基于磁电偶极子的宽带高增益天线设计*

张双威 王善进* 陈方园 赖颖欣 邝伟潮

(1.东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东 东莞 523808；2.广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；3.浙江金乙昌科技股份有限公司，浙江 嘉兴 314000)

随着5G 通信技术的不断发展，基站天线的选址不足问题尤为突出，对此有效的解决方案之一是将基站天线的工作带宽加大。宽带天线历来被广泛研究[1－2]，通过开槽或加载寄生单元等手段改变天线的等效阻抗值，从而改善天线端口与馈电单元的阻抗匹配程度，达到实现天线宽带工作的目的。例如双锥天线利用渐变横截面的辐射单元实现宽带工作，喇叭天线通过改变辐射口径达到宽频带的目的，对数周期天线依靠特殊结构实现宽带等都是基于这些原理。此外也可通过设计合适的馈电结构实现天线的宽带工作，譬如采用共面波导对天线馈电[3]。既往天线虽然能实现良好的带宽性能，但是其轮廓较大，不符合如今基站天线小型化的发展趋势。传统上基站天线广泛使用偶极子天线结构，其具有结构简单、工程造价低等优点，但是其工作带宽较窄，在工作带宽内增益平坦度变化较大，尤其应对处于高频段的5G 通信来说，显得力不从心。2006 年Luk K M，Wong H 提出磁电偶极子天线[4]，从方向图方面看，磁电偶极子天线是电偶极子天线与磁偶极子天线结合的产物；电偶极子在E 场为8 字形，在H 场为0 形，而磁偶极子恰巧与之相反，当两者进行恰当的组合及激励时，可使磁电偶极子天线在E 场和H 场的方向图形状一致，类似于一心形图。文献[4]的研究结论表明磁电偶极子天线不仅可实现大带宽以及高增益的性能，且尺寸相对紧凑。

已有研究[5]给出磁电偶极子天线的电路模型如图1。

图1 磁电偶极子天线电路原理图

其中LC串联电路等效为电偶极子，LC并联电路等效为磁偶极子。显然电路的输入导纳如式(1)所示。

式中:ω为天线的工作频率，当电偶极子和磁偶极子在同一频点谐振时，电偶极子的串联振荡回路与磁偶极子的并联振荡回路的谐振频率相等，上式虚部为零可得:

并且从整个电路看，由于电偶极子和磁偶极子的共同作用，使得天线在较大的频段范围里等效阻抗值变化平缓，从而实现了较好的增益和带宽性能。在谐振频点天线输入导纳的虚部即输入电纳理想上可实现为零，实现电路的良好谐振。

通过改变电偶极子的形状、利用多层结构、加载缝隙等方式可实现磁电偶极子天线的宽带性能。Wong H等[6]将电偶极子变换为领结形，改善了天线的阻抗匹配以实现宽带化的目的；Du Z 等[7]将电偶极子变换为梯形；Chen W 等[8]在电偶极子辐射单元上切割缝隙，通过改变辐射电流的路径实现宽带工作。对于多模态通信设的实现，Feng 等[9]、Tao 等[10]及Yang 等[11]采取双层结构进行多模态宽带化的设计，Zeng 等[12]则利用缺陷结构构建磁偶极子进行宽带设计。虽然上述结构能达到多模态通信的目的，但是这些类型的天线其结构往往过于复杂，且增益无法得到有效地保证。

本文基于磁电偶极子的原理设计了一款结构较为简单、在覆盖带宽内增益平坦度变化小的双极化天线，实现了3G/4G/5G 通信频段(1.8 GHz～5.0 GHz)的覆盖。

1 天线结构

图2 为天线结构图，图2(a)为整体结构示意图、图2(b)为辐射结构的示意图。天线主要由电偶极子、磁偶极子、馈电结构、反射结构四部分组成，其中天线底部利用一分二微带功分器馈电给天线，其基板介质材料为Rogers TMM4(εr＝4.5，thickness ＝1 mm)。图2(b)中顶部四个方形金属片为电偶极子，它们下方与之垂直的竖直结构部分及底面构成磁偶极子，正中间垂直正交放置的倒L 形部分是天线的馈电结构，可实现±45°的双极化辐射效果。四周的金属盒是天线的反射结构，可提升远场增益。天线由四个完全对称的单元(电偶极子和支撑它的竖直金属板)构成，以下简称为小单元。另外，放置于底部缝隙之间的两块长方体小金属块，可有效改善天线在高频段的阻抗匹配效果。

图2 天线结构示意图及辐射结构示意图

图3 为馈电结构，其中与底部功分器连接的竖直部分起到电磁信号的传输线作用，高度hK与磁偶极子等高，水平部分则主要完成电磁耦合的作用，将信号耦合到天线上进而进行辐射，其长度dK约为中心频点的四分之一波长左右，最终长度可通过优化确定。倒L 形馈电线的末端稍短的竖直部分可起到调谐微调作用，通过调整其长度LK，可实现天线良好的端口匹配。通过调整两个馈线间距hf，可优化馈电功分器端口间的隔离度。这两个正交放置的倒L 形馈电线除了竖直部分高度hK不同，其它部分的尺寸基本相同，但最终需要通过优化做出微调。

图3 馈电结构

图4 为电偶极子的方形辐射单元。其中三个顶角做了两个小矩形和一个小三角形的切割，尺寸由L2、W2 和W3 决定。其作用在于改变辐射面上电流流向和天线的等效电抗，实现天线宽频带的调整。此结构是天线的主要辐射部分。

图4 小单元

2 天线设计及优化

2.1 微带功分器设计及优化

利用威尔逊功分器的原理设计优化了适用于天线的一款一分二微带功分器，以Rogers TMM4 为介质基底，其中功分器的隔离电阻R＝100 Ω。其具体结构如图5 所示，其中L4－L15代表某段微带线的长度，nw1－nw12 则代表相应微带线的宽度。本文采用HFSS 软件对天线与功分器进行建模、设计与优化。

图5 微带功分器整体结构

图6 所示分别为功分器优化设计后输入端口驻波比VSWR1，以及S12、S13 和S23 的结果，主要优化了W5－W7以及L5－L7，较优值为W5＝0.5 mm，W6＝0.4 mm，W7＝0.6 mm，L5＝2.4 mm，L6＝5 mm，L7＝2.4 mm。

从图6(a) 可看出，在1.8 GHz～5 GHz 内VSWR1＜1.4，并且具有多个谐振点。端口隔离度S23 小于－16 dB，基本符合设计要求。图6(b)表示端口的插损，其两端口的插损在目标带宽内均在－3 dB 左右，具有较低的插损，因此所设计的微带功分器基本符合性能指标。

图6 功分器设计结果

2.2 电偶极子设计及优化

图7(a)所示为电偶极子辐射单元。将方形辐射面的三个顶角进行小矩形及小三角形切割，构成所谓方形及三角形缝隙加载。方形辐射单元的长度通常在中心频点四分之一波长的基础上进行微调优化，图7(b)所示为本文电偶极子方形辐射单元缝隙加载过程。对矩形图7(b)－1 进行对角小矩形切割得到图7(b)－2，进而再切割等腰三角形缝隙后得到图7(b)－3。通过调整缝隙尺寸可实现良好的阻抗匹配，拓展带宽。

图7 电偶极子图形及设计优化

图8 所示为电偶极子方形辐射单元缝隙加载前后S11 的变化曲线，是基于上述7(b)模型1－3 的仿真结果比较。由图可见，在4 GHz 之前，三者走势无大的差距，4 GHz 之后的模型1 的S11 的走势明显弱于模型2 与3，说明缝隙加载对于天线性能起到了一定的改善作用，对比模型2 与3 可看出，3 的性能略优于2，其原因在于3 较2 加载了三角形缝隙。

图8 不同形状的电偶极子的S11 对比图

本文采用模型3 作为电偶极子辐射单元结构。图9 显示切割的矩形缝隙与三角形缝隙的关键参数L2、W2、W3 对天线性能的影响。经过优化可得到三个参数的较优值，分别为L2 ＝2 mm，W2 ＝6 mm，W3 ＝3 mm。

图9 L2、W2、W3 对天线S11 的影响

2.3 磁偶极子设计及优化

磁偶极子由支撑电偶极子的相互正交且短接于底板的竖直金属部分及介质金属涂层组成，其模型如图10 所示，可将其理解为缝隙天线，其高度H可根据天线中心频率的四分之一波长进行优化得到。

图10 磁偶极子

磁偶极子内部缝隙的宽度通常小于中心频率0.1 倍的波长，缝隙宽度LS的优化结果如图11所示。

图11 LS 参数对天线S11 的影响

本文在磁偶极子缝隙中短接加载了两块矩形金属块，其对天线性能的影响可通过图12 看出，当加载矩形金属块，磁偶极子相邻的两单元的阻抗特性在高频段得到一定的改善，阻抗匹配的效果更佳。

图12 矩形金属块对天线S11 的影响

2.4 天线优化结果

天线主要实现1.8 GHz～5.0 GHz 频段的覆盖，目的在于同时覆盖3G/4G/5G 的频段。图13 给出S11 和VSWR 随频率的变化图，从图13(a)中可以看出S11＜－10 dB 的频段为1.8 GHz～5.5 GHz，满足我们所需求的频段目标。

图13 天线端口匹配性能图

图14 显示增益随频率变化图，可看出增益在所需频段1.8 GHz～5.0 GHz 内大于8 dBi，在5 GHz 后下降明显，峰值增益为10.5 dBi，整个区间内的平均增益大于9 dBi，具有较好的远场辐射性能，在所覆盖的目标带宽内增益平坦度变化较为平缓，基本符合设计要求。

图14 天线增益随频率变化图

图15 为天线在2.4 GHz、3 GHz、3.5 GHz、4 GHz、4.8 GHz 时的远场方向图。通过这些方向图可看出所设计的磁电偶极子天线基本符合低后瓣的性能，交叉极化性能经过优化虽改善不大，但也基本符合性能要求。

图15 天线方向图

经过最终设计及优化后的天线参数数值如表1。

表1 天线单元参数尺寸表 单位:mm

本文所设计的天线与参考文献[9，11]的对比如表2，本文增益平坦度为Gainmax－Gainmin。文献[9]虽然实现两频点的设计，尺寸小，但是其增益过低；本文与文献[11]实现几乎同等尺寸，但是[11]使用双层结构，结构略复杂于本文所设计的天线，本文在结构与带宽连续性方面占有优势。

表2 所设计天线与其他天线参照表

3 结论

本文设计与优化了一款覆盖3G/4G/5G 的宽带天线，天线利用微带功分器进行馈电，仿真分析可知其具有良好的性能，其相对带宽大于94.1%(1.8 GHz～5 GHz)，平均增益大于9 dBi，具有低后瓣的性能、且天线结构较为简单，符合基站天线大带宽、高增益的设计理念。