新型雙極化超寬帶交叉偶極子設計

廖梁兵，陳 星

(1.四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064；2.西南電子技術研究所，四川 成都 610000)

0 引言

超寬帶通信系統因其能夠提高數據傳輸率，提升信道容量，降低發射功率，提升多徑分辨率和減小信道干擾而被廣泛應用于航空航天、遙感及射電天文探測等領域[1-2]。雙線極化天線因其能夠消除因多徑傳播帶來的信號衰減，提升信道容量，在航天通信系統中可消除法拉第旋轉效應而被廣泛應用[3]。傳統的超寬帶天線(如對數周期天線、螺旋天線、vivaldi天線等[4])因其具有超過10個倍頻程的阻抗帶寬而備受青睞。交叉偶極子天線易同時實現雙極化和超寬帶特性。文獻[5]通過加載一組地平面來隔離輻射單元和饋電巴倫，設計了一款具有高隔離度、高極化純度的雙線極化交叉偶極子天線，其端口隔離度在2.7～3.0 GHz內高達52 dB，主平面內的交叉極化電平低于-40 dB。磁電偶極子天線是一種采用Γ型結構耦合饋電的寬帶定向天線[6]，因其能同時滿足寬帶、定向、低交叉極化及低后瓣等優良特性而被廣泛研究和應用[7-9]。文獻[8]提到一款介質集成的磁電偶極子天線被應用在5G WiFi頻段，其相對阻抗帶寬為18.74%。Kai-wen Yang等[9]提出了一款具有125%的相對阻抗帶寬的磁電偶極子天線，通過加載三角形地可以提高高頻軸向增益的穩定性。

本文基于磁電偶極子的耦合饋電結構，在接地反射面上方λ/4(λ為中心頻率所對應波長)處正交放置兩對交叉環形偶極子，設計了一款同時具有超寬帶、雙線極化、軸向輻射的新型交叉偶極子天線。測試表明，該天線的阻抗帶寬(電壓駐波比<2)可達83.9%。

1 天線結構設計

本文設計的雙極化超寬帶軸向交叉偶極子天線如圖1(a)所示。首先，采用一個方形金屬平面作為反射地，保證天線具有較低的后瓣；然后，在金屬反射地上切出2個圓孔，并將一對同軸連接器的內導體和介質層穿過該圓孔,分別與一對正交放置的Γ型饋電結構相接觸，如圖1(b)所示，從而實現2個正交極化饋電，兩支饋電結構在垂直平面內的高度差為3 mm；其次，將兩對平面電偶極子進行中心掏空處理，形成兩對環狀陣子，實現了電偶極子的輕薄設計；最后，將該電偶極子放置在金屬反射面上方λ/4處，使反射波與前向輻射波在+z方向同相疊加，最終具有軸向輻射。電偶極子與金屬地之間通過兩對垂直金屬平板作為連接和支撐，如圖1(c)所示，Γ型結構的垂直部分與該金屬平板保持平行，從而可將其視為一段空氣微帶傳輸線。

來自同軸饋電線的電磁信號經過該空氣傳輸線傳輸至環狀電偶極子，進而形成有效輻射。該天線的最終優化尺寸如表1所示。表中，H為電偶極子上表面與天線反射板之間的距離，df為垂直支撐間距，Lfs為Γ型結構的耦合枝節長度。

表1 優化后的天線尺寸 單位：mm

2 仿真分析

2.1 電壓駐波比與端口阻抗

采用電磁仿真軟件HFSS對上述結構進行建模仿真，仿真所得電壓駐波比曲線如圖2(a)所示。由圖可知，該天線在1.3～3.3 GHz內可實現電壓駐波比<2。天線端口輸入阻抗如圖2(b)所示，兩端口的輸入阻抗實部約為50 Ω，虛部約為0，實現了與50 Ω傳輸線的良好匹配。由于天線結構的對稱性，兩端口的電壓駐波比曲線和端口輸入阻抗曲線變化趨勢基本一致。

2.2 表面電流分析

為了闡述該天線的工作過程，當天線工作在中心頻率2.5 GHz時，一個時域周期(1T)內環形偶極子和垂直支撐板的表面電流分布如圖3所示。為了清晰表示，只給出了兩個相鄰陣子的電流分布情況，另外兩個相鄰陣子的表面電流幅度分布與圖中的分布類似。此處，以左側端口接激勵，右側端口接負載為例進行闡述和分析。當時間t=0、T/2時，表面電流主要分布在垂直支撐板和Γ型饋電條上，在t=0時電流流向為垂直向上，t=T/2時電流流向為垂直向下。環形偶極子的表面電流微弱，如圖3(a)、(c)所示。在這兩個時刻，垂直支撐板和Γ型饋電條作為空氣微帶線進行電流的傳導，天線幾乎不發生輻射。當t=T/4、3T/4時，環形偶極子表面具有很強的表面電流，在T/2時刻電流從天線中心向外部流動，在3T/4時刻電流向天線中心流動，越靠近天線中心，電流密度越大，如圖3(b)、(d)所示。此時，由于環形偶極子下方λ/4處放置了一塊平面反射板，故天線在T/2和3T/4時開始工作并產生軸向輻射。

2.3 參數分析

研究了df、Lf3、H對天線駐波比的影響。由圖4(a)可看出，隨著df的增加，天線的低頻工作點向更低頻率移動，高頻段匹配特性先變好再變差，中間頻段電壓駐波比變小，匹配特性變好，高頻駐波比先變好再變差。由圖4(b)可看出，隨著Lf3的增加，天線的低頻段駐波比幾乎保持不變，中間頻帶駐波比變小，匹配變好，高頻駐波比變差。由圖4(c)可看出，隨著H的增加，天線在低頻的工作頻帶進一步向更低頻率移動，中間頻段的電壓駐波比幾乎保持不變，高頻駐波比變小，匹配變好。

3 加工與測試

為了驗證本設計的有效性和可行性，加工制作了一款天線模型。天線陣子和接地反射板采用鋁材制造，中心饋電條采用黃銅制造，并使用一塊PMI泡沫固定天線中心的饋電條，使其能夠穩定地進行傳輸饋電。最后將該天線放置在微波暗室中進行駐波比和方向圖的測試，如圖5所示。

將天線的仿真和測試駐波比曲線繪制在同一圖中作為對比，由于天線結構的對稱性，以其中一個端口的測試結果為例,如圖6所示。通過對比可以發現，天線的實測駐波比在頻率1.35～3.30 GHz均能滿足駐波比<2，其相對帶寬達到83.9%，仿真和測試結果吻合完好。

圖7為天線方向圖仿真和測試對比結果。由圖可見，測試方向圖和仿真方向圖吻合良好，且在整個阻抗帶寬內都能保持穩定的軸向輻射。其軸向增益如圖8所示，工作帶寬內的測試增益從7.9 dBi變化到8.6 dBi，增益變化僅有0.7 dB。由于天線本身的損耗和測試誤差等因素，天線的測試增益略小于仿真增益0.5 dB，該誤差可接受。

4 結束語

本文設計了一款新型雙極化超寬帶交叉偶極子天線，與傳統交叉偶極子天線不同，該天線采用交叉Γ型結構耦合饋電，實現了在1.36～3.50 GHz(相對帶寬為100%)內的雙極化超寬帶工作。工作帶寬內的電壓駐波比<2，軸向增益從7.9 dBi到變化8.6 dBi，其變化范圍僅0.7 dB。該天線在整個阻抗帶寬內均能實現穩定的軸向輻射，仿真與測試結果吻合良好。因此，該天線在超寬帶通信領域具有巨大潛在應用價值。