随着移动通信技术的快速发展和5G时代的到来,对移动通信基站天线提出了越来越高的要求。一方面,要求基站天线具有全向辐射特性和高增益特性;另一方面,由于双极化天线具有增加信道容量、可实现多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信的特点,因此,全向双极化天线已经成为未来的一个重要发展方向。另外,由于极化可重构天线可以扩大天线的应用范围,因此本文针对5G通信对MIMO基站天线的要求,研究工作在3.5GHz 5G通信频段的高性能全向双极化天线阵和极化可重构全向天线阵的设计与实现方法。主要研究内容和成果如下:1.提出并设计了一种全向水平/垂直双线极化天线。该天线由一个印刷圆环天线和一个位于圆环中心的印刷偶极子天线组成。圆环天线通过加载缝隙电容使其表面分布的电流均匀同相,从而辐射全向水平极化波;为了减小天线尺寸,采用折顶偶极子天线辐射全向垂直极化波。结果表明,该天线可以实现水平/垂直双线极化波辐射,且在两种极化状态下,方向性图不圆度为±1.2dB,增益大约3dBi左右,在3.4GHz～3.6GHz频段内,|S11|<-20dB,具有良好的匹配性能。2.以全向水平/垂直双线极化天线作为单元天线,提出并设计了一种全向双线极化4元天线阵。根据零相移超材料传输线的工作原理,基于平行平板传输线结构,提出并设计了一款新型超材料串联馈电网络。该馈电网络比传统串馈网络的尺寸减小一半,且对天线的辐射场影响很小。利用两个超材料馈电网络分别对圆环天线阵和偶极子天线阵进行等幅同相馈电,构成了全向双极化天线阵。测试结果表明,该天线阵在5G频带3.4GHz～3.6GHz范围内,|S11|<-1 5dB,可以实现水平/垂直双线极化波辐射,且在两种极化状态下,方向性图不圆度为±2.5dB,增益大于7dBi,实现了全向高增益双线极化辐射特性。3.基于全向水平/垂直双线极化天线阵结构,提出并设计了一种全向极化可重构天线阵。通过在馈电网络中加入射频开关和移相器,实现了天线阵的极化可重构。射频开关通过控制二极管的状态控制馈电信号的通路,移相器由微带双分支定向耦合器构成。当信号通过有移相器的支路进行馈电时,水平分量相位超前/滞后垂直分量90°,辐射左/右旋圆极化电磁波;当信号通过的支路没有移相器时,水平分量相位与垂直分量无相位差,辐射水平/垂直极化电磁波。基于理论和仿真设计结果,对整个天馈系统进行了加工和测试。测试结果表明,该天馈系统能够实现水平/垂直线极化与左旋/右旋圆极化间的极化重构,且在每个极化方式下,天线阵的增益均大于6.5dBi,不圆度为±2.5dB,且在3.4GHz～3.6GHz频段内,|S11|<-15dB,左、右旋圆极化波的轴比AR<3dB,满足设计要求。……
