一款基于容性加載結(jié)構(gòu)的寬帶磁電偶極子天線

楊浩楠，曹祥玉，高 軍，楊歡歡，李 桐，高 坤

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安，710077)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜對(duì)天線的寬帶特性、輻射特性如穩(wěn)定的增益效果、低交叉極化水平及高前后比等都有著非常嚴(yán)苛的要求。文獻(xiàn)[1]中由LUK教授提出的磁電偶極子天線是一款可滿足這些嚴(yán)苛需求的天線。這種類型的天線通常由四分之一波長的片狀天線以及二分之一波長的電偶極子天線組成，在整個(gè)工作帶寬內(nèi)都具有優(yōu)良的電磁輻射特性。該型天線相對(duì)阻抗帶寬為43.8%，提升空間巨大。

近年來，一些學(xué)者也對(duì)寬帶磁電偶極子天線[2-13]進(jìn)行了深入研究，通過改變天線輻射結(jié)構(gòu)的形狀來提升天線阻抗帶寬。文獻(xiàn)[2～3]均采用了短路蝶形貼片結(jié)構(gòu)取代原始天線中的片狀結(jié)構(gòu)充當(dāng)磁偶極子天線；文獻(xiàn)[4～5]設(shè)計(jì)了一款蝶形電偶極子天線。文獻(xiàn)[6]采用了E型的片狀天線結(jié)構(gòu)以及階梯狀的饋電結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7]將電偶極子天線及介質(zhì)集成波導(dǎo)表面的垂直槽組合，設(shè)計(jì)了一款基于介質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的磁電偶極子天線。測試結(jié)果表明，這些設(shè)計(jì)方法均有效提升了天線的阻抗帶寬。然而，蝶形的片狀結(jié)構(gòu)及多層貼片也提高了加工成本。

另外一個(gè)提升天線阻抗帶寬的方法是采用不同形式的饋電結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]采用了一種差分饋電結(jié)構(gòu)。該饋電結(jié)構(gòu)需要2個(gè)射頻連接頭，增加了天線的加工成本。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種采用雙槽饋電結(jié)構(gòu)的磁電偶極子天線。該天線實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小型化及較高增益的需求。然而，較原始天線而言，這款天線在阻抗帶寬方面的提升有限。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種利用孔徑耦合微帶線饋電的天線，大幅拓展了原始天線的阻抗帶寬。文獻(xiàn)[11]提出了一種差分驅(qū)動(dòng)傳輸線激勵(lì)的磁電偶極子天線結(jié)構(gòu)，阻抗帶寬提升效果較為顯著。比起更改天線輻射結(jié)構(gòu)的形狀，通過調(diào)整天線的饋電結(jié)構(gòu)來拓展阻抗帶寬的方法更為高效且接近阻抗帶寬的本質(zhì)。

缺陷地結(jié)構(gòu)及雙頻帶技術(shù)也被用以拓展天線的阻抗帶寬。文獻(xiàn)[12]提出了一款帶有缺陷地結(jié)構(gòu)的磁電偶極子天線。該天線同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較為簡單的結(jié)構(gòu)形式以及高達(dá)86.9%的阻抗帶寬。文獻(xiàn)[13]中，較短的電偶極子和較長的電偶極子組合，從而實(shí)現(xiàn)了雙頻帶工作特性。然而，在這些設(shè)計(jì)中，天線的交叉極化水平相對(duì)較高，均大于-15 dB。我們期望能夠在保持原始天線低交叉極化水平及簡單結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提升天線的阻抗帶寬。

基于上述工作，本文提出了一款新型寬帶磁電偶極子天線。天線的結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[1]中結(jié)構(gòu)類似。不同之處在于使用了一種基于容性加載的特殊的Γ型饋電結(jié)構(gòu)。該饋電結(jié)構(gòu)大幅提高了天線的阻抗帶寬，除此之外，原始天線的一些優(yōu)良輻射特性，例如相對(duì)較高的增益、對(duì)稱的輻射方向圖、低交叉極化水平以及低后向輻射得以全部保留。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1給出了天線的三維結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，該天線主要包含3部分：第1部分是2個(gè)完全相同的彎折鋁板，長度為L、寬度為W、高度為H。第2部分是饋電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被放置于整個(gè)金屬地板的中心。在原始天線Γ型饋電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了2塊用以調(diào)整阻抗匹配的鋁板，兩塊鋁板平行放置，相距l(xiāng)2、長度為h2、寬度為b。第3部分是一個(gè)用來提升增益及前后比的盒狀金屬圍欄，尺寸為GL×GL×H。表1列出了該天線全部的尺寸數(shù)據(jù)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線尺寸數(shù)據(jù)

2 天線帶寬拓展機(jī)理分析

如圖2所示，文獻(xiàn)[1]中設(shè)計(jì)的天線在較高頻處(>3.5 GHz)呈現(xiàn)感性，使天線在高頻處完全失配。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，是由Γ型饋電結(jié)構(gòu)的平行鋁板造成，可考慮通過降低高頻處感性來拓展天線阻抗帶寬。基于此，本文在原始天線的饋電結(jié)構(gòu)中金屬平板兩側(cè)增添了一對(duì)平行放置的豎直鋁板。

圖2 文獻(xiàn)[1]中原始天線及本文改進(jìn)天線的輸入阻抗

由圖2可以看出，新增加的結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了原始天線在較高頻率處(=3.7 GHz)所呈現(xiàn)的感性，使得原始天線輸入阻抗的虛部由15 Ω降低至-100 Ω，降低幅度為115 Ω，并且輸入阻抗的實(shí)部更接近50 Ω。同時(shí)，新增加結(jié)構(gòu)在3.7 GHz的容性數(shù)值可由式(1)和式(2)得出，經(jīng)計(jì)算為133 Ω(S代表新增加結(jié)構(gòu)的表面積，XC代表新增加結(jié)構(gòu)的容性數(shù)值)。仿真數(shù)值和理論計(jì)算結(jié)果均驗(yàn)證了本文拓寬天線阻抗帶寬方法的有效性。

(1)

(2)

圖3給出了原始天線及本文設(shè)計(jì)天線的相對(duì)阻抗帶寬。根據(jù)圖3可得，本文設(shè)計(jì)的天線在高頻處出現(xiàn)了一個(gè)新的諧振點(diǎn)，且相對(duì)阻抗帶寬由45.3%提升至89.6%。

圖3 文獻(xiàn)[1]中原始天線及本文改進(jìn)天線的反射系數(shù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證天線阻抗帶寬拓展效果，利用電磁仿真軟件CST中的特征模分析工具對(duì)文獻(xiàn)[1]中天線及本文設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模式分析。圖4與圖5分別為原始天線及本文設(shè)計(jì)天線的模式系數(shù)。模式系數(shù)為1時(shí)，天線結(jié)構(gòu)在此頻點(diǎn)發(fā)生諧振。從圖4與圖5可以看出，文獻(xiàn)[1]中天線諧振頻點(diǎn)集中于3 GHz以下，而本文設(shè)計(jì)天線在3.6 GHz附近出現(xiàn)了新的諧振點(diǎn)，從而將天線帶寬拓展至較高頻率。

圖4 文獻(xiàn)[1]中原始天線模式系數(shù)

圖5 本文設(shè)計(jì)天線模式系數(shù)

為了證明新加入結(jié)構(gòu)沒有影響磁電偶極子天線的工作模式，圖6給出了2.5 GHz處水平鋁板表面一個(gè)周期內(nèi)的電流分布及天線中央孔徑處一個(gè)周期內(nèi)的電場強(qiáng)度分布。其中，表面電流分布描述了電偶極子天線的工作狀態(tài)，孔徑處電場強(qiáng)度分布則描述了磁偶極子的工作狀態(tài)。在t=0及t=T/2處(T代表頻率為2.5 GHz時(shí)的一個(gè)周期)，表面電流強(qiáng)度和孔徑電場強(qiáng)度均變得較為微弱；在t=T/4及t=3T/4處，表面電流強(qiáng)度和孔徑電場強(qiáng)度均變得較為強(qiáng)烈。這個(gè)現(xiàn)象說明，在一個(gè)周期內(nèi)，磁偶極子及電偶極子被同時(shí)激勵(lì)，符合文獻(xiàn)[1]中給出的磁電偶極子天線工作機(jī)理。

圖6 2.5 GHz處水平鋁板表面一個(gè)周期內(nèi)的電流分布及天線中央孔徑處一個(gè)周期內(nèi)的電場強(qiáng)度分布

為進(jìn)一步了解新加入結(jié)構(gòu)的長度對(duì)阻抗帶寬拓展效果的影響，本文實(shí)施了參數(shù)分析。圖7給出了反射系數(shù)及天線增益隨長度h2變化的情況。從參數(shù)分析的結(jié)果來看，天線增益對(duì)于h2的變化不敏感。只有當(dāng)h2>18 mm時(shí)，天線在工作頻段內(nèi)的增益才變得不穩(wěn)定。然而，天線在較高頻段處的反射系數(shù)隨著h2的變化而劇烈變化。當(dāng)16 mm

圖7 反射系數(shù)及增益的仿真數(shù)值隨h2變化的情況

3 天線加工及測試

如圖8所示，本文加工了天線樣品以進(jìn)一步驗(yàn)證所提出方法的有效性。天線增益及輻射方向圖由遠(yuǎn)場測量裝置得出。天線反射系數(shù)由安捷倫N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得出。

圖8 天線樣品

圖9給出本文天線的反射系數(shù)及增益的仿真與實(shí)測數(shù)值。天線的實(shí)測反射系數(shù)(|S11|<-10 dB)為92.5%，工作頻段為1.36～3.7 GHz。新的諧振點(diǎn)出現(xiàn)在3.5 GHz處，驗(yàn)證了容性加載的有效性。天線的實(shí)測反射系數(shù)在中頻處發(fā)生惡化，與仿真結(jié)果差別較大，是由于加工精度有限造成的。仿真發(fā)現(xiàn)，反射系數(shù)對(duì)于參數(shù)q的變化十分敏感。在工作頻帶的中頻處，q=1 mm時(shí)，天線的阻抗匹配效果最好。因此，q的仿真優(yōu)化值定為1 mm。然而，受限于加工精度，在實(shí)際的加工過程中，很難確保q=1 mm。天線實(shí)測的增益數(shù)值在整個(gè)工作頻帶內(nèi)為6.68～11 dBi。實(shí)測增益結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。由圖9可得，天線的實(shí)測相對(duì)3-dB增益帶寬為85.71%(1.44～3.6 GHz)。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，天線E面方向圖在1.55～3.2 GHz頻帶范圍內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性，H面方向圖在2～3.2 GHz頻帶范圍內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性。因此天線的實(shí)測相對(duì)方向圖帶寬為46.15%(2～3.2 GHz)。

圖9 天線增益及反射系數(shù)的仿真值及實(shí)測值

圖10給出了天線在1.36 GHz、2.5 GHz及3.7 GHz處的仿真及實(shí)測輻射方向圖。

圖10 天線仿真及實(shí)測輻射方向圖

由圖10所示，天線的E面與H面方向圖在3個(gè)頻點(diǎn)處保持了很好的一致性，說明本文所提出的改進(jìn)方法并未影響磁電偶極子天線在輻射方向圖上的優(yōu)良特性。在1.36 GHz及2.5 GHz，E面與H面的交叉極化水平均低于-30 dB。在3.7 GHz處，兩個(gè)參考面的交叉極化水平均低于-20 dB，與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

表2給出了本文設(shè)計(jì)天線與文獻(xiàn)[1～12]中有同樣寬帶特性天線的特性對(duì)比。為了拓展天線帶寬，學(xué)界提出了許多設(shè)計(jì)方法。從對(duì)比結(jié)果來看，文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[8]均實(shí)現(xiàn)了超過100%的相對(duì)阻抗帶寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及加工成本也大大增加。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[3]以及文獻(xiàn)[9]中天線相對(duì)阻抗帶寬數(shù)值均小于本文所提出天線的相對(duì)阻抗帶寬數(shù)值。綜合考量來看，本文所提出的設(shè)計(jì)方法在保留原始天線對(duì)稱的輻射方向圖基礎(chǔ)上大幅提高了天線的相對(duì)阻抗帶寬，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單。

表2 文獻(xiàn)[1～12]中設(shè)計(jì)與本文中天線的特性對(duì)比

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款新型寬帶磁電偶極子天線。通過分析傳統(tǒng)磁電偶極子天線的輸入阻抗，找到了原始天線在高頻處(>3.5 GHz)阻抗失配的原因。基于此，提出了通過容性加載來彌補(bǔ)感性的設(shè)計(jì)方法，并為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性而加工了天線樣品。實(shí)測結(jié)果表明，天線的相對(duì)阻抗帶寬可達(dá)92.5%，天線平均增益為8.84 dBi，最大增益可達(dá)11 dBi，天線在兩個(gè)參考平面的輻射方向圖保持了良好的一致性。同時(shí)，天線的交叉極化水平被控制在一個(gè)比較低的水平?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，本文提出的天線適合于多種無線通訊系統(tǒng)，本文所提出的設(shè)計(jì)方法為設(shè)計(jì)寬帶天線提供了有益的參考。