一种工作于UHF频段的宽频带互补天线设计

王超，侯焕存，赵浩

（山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛，266590）

一种工作于UHF频段的宽频带互补天线设计

王超，侯焕存，赵浩

（山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛，266590）

本文应用互补天线的原理，通过采用蝶形平面天线作为电偶极子，采用垂直壁与接地面作为等效磁偶极子，设计了一种新颖的蝶形宽频带天线。该天线实现了62%的相对带宽（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB），在工作频段内具有稳定的波瓣图，优于-30dB的交叉极化和超过18dB的前后比。

互补天线；宽带天线；特高频

0 引言

宽频带天线的应用能够有效的减少天线的数量和降低通信设备的制造成本。互补天线自从被提出以来，便因其具有宽频带、稳增益、高前后比的特征，而成为天线领域的一个研究热点[1-9]。文献[1]最早提出了互补天线（也称为磁电式天线），该天线具有宽频带、稳增益、相同的E-面和H-面波瓣图以及高前后比的特点。不过，该天线结构复杂，不适于移动通信场合。

文献[2]应用互补天线的原理，对互补天线的结构进行了简化，使用平面结构天线取代了矩形波导，使用Г形探针耦合馈电结构取代了波导馈电结构。该天线获得了超过43%的带宽（SWR＜1.5）和8 dBi的最大增益，这些改进使其适用于移动通信。文献[3] 设计了一种结构较简化的磁电式天线，该使用了空气微带线直接馈电的方式进行馈电，应用了蝶形贴片、垂直壁和接地面等效磁偶极子，使用矩形金属片作为电偶极子。该天线获得了60%的带宽（SWR＜2）和最大7.0dBi的增益。

磁电式天线由一个磁偶极子和一个电偶极子互补而成。电偶极子的辐射波瓣图在E-平面像数字8，在H-平面像字母O。而磁偶极子的辐射波瓣图与电偶极子正好相反，在E-平面像字母O，在H-平面像数字8。所以，当这两种天线正交放置并被等幅等相馈电时，它们的波瓣图可以互补，其前向辐射相互叠加增强，其背向辐射相互抵消减弱[10]。如果结构设计合理的话，磁电式天线可以实现零背向辐射，所以具有极高的前后比，满足基站天线对高前后比的要求。在阻抗方面，磁电式天线的阻抗可以等效为RLC串联电路（电偶极子）与RLC并联电路（磁偶极子）的相互并联。对于这种电路，当磁偶极子与电偶极子结构的谐振频率相同，且电偶极子的阻抗调整至一个合理的值时，磁偶极子和电偶极子子的感抗将相互抵消，这使得磁电式天线具有了宽频特性。

1 天线设计

天线的结构如图1所示，该天线的组成部分包括：一个长和宽分别为GW和GL的接地面，该接地面主要起反射作用，能够提高天线的定向性。一对与接地面平行的蝶形金属片，其等效为电偶极子，其外边长为W2，内边长为W1。一对与接地面垂直且直接相连的矩形垂直壁，该垂直壁一端与接地面相连，另一端与蝶形电偶极子相连，其高度为L1。一个Г形馈电针，该馈电针的高度与垂直壁的高度相同，宽度为b。

矩形垂直壁与接地面、Г形馈电针在一起构成一个环形结构，馈电时可以产生穿过该环形结构中心的磁流，可等效为磁偶极子。电偶极子与磁偶极子正交放置，分别具有相同的谐振频率，当对该结构进行等幅度等相位馈电时，可以获得磁电式天线所特有的频带宽、增益稳等特性。该天线采用特征阻抗为50Ω的同轴馈线进行馈电，同轴线的线芯接Г形馈电针的底端，同轴线的接地线连接天线的接地反射面。

图1 天线结构图

经过大量的参数扫描分析，得到该天线的最佳尺寸，如表1所示，其中λ0表示天线的中心频率。

表1 天线参数表

2 天线仿真分析

该部分采用全波电磁仿真软件HFSS对天线进行建模和仿真。首先对参数W2进行了参数扫描，以分析其对天线带宽的影响，然后对天线的反射系数、增益、方向图等关键参数进行了仿真分析。

2.1 参数W2对带宽的影响

通过调整参数W2研究蝶形振子的张开角度对天线反射系数的影响，保持其他参数不变，如表1所示，分别设置W2的值为20mm、30mm、40mm、50mm，然后运行参数扫描分析，得到对应不同值的S11相对于频率的结果如图2所示。分析图2可知，随着蝶形振子张开角度的增大，天线的整体频带宽度有所展宽，天线的第一谐振点上移，第二谐振点保持稳定，同时，第一、二谐振点之间的频段内天线的阻抗匹配会变差。

权衡更宽的天线带宽和更好的谐振程度，最终确定W2的值为40mm。此时，天线的带宽为62%（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB）。

2.2 增益

对天线在1-3GHz的频段内的最大增益进行参数分析，得到结果如图3所示，其中横坐标为频率，纵坐标为最大增益（PeakGain）。分析该仿真结果可得，天线的1dB增益带宽介于1.15-2.66GHz，1dB相对带宽为79.27%。天线在频率为1.8GHz是获得最大增益，为7.89dBi。所以，该天线具有较高的增益和增益的频率稳定性。

2.3 波瓣图

分别选取频率1.6GHz、2.1GHz和2.6GHz，生成在这些频率下的E-面和H-面波瓣图如图4所示。分析可知，该天线为定向天线，具有相似的E-面和H-面增益，具有交叉极化低、波瓣图稳定、前后比高的特点。其中，在频率为2.1GHz时，该天线的交叉极化在E-面和H-面均优于-43dB，前后比为18dB。

图2 蝶形振子的张开角度对反射系数的影响

图3 天线增益的频率稳定性

图4 天线波瓣图的频率稳定性

3 结语

本论文设计了一种新颖的蝶形宽频带天线。该天线实现了62%的相对带宽（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB），在工作频段内具有稳定的波瓣图，优于-30dB的交叉极化和超过18dB的前后比。该天线可应用于现代无线通信的诸多领域，如基站天线、室内覆盖天线、车载天线等。

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Design of a Wideband Complementary Antenna for UHF Application

Wang Chao,Hou Huancun,Zhao Hao
(College of Electronic communication and physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong, 266590)

A novel bow-tie wideband antenna is presented. The design of the antenna is based on the principle of complementary antenna. The bow-tie patch is applied as the electric dipole, and the vertical wall together with the ground is equivalent to a magnetic dipole. A wide impedance bandwidth of more than 62% is achieved with S11＜-10dB, from 1.52-2.89GHz. The radiation pattern is stable cross the operating band. The cross-polarization is less than -30dB and a front-to-back ratio of more than 18dB is obtained.

Complementary Antenna; Wideband Antenna; UHF

王超（1992-），男，硕士研究生，主要从事宽带天线、磁电式天线研究。

山东科技大学研究生科技创新项目(SDKDYC170360)。

侯焕存（1992-），男，硕士研究生，研究方向无线通信。

赵浩（1991-），男，硕士研究生，研究方向无线通信。