基于人工磁导体的低矮高隔离双极化基站天线

更小的基站塔，为更互联的世界

随着手机、智能传感器和无线设备的激增，将它们连接到网络的金属与电子装置也必须跟上脚步。本研究着眼于这一难题中一个安静但重要的环节：如何构建更小、更易部署且在高流量下仍能可靠工作的基站天线。作者展示了一种在保持强信号并减少通道间干扰的同时，缩减5G基站天线高度的方法，这有助于在拥挤的城市中提升网络性能。

为什么天线尺寸与信号清晰度重要

现代系统如5G、物联网、卫星和军用无线电都依赖能在宽频带工作并实现多方向极化收发的基站。同时使用两种极化能在相同频谱中承载更多数据，并在信号被建筑物等反射时改善接收。但这存在权衡：许多提供宽带且双极化的天线体积较大，导致成本上升、难以在屋顶隐蔽部署，并限制阵列中可容纳的单元数量。本工作的目标是在保持宽工作带与双极化能力的同时，减少垂直尺寸并进一步降低天线两个端口之间的不期望耦合。

一种新的信号展开方式

研究人员从一个平面十字形金属贴片作为辐射体入手。通过精心修剪贴片的角部并在其中开窄缝，他们在邻近频点处产生多个谐振，这些谐振合并成3.1到4.1 GHz的宽工作带，该频段为许多Sub-6 GHz 5G服务所用。对金属贴片上电流路径的这种塑形使天线在保持紧凑的同时不失带宽。他们还设计了巧妙的馈电结构，使用两条相互垂直、分层的微带线，使两个输入端口不再直接叠放在一起。该布局提供了两种独立极化，同时限制了馈电之间的直接耦合。

用“智能镜”替代金属平板

传统基站天线通常距离实心金属板约四分之一波长，该金属板对电磁波起镜像作用。固定的间距决定了很大一部分垂直尺寸。团队用一种称为人工磁导体（AMC）的工程化表面替代了这种简单的镜面，该表面由一系列小的图案化单元构成，并与地板板通过薄空气间隙隔开。在目标频带内，该表面对波的反射是同相的，而非翻相，因此天线可以更靠近安装仍保持高效辐射。该特殊表面还抑制了沿板面传播的旁向表面波，否则这些表面波会将能量从一个端口传播到另一个端口，是密集天线阵列中干扰的关键来源。

实验室内的性能测试

通过数值仿真，作者研究了空气层高度、电路板厚度和单元尺寸如何影响该人工表面的反射特性。他们证明引入空气间隙可显著扩大有用的同相反射带，同时在材料损耗和成本之间取得平衡。在选择了11×11单元的排列后，他们制作了物理原型并测量其性能。在3.1到4.1 GHz的频带内，天线保持了对馈线的良好匹配，提供至少8.5 dB的增益，并将两端口之间的泄漏控制在非常低的水平。测得的辐射方向图随频率变化保持稳定，且非期望的极化分量远弱于主信号。

对未来网络的意义

最终设计的平面尺寸约为一侧四分之一波长，高度仅约为一成波长，明显比许多可比的双极化基站天线更薄。与此同时，它在通道间实现了强隔离、合理的增益，并基于印刷电路板和规则金属单元格网格实现了简单构造。对于网络部署者而言，这类低矮、高隔离的天线可更容易在有限空间内容纳更多单元，提升5G阵列的服务质量，并减少对城市景观的视觉影响。该工作展示了通过同时设计辐射贴片与其下方反射表面，如何在实际无线系统中平衡尺寸、带宽与信号清晰度。

引用: Zhang, L., Wang, Y., Dang, W. et al. A low-profile high-isolation dual-polarized base station antenna based on AMC. Sci Rep 16, 15822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46941-9

关键词: 5G天线, 双极化, 人工磁导体, 基站设计, 低矮天线