低剖寬帶磁電偶極子天線的設(shè)計(jì)*

吳思雨，趙建平，徐 娟，趙 敏，郭瑾昭

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引言

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)天線的性能提出了更高的要求，希望其具有寬阻抗帶寬、低交叉極化、低背向輻射、增益穩(wěn)定的特點(diǎn)。2006年Luk提出了稱為磁電偶極子天線的互補(bǔ)型天線[1]，該天線通過(guò)Г型饋電結(jié)構(gòu)對(duì)電偶極子和磁偶極子同時(shí)激勵(lì)，利用電偶極子和磁偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理使整個(gè)天線E面和H面具有相同的輻射場(chǎng)圖，實(shí)現(xiàn)43.8%的相對(duì)帶寬（SWR≤1.5），帶內(nèi)增益達(dá)到8 dBi，天線性能優(yōu)良，但是高度為0.25λ（λ是自由空間下對(duì)應(yīng)的中心頻率處的波長(zhǎng)），基于這種基本天線結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者為降低剖面，拓展帶寬，提高增益做出了積極的努力。文獻(xiàn)[2]通過(guò)在天線中填充介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)材料，將天線剖面將為0.15λ，實(shí)現(xiàn)24.9%的阻抗帶寬（SWR≤2）；文獻(xiàn)[3]采用折疊磁偶極子，采用同軸饋電的方式將天線剖面將為0.173λ，實(shí)現(xiàn)54.8%的阻抗帶寬（SWR≤1.5）；文獻(xiàn)[4]采用鈍角三角形環(huán)作為磁偶極子將天線剖面將為0.097λ，但帶寬較窄，實(shí)現(xiàn)28.2%的阻抗帶寬（SWR≤2）；文獻(xiàn)[5]通過(guò)在磁電偶極子天線的四分之一波長(zhǎng)貼片天線上切出一個(gè)垂直縫隙，設(shè)計(jì)一種具有缺陷接地結(jié)構(gòu)的寬帶磁電偶極子天線，實(shí)現(xiàn)91.3%的相對(duì)帶寬；文獻(xiàn)[6]通過(guò)差分饋電的方式，用中心饋電環(huán)作為磁偶極子，實(shí)現(xiàn)了132%的阻抗帶寬（SWR≤2）；文獻(xiàn)[7]通過(guò)增加背腔的方式提高天線增益。

本文提出的磁電偶極子天線采用階梯饋電以及金屬環(huán)加載的方式有效拓展天線帶寬，提高天線增益，通過(guò)折疊磁偶極子降低天線剖面，使天線高度僅為15 mm，在2.20～4.58 GHz頻率范圍內(nèi)S11≤-10 dB,增益達(dá)到9.7 dBi以上，符合低剖面、寬帶、高增益、輻射方向圖穩(wěn)定、低交叉極化、低背向輻射的特點(diǎn)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為未加載金屬環(huán)的天線，為改善天線性能將其改進(jìn)為圖2的結(jié)構(gòu)，其中圖2（a）為天線的側(cè)視圖，（b）為天線的俯視圖，（c）天線的饋電結(jié)構(gòu)圖。該天線由充當(dāng)電偶極子的水平矩形貼片和充當(dāng)磁偶極子的垂直折疊短路貼片組成。電偶極子之間的距離為S，通過(guò)加載金屬環(huán)的方法使其短路，可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，進(jìn)一步拓展工作帶寬。磁偶極子則采用折疊的方式有效降低天線剖面，使天線的整體高度為僅15 mm，其頂端與電偶極子相連，天線整體結(jié)構(gòu)緊湊。

天線采用階梯型探針饋電，如圖2（c）所示。饋線可分為耦合線和傳輸線兩部分。耦合線由將能量耦合到天線的矩形金屬片和引入電容抵消矩形金屬片產(chǎn)生電感的L型金屬片組成；傳輸線由折疊的梯形金屬片作為空氣微帶線組成，它與右邊垂直的貼邊距離為Q1，饋線末端與反射面下的SMA接頭相連，可同時(shí)激勵(lì)電偶極子和磁偶極子，實(shí)現(xiàn)天線E面H面方向圖一致。饋線中部分金屬片采用梯形結(jié)構(gòu)，目的是更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在天線的底面放置一個(gè)邊長(zhǎng)為GL的正方形反射面以降低天線的背向輻射使方向圖穩(wěn)定并可作為天線的地。經(jīng)過(guò)HFSS13.0軟件優(yōu)化后天線的具體參數(shù)如表1所示。

圖1 未加載金屬環(huán)天線結(jié)構(gòu)

圖2 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線各參數(shù)/mm

2 仿真結(jié)果分析

利用基于有限元法的電磁仿真軟件Ansoft HFSS13.0對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真。圖3為加載金屬環(huán)與未加載金屬環(huán)天線的S11對(duì)比圖，圖4為增益對(duì)比圖。由圖2可知，在未加載金屬環(huán)時(shí)，天線的工作頻段為2.17～4.27 GHz，加載后的工作頻段為2.20～4.58 GHz,天線在低頻處稍有變窄，但高頻處得到有效展寬，且S11性能更好，更穩(wěn)定。由圖3可知，加載金屬環(huán)后在整個(gè)工作頻段內(nèi)天線增益都有一定程度的提高且在高頻部分較為顯著，天線的整體增益在9.7 dBi以上，最高增益可達(dá)13.3 dBi。由對(duì)比可知，磁電偶極子天線在加載金屬短路環(huán)后可改善自身阻抗特性，拓寬工作頻段，提高增益。

圖3 天線S11

圖5給出在2.4 GHz、3 GHz、3.5 GHz和4 GHz頻率下的E面H面的仿真方向圖，從圖中可以看出，該天線的后向輻射得到了很好的抑制，在整個(gè)工作頻段內(nèi)定向輻射特性良好而穩(wěn)定，且E面H面上的方向圖基本對(duì)稱。

圖4 天線增益

圖5 不同頻點(diǎn)E面H面

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款低剖面寬帶磁電偶極子天線，通過(guò)多次折疊磁偶極子的方法來(lái)降低天線的剖面，通過(guò)金屬環(huán)加載拓展天線帶寬，提高天線增益，使天線在整個(gè)工作范圍內(nèi)（2.23～4.58 GHz）增益大于9.7 dB,具有良好的定向輻射性能，穩(wěn)定的輻射模式，低的交叉極化。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，可用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。