新型雙頻雙極化磁電偶極子天線

許婷，陳星

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610000）

0 引言

由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的巨大發(fā)展，雙極化天線已經(jīng)被廣泛用于對(duì)抗多徑衰落和增加信道容量［1］。寬帶基站天線被要求覆蓋現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的多個(gè)工作頻帶，例如2G、3G、4G 和Wi-Fi 頻段等，寬帶已經(jīng)是現(xiàn)代天線應(yīng)用中的重要性能要求。此外，基站天線還需要在寬頻帶上具有穩(wěn)定的輻射特性。為獲得這些特性，磁電偶極子天線提供了一個(gè)很好的解決方案［2-3］，磁電偶極子天線是一類性能優(yōu)異的寬帶天線。通過電偶極子和磁偶極子的基本理論，可以發(fā)現(xiàn)它們兩者之間存在一種對(duì)偶特性。因此，如果通過一定方式同時(shí)激勵(lì)電偶極子與磁偶極子，使兩者方向圖在兩個(gè)極化面進(jìn)行疊加，最終可以在E 面和H 面得到相同的倒立的心型的方向圖。這樣的方向圖具有低后瓣、高前后比和穩(wěn)定的前向輻射性能。

寬帶磁電偶極子（magneto-electric dipole）天線是由Luk 和Wong［4］提出的一種新型的互補(bǔ)天線。將矩形平板電偶極子和等效為磁偶極子的短路板組合起來，采用Γ 型饋電條帶同時(shí)對(duì)電偶極子和磁偶極子激勵(lì)，設(shè)計(jì)出的線極化電磁偶極子天線的阻抗帶寬為43.8%（VSWR≤1.5）。并且該天線還同時(shí)具有定向輻射，結(jié)構(gòu)緊湊，容易實(shí)現(xiàn)雙線極化等特性。與此同時(shí)，其E 面和H 面方向圖幾乎一樣，在工作頻帶內(nèi)有飽滿的輻射方向圖。因?qū)拵щp極化天線具有上述優(yōu)良的特性，眾多學(xué)者對(duì)其展開了相關(guān)研究［5-7］。在參考文獻(xiàn)［8］中提出了一種新型的磁電偶極子天線，該天線具有體積小、帶寬寬、高端口隔離和對(duì)稱輻射模式等優(yōu)點(diǎn)。在參考文獻(xiàn)［9］中，提出了一種差分饋電雙極化磁電偶極子天線，其阻抗帶寬可達(dá)68%。此外，在工作波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的輻射圖。在參考文獻(xiàn)［10］天線中提出了一種低輪廓的磁電偶極子天線，當(dāng)駐波比≤1.5 時(shí)，該天線的阻抗帶寬為54.8%，并且在工作頻段上具有單向輻射模式。在參考文獻(xiàn)［11］中提出了一種新型的雙頻段磁電偶極子天線，該天線單極化、雙頻段工作，在2.29～3.13 GHz 和4.70～5.85 GHz 的工作頻帶內(nèi)，天線具有良好的方向性。許多工程應(yīng)用要求天線不僅具有寬帶特性，還要同時(shí)滿足正交雙線極化和雙頻性能?，F(xiàn)有的磁電偶極子天線具有正交雙線極化或雙頻性能，但迄今為止，磁電偶極子天線設(shè)計(jì)為正交雙線極化的大多數(shù)都為單頻天線，并未同時(shí)滿足正交雙線極化和雙頻性能。因此，本文提出了一款基于雙層陣子結(jié)構(gòu)的新型雙頻雙線極化磁電偶極子天線。

1 天線設(shè)計(jì)

本文所提出的天線的幾何形狀如圖1 所示。該天線由采用上下結(jié)構(gòu)排布的四對(duì)水平貼片、兩對(duì)垂直短路貼片和一對(duì)正交Γ 型饋電探針組成。上層水平貼片邊緣開有凸形槽，并且在上層水平貼片和垂直短路貼片的連接處開有兩個(gè)切口，下層水平貼片連接到垂直短路貼片切口邊緣，為實(shí)現(xiàn)雙頻工作，其電偶極子設(shè)計(jì)為包含上層大振子和下層小振子的雙層結(jié)構(gòu)，并且上層大振子為空心結(jié)構(gòu)以減少對(duì)下層小振子的電磁遮擋。該天線將兩對(duì)磁電偶極子正交放置，從而實(shí)現(xiàn)了雙極化輻射；與傳統(tǒng)磁電偶極子天線相比，雙層振子諧振于不同頻率，使得天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作性能。Γ型饋電結(jié)構(gòu)由三個(gè)寬度相同的的金屬條組成，Γ型饋電的最長垂直部分采用漸變結(jié)構(gòu)，使得在超寬頻帶內(nèi)獲得更好的阻抗匹配。每個(gè)Γ 型饋電的最長垂直部分可以看作是一條傳輸線，它作為一個(gè)空氣微帶線從端口傳輸功率。饋電的其余L 形部分是耦合條。電感將由饋電的水平部分產(chǎn)生，電容將由饋電的垂直部分和最近的偶極子垂直短路貼片產(chǎn)生。因此，可以通過調(diào)整水平和垂直部分的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配。每個(gè)饋線的水平交叉部分分別采用上階梯狀和下階梯狀，以提高饋電結(jié)構(gòu)的一致性和隔離度。兩個(gè)SMA 放置在連接到饋電結(jié)構(gòu)的平面反射器下方。天線底部灰色部分為聚四氟乙烯材料，用以支撐天線結(jié)構(gòu)。表1給出了天線結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸。

表1 天線主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 天線電流分析及參數(shù)分析

通過觀察磁電偶極子天線不同時(shí)刻天線表面的電流分布情況可以更好的了解天線的工作原理。圖2 為4 GHz 時(shí)一個(gè)周期內(nèi)四個(gè)不同時(shí)刻的天線輻射表面電流分布。

圖2 4 GHz時(shí)天線表面電流不同時(shí)刻分布

由于天線具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故以下只給出其中一個(gè)端口的參數(shù)分析。圖3 為磁電偶極子上層水平陣子長度L1 及高度H1 作為變量，其他參數(shù)保持不變時(shí)，L1 以及H1 對(duì)天線駐波比的影響。從圖3（a）駐波比曲線圖中可以看出，水平陣子長度L1對(duì)天線低頻段的駐波比比較為敏感，隨著L1的增大，低頻段諧振深度加深，低頻段最低工作頻率有所降低；然而，水平振子長度L1對(duì)天線高頻段的駐波比幾乎沒有影響。從圖3（b）駐波曲線圖可以看出，天線高度H1對(duì)天線低頻段與高頻段的駐波比都有所影響，特別是對(duì)高頻段9～10.5 GHz，隨著H1的增大，諧振深度降低，最低工作頻率向低頻移動(dòng)。綜上，當(dāng)L1=18.3 mm，H1=17.3 mm 時(shí)，天線的阻抗匹配性能良好。

圖3 L1、H1對(duì)天線駐波比的影響

3 仿真結(jié)果分析與實(shí)測對(duì)比

為了驗(yàn)證天線性能，采用機(jī)械精加工方式對(duì)該天線進(jìn)行了加工測試，之后對(duì)天線進(jìn)行安裝焊接，天線金屬部分均采用鋁合金材料進(jìn)行制作，天線底部使用聚四氟乙烯進(jìn)行支撐，加工實(shí)物如圖4 所示。天線電壓駐波比（VSWR）使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，天線增益和遠(yuǎn)場輻射方向圖由暗室測量系統(tǒng)測得。

圖4 天線實(shí)物

圖5 為天線兩個(gè)端口的仿真與實(shí)測的VSWR曲線對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出，端口1 實(shí)測的駐波比小于2 的頻段為3.4～6.2 GHz、8.5～14 GHz，仿真為3.4～6G Hz、8.4～14 GHz。端口2 實(shí)測的駐波比小于2 的頻段為3.4～6.2 GHz、8.5～13.8GHz， 仿 真 為3.5～6 GHz、 8.4～14 GHz。仿真與實(shí)測結(jié)果吻合良好，兩個(gè)端口分別饋電且天線對(duì)稱，得到天線的平均阻抗帶寬為58.3%（3.4～6.2 GHz）和47.5%（8.5～13.8 GHz）。

圖5 仿真與實(shí)測駐波對(duì)比

天線為雙線極化工作模式，且天線結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，故僅給出了其中一個(gè)極化方向的方向圖測試結(jié)果。選取天線工作頻帶內(nèi)的6處頻點(diǎn)（低頻段與高頻段各3 個(gè)），分別測試其E 面、H 面方向圖。圖4 為在頻率分別為4 GHz、5 GHz、6 GHz、8.5 GHz、10.8 GHz、12.4 GHz 時(shí)仿真與實(shí)測的歸一化E 面和H 面輻射方向圖。從圖6 中可以看出仿真和實(shí)測吻合良好，且在低頻段該天線的E 面和H面方向圖都具有良好的定向輻射特性。

圖6 天線方向圖的實(shí)測與仿真對(duì)比（續(xù)）

圖7 繪制了典型頻點(diǎn)的天線增益仿真和實(shí)測值對(duì)比，從圖中可以看出，天線仿真與實(shí)測結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)表明該天線在工作頻點(diǎn)內(nèi)低頻段實(shí)測增益為7.6±0.5 dBi，高頻段實(shí)測增益為9.5±1.3 dBi。

圖 7 仿真和實(shí)測的增益曲線對(duì)比

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款具有雙層結(jié)構(gòu)的新型磁電偶極子天線，該天線采用雙層輻射陣子結(jié)構(gòu)，具有雙頻工作和雙線極化特性。根據(jù)仿真和實(shí)測結(jié)果，該雙極化磁電偶極子天線能夠在3.4～6.2 GHz 和8.5～13.8 GHz 兩個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)VSWR<2，相對(duì)帶寬達(dá)到58.3%和47.5%。在工作帶寬內(nèi)具有較為穩(wěn)定的定向輻射特性，低頻段增益為7.6±0.5 dBi，高頻段增益為9.5±1.3 dBi。因此，該天線在寬帶雙頻段通信系統(tǒng)中具有巨大潛力。