宽频带宽波束磁电偶极子天线设计

张呈辉 曹祥玉高 军 李思佳

(空军工程大学信息与导航学院 西安 710077)

宽频带宽波束磁电偶极子天线设计

张呈辉 曹祥玉*高 军 李思佳

(空军工程大学信息与导航学院 西安 710077)

为了展宽天线的波束宽度，在磁电(ME)偶极子天线的基础上，该文设计出一种低交叉极化宽频带宽波束的新型磁电偶极子天线。通过将振子倾斜弯折，展宽了天线的波束宽度；结合6个寄生振子的对称加载，提高了辐射方向图的一致性。在Γ型馈电结构基础上，优化天线的振子间距和振子长度，实现了天线58.5%的相对带宽(S11≤-10 dB)，频带范围为2.3～4.2 GHz；对振子倾斜角度以及寄生振子的参数进行优化，在2.4～4.0 GHz的频带内实现了辐射方向图E面和H面同时达到120°以上的半功率波束宽度(HPBW)。测试与仿真有较好的一致性，证明了所设计天线不仅具有宽频带宽波束特性，同时在整个频带范围内方向图的一致性得到了极大地提高。

天线；磁电偶极子；寄生振子；宽波束；宽频带；一致性

1 引言

宽角度扫描的相控阵天线在机载、舰载雷达、卫星通信以及气象预测预报等领域中发挥着越来越重要的作用[1]。天线阵列的性能极大程度上依赖于单元的设计[2]，但目前能够同时满足宽频带宽波束且E面、H面一致性较好的天线单元却鲜有报道。研究表明，增加天线介质层，减小反射板，使用3维反射板结构等[3-6]，都可以展宽天线的辐射方向图，但相对带宽不足10%。近期, 文献[7]和文献[8]分别提出波束宽度达到197°和115°的天线，相对带宽仅为3.4%和3.3%，仍不能实现天线较宽频带内E面、H面同时满足120°以上的波束要求。因此E面H面辐射一致的宽带宽波束天线单元设计亟待解决。

为了提高天线辐射方向图的一致性，文献[9]首次提出磁电(Magneto-Electric, ME)偶极子天线，该天线利用电偶极子和磁偶极子方向图互补叠加原理，使天线E面和H面的辐射方向图近乎一致，其相对带宽为44%(S11≤-15 dB)，在1.85～2.89 GHz的频带范围内，增益波动仅为0.5 dBi，方向图稳定。随后各类磁电偶极子天线纷纷被提出[10-13]，这些天线在频带范围内都具有E面H面一致且稳定的方向图，且交叉极化和后向辐射都很小，但半功率波束宽度(Half Power Beam Width, HPBW)却很窄，E面和H面HPBW仅为70°左右。本文在磁电偶极子天线基础上，设计了一种低交叉极化的宽带宽波束天线。通过电偶极子倾斜弯折并结合在反射板上对称加载寄生振子的方法，同时实现了宽频带和宽波束性能，在2.4～4.0 GHz频带范围内使E面和H面HPBW展宽至120°以上。

2 天线结构与设计

所设计的天线结构如图1所示。将磁电偶极子天线的水平振子进行倾斜和弯折，改善天线的匹配性能，展宽了天线的辐射方向图，在反射板上中心对称的加载6个寄生振子，提高了天线的辐射一致性，使天线在整个频段内辐射稳定。垂直贴片一端和电偶极子(水平振子)相连，另一端接地短路，两个垂直贴片与中间的短路地板构成了磁偶极子[15]。天线采用Γ型馈电结构，馈线末端与微带转接头(Sub-Miniature-A, SMA)相连，对馈线参数进行优化，可达到很好的匹配效果。加载的寄生振子高为H1=22 mm，宽为W1=12 mm，对称放置于半径为R=28 mm的圆上，如图1(c)所示。整个天线的尺寸大小为60 mm×60 mm×30 mm(0.65λ×0.65λ× 0.32λ,λ=92.3mm，为中心频率3.25 GHz处的工作波长。天线长度Gl=60 mm, 天线宽度Gw=60 mm)。表1给出了天线的具体参数。

3 参数优化与仿真分析

利用电磁仿真软件HFSS14对天线进行仿真分析。首先分析未加载寄生振子时振子间距S、倾斜角度α以及振子长度L, L1对天线的匹配性能和方向图的影响，其次研究了加载寄生振子对天线的作用。在仿真分析的过程中，始终保持馈线尺寸、反射板大小和振子高度不变，这是因为选择当前馈线尺寸时天线匹配性能良好，而对于偶极子天线来说，反射板放置于距离/4λ的位置时能够实现单向辐射，而反射板的大小则直接影响天线的辐射方向图。

3.1 振子间距S

图2(a)给出了天线增益和S11随振子间距S的变化，随着S的增大，低频谐振点向高频移动，天线带宽有所缩窄，天线增益在中心频点附近几乎没有影响，在高频段S最小时增益最低。图2(b)给出了在3 GHz频点处，天线E 面和H面的HPBW随S变化的曲线，由图可知，H面的HPBW大于E面，考虑天线在E面和H面的辐射一致性，结合带宽、增益要求，选择S=17 mm。

3.2 倾斜角度

由图3(a)可知，随着倾斜角度的增大，低频谐振点向高频移动，带宽变窄，天线增益在2.0～4.0 GHz的频带范围内相对稳定，当α为30°时，高频段的增益最低。图3(b)为3 GHz时天线E面H面的HPBW随倾角α的变化曲线，当α为50°时，E面HPBW最大，且E面和H面HPBW相差较小，但此时天线的带宽最窄，高频段增益较大，导致在高频段天线的辐射方向图波束较窄，综合考虑取α为30°。

3.3 振子长度

为了使天线在较宽的频带范围内实现宽波束，要求具有平缓的增益曲线，且在整个频带内增益不能过高。因为天线辐射功率固定，鼻锥方向增益的降低，使天线HPBW变宽，而高频段增益较高时，方向图出现裂瓣。图4(a)表明，随着L的增大，天线的匹配性能有所改善，增益在频带范围内波动较小，在高频段，L=15 mm时增益最小；天线增益和S11随L1变化的曲线如图4(b)所示，依据相同的优选原则，选取L1=9 mm。

图1 天线结构

表1 宽带宽波束磁电偶极子天线相关参数(mm)

图2 振子间距S对天线匹配及辐射的影响

图3 倾斜角度α对天线匹配及辐射的影响

图4 振子长度L, L1对天线匹配和增益的影响

3.4 寄生振子

在反射板上对称加载六个寄生振子[16-18]如图1(c)所示。加载后天线低频段增益下降约3 dBi，天线在整个频段内的一致性得到极大提高，鼻锥方向辐射减弱，主辐射方向四周的辐射增强，天线的HPBW得到展宽。但匹配性能有所恶化，低频谐振点消失，高频略有拓宽，绝对带宽缩窄386 MHz，如图5所示。图6为不同频点对应的方向图，在2.4～4.0 GHz的频带范围内天线E面H面的HPBW均大于120°。实际上，加载的寄生振子相当于小型振子天线，寄生振子同时辐射，补充了主辐射方向周围的弱区，使天线的波束宽度和辐射一致性都得到了很大的提高。

图7为3 GHz时天线的电流分布图。在相位为0°时，倾斜振子上的表面电流沿振子指向同一方向，两个垂直贴片上的电流最小，此时电偶极子起主要作用，而寄生振子类似于单极子，左侧寄生振子电流向下，右侧朝上，对主辐射方向的弱区起补充作用；相位为90°时，倾斜振子上的表面电流最小，垂直贴片上的电流最大，磁偶极子起主要作用，寄生振子辐射最小；相位为180°时，电偶极子再次起主导作用，寄生振子辐射，电流方向与相位为0°时相反；相位为270°时磁偶极子起主要作用，电流方向与相位为90°时相反，寄生振子辐射最小。

由以上分析可得，调节天线的结构尺寸控制电偶极子和磁偶极子工作的幅度和相位，使天线可以在宽频带范围内实现稳定的辐射方向图，而调节寄生振子的位置和尺寸大小则能有效补充主辐射方向四周的弱区，达到展宽HPBW的目的。

4 加工实测

图5 未加寄生振子和加载寄生振子后的天线增益和S11对比图

图6 不同频点2维方向图

图7 不同相位的电流分布图

为验证设计天线的宽频带宽波束特性，对图1所示天线模型参数优化后加工实物，利用Agilent N5230C矢量网络分析仪对天线的S11和辐射方向图进行测试。图8给出了仿真和实测S11曲线。测试表明，-10 dB以下带宽为2.4～4.3 GHz，相对带宽为58.5%，测试结果和仿真结果基本吻合，频带范围一致，略向高频偏移，这主要是Γ型馈线焊接时同两侧短路贴片的距离误差及测试环境引起的。

图8 仿真和实测的S11曲线

图9为天线在2.4 GHz, 3.0 GHz, 3.6 GHz和4.0 GHz处的仿真和实测E面、H面2维方向图。由图可知，E面H面具有近乎一致的方向图，波束宽度得到极大展宽，除3.6 GHz的E面HPBW未达到120°外，其他频点E面和H面的HPBW均大于120°，且在整个频带范围天线方向图非常稳定，交叉极化小于-15 dB，仿真与实测之间的差异主要是由天线加工误差、测试环境等因素造成的。

5 结束语

在磁电偶极子天线的基础上，通过将振子倾斜弯折并结合在反射板上加载寄生振子的方法，设计出一种新型的宽频带宽波束磁电偶极子天线。仿真结果表明，在2.3～4.2 GHz的频带范围内满足电压驻波比VSWR≤2，并且在2.4～4.0 GHz的频带范围内天线E面和H面辐射方向图的HPBW同时大于120°，交叉极化均小于-15 dB。实测结果和仿真具有较好的一致性，证明了该天线的低交叉极化、宽频带宽波束辐射特性。

图9 不同频点处天线的测试和仿真方向图

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张呈辉： 男，1989年生，博士生，研究方向为微带天线、宽波束天线设计、人工电磁材料等.

曹祥玉： 女，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为天线与电磁兼容、电磁超材料、计算电磁学等.

高 军： 男，1962年生，教授，硕士生导师，研究方向为电磁散射理论、电磁超材料、天线设计等.

李思佳： 男，1987年生，博士生，研究方向为人工电磁超材料、双极化天线设计等.

Broadband and Wide Beam Magneto-electric Dipole Antenna Design

Zhang Cheng-hui Cao Xiang-yu Gao Jun Li Si-jia
(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

In order to broaden the antenna beamwidth, a broadband and wide beam Magneto-Electric (ME) dipole antenna with low polarization is designed based on the conventional ME antenna. By tilting and bending the dipoles, the beam width of the antenna is broadened; the consistency of the radiation pattern is improved by placing 6 parasitic patches symmetrically around the ground center. Optimizing the space between the dipoles and the length of the dipole based on the Γ-shaped feed structure, a relative bandwidth of 58.5% (S11≤-10 dB) from 2.3～4.2 GHz is achieved. By optimizing the tilting angle and the parameters of the parasitic dipole, the Half Power Beam Width (HPBW) of E-plane and H-plane is simultaneously broadened to 120° in the frequency range from 2.4～4.0 GHz. The measurement results are in good agreement with the corresponding simulation, which not only

prove that the broadband and wide beam characteristics of the designed antenna, but also extremely improve the consistency of the radiation pattern through the whole frequency band.

Antenna; Magneto-Electric (ME) dipole; Parasitic monopole; Wide beam; Broadband; Consistency

TN82

A

1009-5896(2015)03-0758-05

10.11999/JEIT140579

2014-05-06收到，2014-07-18改回

国家自然科学基金(61271100, 61471389)和陕西省自然科学基础研究计划项目(2012JM8003)资助课题

*通信作者：曹祥玉 gigi9694@163.com