一種磁電偶極子基站天線設計*

張澤勝，史姣姣

0 引 言

近年來，隨著現代無線通信技術的快速發展，當前的LTE、WiFi、WiMAX等無線通信技術對天線有了更高要求。許多應用需要天線具有寬阻抗帶寬、低截面、增益穩定、單向輻射方向圖穩定、低交叉極化和低后瓣等特點[1]。為此，很多學者提出了結構新穎的天線模型，如對數周期天線、喇叭天線[2]等，但這類天線尺寸太大，且結構復雜。貼片天線雖然可以單向輻射、結構簡單，但其工作帶寬不能滿足當前無線通信技術的需求[3]；背腔偶極子天線則因加入了復雜的腔體設計，導致天線輻射不穩定[4-5]。

文獻[6]提出了一種新型的互補結構偶極子天線，通過Γ型饋電結構對電偶極子和磁偶極子同時激勵，利用磁偶極子和電偶極子的互補性原理[7]，使整個天線單元的E面和H面具有相同的輻射場圖，在1.85 GHz到2.89 GHz實現了43.8%的相對帶寬（SWR≤1.5），且具有低交叉極化、工作頻段內增益達到8 dBi、增益穩定等優點。此后，磁電偶極子天線進入研究者視野。文獻[8]采用“E”型的水平貼片和彎曲的饋電貼片，實現了在1.84～3.45 GHz的頻帶范圍內的SWR≤1.5。文獻[9]通過折疊饋電銅片和垂直貼片，在保證天線工作帶寬的條件下，降低了天線高度。

本文設計了一種緊湊型的磁電偶極子天線。它包含一對平面U型貼片和一對垂直的折疊短路貼片，結合矩形盒反射板，采用同軸饋電的形式。該模型具有符合當前需求的增益穩定、E面和H面輻射圖一致、低交叉極化低后瓣等特點，且高度降低到15 mm，同時直流接地適用于戶外基站天線。

1 天線結構與設計

天線結構如圖1所示。圖1（a）為天線的側視圖，圖1（b）為俯視圖，圖1（c）為建模圖。該天線由兩塊水平的U型貼片和兩塊折疊垂直短路貼片組成。短路貼片均由平面金屬片制成，天線通過同軸線饋電。同軸電纜由地板打洞穿過，位于兩組貼片中間。其中，同軸電纜的內芯通過長方形金屬貼片與一側水平U型銅片相連，外芯通過折疊的金屬貼片與另一側水平U型銅片連接，組成平衡balun[10]，以達到能量傳輸的目的。在該天線單元中，水平放置的U型貼片充當電偶極子天線，垂直短路貼片充當磁偶極子天線，由同軸電纜同時激勵。同軸電纜外芯與天線直接接地，因此該天線單元具有防雷擊效果，非常適合作為戶外基站天線。天線的具體參數如表1所示。

圖1 緊湊型結構

表1 天線參數

2 仿真結果與分析

通過HFSS16.0對該天線模型進行仿真分析，可以得到仿真結果如圖2所示。圖2為天線的駐波比和增益曲線。從圖2可以看出，該天線的工作頻帶為2.03 GHz到2.97 GHz，相對帶寬達到37.6%（VSWR≤2），在此工作頻帶內天線的增益穩定在10 dBi左右。

圖2 駐波比與增益曲線

圖3 分別表示在2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz情況下該天線模型的輻射方向圖。不難看出，該天線在整個工作頻段內，E面與H面基本一致，保持著良好的輻射方向性，且由于模型是對稱結構，交叉極化分量較小，在E面與H面上的交叉極化分量都能在-30 dB以下具有良好的方向性。

圖3 天線輻射方向圖

表 2展示了在 2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz三個頻率點該模型的前后比、3 dB波束帶寬的具體數值。可以看出，該模型的3 dB帶寬都在60°左右，前后比都超過20 dB，滿足基站天線的基本需求。

表2 3 dB波束帶寬和前后比

為了理解垂直折疊短路貼片對天線性能的影響，下文使用HFSS對折疊貼片的各項參數進行分析。維持折疊短路貼片的總長度和模型其余參數保持不變的情況下，通過對L1、L2、L3、L4調整優化，以查看天線的回波損耗變化。

首先，分析L2的大小對天線性能的影響。經過折疊后的垂直短路貼片降低了2L2，在維持2L2+L3=26 mm不變的情況下，仿真結果如圖4所示。隨著L2變大，天線高度降低，天線的諧振點整體右移且回波損耗變差，說明天線高度不能無限制降低，而隨著天線高度的降低會出現阻抗不匹配。綜合天線仿真結構，選擇2L2=8 mm。

圖4 S11隨L2變化曲線

在確定L2的前提下，天線的實際高度已經確定為H-2L2=15 mm，即L1+L2+L3=15 mm。使L4不變，L1+L3=13 mm的情況下，改變L1對天線回波損耗的影響，結果如圖5所示。當L1=1 mm時，天線高頻點回波損耗下降，但帶內駐波比變差。當L4小范圍變化時，回波損耗基本不變。最后，綜合所有因素，確定L1=3 mm，L4=2 mm。

圖5 S11隨L1變化曲線

分析結果可知，降低天線高度需要犧牲一定的天線帶寬，所以天線的高度只能在一定程度下降低。

3 結 語

針對現在的無線通信需求，設計了一款緊湊型寬頻帶高增益電磁偶極子基站天線，工作頻段為2.03～2.97 GHz，通過改變饋電方式和折疊垂直短路貼片，有效降低天線高度，并使用U型水平貼片擴展天線帶寬，降低回波損耗。在工作頻段內，設計的天線增益較高且穩定，交叉極化分量較小，3 dB波瓣寬度和前后比均滿足基站天線需求。綜上所述，該天線直流接地、結構簡單、各項性能指標良好，可作為移動通信戶外基站天線。

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