₅，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。

图2 中PMC曲线为理想磁壁的仿真结果，PEC曲线为理想电壁的仿真结果。从图2的仿真结果可知，新型EBG结构的同相反射相位1.85 GHz~2.45 GHz，可以覆盖到 LTE的工作带宽，相对带宽达到28.5%，EBG结构的原理类似于理想磁背板，因为对于理想磁背板，入射电磁波在背板表面的水平电流与其镜像电流方向相同，这样两者相互叠加后的反射波信号辐射强度是最强的，理想状态的磁背板可以将天线的剖面高度降为0，理想电背板的天线剖面高度难以突破四分之一波长，而基于新型EBG结构的天线背板高度正是介于两者之间，达到了降低天线剖面高度的效果。

2 基于EBG结构的低剖面基站天线设计

在目前的移动通信系统中，为了抗多径衰落，基站天线大多选择双极化天线，而为了减轻天线重量以及便于批量加工，基站天线的阵元天线一般采用±45°双极化的微带贴片天线。本文采用的天线形式为U型振子天线，采用一段微带短截线直接进行馈电，两个U型振子分别刻蚀在介质基板的正反两面，介质采用常用的Roger4350材质，天线放置在一块平面反射背板上，而反射背板则是由前文描述的EBG单元组成的7×7的阵列，阵元间距为15 mm，EBG反射背板自身高度为15 mm，而阵元至背板的高度仅为7 mm，即天线的总高度为22 mm，对比传统的工作在2 GHz频率下的基站天线，其高度至少为40 mm，因此新型EBG结构的加载让天线的高度降低了45%。基站天线结构设计如图3所示。

利用时域全波电磁仿真软件CST对基站天线的结构尺寸进行优化后，可以得到相对理想的仿真效果。

3 仿真结果

利用CST全波电磁仿真软件可以得到天线的S参数，如图4所示。

图4所示为天线的仿真与实测曲线，天线在1.6 GHz~3 GHz频段内其回波损耗小于-10 dB，该频段可以完全覆盖TDD LTE、FDD LTE以及5G低频段。不仅如此，从仿真结果不难看出，在天线的整个工作频段内，12端口间的隔离度都大于37 dB，这样也充分保证了天线间的收收隔离。总之，EBG结构的加载在保证了天线足够的工作带宽以外还有效降低了天线的高度，大大提高了系统的集成度。

另外，还可得到天线的增益随频率变化的关系曲线，如图5所示。

从图5的仿真可见，天线在工作频段内的增益均大于6 dBi，在实际的基站天线应用场景中，一般阵子的数量为6~8个，这使得整个基站天线的增益达到了14~15 dBi，保障了基站具有足够的覆盖面积。

最后可以在farfield中查看基站天线的远场辐射方向图，如图6所示。

由图6可知，在FDD 2.1 GHz频段内天线的方向性系数为8.13 dBi。

4 结束语

本文设计了一种基于EBG结构的新型微带基站天线，因为EBG结构的加载，使得天线的高度从40 mm降低至22 mm，同时天线仍然具有带宽特性及法向辐射能力，该方法适用于各类微带贴片天线。

参考文献

[1] TSE S，IZQUIERDO B S，BATCHELOR J C，et al.Reduced sized cells for electromagnetic bandgaps structures[J].Electronics Letters，2003，39(24)：1699-1701.

[2] ABEDIN M F，AZAD M Z，ALI M.Wideband smaller unitcell planar EBG structures and their application[J].IEEE Transactions on Antennas And Propagation，2008，56(3)：903-908.

[3] FOROOZESH A，SHAFAI L.Investigation into the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broadening, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(1)：4-20.

[4] BELL J M，ISKANDER M F.Effective propagation properties of an enhanced hybrid EBG/ferrite ground plane[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：74-77.

[5] KERN D J，WERNER D H，WILHELM M J.Active negative impedance loaded EBG structures for the realization of ultra-wideband artificial magnetic conductors[C].IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2003，2：427-430.

[6] STEARNS S D.Non-foster circuits and stability theory[C].IEEE  International Symposium on Antennas and Propagation(APSURSI)，2011：1942-1945.

[7] GREGOIRE D J，WHITE C R，COLBURN J S.Wideband artificial magnetic conductors loaded with non-foster negative inductors[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：1586-1589.

[8] EUN Y K，JI H Y，YOUNG J Y，et al.Low profile dual-band reflector antenna with dual resonant AMC[C].IEEE International Symposium on Antennas and Propagation(APSURSI)，2011：1800-1803.

作者信息:

杨  波1，2，孟庆东3

（1.吉林大学 电子与科学学院，吉林 长春130000；2.长春理工大学 电信学院，吉林 长春130000；

3.长春理工大学 光学精密机械学院，吉林 长春130000）