达索系统SIMULIA优选论文 | 加载FSS结构的高增益5G微带贴片天线设计
达索系统SIMULIA优选论文 | 加载FSS结构的高增益5G微带贴片天线设计
本文作者：卜千
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
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。
图1-1 5G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）：
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：
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1-2 5G基站单元天线S参数仿真结果图。
图1-2 5G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1-3 5G基站单元天线增益随频率变化曲线图。
图1-3 5G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。
图1-4 5G基站单元天线远场辐射方向图
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。
图1-5 5G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线，整个天线的尺寸为154.4 mm*154.4 mm，工作频率为3.45GHz，而中间层为空气，为了将覆层固定在天线上方，实际应用中采用塑料螺栓代替，塑料螺栓高度为h mm。
（a）俯视图
（b）侧视图
图1-6 加载经典耶路撒冷十字的高增益天线结果示意图
由于该天线的谐振频率受到天线单元结构和FSS覆层之间的距离h影响，因此本文对于天线高度h与工作频率之间的关系进行深入分析。
首先考虑地板介质基片的影响，整个天线的谐振条件可以表示为
在上式里，t为频率选择表面覆层厚度，εr为频率选择表面覆层相对电容率，φPEC为天线接地板的反射相位变化， φFSS为频率选择表面覆层结构的反射相对变化，N为频率选择表面覆层工作的模式数，定义t=1mm ，εr =2.65，电磁波垂直入射到理想金属表面时，反射相位变化φPEC =180° ，而对于φFSS，这里取值φFSS =14°将其带入式（1-2）可知，当天线工作在3.45GHz时，覆层与贴片之间的距离h=0.53λ ，同时从上式中不难发现，天线的谐振频率越低，其覆层到贴片之间的高度越高，为了验证以上的结论，可以利用仿真软件仿真不同覆层高度下整个天线的S参数变化。仿真结果如图1-7所示：
图 1-7 不同覆层高度下天线的S参数变化
从图1-7中的曲线变化可以发现，随着系统覆层高度提高导致天线的谐振频点不断降低，这一点与前期的理论设计相一致，但是需要注意的是当h=0.53λ时，天线的谐振频率并不在3.45GHz，原因主要就是φFSS的选取，前文所述φFSS取值是建立在电磁波垂直入射到FSS单元表面条件的，而实际辐射贴片到达边缘覆层的角度已经不再是垂直入射，所以这里等效φFSS选取就会发生变化。根据仿真数据，设计中把天线覆层高度设置为46.09mm。
在选定好天线系统规格后，开始分析加载频率选择表面覆层前后天线辐射特性的变化情况，利用仿真软件进行仿真得到图1-8中的FSS覆层加载前后天线S参数的变化图。
图1-8 FSS覆层加载前后天线S参数的变化
通过观察图1-8中的曲线图能够发现，在天线中附加频率选择表面结构导致天线的工作频段出现明显改变，工作频段从原有的3.28GHz~3.73GHz变成了3.42GHz~3.55GHz，而且整个天线的品质因数Q值也发生了明显的变化，更为重要的是加载了FSS后，整个天线已经无法完全覆盖整个5G频段，而且天线的驻波变差，为了满足5G规划频段的要求，势必需要对天线的结构加以优化，这一点将在下文重点讨论，此处不再赘述。再次仿真得到图1-9 FSS覆层加载前后天线S前向增益变化对比图。
图1-9 FSS覆层加载前后天线S前向增益变化
从上图所示的对比结果不难看出，在3.27GHz到4.5GHz频段范围内，FSS覆层加载后天线前向辐射增益明显比加载之前提高很多，增益提高了大约3.5dBi左右，在天线的工作频率范围中，天线的前向增益大约提高6dBi。因为天线的前向增益出现明显改变，则天线的辐射方向图也会有所改变，图1-10为FSS覆层加载前后天线E面辐射方向图变化图，图1-11为FSS覆层加载前后天线H面辐射方向图变化图。
图1-10 FSS覆层加载前后天线E面辐射方向图变化
图1-11 FSS覆层加载前后天线H面辐射方向图变化
从1-10及1-11的仿真结果不难发现，加载覆层后天线的3dB波束宽度显著收窄，同时天线的副瓣点评明显抬升。综上所述，经典耶路撒冷十字单元覆层结构的加载的确大幅度提升了天线的前向增益，但同时也恶化了天线的驻波性能，而且还缩窄了天线的阻抗带宽，该设计还无法满足5G应用的实际需求，还需要对天线的结构进行进一步优化，当然前提条件是保持现有贴片天线形式不变且需要保持覆层对天线增益效果的提升。
上文中提出了双层FSS覆层加载的方案扩展天线阻抗带宽的设计，基于当前结构，在保持当前阻抗带宽的前提下如何提升天线前向辐射增益和增益带宽是一个非常重要的待解决问题。下面将从覆层加载提高天线增益的原因分析入手，给出优化设计方案。
如前文中理论分析所述，在天线上方加载频率选择表面覆层，相当于加载了一个空间带通滤波器，当电磁波垂直入射到覆层单元结构时，单元表面波阻抗呈现低阻态，当电磁波入射到非中心区域的覆层单元时，单元表面波阻抗则呈现高阻态，理所当然能量辐射的路径集中在低阻区域，即前向辐射加强，覆层的加载等于是在天线上方添加了辐射的引向器，传统的设计思路更多的集中在优化前向辐射区域的单元上，即如何实现更低阻抗的特性，对于电磁波斜入射单元区域的优化往往是忽略的，因为要保持结构的周期性，如果人为的破坏这种周期性，引入一种准周期性的状态，令单元结构尺寸随着电磁波入射角度的改变而变化，这样可以更有效提高斜入射状态下单元的表面阻抗，也可以提高天线的前向辐射能力，从而增加了天线的前向辐射增益。
基于以上思路，本文设计了一种准周期性耶路撒冷十字覆层结构，覆层表面结构示意图如图1-12所示，覆层结构包括了3个不同大小的Jerusalem Cross单元，其中最中间的Jerusalem Cross单元为标注，外面两层单元均是内层单元的等比例放大或缩小，定义中间层放大系数为α，最外层区域的放大系数为β，天线其它结构大小同上节中的设置。
图1-12 加载准周期性耶路撒冷十字覆层结构示意图
如何确定放大系数α和β的值，有两种方法可供参考，第一种方法也是最常用的方法就是参数扫描，将两个参数设置为变量，并设置参数扫描范围，然后通过仿真软件遍历所有组合情况下的仿真结果，这种方法最大的优点就是操作简单，但其存在最大的弊端就是效率极其低效，天线电尺寸较小时，还能勉强应付，一旦结构电尺寸增大，单次仿真时间变长，这种方法便会陷入很多无效的参数扫描中；第二种方法就是采用优化算法，设置初始值和搜索目标，软件根据上一次的仿真结果迭代出下一组仿真预设值，这种方法的缺点为操作比较复杂，但优点也是极其明显的，这种方法的搜索效率远远好于参数扫描这种的穷举法，因此本文采用遗传算法，利用Matlab的GAtool和CST中MWS进行Co-Simulation协同仿真，进行放大系数的优化。
具体流程图为：
图1-13 MATLAB GATool与CST MWS协同仿真流程图
在流程图中的适应度函数设定中，因为天线的阻抗带宽和前向增益均处于同等重要的作用，将两个目标函数的权值皆设置为0.5，停止条件的判定即3300MHz~3600MHz内回波损耗小于-10dB，前向增益G大于14dBi。经过优化确定放大系数α和β的值分别为1.17，1.35。
图1-14 准周期性耶路撒冷十字覆层结构S参数仿真结果
利用CST进行仿真分析，得到图1-14中的仿真数据。图 1-14给出加载准周期耶路撒冷十字覆层结构与加载覆层前、加载双层覆层结构的S参数仿真结果对比。开始选择基准周期频率选择表面覆层的天线，这种天线于3.28GHz到3.73GHz频率范围中的反射系数S11>-10dB，其次与双层覆层结构的对比，其阻抗带宽有明显的收窄，但是其仍旧满足从而满足5G频段的覆盖要求，只是余量小了很多，可见，该周期结构的引入会影响馈源的阻抗带宽，但经过调谐后，可以满足设计要求。
图1-15 准周期性耶路撒冷十字覆层结构前向增益仿真结果
由图1-15 中加载双层覆层结构与加载准周期覆层结构两者的增益频响曲线对比可知，选择基准周期Jerusalem Cross覆层的天线最大增益是14.88dBi，比双层覆层结构大1.4dB，而在整个工作频段内准周期覆层结构的增益相较双层覆层结构均高于1dB，综合而言，准周期结构的加载能够明显增加天线的前向辐射增益。
为了验证所设计的FSS覆层高增益天线的可行性，利用仿真数据对天线进行完善，天线完善结果的实物图如图1-16所示。
图1-16 准周期性耶路撒冷十字覆层结构实物加工图
选择合适的矢量网络分析仪检测高增益天线的S参数，图1-17为准周期性Jerusalem Cross覆层S参数测量结果图。测试过程中，天线通过SMA接头对天线进行激励，由图 1-17可知，在3.12GHz~3.6GHz GHz 频段内，天线的S11小于-10 dB，实测结果与仿真结果还是存在一定的频偏，这一点主要是由于该结构对S参数的敏感度较高，而FR-4这种材料加工过程中的相对介电常数及表面粗糙度精度控制上也略逊一筹，这就导致实测与仿真之间存在频偏，通过实际测量的数据中能够发现，这种天线的工作频段依然可以涵盖5G的工作频段，符合系统设计条件。
图1-18是检测的准周期Jerusalem Cross覆层天线增益测量数据，观察实际测量数据能够发现此时天线的最大增益是14.2dBi，相比较仿真得到的增益最大值小了0.7dB左右，这里的差异主要还是来自于激励端口处的失配造成天线的效率下降，所以实测得到的增益相较仿真偏小，但值得一提的是在天线的工作频段范围内增益都是比较一致的，其3dB增益带宽较宽。
图1-19未准周期性Jerusalem Cross覆层E面方向图实测结果图，图1-20是准周期性Jerusalem Cross覆层H面方向图实测结果图，远场方向图的实测是在5m大小的微波暗室中采用比较法测试得到的，从实测和仿真的对比结果不难发现，天线的性能参数都十分相似，差异不大。
图1-19 准周期性耶路撒冷十字覆层E面方向图实测结果
图1-20 准周期性耶路撒冷十字覆层H面方向图实测结果
参考文献
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