一種M 型超寬帶磁電偶極子天線設(shè)計*

陳茂洋，肖 祺

（杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，其終端設(shè)備對天線技術(shù)的要求越來越高。小型化、大帶寬、高增益、阻抗匹配良好已成為現(xiàn)代天線設(shè)計重要的追求目標(biāo)。

磁電偶極子天線因其寬頻帶、增益穩(wěn)定、E 面和H 面方向圖基本一致以及前后比良好等特性符合天線設(shè)計的需求引起專家學(xué)者們的廣泛關(guān)注，以至于近些年來在國內(nèi)外論文中具有不同特性或應(yīng)用的磁電偶極子天線陸續(xù)被提出[1-3]。文獻[4]率先提出一種互補結(jié)構(gòu)的新型磁電偶極子天線，通過Γ型饋電結(jié)構(gòu)對電偶極子與磁偶極子同時激勵，利用互補性原理，使得整個天線在E 面和H 面具有相同的方向圖，成為近些年來國內(nèi)外學(xué)者重點研究的方向。隨后，學(xué)者Shuai 提出一種半圓型磁電偶極子天線結(jié)構(gòu)[5]，通過將水平電偶極子貼片和垂直磁偶極子貼片設(shè)計為半圓形，令天線相對帶寬達(dá)到107%,同時設(shè)計圓臺形反射板來提高天線增益，使性能變得更佳。但是該天線工作帶寬未能覆蓋X 波段，而且增益不穩(wěn)定，波動高達(dá)3 dBi；國外學(xué)者Matin 設(shè)計一種E 型磁電偶極子天線結(jié)構(gòu)[6]，該天線采用矩形寄生輻射結(jié)構(gòu)使得天線獲得了44.8%的相對帶寬，同時獲得穩(wěn)定的增益。但是E 面和H 面方向圖無法在工作帶寬內(nèi)保持較好的一致性，在高頻處高次模影響較大。。

基于以上研究，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單和寬頻帶的磁電偶極子天線。該天線利用開槽技術(shù)實現(xiàn)天線的寬頻帶要求，同時采用線性漸變階梯饋電結(jié)構(gòu)進行阻抗匹配使其具有更寬的阻抗帶寬，最終帶寬覆蓋整個X 頻段。

1 天線結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計

整個天線結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分：天線輻射部分和天線饋電部分，具體如圖1 所示。通過Ansoft公司的三維電磁仿真軟件HFSS 對設(shè)計的天線進行電磁仿真、優(yōu)化后，得到該天線具體參數(shù)如表1所示。圖2 為天線結(jié)構(gòu)建模圖。

圖1 天線結(jié)構(gòu)模型圖

表1 天線的參數(shù)(mm)

圖2 天線建模圖

天線的輻射部分由水平開槽貼片、垂直短路貼片和接地板構(gòu)成，正方形接地板邊長gd=40mm。水平面的開槽貼片為電偶極子，垂直短路貼片為磁偶極子。將電偶極子的水平貼片末端與磁偶極子的垂直貼片末端相連接，并將垂直貼片另一端連接到接地板形成短路。對稱的水平貼片上開有A 型槽，該結(jié)構(gòu)與相同尺寸的矩形貼片相比，有效長度更長，可用來縮小天線相對尺寸，同時也增加諧振點以擴展阻抗帶寬。

天線的饋電部分采用漸變型階梯狀饋電結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)Γ型饋電結(jié)構(gòu)進行有效地改進。因為采用普通的Γ型饋電結(jié)構(gòu)，其能力有限，只能適用于較低的頻率。通過分析Γ型饋電結(jié)構(gòu)的工作原理可知，饋線的水平部分主要呈電感特性；垂直短路部分呈電容特性[7]；通過調(diào)節(jié)耦合饋線的水平部分和垂直部分的長度可有效控制天線的感性和容性，從而實現(xiàn)阻抗匹配。通過對相關(guān)論文[8-9]的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造多個不同特性的饋線同時調(diào)節(jié)多個部分饋線的結(jié)構(gòu)尺寸，可以更加有效地調(diào)節(jié)天線地容抗和感抗。因此對Γ型饋線末端進行兩次90°彎折，形成階梯狀饋線。這樣，階梯狀饋線在Γ型饋線的基礎(chǔ)上分別增加一段水平和垂直饋線，調(diào)節(jié)水平饋線和垂直饋線與水平貼片和垂直短路貼片的距離，可以使這兩段饋線分別呈現(xiàn)感性或容性，相當(dāng)于在原有的Γ型饋線結(jié)構(gòu)上增加了調(diào)節(jié)天線阻抗匹配的的組件，以便更好地調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。另外在一側(cè)貼片上進行打孔，使得饋線能夠穿過貼片，解決了二次彎折帶來的貼片之間間隙增加進而天線尺寸增大的問題，同時也提高了磁電偶極子天線阻抗匹配的自由度。階梯狀饋線水平耦合部分高出水平福射貼片0.5 mm，與饋線階梯狀末端相連接。

除此之外，為了更好地展寬天線的工作帶寬，在垂直傳輸線、水平耦合線及垂直短路線末端均進行線性漸變設(shè)計。Γ型饋線垂直部分的底部與同軸線轉(zhuǎn)接頭（SMA）相連，可等效為特性阻抗為Z0的傳輸線；而給天線水平輻射面饋電的頂部則可以等效為末端負(fù)載阻抗ZL。而將Γ型饋線設(shè)計為線性漸變，則相當(dāng)于組成N個長度為ΔL的增量節(jié)，各節(jié)之間的阻抗相差ΔZ/N。當(dāng)節(jié)數(shù)N增多時，各節(jié)之間的特征阻抗的階躍變化ΔZ/N也會隨之減小。再通過式（1）[10]計算可知，當(dāng)ΔZ/N足夠小且ΔZ/N遠(yuǎn)小于Z0時，每一節(jié)的階梯增量反射系數(shù)ΔΓ也就會變得很小。因此天線可以實現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配，從而擴展阻抗帶寬，提升天線性能。

2 仿真結(jié)果與分析

通過HFFS15.0對該天線模型進行仿真分析，可得仿真結(jié)果如圖3 所示。圖3 為天線的回波損耗和增益曲線。從圖3 可知，該天線的工作頻帶為5.54 GHz ～ 12.03 GHz,相對帶寬達(dá)到73.9%（S11＜-10 dB），在工作頻帶內(nèi)天線增益穩(wěn)定在8.5 dBi 左右。

圖3 回波損耗與增益曲線

圖4 分別表示為該天線模型在6 GHz、8.5 GHz、 11 GHz 情況下的輻射方向圖。表2 為天線在E 面和H 面的3 dB 波瓣寬度和前后比。可以發(fā)現(xiàn)，該天線在整個工作頻段內(nèi)，E 面和H 面基本一致，交叉極化分量較小，均在-20 dB 以下。而且前后比良好，具有較好的單向輻射特性，符合商業(yè)寬帶天線的要求。

圖4 天線輻射方向圖

表2 天線的半功率波瓣寬度和前后比值

為了更好分析天線的輻射特性以及理解線性漸變階梯型饋線對天線性能的影響，本文借助HFSS仿真軟件研究了影響天線性能的兩個重要參數(shù)。

由于為了更好地擴展帶寬，本文在水平輻射貼片上進行了開槽處理，Wa即為A 型槽的寬。該參數(shù)對天線的輸入反射系數(shù)S11參數(shù)影響較大，其結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，當(dāng)Wa逐漸增大時，天線的高頻諧振點向更高頻處移動，以致工作帶寬增加，但與之同時天線的輸入反射系數(shù)S11增大。因此在滿足S11＜-10 dB的前提下獲得較寬的阻抗帶寬，Wa應(yīng)取得最優(yōu)解8.3 mm。

圖5 A 形槽寬度Wa 對S11 參數(shù)的影響

在線性漸變階梯型饋線中，饋線末端的寬度Wt3對天線的阻抗帶寬如圖6 所示。

圖6 饋線末端寬度Wt3 對S11 參數(shù)的影響

可以發(fā)現(xiàn)，隨著Wt3的增大，天線在高頻部分阻抗匹配更好，使得阻抗帶寬進一步增大。但是當(dāng)Wt3增大至1.6mm 以上時，天線的輸入阻抗繼續(xù)增大，導(dǎo)致高頻處無法與饋線的特性阻抗進行良好匹配。綜上所述，當(dāng)Wt3=1.6mm 時，天線才會獲得最佳阻抗匹配。

本文設(shè)計天線的幾個重要參數(shù)與文獻[5]、文獻[11]的對比如表3 所示。

表3 天線的重要參數(shù)對比

3 結(jié) 語

本文結(jié)合開槽技術(shù)和改進的線性漸變階梯型饋線，設(shè)計了一種寬頻帶磁電偶極子天線。該天線工作帶寬覆蓋整個X 波段，而且結(jié)構(gòu)簡單，阻抗匹配效果良好，未來可以應(yīng)用于X 波段的通信系統(tǒng)中。