广电网络中5G高隔离度双频段线阵技术的研究.pdf
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1、2023.27 科学技术创新广电网络中 5G 高隔离度双频段线阵技术的研究吕键,李博聪(黑龙江工商学院,黑龙江 哈尔滨)引言广电网络是以数字化为基础的广播电视传输网络,是无线电视、数字电视、卫星传输、互联网等多种技术形式的集成,由于现代无线通信技术的高速发展,5G 通信的应用逐渐增加,与 2G、3G、4G 通信系统共同存在,因此需要强化天线性能以满足相应需求,保证无线通信的体积轻便化、功能多样化,本文在设计过程中主要以紧耦合偶极子为天线形式,以实现广电网络的高效运转。1紧耦合相控阵天线相控阵系统主要构成包括天线阵、馈电网络和波束控制器,为了实现 5G 天线的多频带、高效率、高增益、轻量化发展,
2、本文设计了一种具有宽带性能的一维双极化相控阵天线,具有占用空间小、应用范围广等优势,其扫描原理见图 1。相控阵天线设计时需要考虑结构简单、调节方便的要求,因此采用了紧密耦合的半波偶极子阵列,这种阵列的原件之间具有较强大的耦合性,半波阵子总长仅为/2,而且馈源位置设计对称,在两个阵子交接处,其指标也相同,因此在运行时极大地节省了空间1。通过半波偶极子阵列的电流分布呈正弦函数,因此在计算辐射场时需要考虑电长度对电磁传播方式产生的影响。图 1一维相控阵天线扫描示意为了扩大天线带宽,需要合理设计单元结构,降低各个单元之间的电容耦合能够在一定程度上降低偶极子谐振频率,使得电流能够传播到相邻单元,从而抵消
3、一部分地平面电抗,维持宽带范围内的稳定阻抗,产生低剖面、超宽带的特性。在设定电抗频率时,需要计算好地平面的电抗变化,使得两者之间实现相互补偿,从而进行网络内的抗组匹配,本设计中的偶极子电抗能够在低频工作时释放电容,在高频工作时释放电感,并与地面电抗呈反向相关,同时再在天线上方放置介质层,有利于阻抗匹配,实现带宽的拓宽。25G 高隔离度双频段线阵的双极化单元仿真设计2.1子单元参数2.1.1尺寸设计本文设计了一款双频段紧耦合相孔阵天线,以达项目名称:2022 年度黑龙江省艺术科学规划项目“5G 技术在广播电视网络融合发展中的应用研究”阶段性成果,项目编号:2022C010。作者简介:吕键(199
4、0-),男,本科,讲师,研究方向:影视录音技术。摘要:本文主要研究应用于 5G 的一维相控阵天线,基于相控阵的构成和一维相控阵天线的扫描原理,设计了一款竖直结构形式的双频段紧耦合相孔阵天线,能够有效增大双极化端口隔离度,以满足广电网络对多频化、宽带化天线的需求。并将天线单元和功分器结构联合进行整体仿真,对结构参数作出改进和优化,通过1伊24 有限阵列的仿真分析,全面总结了各单元的性能。关键词:广电网络;5G;一维相控阵天线;双频段线阵技术中图分类号院TN828文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤27-0097-0497-科学技术创新 2023.27到优化广电网络的 5G 通信
5、系统的目的,其结构中的低频单元及高频单元分别有 3 个子单元和 2 个子单元,前者工作频段的范围集中在 3.33.8 GHz,后者工作频段的范围集中在 5.45.95 GHz,馈电均采用等幅同相的功分器。双极化子单元的结构由宽角阻抗匹配层、紧密耦合的偶极子、折叠的 Marchand Balun和地板共同组成,其中耦合片位于垂直极化和水平极化的交叉处。垂直和水平极化的材料均为 PCB 板,设置在偶极子末端开卡槽。水平极化偶极子有 4 个,垂直间距设置为 16 mm,以保证频带内驻波比的平缓性。为了避免馈电相位差引发的谐振问题,该设计中的子单元尺寸最终设计为 10.5 mm80 mm31.7 mm
6、2。2.1.2结构调整子单元结构较为复杂,具有电流路径多、同极与异极化建耦合强、功分器层数多等特征,需要对其进行调整与优化,改进内容主要有以下三项:第一项是改进匹配层,双极化单元中的阻抗匹配层是厚度为 7 mm 的 Rogers 5880 介质块,在大角度扫描过程中出现了高频驻波过高的问题,因此采用在匹配层上开孔的方式进行处理,通过介电常数的降低实现对表面波传播的阻断;第二项是改进卡槽,开槽的最初对象是两个极化的金属贴片和介质板,但是这种结构导致电流呈现出连续性差的不良特征,改进后保持水平极化金属面的完整性,以便于有效降低驻波比;第三项是改进功分器输入端微带线,为了降低谐振问题的发生概率,应优
7、化输入端微带线长度,在原有基础上适当加长线路,增加回路长度,同时将线路内的低频驻波比谐振点移出。2.2高频单元仿真设计高频单元包含 2 个子单元,水平极化与垂直极化的馈电分别采用一分八和一分六等幅同相功分器,且均被设计为带状线结构,功分器总厚度为 3.24 mm,结构中的 PCB 板为 Rogers 5880 介质板,厚度规格有0.254 mm 和 0.508 mm,介电常数均为 2.2。高频单元中垂直极化和水平极化的馈电网络如图 2 所示,二者的抗阻匹配特性都较好,相位具有较高的一致性,符合相控阵天线的基本标准,即使在系统带宽内的插损值产生了一些浮动,但其整体都控制在0.8 dB 内,不会影
8、响天线的正常运行。以不同的扫描角度测试高频单元中对应的驻波比与隔离度,当单元工作状态稳定在 5.8 GHz 时,扫描角度为 0时,天线在 Z 轴方向上存在最大辐射,具有较好的定向性;扫描角度为60时,高频单元的功率增益在-25 dB 以下,水平极化与垂直极化的交叉极化比较好;不扫描时,高频单元的功率增益也在-25 dB 以下。当频率为 5.45.95 GHz 时,扫描角度范围是60的前提下,两个极化的有源驻波比均未超过 3.2,端口隔离度在未超过-35 dB。综合来看,水平极化与垂直极化的增益会随频率的增大而变大,呈正比例关系,主要是由于列阵增益与波长为反比、与频率为正比,具体可以参考列阵增益
9、理想计算的公式,如式(1)所示。(1)在式(1)中,A 为有限阵列的物理口径大小;为扫描角度;为自由空间波长3。图 2高频单元垂直极化和水平极化的馈电网络结构2.3低频单元仿真低频单元包含 3 个双极化子单元,馈电需要一分十二与一分九等幅同相功分器,总厚度是 3.24 mm,其中垂直极化功分器的厚度为 1.824 mm,水平极化功分器的厚度为 1.316 mm,两者的馈电网络如图 3所示,工作频带内 S11均未超出-15 dB,输出端口幅度差的波动范围是0.8 dB,相位一致性好,都符合相lim24cositAG98-2023.27 科学技术创新控阵的要求4。同样以不同的扫描角度测试低频单元中
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