研究背景随着无线通信需求的持续增长第五代5G通信系统正在快速发展其具有大规模连接、大带宽吞吐量和低延迟等特点。许多国家已将N78频段3.3-3.8 GHz分配给5G服务。然而2G/3G/4G通信系统将与新授予的频谱共存这意味着5G通信系统必须与其前代系统兼容。因此新的基站天线阵列必须同时支持5G频段以及之前的2G/3G/4G频段如0.82-0.96 GHz用于2G1.8-2.2 GHz用于3G2.3-2.7 GHz用于4G。此外为了节省安装空间5G大规模MIMO天线阵列需要与原有的2G、3G和4G天线工作在同一孔径内这对当今多频段天线阵列的开发构成巨大挑战。近年来学界已经开发出许多新技术用于在紧凑空间内覆盖双频段/多频段。然而在三频段包括低频段LB、中频段MB和高频段HB共享孔径天线阵列中高频天线阵列会受到低频和中频天线的影响中频天线也会受到低频天线的影响。因此三频段共享孔径天线阵列设计面临的挑战比双频段天线阵列设计更大。创新拓扑结构本文提出了一种新颖的三频段共享孔径天线阵列拓扑结构——L-H-M方案低频-高频-中频方案。在该方案中低频天线放置在底层高频和中频天线阵列依次堆叠在低频天线之上。在低频天线上方引入宽带带阻频率选择表面FSS用于抑制互耦并为低剖面高度加载低频天线。图1. 三频段共享孔径天线阵列的拓扑结构。(a) H-M-L方案(b) L-M-H方案(c) L-H-M方案与需要两层FSS的L-M-H方案相比L-H-M方案仅需要一层FSS在实际实施中更为便捷。由于中频天线阵列的天线单元间距大于高频天线阵列可以确保高频电磁波通过中频天线阵列辐射。天线阵列设计基于L-H-M方案作者设计了一个三频段共享孔径双极化天线阵列。阵列由一个工作在低频段0.69-0.96 GHz的天线、一个工作在中频段1.8-2.7 GHz的2×2天线阵列以及一个工作在高频段3.3-3.8 GHz的4×4天线阵列组成。图2. 所提三频段双极化共享孔径天线阵列的几何结构。(a) 阵列的分解三维视图(b) 侧视图(c) 高频天线(d) 中频天线和FSS单元(e) 低频天线FSS层放置在高频天线阵列和低频天线之间。在高频天线阵列中引入去耦栅栏以抑制带内互耦。数值仿真表明传统的直同轴电缆会使低频天线在0.69 GHz的增益降至仅1.07 dBi。因此在阵列中集成了40根螺旋扭转同轴电缆来激励中频和高频天线从而消除传统直同轴电缆对低频天线的影响。高频天线单元由两对交叉环形偶极子组成用于±45°极化操作。中频天线的辐射贴片由四个带通FSS单元组成具有对高频天线电磁透明的特性。低频天线采用两个垂直放置的Γ形巴伦馈电由两个交叉环形偶极子组成并引入四个寄生条以提高交叉极化鉴别度。宽带带阻FSS的工作原理FSS设计对于实现三频段共享孔径天线阵列至关重要。FSS必须设计为高频和中频天线的反射地平面同时允许低频天线的电磁波传播。所提出的FSS在中频和高频段具有出色的反射特性反射系数在两个频段对于TE波和TM波均大于-0.3 dB。图3. FSS在中频和高频的反射系数图4. FSS在中频天线中的性能验证。(a) 端口反射系数(b) 2.2 GHz时的电场分布(c) 辐射方向图性能验证表明所提出的FSS几乎具有与PEC地平面相同的反射能力不会影响中频和高频天线的阻抗匹配和辐射性能。此外FSS在低频段表现出半透明特性传输系数范围为-3.5至-2.0 dB这为低频天线提供了L-C加载有助于在不影响其辐射性能的情况下降低低频天线的高度。测试结果与性能分析为验证该三频段共享孔径天线阵列的新颖概念制作了原型样机并进行了测试。整个天线阵列集成在一个非常紧凑的体积内0.69λL × 0.69λL × 0.177λLλL是0.69 GHz的自由空间波长。图8. 三频段共享孔径天线阵列的制作原型。(a) 制作原型(b) 天线端口编号端口性能测试显示低频天线在0.69-0.96 GHz频率范围内的端口反射系数均低于-10 dB端口间耦合系数均低于-20 dB。中频天线阵列在1.8-2.7 GHz频率范围内实现了反射系数小于-10 dB端口间耦合系数低于-19 dB。高频天线在3.3-3.8 GHz频率范围内实现了满意的输入阻抗匹配端口间耦合系数小于-19 dB。图9-11. 低频、中频、高频天线的端口性能辐射方向图测试结果表明三个频段的天线在各自工作频率范围内均实现了稳定的辐射方向图。低频天线在0.69、0.84和0.96 GHz的典型频率下辐射正常验证了低频天线在整个频段内实现了出色的辐射性能。中频和高频天线同样在各自频段内实现了良好的辐射性能。图12-14. 低频、中频、高频天线的仿真和测量归一化辐射方向图增益和半功率波束宽度测试显示低频天线的测量增益范围为8.04-8.71 dBi中频天线的测量增益在7.5±0.5 dBi范围内高频天线的增益在6.5±0.3 dBi范围内。测量的半功率波束宽度在低频天线中为62°-67°中频天线中为63°-88°高频天线中为80°-105°。这些性能满足微基站应用的实际要求。图15. 低频、中频和高频天线的仿真和测量增益及半功率波束宽度研究意义本文提出的新颖三频段共享孔径天线阵列拓扑具有重要意义。基于L-H-M拓扑三个频段的天线可以正常工作而不受跨频段干扰。同时实现了宽带宽和低剖面。所设计的三频段双极化共享孔径天线覆盖0.69-0.96、1.8-2.7和3.3-3.8 GHz频段阻抗带宽分别达到32.7%、40.0%和14.1%。4×4高频天线阵列、2×2中频天线阵列和一个低频天线集成在紧凑体积内。仿真和测量结果均证明了在所有三个频段内良好的端口特性和远场辐射性能。该天线阵列可扩展为更大的阵列辐射性能和端口特性与当前阵列保持一致。所提出的天线阵列在5G多频段基站应用中具有广阔前景。参考文献D. He, Y. Chen and S. Yang, A low-profile triple-band shared-aperture antenna array for 5G base station applications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 4, pp. 2732-2739, April 2022