新型双频双极化磁电偶极子天线

许婷，陈星

（四川大学电子信息学院，成都 610000）

0 引言

由于移动通信网络的巨大发展，双极化天线已经被广泛用于对抗多径衰落和增加信道容量［1］。宽带基站天线被要求覆盖现有移动通信系统的多个工作频带，例如2G、3G、4G 和Wi-Fi 频段等，宽带已经是现代天线应用中的重要性能要求。此外，基站天线还需要在宽频带上具有稳定的辐射特性。为获得这些特性，磁电偶极子天线提供了一个很好的解决方案［2-3］，磁电偶极子天线是一类性能优异的宽带天线。通过电偶极子和磁偶极子的基本理论，可以发现它们两者之间存在一种对偶特性。因此，如果通过一定方式同时激励电偶极子与磁偶极子，使两者方向图在两个极化面进行叠加，最终可以在E 面和H 面得到相同的倒立的心型的方向图。这样的方向图具有低后瓣、高前后比和稳定的前向辐射性能。

宽带磁电偶极子（magneto-electric dipole）天线是由Luk 和Wong［4］提出的一种新型的互补天线。将矩形平板电偶极子和等效为磁偶极子的短路板组合起来，采用Γ 型馈电条带同时对电偶极子和磁偶极子激励，设计出的线极化电磁偶极子天线的阻抗带宽为43.8%（VSWR≤1.5）。并且该天线还同时具有定向辐射，结构紧凑，容易实现双线极化等特性。与此同时，其E 面和H 面方向图几乎一样，在工作频带内有饱满的辐射方向图。因宽带双极化天线具有上述优良的特性，众多学者对其展开了相关研究［5-7］。在参考文献［8］中提出了一种新型的磁电偶极子天线，该天线具有体积小、带宽宽、高端口隔离和对称辐射模式等优点。在参考文献［9］中，提出了一种差分馈电双极化磁电偶极子天线，其阻抗带宽可达68%。此外，在工作波段内实现了稳定的辐射图。在参考文献［10］天线中提出了一种低轮廓的磁电偶极子天线，当驻波比≤1.5 时，该天线的阻抗带宽为54.8%，并且在工作频段上具有单向辐射模式。在参考文献［11］中提出了一种新型的双频段磁电偶极子天线，该天线单极化、双频段工作，在2.29～3.13 GHz 和4.70～5.85 GHz 的工作频带内，天线具有良好的方向性。许多工程应用要求天线不仅具有宽带特性，还要同时满足正交双线极化和双频性能。现有的磁电偶极子天线具有正交双线极化或双频性能，但迄今为止，磁电偶极子天线设计为正交双线极化的大多数都为单频天线，并未同时满足正交双线极化和双频性能。因此，本文提出了一款基于双层阵子结构的新型双频双线极化磁电偶极子天线。

1 天线设计

本文所提出的天线的几何形状如图1 所示。该天线由采用上下结构排布的四对水平贴片、两对垂直短路贴片和一对正交Γ 型馈电探针组成。上层水平贴片边缘开有凸形槽，并且在上层水平贴片和垂直短路贴片的连接处开有两个切口，下层水平贴片连接到垂直短路贴片切口边缘，为实现双频工作，其电偶极子设计为包含上层大振子和下层小振子的双层结构，并且上层大振子为空心结构以减少对下层小振子的电磁遮挡。该天线将两对磁电偶极子正交放置，从而实现了双极化辐射；与传统磁电偶极子天线相比，双层振子谐振于不同频率，使得天线实现双频工作性能。Γ型馈电结构由三个宽度相同的的金属条组成，Γ型馈电的最长垂直部分采用渐变结构，使得在超宽频带内获得更好的阻抗匹配。每个Γ 型馈电的最长垂直部分可以看作是一条传输线，它作为一个空气微带线从端口传输功率。馈电的其余L 形部分是耦合条。电感将由馈电的水平部分产生，电容将由馈电的垂直部分和最近的偶极子垂直短路贴片产生。因此，可以通过调整水平和垂直部分的参数来实现更好的阻抗匹配。每个馈线的水平交叉部分分别采用上阶梯状和下阶梯状，以提高馈电结构的一致性和隔离度。两个SMA 放置在连接到馈电结构的平面反射器下方。天线底部灰色部分为聚四氟乙烯材料，用以支撑天线结构。表1给出了天线结构的详细尺寸。

表1 天线主要结构尺寸

图1 天线结构

2 天线电流分析及参数分析

通过观察磁电偶极子天线不同时刻天线表面的电流分布情况可以更好的了解天线的工作原理。图2 为4 GHz 时一个周期内四个不同时刻的天线辐射表面电流分布。

图2 4 GHz时天线表面电流不同时刻分布

由于天线具有对称结构，故以下只给出其中一个端口的参数分析。图3 为磁电偶极子上层水平阵子长度L1 及高度H1 作为变量，其他参数保持不变时，L1 以及H1 对天线驻波比的影响。从图3（a）驻波比曲线图中可以看出，水平阵子长度L1对天线低频段的驻波比比较为敏感，随着L1的增大，低频段谐振深度加深，低频段最低工作频率有所降低；然而，水平振子长度L1对天线高频段的驻波比几乎没有影响。从图3（b）驻波曲线图可以看出，天线高度H1对天线低频段与高频段的驻波比都有所影响，特别是对高频段9～10.5 GHz，随着H1的增大，谐振深度降低，最低工作频率向低频移动。综上，当L1=18.3 mm，H1=17.3 mm 时，天线的阻抗匹配性能良好。

图3 L1、H1对天线驻波比的影响

3 仿真结果分析与实测对比

为了验证天线性能，采用机械精加工方式对该天线进行了加工测试，之后对天线进行安装焊接，天线金属部分均采用铝合金材料进行制作，天线底部使用聚四氟乙烯进行支撑，加工实物如图4 所示。天线电压驻波比（VSWR）使用矢量网络分析仪进行测量，天线增益和远场辐射方向图由暗室测量系统测得。

图4 天线实物

图5 为天线两个端口的仿真与实测的VSWR曲线对比结果。从图中可以看出，端口1 实测的驻波比小于2 的频段为3.4～6.2 GHz、8.5～14 GHz，仿真为3.4～6G Hz、8.4～14 GHz。端口2 实测的驻波比小于2 的频段为3.4～6.2 GHz、8.5～13.8GHz， 仿 真 为3.5～6 GHz、 8.4～14 GHz。仿真与实测结果吻合良好，两个端口分别馈电且天线对称，得到天线的平均阻抗带宽为58.3%（3.4～6.2 GHz）和47.5%（8.5～13.8 GHz）。

图5 仿真与实测驻波对比

天线为双线极化工作模式，且天线结构高度对称，故仅给出了其中一个极化方向的方向图测试结果。选取天线工作频带内的6处频点（低频段与高频段各3 个），分别测试其E 面、H 面方向图。图4 为在频率分别为4 GHz、5 GHz、6 GHz、8.5 GHz、10.8 GHz、12.4 GHz 时仿真与实测的归一化E 面和H 面辐射方向图。从图6 中可以看出仿真和实测吻合良好，且在低频段该天线的E 面和H面方向图都具有良好的定向辐射特性。

图6 天线方向图的实测与仿真对比（续）

图7 绘制了典型频点的天线增益仿真和实测值对比，从图中可以看出，天线仿真与实测结果基本吻合，数据表明该天线在工作频点内低频段实测增益为7.6±0.5 dBi，高频段实测增益为9.5±1.3 dBi。

图 7 仿真和实测的增益曲线对比

4 结语

本文设计了一款具有双层结构的新型磁电偶极子天线，该天线采用双层辐射阵子结构，具有双频工作和双线极化特性。根据仿真和实测结果，该双极化磁电偶极子天线能够在3.4～6.2 GHz 和8.5～13.8 GHz 两个频段内实现VSWR<2，相对带宽达到58.3%和47.5%。在工作带宽内具有较为稳定的定向辐射特性，低频段增益为7.6±0.5 dBi，高频段增益为9.5±1.3 dBi。因此，该天线在宽带双频段通信系统中具有巨大潜力。