论文阅读——Design of Wideband Base Station Antenna by Involving Fragment-Type Structures on Dipole Arms
文章目录
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摘要
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一、带有片段式结构（FTS）的宽带双极化天线
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- A. 为什么需要FTS？
- B. 天线中 FTS 的建模与编码
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二、基站天线的多目标优化
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三、讨论
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- A. 寄生贴片的作用
- B. 偶极子臂上 FTS 的作用
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总结
论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/9743599
摘要
文章提出了一种新颖的设计方案，即在天线中引入片段式结构（FTSs），并通过多目标优化搜索来寻找最优的 FTS。通过对工作在 1.7 至 3.8 GHz 频段的交叉偶极子天线进行改进，对该技术进行了验证。
仿真和测量结果表明，优化后的交叉偶极子天线可获得 76.3% 的宽工作频带，其回波损耗高于 15 dB，隔离度高于 30 dB，半功率波束宽度为 65°±5°，对于 ±45° 极化的增益为 9 dBi±0.65 dBi。
一、带有片段式结构（FTS）的宽带双极化天线
A. 为什么需要FTS？
图1 交叉偶极子天线原型.
对于图 1（a）所示的天线，两个相互垂直的偶极子提供了具有一定隔离度的双极化。优化设计只能针对偶极子结构参数和馈电电缆的长度来进行。为了应对宽带设计的挑战，需要一种特定的策略。
图 1（a）中两个偶极子垂直蚀刻在印刷电路板（PCB）的两面，形成了实现 ±45° 双极化的基本结构。定义交叉偶极子的详细结构和参数已放大并展示在图 1（a）中。
在基站应用中，通常会在交叉偶极子下方设置一个接地反射器，以缩小半功率波束宽度（HPBW）并提高双极化天线的增益 ，如图 1（b）所示。为了保证增益和 HPBW 的稳定性，可以在交叉偶极子上方引入适当的寄生结构，以在工作频段的高频段维持波束方向图 ，如图 1（c）所示。
假设辐射器和寄生结构印制在罗杰斯 4350B 的 PCB 板上，该基板厚度为 0.76 毫米，介电常数为 3.48，损耗角正切为 0.0037。接地反射器有一个高度为 H0 的短侧壁。图 1 中的三种天线可以使用现有的天线优化技术进行优化。
图2 S参数仿真结果.
图 2 展示了图 1（a） - （c）中三种天线的反射系数（以 | S11 | 表示）和隔离度（以 | S21 | 表示）。从图 2 中我们可以得到以下几点观察结果：
- 图 1（a）中的最优交叉偶极子的回波损耗和隔离度对于基站应用来说远不能令人满意。
- 通过添加反射器，图 1（b）中天线在 1.74 - 2.8 GHz 频率范围（即分数带宽为 46.7%）内的回波损耗和隔离度分别显著提高到 15 dB 和 30 dB 以上，但仍与 2G/3G/4G/5G 频段工作所需的宽带宽相差甚远。
- 在添加寄生贴片后，从图 2 中的回波损耗和隔离度来评估，图 1（c）中天线的带宽有所减小。然而，寄生贴片在扩展 HPBW 带宽方面起着重要作用。因此，图 1（c）中的天线可被视为宽带双极化基站天线的原型。
要进一步提高图 1（c）中基站天线的性能，,有两个原因支持这种考虑：
- 为了提高天线性能，需要在设计优化方面有更多的自由度。
- 通过使偶极子臂的一部分和寄生贴片变形，可以修改和优化表征辐射的电流分布。
因此，通过引入 FTS 可以获得性能更佳的结构。
B. 天线中 FTS 的建模与编码
可以通过分析偶极子臂和寄生贴片上的电流分布来选择 FTS 设计空间。
图3 电流在天线上的分布.
图 3（a）展示了图 1（c）中优化后的天线上的电流分布。发现偶极子臂边缘的电流密度相对较大，因此偶极子臂上的所有部分都可用于 FTS 设计。由于馈电端口附近的电流较强且对结构可能非常敏感，而臂端的电流相对较弱不利于利用，所以选择偶极子臂的中部作为 FTS 设计空间是一个合理的选择。
假设偶极子臂的中部和寄生贴片将因 FTS 设计而变形，如图 3（b）所示。可以定义两个空间，称为设计空间：面积为 L1×W1 的矩形设计空间和面积为 πR21 的圆形设计空间。
图4 FTS的二进制编码.
与使用几何参数定义的规范结构的优化不同，FTS 的优化本质上是对最优片段分布的优化搜索。因此，需要用二进制编码来描述 FTS 分布以便计算机实现。图 3 中的矩形和圆形设计空间需要不同的编码方案，如图 4 所示。
矩形设计空间中 FTS 的编码：可以按照常规方式进行。在不失一般性的情况下，我们可以考虑矩形设计空间的对称性，如图 4（a）所示。因此，只需要对设计空间的一半进行网格划分和编码。可以将这半空间划分成网格单元，并通过给所有单元分配 “1” 和 “0” 来构建一个设计矩阵（即设计矩阵 1），其中 “1” 代表金属贴片，“0” 代表空气或空白，这样就可以在设计空间中构建一个 FTS。通过该设计矩阵，可以进行计算机搜索以找到最优设计矩阵或 FTS 分布。
圆形设计空间中 FTS 的记录：可以按照特定方式 [29] 实现。假设圆形寄生结构中有多个旋转对称性。可以将圆形设计空间划分为八个扇形，每个扇形为 45° 扇形，如图 4（b）所示。可以在极坐标下对扇形进行离散化，并使用扇形 FTS。通过给所有单元分配 “1” 和 “0” 来构建一个设计矩阵（如设计矩阵 2）。为了避免围绕圆形空间中心点的片段扇形过小，已经预先设置了一个小圆形贴片，如图 4（b）所示。
通过将偶极子臂上 FTS 的设计矩阵 1、寄生贴片上 FTS 的设计矩阵 2 以及为规范结构关键几何参数编码的设计矩阵相结合，可以形成一个复合设计矩阵。因此，包括 FTS 在内的基站天线设计可以转化为寻找一个合适的设计矩阵，以实现基站天线所需的性能。
二、基站天线的多目标优化
令
，这样设置这确保了天线在 1.7 至 3.8 GHz 频段内提供高于 15 dB 的回波损耗、优于 30 dB 的隔离度、超过 8 dBi 的增益以及的 HPBW。
三、讨论
有三个因素促进了这种设计技术：寄生贴片的使用、片段式结构（FTS）的使用以及多目标优化的使用。在偶极子臂中引入 FTS 确实为辐射控制提供了新的设计自由度。
A. 寄生贴片的作用
为了展示寄生贴片的作用，我们对如图 3 所示涉及 FTS 的交叉偶极子进行多目标优化设计，但不设置任何寄生贴片或者仅设置一个圆形寄生贴片。在优化过程中，我们考虑与上述相同的印刷电路板（PCB）以及多个目标。
结果发现，对于有 FTS 但无寄生贴片的偶极子，优化在第 16 代收敛，此时 HPBW 偏差超过 21°。对于有 FTS 且带有圆形寄生贴片的偶极子，在第 20 代时 HPBW 偏差约为 3.6°。对于偶极子和寄生贴片都带有 FTS 的情况，在第 25 代之后偏差为 0。只有在偶极子和寄生贴片上都具有最优 FTS 的天线才能在 1.7 至 3.8 GHz 范围内获得 65° ± 5° 的 HPBW。因此，寄生贴片对于基站天线辐射方向图的控制至关重要。
B. 偶极子臂上 FTS 的作用
具有最优 FTS 的天线的实部，即 Re (Z11)，在扩展的带宽内提供了约 50Ω 的等效电阻，而虚部，即 Im (Z11)，在扩展的带宽内提供了约 0Ω 的等效电抗。具体而言，最优 FTS 确实在 3.8 GHz 引入了一个新的谐振模式，即 Im (Z11)=0，从而扩展了阻抗带宽。
当天线的端口 1 被激励时进行电流仿真。在 1.7 GHz 时，在偶极子上引入最优 FTS 后，电流路径变长，这使得谐振模式能够调谐到低频端。因此，FTS 通过将工作频段扩展到低频端来增强低频辐射。
在 3.8 GHz 时，沿主要电流路径的反向电流。原因是 FTS 在电学上使电流路径变长，从而在高频端能够产生反向电流。反向电流的出现使得谐振模式能够调谐到高频端以实现带宽增强。在 3.8 GHz 引入了一个谐振模式，且输入阻抗没有急剧变化。由于天线的谐振模式仍然由偶极子和寄生贴片的整体形状所主导，因此辐射方向图的稳定性能够得以保持。
因此，在偶极子臂上引入最优 FTS 可能会使电流路径变长，这有利于低频辐射，保持主导辐射模式，并在高频端产生等效电流路径以引入和调谐一个新的谐振模式。
结果，通过引入 FTS，匹配和隔离带宽在低频端和高频端都能够得到扩展。FTS 的引入为提高天线性能开辟了另一个途径。
总结
具有简单辐射器结构和馈电结构的天线通常在优化设计方面提供的自由度有限。当需要满足越来越多的天线特性要求时，就需要新的设计策略和技术。在本文中，我们提出了一种新的天线设计策略，即在简单辐射器的部分结构上引入片段式结构（FTS）以增加设计自由度，并通过多目标优化搜索来找到 FTS 的最优分布。
与传统的通过寻求更好的偶极子形状或在天线中添加辅助结构来进一步提高性能的设计策略不同，所提出的策略无需添加任何辅助结构。这种策略可应用于提高许多具有简单结构的天线的性能，比如用于找到最佳偶极子 [30]。将模式分析与 FTS 选择相结合，为天线设计提供更高效的优化搜索技术也是很有意义的。