新型雙頻雙極化磁電偶極子天線

許婷，陳星

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610000）

0 引言

由于移動通信網(wǎng)絡(luò)的巨大發(fā)展，雙極化天線已經(jīng)被廣泛用于對抗多徑衰落和增加信道容量［1］。寬帶基站天線被要求覆蓋現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的多個工作頻帶，例如2G、3G、4G 和Wi-Fi 頻段等，寬帶已經(jīng)是現(xiàn)代天線應(yīng)用中的重要性能要求。此外，基站天線還需要在寬頻帶上具有穩(wěn)定的輻射特性。為獲得這些特性，磁電偶極子天線提供了一個很好的解決方案［2-3］，磁電偶極子天線是一類性能優(yōu)異的寬帶天線。通過電偶極子和磁偶極子的基本理論，可以發(fā)現(xiàn)它們兩者之間存在一種對偶特性。因此，如果通過一定方式同時激勵電偶極子與磁偶極子，使兩者方向圖在兩個極化面進(jìn)行疊加，最終可以在E 面和H 面得到相同的倒立的心型的方向圖。這樣的方向圖具有低后瓣、高前后比和穩(wěn)定的前向輻射性能。

寬帶磁電偶極子（magneto-electric dipole）天線是由Luk 和Wong［4］提出的一種新型的互補天線。將矩形平板電偶極子和等效為磁偶極子的短路板組合起來，采用Γ 型饋電條帶同時對電偶極子和磁偶極子激勵，設(shè)計出的線極化電磁偶極子天線的阻抗帶寬為43.8%（VSWR≤1.5）。并且該天線還同時具有定向輻射，結(jié)構(gòu)緊湊，容易實現(xiàn)雙線極化等特性。與此同時，其E 面和H 面方向圖幾乎一樣，在工作頻帶內(nèi)有飽滿的輻射方向圖。因?qū)拵щp極化天線具有上述優(yōu)良的特性，眾多學(xué)者對其展開了相關(guān)研究［5-7］。在參考文獻(xiàn)［8］中提出了一種新型的磁電偶極子天線，該天線具有體積小、帶寬寬、高端口隔離和對稱輻射模式等優(yōu)點。在參考文獻(xiàn)［9］中，提出了一種差分饋電雙極化磁電偶極子天線，其阻抗帶寬可達(dá)68%。此外，在工作波段內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的輻射圖。在參考文獻(xiàn)［10］天線中提出了一種低輪廓的磁電偶極子天線，當(dāng)駐波比≤1.5 時，該天線的阻抗帶寬為54.8%，并且在工作頻段上具有單向輻射模式。在參考文獻(xiàn)［11］中提出了一種新型的雙頻段磁電偶極子天線，該天線單極化、雙頻段工作，在2.29～3.13 GHz 和4.70～5.85 GHz 的工作頻帶內(nèi)，天線具有良好的方向性。許多工程應(yīng)用要求天線不僅具有寬帶特性，還要同時滿足正交雙線極化和雙頻性能。現(xiàn)有的磁電偶極子天線具有正交雙線極化或雙頻性能，但迄今為止，磁電偶極子天線設(shè)計為正交雙線極化的大多數(shù)都為單頻天線，并未同時滿足正交雙線極化和雙頻性能。因此，本文提出了一款基于雙層陣子結(jié)構(gòu)的新型雙頻雙線極化磁電偶極子天線。

1 天線設(shè)計

本文所提出的天線的幾何形狀如圖1 所示。該天線由采用上下結(jié)構(gòu)排布的四對水平貼片、兩對垂直短路貼片和一對正交Γ 型饋電探針組成。上層水平貼片邊緣開有凸形槽，并且在上層水平貼片和垂直短路貼片的連接處開有兩個切口，下層水平貼片連接到垂直短路貼片切口邊緣，為實現(xiàn)雙頻工作，其電偶極子設(shè)計為包含上層大振子和下層小振子的雙層結(jié)構(gòu)，并且上層大振子為空心結(jié)構(gòu)以減少對下層小振子的電磁遮擋。該天線將兩對磁電偶極子正交放置，從而實現(xiàn)了雙極化輻射；與傳統(tǒng)磁電偶極子天線相比，雙層振子諧振于不同頻率，使得天線實現(xiàn)雙頻工作性能。Γ型饋電結(jié)構(gòu)由三個寬度相同的的金屬條組成，Γ型饋電的最長垂直部分采用漸變結(jié)構(gòu)，使得在超寬頻帶內(nèi)獲得更好的阻抗匹配。每個Γ 型饋電的最長垂直部分可以看作是一條傳輸線，它作為一個空氣微帶線從端口傳輸功率。饋電的其余L 形部分是耦合條。電感將由饋電的水平部分產(chǎn)生，電容將由饋電的垂直部分和最近的偶極子垂直短路貼片產(chǎn)生。因此，可以通過調(diào)整水平和垂直部分的參數(shù)來實現(xiàn)更好的阻抗匹配。每個饋線的水平交叉部分分別采用上階梯狀和下階梯狀，以提高饋電結(jié)構(gòu)的一致性和隔離度。兩個SMA 放置在連接到饋電結(jié)構(gòu)的平面反射器下方。天線底部灰色部分為聚四氟乙烯材料，用以支撐天線結(jié)構(gòu)。表1給出了天線結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸。

表1 天線主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 天線電流分析及參數(shù)分析

通過觀察磁電偶極子天線不同時刻天線表面的電流分布情況可以更好的了解天線的工作原理。圖2 為4 GHz 時一個周期內(nèi)四個不同時刻的天線輻射表面電流分布。

圖2 4 GHz時天線表面電流不同時刻分布

由于天線具有對稱結(jié)構(gòu)，故以下只給出其中一個端口的參數(shù)分析。圖3 為磁電偶極子上層水平陣子長度L1 及高度H1 作為變量，其他參數(shù)保持不變時，L1 以及H1 對天線駐波比的影響。從圖3（a）駐波比曲線圖中可以看出，水平陣子長度L1對天線低頻段的駐波比比較為敏感，隨著L1的增大，低頻段諧振深度加深，低頻段最低工作頻率有所降低；然而，水平振子長度L1對天線高頻段的駐波比幾乎沒有影響。從圖3（b）駐波曲線圖可以看出，天線高度H1對天線低頻段與高頻段的駐波比都有所影響，特別是對高頻段9～10.5 GHz，隨著H1的增大，諧振深度降低，最低工作頻率向低頻移動。綜上，當(dāng)L1=18.3 mm，H1=17.3 mm 時，天線的阻抗匹配性能良好。

圖3 L1、H1對天線駐波比的影響

3 仿真結(jié)果分析與實測對比

為了驗證天線性能，采用機械精加工方式對該天線進(jìn)行了加工測試，之后對天線進(jìn)行安裝焊接，天線金屬部分均采用鋁合金材料進(jìn)行制作，天線底部使用聚四氟乙烯進(jìn)行支撐，加工實物如圖4 所示。天線電壓駐波比（VSWR）使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，天線增益和遠(yuǎn)場輻射方向圖由暗室測量系統(tǒng)測得。

圖4 天線實物

圖5 為天線兩個端口的仿真與實測的VSWR曲線對比結(jié)果。從圖中可以看出，端口1 實測的駐波比小于2 的頻段為3.4～6.2 GHz、8.5～14 GHz，仿真為3.4～6G Hz、8.4～14 GHz。端口2 實測的駐波比小于2 的頻段為3.4～6.2 GHz、8.5～13.8GHz， 仿 真 為3.5～6 GHz、 8.4～14 GHz。仿真與實測結(jié)果吻合良好，兩個端口分別饋電且天線對稱，得到天線的平均阻抗帶寬為58.3%（3.4～6.2 GHz）和47.5%（8.5～13.8 GHz）。

圖5 仿真與實測駐波對比

天線為雙線極化工作模式，且天線結(jié)構(gòu)高度對稱，故僅給出了其中一個極化方向的方向圖測試結(jié)果。選取天線工作頻帶內(nèi)的6處頻點（低頻段與高頻段各3 個），分別測試其E 面、H 面方向圖。圖4 為在頻率分別為4 GHz、5 GHz、6 GHz、8.5 GHz、10.8 GHz、12.4 GHz 時仿真與實測的歸一化E 面和H 面輻射方向圖。從圖6 中可以看出仿真和實測吻合良好，且在低頻段該天線的E 面和H面方向圖都具有良好的定向輻射特性。

圖6 天線方向圖的實測與仿真對比（續(xù)）

圖7 繪制了典型頻點的天線增益仿真和實測值對比，從圖中可以看出，天線仿真與實測結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)表明該天線在工作頻點內(nèi)低頻段實測增益為7.6±0.5 dBi，高頻段實測增益為9.5±1.3 dBi。

圖 7 仿真和實測的增益曲線對比

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款具有雙層結(jié)構(gòu)的新型磁電偶極子天線，該天線采用雙層輻射陣子結(jié)構(gòu)，具有雙頻工作和雙線極化特性。根據(jù)仿真和實測結(jié)果，該雙極化磁電偶極子天線能夠在3.4～6.2 GHz 和8.5～13.8 GHz 兩個頻段內(nèi)實現(xiàn)VSWR<2，相對帶寬達(dá)到58.3%和47.5%。在工作帶寬內(nèi)具有較為穩(wěn)定的定向輻射特性，低頻段增益為7.6±0.5 dBi，高頻段增益為9.5±1.3 dBi。因此，該天線在寬帶雙頻段通信系統(tǒng)中具有巨大潛力。