一种M 型超宽带磁电偶极子天线设计*

陈茂洋，肖 祺

（杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

随着通信系统的发展，其终端设备对天线技术的要求越来越高。小型化、大带宽、高增益、阻抗匹配良好已成为现代天线设计重要的追求目标。

磁电偶极子天线因其宽频带、增益稳定、E 面和H 面方向图基本一致以及前后比良好等特性符合天线设计的需求引起专家学者们的广泛关注，以至于近些年来在国内外论文中具有不同特性或应用的磁电偶极子天线陆续被提出[1-3]。文献[4]率先提出一种互补结构的新型磁电偶极子天线，通过Γ型馈电结构对电偶极子与磁偶极子同时激励，利用互补性原理，使得整个天线在E 面和H 面具有相同的方向图，成为近些年来国内外学者重点研究的方向。随后，学者Shuai 提出一种半圆型磁电偶极子天线结构[5]，通过将水平电偶极子贴片和垂直磁偶极子贴片设计为半圆形，令天线相对带宽达到107%,同时设计圆台形反射板来提高天线增益，使性能变得更佳。但是该天线工作带宽未能覆盖X 波段，而且增益不稳定，波动高达3 dBi；国外学者Matin 设计一种E 型磁电偶极子天线结构[6]，该天线采用矩形寄生辐射结构使得天线获得了44.8%的相对带宽，同时获得稳定的增益。但是E 面和H 面方向图无法在工作带宽内保持较好的一致性，在高频处高次模影响较大。。

基于以上研究，本文设计了一种结构简单和宽频带的磁电偶极子天线。该天线利用开槽技术实现天线的宽频带要求，同时采用线性渐变阶梯馈电结构进行阻抗匹配使其具有更宽的阻抗带宽，最终带宽覆盖整个X 频段。

1 天线结构与优化设计

整个天线结构主要分为两个部分：天线辐射部分和天线馈电部分，具体如图1 所示。通过Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS 对设计的天线进行电磁仿真、优化后，得到该天线具体参数如表1所示。图2 为天线结构建模图。

图1 天线结构模型图

表1 天线的参数(mm)

图2 天线建模图

天线的辐射部分由水平开槽贴片、垂直短路贴片和接地板构成，正方形接地板边长gd=40mm。水平面的开槽贴片为电偶极子，垂直短路贴片为磁偶极子。将电偶极子的水平贴片末端与磁偶极子的垂直贴片末端相连接，并将垂直贴片另一端连接到接地板形成短路。对称的水平贴片上开有A 型槽，该结构与相同尺寸的矩形贴片相比，有效长度更长，可用来缩小天线相对尺寸，同时也增加谐振点以扩展阻抗带宽。

天线的馈电部分采用渐变型阶梯状馈电结构，将传统Γ型馈电结构进行有效地改进。因为采用普通的Γ型馈电结构，其能力有限，只能适用于较低的频率。通过分析Γ型馈电结构的工作原理可知，馈线的水平部分主要呈电感特性；垂直短路部分呈电容特性[7]；通过调节耦合馈线的水平部分和垂直部分的长度可有效控制天线的感性和容性，从而实现阻抗匹配。通过对相关论文[8-9]的研究发现，构造多个不同特性的馈线同时调节多个部分馈线的结构尺寸，可以更加有效地调节天线地容抗和感抗。因此对Γ型馈线末端进行两次90°弯折，形成阶梯状馈线。这样，阶梯状馈线在Γ型馈线的基础上分别增加一段水平和垂直馈线，调节水平馈线和垂直馈线与水平贴片和垂直短路贴片的距离，可以使这两段馈线分别呈现感性或容性，相当于在原有的Γ型馈线结构上增加了调节天线阻抗匹配的的组件，以便更好地调节天线的阻抗匹配。另外在一侧贴片上进行打孔，使得馈线能够穿过贴片，解决了二次弯折带来的贴片之间间隙增加进而天线尺寸增大的问题，同时也提高了磁电偶极子天线阻抗匹配的自由度。阶梯状馈线水平耦合部分高出水平福射贴片0.5 mm，与馈线阶梯状末端相连接。

除此之外，为了更好地展宽天线的工作带宽，在垂直传输线、水平耦合线及垂直短路线末端均进行线性渐变设计。Γ型馈线垂直部分的底部与同轴线转接头（SMA）相连，可等效为特性阻抗为Z0的传输线；而给天线水平辐射面馈电的顶部则可以等效为末端负载阻抗ZL。而将Γ型馈线设计为线性渐变，则相当于组成N个长度为ΔL的增量节，各节之间的阻抗相差ΔZ/N。当节数N增多时，各节之间的特征阻抗的阶跃变化ΔZ/N也会随之减小。再通过式（1）[10]计算可知，当ΔZ/N足够小且ΔZ/N远小于Z0时，每一节的阶梯增量反射系数ΔΓ也就会变得很小。因此天线可以实现宽频带内的阻抗匹配，从而扩展阻抗带宽，提升天线性能。

2 仿真结果与分析

通过HFFS15.0对该天线模型进行仿真分析，可得仿真结果如图3 所示。图3 为天线的回波损耗和增益曲线。从图3 可知，该天线的工作频带为5.54 GHz ～ 12.03 GHz,相对带宽达到73.9%（S11＜-10 dB），在工作频带内天线增益稳定在8.5 dBi 左右。

图3 回波损耗与增益曲线

图4 分别表示为该天线模型在6 GHz、8.5 GHz、 11 GHz 情况下的辐射方向图。表2 为天线在E 面和H 面的3 dB 波瓣宽度和前后比。可以发现，该天线在整个工作频段内，E 面和H 面基本一致，交叉极化分量较小，均在-20 dB 以下。而且前后比良好，具有较好的单向辐射特性，符合商业宽带天线的要求。

图4 天线辐射方向图

表2 天线的半功率波瓣宽度和前后比值

为了更好分析天线的辐射特性以及理解线性渐变阶梯型馈线对天线性能的影响，本文借助HFSS仿真软件研究了影响天线性能的两个重要参数。

由于为了更好地扩展带宽，本文在水平辐射贴片上进行了开槽处理，Wa即为A 型槽的宽。该参数对天线的输入反射系数S11参数影响较大，其结果如图5 所示。由图可知，当Wa逐渐增大时，天线的高频谐振点向更高频处移动，以致工作带宽增加，但与之同时天线的输入反射系数S11增大。因此在满足S11＜-10 dB的前提下获得较宽的阻抗带宽，Wa应取得最优解8.3 mm。

图5 A 形槽宽度Wa 对S11 参数的影响

在线性渐变阶梯型馈线中，馈线末端的宽度Wt3对天线的阻抗带宽如图6 所示。

图6 馈线末端宽度Wt3 对S11 参数的影响

可以发现，随着Wt3的增大，天线在高频部分阻抗匹配更好，使得阻抗带宽进一步增大。但是当Wt3增大至1.6mm 以上时，天线的输入阻抗继续增大，导致高频处无法与馈线的特性阻抗进行良好匹配。综上所述，当Wt3=1.6mm 时，天线才会获得最佳阻抗匹配。

本文设计天线的几个重要参数与文献[5]、文献[11]的对比如表3 所示。

表3 天线的重要参数对比

3 结 语

本文结合开槽技术和改进的线性渐变阶梯型馈线，设计了一种宽频带磁电偶极子天线。该天线工作带宽覆盖整个X 波段，而且结构简单，阻抗匹配效果良好，未来可以应用于X 波段的通信系统中。