寬頻帶寬波束磁電偶極子天線設計

張呈輝 曹祥玉高 軍 李思佳

(空軍工程大學信息與導航學院 西安 710077)

寬頻帶寬波束磁電偶極子天線設計

張呈輝 曹祥玉*高 軍 李思佳

(空軍工程大學信息與導航學院 西安 710077)

為了展寬天線的波束寬度，在磁電(ME)偶極子天線的基礎上，該文設計出一種低交叉極化寬頻帶寬波束的新型磁電偶極子天線。通過將振子傾斜彎折，展寬了天線的波束寬度；結合6個寄生振子的對稱加載，提高了輻射方向圖的一致性。在Γ型饋電結構基礎上，優化天線的振子間距和振子長度，實現了天線58.5%的相對帶寬(S11≤-10 dB)，頻帶范圍為2.3～4.2 GHz；對振子傾斜角度以及寄生振子的參數進行優化，在2.4～4.0 GHz的頻帶內實現了輻射方向圖E面和H面同時達到120°以上的半功率波束寬度(HPBW)。測試與仿真有較好的一致性，證明了所設計天線不僅具有寬頻帶寬波束特性，同時在整個頻帶范圍內方向圖的一致性得到了極大地提高。

天線；磁電偶極子；寄生振子；寬波束；寬頻帶；一致性

1 引言

寬角度掃描的相控陣天線在機載、艦載雷達、衛星通信以及氣象預測預報等領域中發揮著越來越重要的作用[1]。天線陣列的性能極大程度上依賴于單元的設計[2]，但目前能夠同時滿足寬頻帶寬波束且E面、H面一致性較好的天線單元卻鮮有報道。研究表明，增加天線介質層，減小反射板，使用3維反射板結構等[3-6]，都可以展寬天線的輻射方向圖，但相對帶寬不足10%。近期, 文獻[7]和文獻[8]分別提出波束寬度達到197°和115°的天線，相對帶寬僅為3.4%和3.3%，仍不能實現天線較寬頻帶內E面、H面同時滿足120°以上的波束要求。因此E面H面輻射一致的寬帶寬波束天線單元設計亟待解決。

為了提高天線輻射方向圖的一致性，文獻[9]首次提出磁電(Magneto-Electric, ME)偶極子天線，該天線利用電偶極子和磁偶極子方向圖互補疊加原理，使天線E面和H面的輻射方向圖近乎一致，其相對帶寬為44%(S11≤-15 dB)，在1.85～2.89 GHz的頻帶范圍內，增益波動僅為0.5 dBi，方向圖穩定。隨后各類磁電偶極子天線紛紛被提出[10-13]，這些天線在頻帶范圍內都具有E面H面一致且穩定的方向圖，且交叉極化和后向輻射都很小，但半功率波束寬度(Half Power Beam Width, HPBW)卻很窄，E面和H面HPBW僅為70°左右。本文在磁電偶極子天線基礎上，設計了一種低交叉極化的寬帶寬波束天線。通過電偶極子傾斜彎折并結合在反射板上對稱加載寄生振子的方法，同時實現了寬頻帶和寬波束性能，在2.4～4.0 GHz頻帶范圍內使E面和H面HPBW展寬至120°以上。

2 天線結構與設計

所設計的天線結構如圖1所示。將磁電偶極子天線的水平振子進行傾斜和彎折，改善天線的匹配性能，展寬了天線的輻射方向圖，在反射板上中心對稱的加載6個寄生振子，提高了天線的輻射一致性，使天線在整個頻段內輻射穩定。垂直貼片一端和電偶極子(水平振子)相連，另一端接地短路，兩個垂直貼片與中間的短路地板構成了磁偶極子[15]。天線采用Γ型饋電結構，饋線末端與微帶轉接頭(Sub-Miniature-A, SMA)相連，對饋線參數進行優化，可達到很好的匹配效果。加載的寄生振子高為H1=22 mm，寬為W1=12 mm，對稱放置于半徑為R=28 mm的圓上，如圖1(c)所示。整個天線的尺寸大小為60 mm×60 mm×30 mm(0.65λ×0.65λ× 0.32λ,λ=92.3mm，為中心頻率3.25 GHz處的工作波長。天線長度Gl=60 mm, 天線寬度Gw=60 mm)。表1給出了天線的具體參數。

3 參數優化與仿真分析

利用電磁仿真軟件HFSS14對天線進行仿真分析。首先分析未加載寄生振子時振子間距S、傾斜角度α以及振子長度L, L1對天線的匹配性能和方向圖的影響，其次研究了加載寄生振子對天線的作用。在仿真分析的過程中，始終保持饋線尺寸、反射板大小和振子高度不變，這是因為選擇當前饋線尺寸時天線匹配性能良好，而對于偶極子天線來說，反射板放置于距離/4λ的位置時能夠實現單向輻射，而反射板的大小則直接影響天線的輻射方向圖。

3.1 振子間距S

圖2(a)給出了天線增益和S11隨振子間距S的變化，隨著S的增大，低頻諧振點向高頻移動，天線帶寬有所縮窄，天線增益在中心頻點附近幾乎沒有影響，在高頻段S最小時增益最低。圖2(b)給出了在3 GHz頻點處，天線E 面和H面的HPBW隨S變化的曲線，由圖可知，H面的HPBW大于E面，考慮天線在E面和H面的輻射一致性，結合帶寬、增益要求，選擇S=17 mm。

3.2 傾斜角度

由圖3(a)可知，隨著傾斜角度的增大，低頻諧振點向高頻移動，帶寬變窄，天線增益在2.0～4.0 GHz的頻帶范圍內相對穩定，當α為30°時，高頻段的增益最低。圖3(b)為3 GHz時天線E面H面的HPBW隨傾角α的變化曲線，當α為50°時，E面HPBW最大，且E面和H面HPBW相差較小，但此時天線的帶寬最窄，高頻段增益較大，導致在高頻段天線的輻射方向圖波束較窄，綜合考慮取α為30°。

3.3 振子長度

為了使天線在較寬的頻帶范圍內實現寬波束，要求具有平緩的增益曲線，且在整個頻帶內增益不能過高。因為天線輻射功率固定，鼻錐方向增益的降低，使天線HPBW變寬，而高頻段增益較高時，方向圖出現裂瓣。圖4(a)表明，隨著L的增大，天線的匹配性能有所改善，增益在頻帶范圍內波動較小，在高頻段，L=15 mm時增益最小；天線增益和S11隨L1變化的曲線如圖4(b)所示，依據相同的優選原則，選取L1=9 mm。

圖1 天線結構

表1 寬帶寬波束磁電偶極子天線相關參數(mm)

圖2 振子間距S對天線匹配及輻射的影響

圖3 傾斜角度α對天線匹配及輻射的影響

圖4 振子長度L, L1對天線匹配和增益的影響

3.4 寄生振子

在反射板上對稱加載六個寄生振子[16-18]如圖1(c)所示。加載后天線低頻段增益下降約3 dBi，天線在整個頻段內的一致性得到極大提高，鼻錐方向輻射減弱，主輻射方向四周的輻射增強，天線的HPBW得到展寬。但匹配性能有所惡化，低頻諧振點消失，高頻略有拓寬，絕對帶寬縮窄386 MHz，如圖5所示。圖6為不同頻點對應的方向圖，在2.4～4.0 GHz的頻帶范圍內天線E面H面的HPBW均大于120°。實際上，加載的寄生振子相當于小型振子天線，寄生振子同時輻射，補充了主輻射方向周圍的弱區，使天線的波束寬度和輻射一致性都得到了很大的提高。

圖7為3 GHz時天線的電流分布圖。在相位為0°時，傾斜振子上的表面電流沿振子指向同一方向，兩個垂直貼片上的電流最小，此時電偶極子起主要作用，而寄生振子類似于單極子，左側寄生振子電流向下，右側朝上，對主輻射方向的弱區起補充作用；相位為90°時，傾斜振子上的表面電流最小，垂直貼片上的電流最大，磁偶極子起主要作用，寄生振子輻射最小；相位為180°時，電偶極子再次起主導作用，寄生振子輻射，電流方向與相位為0°時相反；相位為270°時磁偶極子起主要作用，電流方向與相位為90°時相反，寄生振子輻射最小。

由以上分析可得，調節天線的結構尺寸控制電偶極子和磁偶極子工作的幅度和相位，使天線可以在寬頻帶范圍內實現穩定的輻射方向圖，而調節寄生振子的位置和尺寸大小則能有效補充主輻射方向四周的弱區，達到展寬HPBW的目的。

4 加工實測

圖5 未加寄生振子和加載寄生振子后的天線增益和S11對比圖

圖6 不同頻點2維方向圖

圖7 不同相位的電流分布圖

為驗證設計天線的寬頻帶寬波束特性，對圖1所示天線模型參數優化后加工實物，利用Agilent N5230C矢量網絡分析儀對天線的S11和輻射方向圖進行測試。圖8給出了仿真和實測S11曲線。測試表明，-10 dB以下帶寬為2.4～4.3 GHz，相對帶寬為58.5%，測試結果和仿真結果基本吻合，頻帶范圍一致，略向高頻偏移，這主要是Γ型饋線焊接時同兩側短路貼片的距離誤差及測試環境引起的。

圖8 仿真和實測的S11曲線

圖9為天線在2.4 GHz, 3.0 GHz, 3.6 GHz和4.0 GHz處的仿真和實測E面、H面2維方向圖。由圖可知，E面H面具有近乎一致的方向圖，波束寬度得到極大展寬，除3.6 GHz的E面HPBW未達到120°外，其他頻點E面和H面的HPBW均大于120°，且在整個頻帶范圍天線方向圖非常穩定，交叉極化小于-15 dB，仿真與實測之間的差異主要是由天線加工誤差、測試環境等因素造成的。

5 結束語

在磁電偶極子天線的基礎上，通過將振子傾斜彎折并結合在反射板上加載寄生振子的方法，設計出一種新型的寬頻帶寬波束磁電偶極子天線。仿真結果表明，在2.3～4.2 GHz的頻帶范圍內滿足電壓駐波比VSWR≤2，并且在2.4～4.0 GHz的頻帶范圍內天線E面和H面輻射方向圖的HPBW同時大于120°，交叉極化均小于-15 dB。實測結果和仿真具有較好的一致性，證明了該天線的低交叉極化、寬頻帶寬波束輻射特性。

圖9 不同頻點處天線的測試和仿真方向圖

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張呈輝： 男，1989年生，博士生，研究方向為微帶天線、寬波束天線設計、人工電磁材料等.

曹祥玉： 女，1964年生，教授，博士生導師，研究方向為天線與電磁兼容、電磁超材料、計算電磁學等.

高 軍： 男，1962年生，教授，碩士生導師，研究方向為電磁散射理論、電磁超材料、天線設計等.

李思佳： 男，1987年生，博士生，研究方向為人工電磁超材料、雙極化天線設計等.

Broadband and Wide Beam Magneto-electric Dipole Antenna Design

Zhang Cheng-hui Cao Xiang-yu Gao Jun Li Si-jia
(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

In order to broaden the antenna beamwidth, a broadband and wide beam Magneto-Electric (ME) dipole antenna with low polarization is designed based on the conventional ME antenna. By tilting and bending the dipoles, the beam width of the antenna is broadened; the consistency of the radiation pattern is improved by placing 6 parasitic patches symmetrically around the ground center. Optimizing the space between the dipoles and the length of the dipole based on the Γ-shaped feed structure, a relative bandwidth of 58.5% (S11≤-10 dB) from 2.3～4.2 GHz is achieved. By optimizing the tilting angle and the parameters of the parasitic dipole, the Half Power Beam Width (HPBW) of E-plane and H-plane is simultaneously broadened to 120° in the frequency range from 2.4～4.0 GHz. The measurement results are in good agreement with the corresponding simulation, which not only

prove that the broadband and wide beam characteristics of the designed antenna, but also extremely improve the consistency of the radiation pattern through the whole frequency band.

Antenna; Magneto-Electric (ME) dipole; Parasitic monopole; Wide beam; Broadband; Consistency

TN82

A

1009-5896(2015)03-0758-05

10.11999/JEIT140579

2014-05-06收到，2014-07-18改回

國家自然科學基金(61271100, 61471389)和陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2012JM8003)資助課題

*通信作者：曹祥玉 gigi9694@163.com