一款基于容性加載結構的寬帶磁電偶極子天線

楊浩楠，曹祥玉，高 軍，楊歡歡，李 桐，高 坤

(空軍工程大學信息與導航學院，西安，710077)

現代通信系統的日益復雜對天線的寬帶特性、輻射特性如穩定的增益效果、低交叉極化水平及高前后比等都有著非常嚴苛的要求。文獻[1]中由LUK教授提出的磁電偶極子天線是一款可滿足這些嚴苛需求的天線。這種類型的天線通常由四分之一波長的片狀天線以及二分之一波長的電偶極子天線組成，在整個工作帶寬內都具有優良的電磁輻射特性。該型天線相對阻抗帶寬為43.8%，提升空間巨大。

近年來，一些學者也對寬帶磁電偶極子天線[2-13]進行了深入研究，通過改變天線輻射結構的形狀來提升天線阻抗帶寬。文獻[2～3]均采用了短路蝶形貼片結構取代原始天線中的片狀結構充當磁偶極子天線；文獻[4～5]設計了一款蝶形電偶極子天線。文獻[6]采用了E型的片狀天線結構以及階梯狀的饋電結構。文獻[7]將電偶極子天線及介質集成波導表面的垂直槽組合，設計了一款基于介質集成波導結構的磁電偶極子天線。測試結果表明，這些設計方法均有效提升了天線的阻抗帶寬。然而，蝶形的片狀結構及多層貼片也提高了加工成本。

另外一個提升天線阻抗帶寬的方法是采用不同形式的饋電結構。文獻[8]采用了一種差分饋電結構。該饋電結構需要2個射頻連接頭，增加了天線的加工成本。文獻[9]設計了一種采用雙槽饋電結構的磁電偶極子天線。該天線實現了結構小型化及較高增益的需求。然而，較原始天線而言，這款天線在阻抗帶寬方面的提升有限。文獻[10]設計了一種利用孔徑耦合微帶線饋電的天線，大幅拓展了原始天線的阻抗帶寬。文獻[11]提出了一種差分驅動傳輸線激勵的磁電偶極子天線結構，阻抗帶寬提升效果較為顯著。比起更改天線輻射結構的形狀，通過調整天線的饋電結構來拓展阻抗帶寬的方法更為高效且接近阻抗帶寬的本質。

缺陷地結構及雙頻帶技術也被用以拓展天線的阻抗帶寬。文獻[12]提出了一款帶有缺陷地結構的磁電偶極子天線。該天線同時實現了較為簡單的結構形式以及高達86.9%的阻抗帶寬。文獻[13]中，較短的電偶極子和較長的電偶極子組合，從而實現了雙頻帶工作特性。然而，在這些設計中，天線的交叉極化水平相對較高，均大于-15 dB。我們期望能夠在保持原始天線低交叉極化水平及簡單結構的基礎上提升天線的阻抗帶寬。

基于上述工作，本文提出了一款新型寬帶磁電偶極子天線。天線的結構與文獻[1]中結構類似。不同之處在于使用了一種基于容性加載的特殊的Γ型饋電結構。該饋電結構大幅提高了天線的阻抗帶寬，除此之外，原始天線的一些優良輻射特性，例如相對較高的增益、對稱的輻射方向圖、低交叉極化水平以及低后向輻射得以全部保留。

1 天線結構

圖1給出了天線的三維結構圖。如圖所示，該天線主要包含3部分：第1部分是2個完全相同的彎折鋁板，長度為L、寬度為W、高度為H。第2部分是饋電結構，該結構被放置于整個金屬地板的中心。在原始天線Γ型饋電結構的基礎上增加了2塊用以調整阻抗匹配的鋁板，兩塊鋁板平行放置，相距l2、長度為h2、寬度為b。第3部分是一個用來提升增益及前后比的盒狀金屬圍欄，尺寸為GL×GL×H。表1列出了該天線全部的尺寸數據。

圖1 天線結構

表1 天線尺寸數據

2 天線帶寬拓展機理分析

如圖2所示，文獻[1]中設計的天線在較高頻處(>3.5 GHz)呈現感性，使天線在高頻處完全失配。根據文獻[1]可知，是由Γ型饋電結構的平行鋁板造成，可考慮通過降低高頻處感性來拓展天線阻抗帶寬。基于此，本文在原始天線的饋電結構中金屬平板兩側增添了一對平行放置的豎直鋁板。

圖2 文獻[1]中原始天線及本文改進天線的輸入阻抗

由圖2可以看出，新增加的結構彌補了原始天線在較高頻率處(=3.7 GHz)所呈現的感性，使得原始天線輸入阻抗的虛部由15 Ω降低至-100 Ω，降低幅度為115 Ω，并且輸入阻抗的實部更接近50 Ω。同時，新增加結構在3.7 GHz的容性數值可由式(1)和式(2)得出，經計算為133 Ω(S代表新增加結構的表面積，XC代表新增加結構的容性數值)。仿真數值和理論計算結果均驗證了本文拓寬天線阻抗帶寬方法的有效性。

(1)

(2)

圖3給出了原始天線及本文設計天線的相對阻抗帶寬。根據圖3可得，本文設計的天線在高頻處出現了一個新的諧振點，且相對阻抗帶寬由45.3%提升至89.6%。

圖3 文獻[1]中原始天線及本文改進天線的反射系數

為進一步驗證天線阻抗帶寬拓展效果，利用電磁仿真軟件CST中的特征模分析工具對文獻[1]中天線及本文設計天線結構進行了模式分析。圖4與圖5分別為原始天線及本文設計天線的模式系數。模式系數為1時，天線結構在此頻點發生諧振。從圖4與圖5可以看出，文獻[1]中天線諧振頻點集中于3 GHz以下，而本文設計天線在3.6 GHz附近出現了新的諧振點，從而將天線帶寬拓展至較高頻率。

圖4 文獻[1]中原始天線模式系數

圖5 本文設計天線模式系數

為了證明新加入結構沒有影響磁電偶極子天線的工作模式，圖6給出了2.5 GHz處水平鋁板表面一個周期內的電流分布及天線中央孔徑處一個周期內的電場強度分布。其中，表面電流分布描述了電偶極子天線的工作狀態，孔徑處電場強度分布則描述了磁偶極子的工作狀態。在t=0及t=T/2處(T代表頻率為2.5 GHz時的一個周期)，表面電流強度和孔徑電場強度均變得較為微弱；在t=T/4及t=3T/4處，表面電流強度和孔徑電場強度均變得較為強烈。這個現象說明，在一個周期內，磁偶極子及電偶極子被同時激勵，符合文獻[1]中給出的磁電偶極子天線工作機理。

圖6 2.5 GHz處水平鋁板表面一個周期內的電流分布及天線中央孔徑處一個周期內的電場強度分布

為進一步了解新加入結構的長度對阻抗帶寬拓展效果的影響，本文實施了參數分析。圖7給出了反射系數及天線增益隨長度h2變化的情況。從參數分析的結果來看，天線增益對于h2的變化不敏感。只有當h2>18 mm時，天線在工作頻段內的增益才變得不穩定。然而，天線在較高頻段處的反射系數隨著h2的變化而劇烈變化。當16 mm

圖7 反射系數及增益的仿真數值隨h2變化的情況

3 天線加工及測試

如圖8所示，本文加工了天線樣品以進一步驗證所提出方法的有效性。天線增益及輻射方向圖由遠場測量裝置得出。天線反射系數由安捷倫N5230C矢量網絡分析儀得出。

圖8 天線樣品

圖9給出本文天線的反射系數及增益的仿真與實測數值。天線的實測反射系數(|S11|<-10 dB)為92.5%，工作頻段為1.36～3.7 GHz。新的諧振點出現在3.5 GHz處，驗證了容性加載的有效性。天線的實測反射系數在中頻處發生惡化，與仿真結果差別較大，是由于加工精度有限造成的。仿真發現，反射系數對于參數q的變化十分敏感。在工作頻帶的中頻處，q=1 mm時，天線的阻抗匹配效果最好。因此，q的仿真優化值定為1 mm。然而，受限于加工精度，在實際的加工過程中，很難確保q=1 mm。天線實測的增益數值在整個工作頻帶內為6.68～11 dBi。實測增益結果與仿真結果吻合較好。由圖9可得，天線的實測相對3-dB增益帶寬為85.71%(1.44～3.6 GHz)。實測發現，天線E面方向圖在1.55～3.2 GHz頻帶范圍內保持較好的穩定性，H面方向圖在2～3.2 GHz頻帶范圍內保持較好的穩定性。因此天線的實測相對方向圖帶寬為46.15%(2～3.2 GHz)。

圖9 天線增益及反射系數的仿真值及實測值

圖10給出了天線在1.36 GHz、2.5 GHz及3.7 GHz處的仿真及實測輻射方向圖。

圖10 天線仿真及實測輻射方向圖

由圖10所示，天線的E面與H面方向圖在3個頻點處保持了很好的一致性，說明本文所提出的改進方法并未影響磁電偶極子天線在輻射方向圖上的優良特性。在1.36 GHz及2.5 GHz，E面與H面的交叉極化水平均低于-30 dB。在3.7 GHz處，兩個參考面的交叉極化水平均低于-20 dB，與實測結果吻合較好。

表2給出了本文設計天線與文獻[1～12]中有同樣寬帶特性天線的特性對比。為了拓展天線帶寬，學界提出了許多設計方法。從對比結果來看，文獻[5]及文獻[8]均實現了超過100%的相對阻抗帶寬，但結構復雜度及加工成本也大大增加。文獻[1]、文獻[3]以及文獻[9]中天線相對阻抗帶寬數值均小于本文所提出天線的相對阻抗帶寬數值。綜合考量來看，本文所提出的設計方法在保留原始天線對稱的輻射方向圖基礎上大幅提高了天線的相對阻抗帶寬，同時結構設計較為簡單。

表2 文獻[1～12]中設計與本文中天線的特性對比

4 結語

本文設計了一款新型寬帶磁電偶極子天線。通過分析傳統磁電偶極子天線的輸入阻抗，找到了原始天線在高頻處(>3.5 GHz)阻抗失配的原因。基于此，提出了通過容性加載來彌補感性的設計方法，并為驗證設計方法的有效性而加工了天線樣品。實測結果表明，天線的相對阻抗帶寬可達92.5%，天線平均增益為8.84 dBi，最大增益可達11 dBi，天線在兩個參考平面的輻射方向圖保持了良好的一致性。同時，天線的交叉極化水平被控制在一個比較低的水平。基于這些優點，本文提出的天線適合于多種無線通訊系統，本文所提出的設計方法為設計寬帶天線提供了有益的參考。