一種磁電偶極子基站天線設(shè)計(jì)*

張澤勝，史姣姣

0 引 言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前的LTE、WiFi、WiMAX等無(wú)線通信技術(shù)對(duì)天線有了更高要求。許多應(yīng)用需要天線具有寬阻抗帶寬、低截面、增益穩(wěn)定、單向輻射方向圖穩(wěn)定、低交叉極化和低后瓣等特點(diǎn)[1]。為此，很多學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)新穎的天線模型，如對(duì)數(shù)周期天線、喇叭天線[2]等，但這類天線尺寸太大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。貼片天線雖然可以單向輻射、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其工作帶寬不能滿足當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)的需求[3]；背腔偶極子天線則因加入了復(fù)雜的腔體設(shè)計(jì)，導(dǎo)致天線輻射不穩(wěn)定[4-5]。

文獻(xiàn)[6]提出了一種新型的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)偶極子天線，通過(guò)Γ型饋電結(jié)構(gòu)對(duì)電偶極子和磁偶極子同時(shí)激勵(lì)，利用磁偶極子和電偶極子的互補(bǔ)性原理[7]，使整個(gè)天線單元的E面和H面具有相同的輻射場(chǎng)圖，在1.85 GHz到2.89 GHz實(shí)現(xiàn)了43.8%的相對(duì)帶寬（SWR≤1.5），且具有低交叉極化、工作頻段內(nèi)增益達(dá)到8 dBi、增益穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。此后，磁電偶極子天線進(jìn)入研究者視野。文獻(xiàn)[8]采用“E”型的水平貼片和彎曲的饋電貼片，實(shí)現(xiàn)了在1.84～3.45 GHz的頻帶范圍內(nèi)的SWR≤1.5。文獻(xiàn)[9]通過(guò)折疊饋電銅片和垂直貼片，在保證天線工作帶寬的條件下，降低了天線高度。

本文設(shè)計(jì)了一種緊湊型的磁電偶極子天線。它包含一對(duì)平面U型貼片和一對(duì)垂直的折疊短路貼片，結(jié)合矩形盒反射板，采用同軸饋電的形式。該模型具有符合當(dāng)前需求的增益穩(wěn)定、E面和H面輻射圖一致、低交叉極化低后瓣等特點(diǎn)，且高度降低到15 mm，同時(shí)直流接地適用于戶外基站天線。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）為天線的側(cè)視圖，圖1（b）為俯視圖，圖1（c）為建模圖。該天線由兩塊水平的U型貼片和兩塊折疊垂直短路貼片組成。短路貼片均由平面金屬片制成，天線通過(guò)同軸線饋電。同軸電纜由地板打洞穿過(guò)，位于兩組貼片中間。其中，同軸電纜的內(nèi)芯通過(guò)長(zhǎng)方形金屬貼片與一側(cè)水平U型銅片相連，外芯通過(guò)折疊的金屬貼片與另一側(cè)水平U型銅片連接，組成平衡balun[10]，以達(dá)到能量傳輸?shù)哪康摹Ｔ谠撎炀€單元中，水平放置的U型貼片充當(dāng)電偶極子天線，垂直短路貼片充當(dāng)磁偶極子天線，由同軸電纜同時(shí)激勵(lì)。同軸電纜外芯與天線直接接地，因此該天線單元具有防雷擊效果，非常適合作為戶外基站天線。天線的具體參數(shù)如表1所示。

圖1 緊湊型結(jié)構(gòu)

表1 天線參數(shù)

2 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)HFSS16.0對(duì)該天線模型進(jìn)行仿真分析，可以得到仿真結(jié)果如圖2所示。圖2為天線的駐波比和增益曲線。從圖2可以看出，該天線的工作頻帶為2.03 GHz到2.97 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到37.6%（VSWR≤2），在此工作頻帶內(nèi)天線的增益穩(wěn)定在10 dBi左右。

圖2 駐波比與增益曲線

圖3 分別表示在2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz情況下該天線模型的輻射方向圖。不難看出，該天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)，E面與H面基本一致，保持著良好的輻射方向性，且由于模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，交叉極化分量較小，在E面與H面上的交叉極化分量都能在-30 dB以下具有良好的方向性。

圖3 天線輻射方向圖

表 2展示了在 2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz三個(gè)頻率點(diǎn)該模型的前后比、3 dB波束帶寬的具體數(shù)值?？梢钥闯?，該模型的3 dB帶寬都在60°左右，前后比都超過(guò)20 dB，滿足基站天線的基本需求。

表2 3 dB波束帶寬和前后比

為了理解垂直折疊短路貼片對(duì)天線性能的影響，下文使用HFSS對(duì)折疊貼片的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。維持折疊短路貼片的總長(zhǎng)度和模型其余參數(shù)保持不變的情況下，通過(guò)對(duì)L1、L2、L3、L4調(diào)整優(yōu)化，以查看天線的回波損耗變化。

首先，分析L2的大小對(duì)天線性能的影響。經(jīng)過(guò)折疊后的垂直短路貼片降低了2L2，在維持2L2+L3=26 mm不變的情況下，仿真結(jié)果如圖4所示。隨著L2變大，天線高度降低，天線的諧振點(diǎn)整體右移且回波損耗變差，說(shuō)明天線高度不能無(wú)限制降低，而隨著天線高度的降低會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配。綜合天線仿真結(jié)構(gòu)，選擇2L2=8 mm。

圖4 S11隨L2變化曲線

在確定L2的前提下，天線的實(shí)際高度已經(jīng)確定為H-2L2=15 mm，即L1+L2+L3=15 mm。使L4不變，L1+L3=13 mm的情況下，改變L1對(duì)天線回波損耗的影響，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)L1=1 mm時(shí)，天線高頻點(diǎn)回波損耗下降，但帶內(nèi)駐波比變差。當(dāng)L4小范圍變化時(shí)，回波損耗基本不變。最后，綜合所有因素，確定L1=3 mm，L4=2 mm。

圖5 S11隨L1變化曲線

分析結(jié)果可知，降低天線高度需要犧牲一定的天線帶寬，所以天線的高度只能在一定程度下降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)在的無(wú)線通信需求，設(shè)計(jì)了一款緊湊型寬頻帶高增益電磁偶極子基站天線，工作頻段為2.03～2.97 GHz，通過(guò)改變饋電方式和折疊垂直短路貼片，有效降低天線高度，并使用U型水平貼片擴(kuò)展天線帶寬，降低回波損耗。在工作頻段內(nèi)，設(shè)計(jì)的天線增益較高且穩(wěn)定，交叉極化分量較小，3 dB波瓣寬度和前后比均滿足基站天線需求。綜上所述，該天線直流接地、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，可作為移動(dòng)通信戶外基站天線。

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