基于磁電偶極子的寬帶高增益天線設計*

張雙威 王善進* 陳方園 賴穎欣 鄺偉潮

(1.東莞理工學院電子工程與智能化學院，廣東 東莞 523808；2.廣東工業大學信息工程學院，廣東 廣州 510006；3.浙江金乙昌科技股份有限公司，浙江 嘉興 314000)

隨著5G 通信技術的不斷發展，基站天線的選址不足問題尤為突出，對此有效的解決方案之一是將基站天線的工作帶寬加大。寬帶天線歷來被廣泛研究[1－2]，通過開槽或加載寄生單元等手段改變天線的等效阻抗值，從而改善天線端口與饋電單元的阻抗匹配程度，達到實現天線寬帶工作的目的。例如雙錐天線利用漸變橫截面的輻射單元實現寬帶工作，喇叭天線通過改變輻射口徑達到寬頻帶的目的，對數周期天線依靠特殊結構實現寬帶等都是基于這些原理。此外也可通過設計合適的饋電結構實現天線的寬帶工作，譬如采用共面波導對天線饋電[3]。既往天線雖然能實現良好的帶寬性能，但是其輪廓較大，不符合如今基站天線小型化的發展趨勢。傳統上基站天線廣泛使用偶極子天線結構，其具有結構簡單、工程造價低等優點，但是其工作帶寬較窄，在工作帶寬內增益平坦度變化較大，尤其應對處于高頻段的5G 通信來說，顯得力不從心。2006 年Luk K M，Wong H 提出磁電偶極子天線[4]，從方向圖方面看，磁電偶極子天線是電偶極子天線與磁偶極子天線結合的產物；電偶極子在E 場為8 字形，在H 場為0 形，而磁偶極子恰巧與之相反，當兩者進行恰當的組合及激勵時，可使磁電偶極子天線在E 場和H 場的方向圖形狀一致，類似于一心形圖。文獻[4]的研究結論表明磁電偶極子天線不僅可實現大帶寬以及高增益的性能，且尺寸相對緊湊。

已有研究[5]給出磁電偶極子天線的電路模型如圖1。

圖1 磁電偶極子天線電路原理圖

其中LC串聯電路等效為電偶極子，LC并聯電路等效為磁偶極子。顯然電路的輸入導納如式(1)所示。

式中:ω為天線的工作頻率，當電偶極子和磁偶極子在同一頻點諧振時，電偶極子的串聯振蕩回路與磁偶極子的并聯振蕩回路的諧振頻率相等，上式虛部為零可得:

并且從整個電路看，由于電偶極子和磁偶極子的共同作用，使得天線在較大的頻段范圍里等效阻抗值變化平緩，從而實現了較好的增益和帶寬性能。在諧振頻點天線輸入導納的虛部即輸入電納理想上可實現為零，實現電路的良好諧振。

通過改變電偶極子的形狀、利用多層結構、加載縫隙等方式可實現磁電偶極子天線的寬帶性能。Wong H等[6]將電偶極子變換為領結形，改善了天線的阻抗匹配以實現寬帶化的目的；Du Z 等[7]將電偶極子變換為梯形；Chen W 等[8]在電偶極子輻射單元上切割縫隙，通過改變輻射電流的路徑實現寬帶工作。對于多模態通信設的實現，Feng 等[9]、Tao 等[10]及Yang 等[11]采取雙層結構進行多模態寬帶化的設計，Zeng 等[12]則利用缺陷結構構建磁偶極子進行寬帶設計。雖然上述結構能達到多模態通信的目的，但是這些類型的天線其結構往往過于復雜，且增益無法得到有效地保證。

本文基于磁電偶極子的原理設計了一款結構較為簡單、在覆蓋帶寬內增益平坦度變化小的雙極化天線，實現了3G/4G/5G 通信頻段(1.8 GHz～5.0 GHz)的覆蓋。

1 天線結構

圖2 為天線結構圖，圖2(a)為整體結構示意圖、圖2(b)為輻射結構的示意圖。天線主要由電偶極子、磁偶極子、饋電結構、反射結構四部分組成，其中天線底部利用一分二微帶功分器饋電給天線，其基板介質材料為Rogers TMM4(εr＝4.5，thickness ＝1 mm)。圖2(b)中頂部四個方形金屬片為電偶極子，它們下方與之垂直的豎直結構部分及底面構成磁偶極子，正中間垂直正交放置的倒L 形部分是天線的饋電結構，可實現±45°的雙極化輻射效果。四周的金屬盒是天線的反射結構，可提升遠場增益。天線由四個完全對稱的單元(電偶極子和支撐它的豎直金屬板)構成，以下簡稱為小單元。另外，放置于底部縫隙之間的兩塊長方體小金屬塊，可有效改善天線在高頻段的阻抗匹配效果。

圖2 天線結構示意圖及輻射結構示意圖

圖3 為饋電結構，其中與底部功分器連接的豎直部分起到電磁信號的傳輸線作用，高度hK與磁偶極子等高，水平部分則主要完成電磁耦合的作用，將信號耦合到天線上進而進行輻射，其長度dK約為中心頻點的四分之一波長左右，最終長度可通過優化確定。倒L 形饋電線的末端稍短的豎直部分可起到調諧微調作用，通過調整其長度LK，可實現天線良好的端口匹配。通過調整兩個饋線間距hf，可優化饋電功分器端口間的隔離度。這兩個正交放置的倒L 形饋電線除了豎直部分高度hK不同，其它部分的尺寸基本相同，但最終需要通過優化做出微調。

圖3 饋電結構

圖4 為電偶極子的方形輻射單元。其中三個頂角做了兩個小矩形和一個小三角形的切割，尺寸由L2、W2 和W3 決定。其作用在于改變輻射面上電流流向和天線的等效電抗，實現天線寬頻帶的調整。此結構是天線的主要輻射部分。

圖4 小單元

2 天線設計及優化

2.1 微帶功分器設計及優化

利用威爾遜功分器的原理設計優化了適用于天線的一款一分二微帶功分器，以Rogers TMM4 為介質基底，其中功分器的隔離電阻R＝100 Ω。其具體結構如圖5 所示，其中L4－L15代表某段微帶線的長度，nw1－nw12 則代表相應微帶線的寬度。本文采用HFSS 軟件對天線與功分器進行建模、設計與優化。

圖5 微帶功分器整體結構

圖6 所示分別為功分器優化設計后輸入端口駐波比VSWR1，以及S12、S13 和S23 的結果，主要優化了W5－W7以及L5－L7，較優值為W5＝0.5 mm，W6＝0.4 mm，W7＝0.6 mm，L5＝2.4 mm，L6＝5 mm，L7＝2.4 mm。

從圖6(a) 可看出，在1.8 GHz～5 GHz 內VSWR1＜1.4，并且具有多個諧振點。端口隔離度S23 小于－16 dB，基本符合設計要求。圖6(b)表示端口的插損，其兩端口的插損在目標帶寬內均在－3 dB 左右，具有較低的插損，因此所設計的微帶功分器基本符合性能指標。

圖6 功分器設計結果

2.2 電偶極子設計及優化

圖7(a)所示為電偶極子輻射單元。將方形輻射面的三個頂角進行小矩形及小三角形切割，構成所謂方形及三角形縫隙加載。方形輻射單元的長度通常在中心頻點四分之一波長的基礎上進行微調優化，圖7(b)所示為本文電偶極子方形輻射單元縫隙加載過程。對矩形圖7(b)－1 進行對角小矩形切割得到圖7(b)－2，進而再切割等腰三角形縫隙后得到圖7(b)－3。通過調整縫隙尺寸可實現良好的阻抗匹配，拓展帶寬。

圖7 電偶極子圖形及設計優化

圖8 所示為電偶極子方形輻射單元縫隙加載前后S11 的變化曲線，是基于上述7(b)模型1－3 的仿真結果比較。由圖可見，在4 GHz 之前，三者走勢無大的差距，4 GHz 之后的模型1 的S11 的走勢明顯弱于模型2 與3，說明縫隙加載對于天線性能起到了一定的改善作用，對比模型2 與3 可看出，3 的性能略優于2，其原因在于3 較2 加載了三角形縫隙。

圖8 不同形狀的電偶極子的S11 對比圖

本文采用模型3 作為電偶極子輻射單元結構。圖9 顯示切割的矩形縫隙與三角形縫隙的關鍵參數L2、W2、W3 對天線性能的影響。經過優化可得到三個參數的較優值，分別為L2 ＝2 mm，W2 ＝6 mm，W3 ＝3 mm。

圖9 L2、W2、W3 對天線S11 的影響

2.3 磁偶極子設計及優化

磁偶極子由支撐電偶極子的相互正交且短接于底板的豎直金屬部分及介質金屬涂層組成，其模型如圖10 所示，可將其理解為縫隙天線，其高度H可根據天線中心頻率的四分之一波長進行優化得到。

圖10 磁偶極子

磁偶極子內部縫隙的寬度通常小于中心頻率0.1 倍的波長，縫隙寬度LS的優化結果如圖11所示。

圖11 LS 參數對天線S11 的影響

本文在磁偶極子縫隙中短接加載了兩塊矩形金屬塊，其對天線性能的影響可通過圖12 看出，當加載矩形金屬塊，磁偶極子相鄰的兩單元的阻抗特性在高頻段得到一定的改善，阻抗匹配的效果更佳。

圖12 矩形金屬塊對天線S11 的影響

2.4 天線優化結果

天線主要實現1.8 GHz～5.0 GHz 頻段的覆蓋，目的在于同時覆蓋3G/4G/5G 的頻段。圖13 給出S11 和VSWR 隨頻率的變化圖，從圖13(a)中可以看出S11＜－10 dB 的頻段為1.8 GHz～5.5 GHz，滿足我們所需求的頻段目標。

圖13 天線端口匹配性能圖

圖14 顯示增益隨頻率變化圖，可看出增益在所需頻段1.8 GHz～5.0 GHz 內大于8 dBi，在5 GHz 后下降明顯，峰值增益為10.5 dBi，整個區間內的平均增益大于9 dBi，具有較好的遠場輻射性能，在所覆蓋的目標帶寬內增益平坦度變化較為平緩，基本符合設計要求。

圖14 天線增益隨頻率變化圖

圖15 為天線在2.4 GHz、3 GHz、3.5 GHz、4 GHz、4.8 GHz 時的遠場方向圖。通過這些方向圖可看出所設計的磁電偶極子天線基本符合低后瓣的性能，交叉極化性能經過優化雖改善不大，但也基本符合性能要求。

圖15 天線方向圖

經過最終設計及優化后的天線參數數值如表1。

表1 天線單元參數尺寸表 單位:mm

本文所設計的天線與參考文獻[9，11]的對比如表2，本文增益平坦度為Gainmax－Gainmin。文獻[9]雖然實現兩頻點的設計，尺寸小，但是其增益過低；本文與文獻[11]實現幾乎同等尺寸，但是[11]使用雙層結構，結構略復雜于本文所設計的天線，本文在結構與帶寬連續性方面占有優勢。

表2 所設計天線與其他天線參照表

3 結論

本文設計與優化了一款覆蓋3G/4G/5G 的寬帶天線，天線利用微帶功分器進行饋電，仿真分析可知其具有良好的性能，其相對帶寬大于94.1%(1.8 GHz～5 GHz)，平均增益大于9 dBi，具有低后瓣的性能、且天線結構較為簡單，符合基站天線大帶寬、高增益的設計理念。