一种磁电偶极子基站天线设计*

张泽胜，史姣姣

0 引 言

近年来，随着现代无线通信技术的快速发展，当前的LTE、WiFi、WiMAX等无线通信技术对天线有了更高要求。许多应用需要天线具有宽阻抗带宽、低截面、增益稳定、单向辐射方向图稳定、低交叉极化和低后瓣等特点[1]。为此，很多学者提出了结构新颖的天线模型，如对数周期天线、喇叭天线[2]等，但这类天线尺寸太大，且结构复杂。贴片天线虽然可以单向辐射、结构简单，但其工作带宽不能满足当前无线通信技术的需求[3]；背腔偶极子天线则因加入了复杂的腔体设计，导致天线辐射不稳定[4-5]。

文献[6]提出了一种新型的互补结构偶极子天线，通过Γ型馈电结构对电偶极子和磁偶极子同时激励，利用磁偶极子和电偶极子的互补性原理[7]，使整个天线单元的E面和H面具有相同的辐射场图，在1.85 GHz到2.89 GHz实现了43.8%的相对带宽（SWR≤1.5），且具有低交叉极化、工作频段内增益达到8 dBi、增益稳定等优点。此后，磁电偶极子天线进入研究者视野。文献[8]采用“E”型的水平贴片和弯曲的馈电贴片，实现了在1.84～3.45 GHz的频带范围内的SWR≤1.5。文献[9]通过折叠馈电铜片和垂直贴片，在保证天线工作带宽的条件下，降低了天线高度。

本文设计了一种紧凑型的磁电偶极子天线。它包含一对平面U型贴片和一对垂直的折叠短路贴片，结合矩形盒反射板，采用同轴馈电的形式。该模型具有符合当前需求的增益稳定、E面和H面辐射图一致、低交叉极化低后瓣等特点，且高度降低到15 mm，同时直流接地适用于户外基站天线。

1 天线结构与设计

天线结构如图1所示。图1（a）为天线的侧视图，图1（b）为俯视图，图1（c）为建模图。该天线由两块水平的U型贴片和两块折叠垂直短路贴片组成。短路贴片均由平面金属片制成，天线通过同轴线馈电。同轴电缆由地板打洞穿过，位于两组贴片中间。其中，同轴电缆的内芯通过长方形金属贴片与一侧水平U型铜片相连，外芯通过折叠的金属贴片与另一侧水平U型铜片连接，组成平衡balun[10]，以达到能量传输的目的。在该天线单元中，水平放置的U型贴片充当电偶极子天线，垂直短路贴片充当磁偶极子天线，由同轴电缆同时激励。同轴电缆外芯与天线直接接地，因此该天线单元具有防雷击效果，非常适合作为户外基站天线。天线的具体参数如表1所示。

图1 紧凑型结构

表1 天线参数

2 仿真结果与分析

通过HFSS16.0对该天线模型进行仿真分析，可以得到仿真结果如图2所示。图2为天线的驻波比和增益曲线。从图2可以看出，该天线的工作频带为2.03 GHz到2.97 GHz，相对带宽达到37.6%（VSWR≤2），在此工作频带内天线的增益稳定在10 dBi左右。

图2 驻波比与增益曲线

图3 分别表示在2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz情况下该天线模型的辐射方向图。不难看出，该天线在整个工作频段内，E面与H面基本一致，保持着良好的辐射方向性，且由于模型是对称结构，交叉极化分量较小，在E面与H面上的交叉极化分量都能在-30 dB以下具有良好的方向性。

图3 天线辐射方向图

表 2展示了在 2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz三个频率点该模型的前后比、3 dB波束带宽的具体数值。可以看出，该模型的3 dB带宽都在60°左右，前后比都超过20 dB，满足基站天线的基本需求。

表2 3 dB波束带宽和前后比

为了理解垂直折叠短路贴片对天线性能的影响，下文使用HFSS对折叠贴片的各项参数进行分析。维持折叠短路贴片的总长度和模型其余参数保持不变的情况下，通过对L1、L2、L3、L4调整优化，以查看天线的回波损耗变化。

首先，分析L2的大小对天线性能的影响。经过折叠后的垂直短路贴片降低了2L2，在维持2L2+L3=26 mm不变的情况下，仿真结果如图4所示。随着L2变大，天线高度降低，天线的谐振点整体右移且回波损耗变差，说明天线高度不能无限制降低，而随着天线高度的降低会出现阻抗不匹配。综合天线仿真结构，选择2L2=8 mm。

图4 S11随L2变化曲线

在确定L2的前提下，天线的实际高度已经确定为H-2L2=15 mm，即L1+L2+L3=15 mm。使L4不变，L1+L3=13 mm的情况下，改变L1对天线回波损耗的影响，结果如图5所示。当L1=1 mm时，天线高频点回波损耗下降，但带内驻波比变差。当L4小范围变化时，回波损耗基本不变。最后，综合所有因素，确定L1=3 mm，L4=2 mm。

图5 S11随L1变化曲线

分析结果可知，降低天线高度需要牺牲一定的天线带宽，所以天线的高度只能在一定程度下降低。

3 结 语

针对现在的无线通信需求，设计了一款紧凑型宽频带高增益电磁偶极子基站天线，工作频段为2.03～2.97 GHz，通过改变馈电方式和折叠垂直短路贴片，有效降低天线高度，并使用U型水平贴片扩展天线带宽，降低回波损耗。在工作频段内，设计的天线增益较高且稳定，交叉极化分量较小，3 dB波瓣宽度和前后比均满足基站天线需求。综上所述，该天线直流接地、结构简单、各项性能指标良好，可作为移动通信户外基站天线。

[1] 卢万铮.天线理论与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.LU Wan-zheng.Antenna Theory and Technology[M].Xi'an:Xi'an University of Electronic Science and Technology Press,2004.

[2] Bansal R.Antenna Theory;Analysis and Design[J].Proceedings of the IEEE,2005,72(07):989-990.

[3] Lee K F,Luk K M,Tong K F,et al.Experimental and Simulation Studies of the Coaxially Fed U-slot Rectangular Patch Antenna[J].IEEE Proceedings-Microwaves,Antennas and Propagation,1997,144(05):354-358.

[4] Qu S W,Li J L,Xue Q,et al.Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Improvement[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2008,56(12):3850-3854.

[5] Qu S W,Li J L,Xue Q,et al.Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Improvement[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2008,56(12):3850-3854.

[6] Luk K M,Wong H.A New Wideband Unidirectional Antenna Element[J].Int. J. Microw. Opt. Technol,2006,1(01):35-44.

[7] 安文星.新型宽带电磁偶极子微带天线的研究[D].北京:北京邮电大学,2012.An Wen-xing.A New Broadband Electromagnetic Dipole Microstrip Antenna[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2012.

[8] An W X,Lau K L,Li S F,et al.Wideband E-shaped Dipole Antenna with Staircase-shaped Feeding Strip[J].Electronics Letters,2010,46(24):1583-1584.

[9] 汪善栋,李民权,潘旭等.一种宽带高增益磁电偶极子天线设计[J].通信技术,2017,50(02):377-380.WANG Shan-dong,LI Min-quan,PAN Xu,et.al.Design of Wideband High-gain Magneto-electric Dipole Antenna[J].Communications Technology,2017,50(02):377-380.

[10] Ge L,Luk K M.A Magneto-Electric Dipole Antenna With Low-Profile and Simple Structure[J].IEEE Antennas &Wireless Propagation Letters,2013,12(1921):140-142.