深圳大学提出一种适用于5G的宽带宽波束双圆极化磁电偶极天线/阵列及元柱加载结构

摘要——本文介绍了一种双圆极化（CP）磁电偶极天线。该双CP天线设计成环形结构，并采用3D打印技术制造。为解决高侧向增益与宽半功率波束宽度之间的矛盾，提出了一种新的波束宽度扩展技术：在环形偶极子附近沿圆周均匀布置了12个元柱体；根据设计曲线确定元柱体的数量和尺寸；在3.2至5.4 GHz的宽有效带宽范围内（覆盖率达51%），实现了正交平面上108°的对称波束宽度及6 dBic的侧向增益，充分满足5G新无线电（NR）频段n77、n78、n79的需求；该天线在4.15 GHz频率下体积仅为 0.83×0.83×0.18λ3 。同时研究了由四个双CP单元组成的平面阵列，并与现有阵列进行了比较。关键词——3D打印、双圆极化、半功率波束宽度（HPBW）、元柱体、宽带宽波束天线

结论：本文介绍了一种采用3D打印技术制造的宽带宽波束双CP ME偶极天线。该天线实现了低成本、轻量化及快速量产等产品目标。文中提出了一种新型波束宽度扩展技术：通过十二根元柱对正交环形偶极子进行环向加载。详细阐述了其工作原理与设计流程，并通过实验验证了单个元件卓越的双CP辐射性能。包括ARBWs（3.2–5.4 GHz，51.2%）、BGs（6.9/7.1 dBic）、HPBWs（107°/108°）等关键性能指标均得到实验验证。尤为重要的是，本文引入了 GBWP 这一性能指标，用于量化波束宽度扩展与BG降低之间的权衡关系；该指标还能快速评估特定基站天线的覆盖面积。为提升定向增益，还研究了由双CP单元组成的平面阵列方案：在 LHCP 和 RHCP 两种工作模式下，均实现了14.3 dBic的高增益及43.8°–44.2°的波束宽度（EBW 相近）。我们认为该天线是实现5G及后续通信系统广域覆盖的理想候选方案。