随着5G的发展及推广,针对5G基站天线的研究热度越来越高,因为相较于4G,在5G通信系统中基站天线在功能上有着很大的变化,其中最为关键的功能即为波束扫描。5G基站天线实现波束扫描的思路总体来说有两种,一是组合大规模天线阵列,通过馈电网络的相移实现波束扫描;二是利用电磁透镜对电磁波束的汇聚作用,通过切换不同馈源的射频开关实现波束扫描。针对这两种实现波束扫描的方式,5G基站天线研究的关键问题大致有以下几点:1.基站天线单元的小型化;2.在减小天线阵列间距的同时保证阵中端口之间的隔离度不恶化;3.电磁透镜的制作工艺;4.电磁透镜馈源天线的结构设计。本文针对上述5G基站天线的特点设计并加工了三款实物:第一款为一个低剖面双极化圆形介质贴片天线单元;第二款为一个用于提高天线阵列阵中端口隔离度的去耦天线罩;第三款为一个基于3D打印制作的毫米波波段介质透镜天线阵列。前两款实物实现波束扫描的思路是组合大规模天线阵列,而第三款实物则是通过利用透镜的波束汇聚作用实现波束扫描功能。首先针对5G对基站天线小型化的要求,设计并加工了一款针对Sub-6G工作频率为2.515-2.675GHz的低剖面双极化圆形介质贴片天线。天线部分是两层相同的圆形介质压合而成,在圆形介质顶层分别有圆形的金属贴片,压合后则有一层金属在天线的正中间,这种设计使得在两层金属片之间形成较强的谐振电场,从而获得了较高的增益。馈电网络印刷在一个双层的矩形介质板上,通过两个端口控制±45°的耦合线进行馈电,实现了正交的双极化。圆形介质与馈电网络通过粘合剂粘合在一起,整体结构简单可靠。天线最终的高度仅为0.06λ₀（λ₀是2.6GHz时的波长）。对天线进行了实物加工和测试,测试结果表明,在2.515-2.675GHz频段内,S11参数小于-10dB,隔离度为-30dB左右,增益实测结果最高9.8dB（2.6GHz频点处）,水平切面半功率波瓣宽度为80°±3°,垂直切面半功率波瓣宽度为33°±2°。其次针对改善阵中隔离度的要求,设计了一款适用于前文提出的天线单元的去耦天线罩。天线罩主体是一层低介电常数、低损耗的介质板,在上面印刷了周期性排列的金属贴片结构,通过调整金属贴片的形状以及天线罩到天线阵列的距离,使得天线罩产生的反射波与阵中的耦合波幅度相同相位相反,二者相互抵消,从而达到增加隔离度的效果。将前文设计的单元组合成一个二元天线阵来研究阵中相邻单元间端口隔离度的问题,对天线罩和天线阵列进行了实物加工并进行了联合测试,测试结果表明加载去耦天线罩前天线阵列单元内异极化隔离度为-20dB左右,单元间同极化隔离度为-22dB左右,加载天线罩后单元内异极化隔离度在2.5-2.61GHz之间约改善了8dB左右,并使得单元间同极化隔离度在2.5-2.68GHz之间得到明显改善,其中在2.6GHz频点处改善了10dB。比较加载天线罩前后天线的实测辐射方向图特性发现,天线罩能够在保证天线单元辐射特性基本不变的前提下改善端口隔离度。最后针对电磁透镜制作工艺和馈源天线的结构,设计了为一款基于3D打印制作的毫米波波段透镜天线阵列。利用3D打印技术制作电磁透镜,精确度高达0.01mm,且成本低。透镜天线阵列的工作频率是25.5-26.5GHz,其结构分为两个部分:第一部分是基于3D打印的“蜂窝煤”状介质透镜,在一个圆柱形的介质中打许多规则排列的空气通孔,从内至外有介电常数渐变的效果;第二部分是一个圆弧形的馈源天线阵列,天线单元为贴片天线,排列方式是4行8列,天线单元都粘合在一个金属材质的圆弧形结构上面,通过32个连接器直接给天线单元馈电,此馈源天线的结构与“蜂窝煤”状透镜匹配度较高,使用起来操作简单。对透镜和天线阵列进行了实物加工和测试,测试结果表明透镜对天线单元的辐射方向图产生了汇聚作用,使得最大增益较原始天线单元提高了9.8dB,达到了15dB,HPBW为15°±3°,能够在水平面120°内实现波束扫描的功能,相邻波束之间间隔15°±3°。实测结果证明基于3D打印的透镜天线阵列可以在毫米波波段实现波束扫描功能。