小型化磁電偶極子天線設計*

周夢麗， 徐艷紅， 蔣 安， 張志文， 王安義

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710600)

0 引 言

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的要求，尤其是天線的工作帶寬，尺寸大小以及輻射性能等。目前，天線正在朝著寬帶化[1]、小型化[2]的趨勢發展。很多學者提出了對數周期天線、喇叭天線等，但天線尺寸較大、結構復雜。微帶天線具有體積小、重量輕的特點，但帶寬較窄[3]。文獻[4]提出了互補型的磁電偶極子天線，利用電偶極子和磁偶極子方向圖的互補性，將電偶極子與磁偶極子相結合，得到對稱的E面和H面的方向圖，在1.85～2.89 GHz的工作頻段內實現了43.9 %(駐波比SWR小于1.5)的工作帶寬。此后，磁電偶極子天線進入研究者的視野。文獻[5]通過改進傳統的Γ形饋電結構，有效地減小了磁電偶極子天線的尺寸。文獻[6]提出了一種新型低剖面磁電偶極子天線，通過折疊垂直短路貼片，有效降低了天線的剖面，并在E面和H面上獲得了具有高前后比的穩定的輻射方向圖。分形結構可以通過自相似性和空間填充特性來展寬天線帶寬和實現小型化[7]，常見的分形結構有Koch、Hillbert[8]、Sierpinski[9]、Minkowski[10]等。

本文提出了一種基于Minkowski分形的磁電偶極子天線，利用分形結構的空間填充特性，延長了輻射貼片上的電流路徑，使得天線諧振頻率降低，并通過仿真對比加載分形前后的磁電偶極子天線特性，仿真結果表明：該天線具有尺寸縮減性，且加載分形結構對天線的輻射特性影響很小。

1 天線結構與設計

本文提出的基于Minkowski分形的磁電偶極子天線貼片的分形迭代過程如圖1所示。將矩形貼片一分為二，分成兩個大小相等的正方形，設正方形邊長為L，分形比例因子為α，從方形貼片的各邊中間位置，蝕刻出尺寸大小為L/3×L×α/3的小矩形，形成如圖1(b)所示的1階分形結構，在此基礎上，用同樣的方法在1階分形結構中蝕刻出小矩形，得到如圖1(c)所示的2階分形結構。

圖1 磁電偶極子天線分形迭代過程

本文磁電偶極子天線采用2階Minkowski分形結構，使用同軸饋電。天線結構如圖2所示，圖2(a)為天線的側視圖，圖2(b)為建模圖。該天線分為對稱兩個部分，最上面的兩個矩形貼片天線作為電偶極子天線，垂直貼片天線及兩個垂直貼片之間的地板充當磁偶極子天線，兩垂直貼片之間的距離為17 mm。該天線在兩垂直短路貼片中間采用Γ形饋線，饋線底部與SMA頭的內導體相接。天線的具體參數如表1所示。

圖2 天線結構

表1 天線結構尺寸mm

2 天線性能分析

2.1 天線反射系數和增益

通過仿真軟件HFSS.15.0對天線模型進行仿真和分析。圖3為天線的反射系數與增益曲線圖。經分析可知，天線的工作頻帶為1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，相對帶寬達到53 %，在整個工作頻帶內，增益穩定，最大增益達到8.7 dB。

圖3 天線反射系數和增益曲線

2.2 天線遠場區輻射方向圖和電流分布

圖4表示天線在(不同頻率的)E面和H面方向圖。由圖4可知，在整個工作頻帶內，天線的E面和H面的方向圖基本一致，并且天線的交叉極化分量較小，在1.8，2.3，2.8 GHz時的交叉極化均小于-30 dB,方向圖具有很好的對稱性。

圖4 天線輻射方向

為了進一步了解天線的輻射情況，圖5給出了2.3 GHz處磁電偶極子天線的電流分布情況，因為周期函數在時域具有周期性，這里只分析一個周期，水平貼片的電流分布描述了偶極子天線的工作狀態，垂直貼片且兩個垂直貼片之間的地板上的電流分布描述了磁偶極子天線的工作狀態，在t=0時及t=T/2時(T為頻率在2.3 GHz時的一個周期)，磁偶極子和電偶極子表面的電流強度達到最大。當t=T/4和3T/4時，磁偶極子和電偶極子分別在圖5(c),(d)中表面電流強度變得微弱，由此說明，在一個周期內，電偶極子和磁偶極子被同時激勵，符合磁電偶極子天線的工作機理。

圖5 電流分布

2.3 天線參數優化分析

為了研究分形結構對磁電偶極子天線的影響，更直觀地分析加載分形結構后天線諧振頻率的變化，凸顯小型化效果，利用HFSS15.0對各項參數進行仿真分析。不同迭代次數得到的諧振特性如圖6所示。對水平貼片做分形處理主要影響的是電偶極子的性能，通過圖6可以看出隨著分形階次的增加，高頻諧振點未變，低頻諧振點向低頻移動，頻帶展寬，阻抗匹配效果得到改善。二階分形結構相比分形前，電流路徑較長，通過延長電流路徑，使得天線的中心頻率降低，減小天線的整體尺寸。

圖6 反射系數隨分形次數的變化

分形比例因子α對天線反射系數的影響如圖7所示，分析圖7可知,α對天線的反射系數影響較大，隨著α值的變化，高頻諧振點不變，低頻諧振點會隨著α值的增大，向低頻移動。當α值為0.6或0.7 mm時，低頻諧振點1.9 GHz，當α值為0.8或0.9 mm時，低頻諧振點為1.8 GHz。當α取0.8 mm時，有較好的阻抗匹配特性。

圖7 反射系數隨α的變化

另外，進一步研究了饋線寬度d和饋線長度b對天線性能的影響，如圖8所示為饋線寬度d的不同取值對S11的影響，圖9顯示了S11隨饋線長度b的變化。

圖8 d對天線性能的影響

從圖8可以看出，隨著饋線寬度的增加，天線的頻帶展寬，在低頻處S11逐漸減小，高頻處S11逐漸增大。當d=3.6 mm時，匹配最好。

圖9 b對天線性能的影響

從圖9可以看出，隨著饋線長度的增加，天線的工作頻帶向低頻移動，在低頻處S11逐漸增大，高頻處S11逐漸減小。考慮到天線的性能，選擇b=23.7 mm。

表2總結了磁電偶極子天線加載分形結構前后的性能比較。第2列和第5列給出了天線分形前和分形后的中心頻率和天線尺寸，對比分析可以得出在天線尺寸保持不變的情況下，加載Minkowski分形結構后，天線的中心頻率從2.4 GHz移動到2.245 GHz。天線的尺寸從0.24λ1×0.616λ1×0.48λ1減小到0.22λ0×0.575λ0×0.44λ0，其中，λ1和λ0為分形前后天線中心頻率對應的波長。從第3列可以看出，分形后的天線具有更寬的阻抗帶寬。隨著分形階次的增加，天線的增益略微減小。本文提出的天線在保證磁電偶極子天線性能的前提下實現了19.5 %的尺寸縮減。

表2 加載分形結構前后對比

3 結 論

本文提出了一種小型化磁電偶極子天線，由一對加載Minkowski分形結構的平面電偶極子天線，一對垂直短路貼片和地平面組成，并采用同軸饋電。工作頻段為1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，實現了53 %的相對帶寬，在工作頻帶內，最大增益達到8.7 dB，有良好的方向性、低交叉極化等性能。利用分形結構空間填充性，減小了天線尺寸，該天線可應用于多種無線通信系統中。