新型双极化超宽带交叉偶极子设计

廖梁兵，陈 星

(1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064；2.西南电子技术研究所，四川 成都 610000)

0 引言

超宽带通信系统因其能够提高数据传输率，提升信道容量，降低发射功率，提升多径分辨率和减小信道干扰而被广泛应用于航空航天、遥感及射电天文探测等领域[1-2]。双线极化天线因其能够消除因多径传播带来的信号衰减，提升信道容量，在航天通信系统中可消除法拉第旋转效应而被广泛应用[3]。传统的超宽带天线(如对数周期天线、螺旋天线、vivaldi天线等[4])因其具有超过10个倍频程的阻抗带宽而备受青睐。交叉偶极子天线易同时实现双极化和超宽带特性。文献[5]通过加载一组地平面来隔离辐射单元和馈电巴伦，设计了一款具有高隔离度、高极化纯度的双线极化交叉偶极子天线，其端口隔离度在2.7～3.0 GHz内高达52 dB，主平面内的交叉极化电平低于-40 dB。磁电偶极子天线是一种采用Γ型结构耦合馈电的宽带定向天线[6]，因其能同时满足宽带、定向、低交叉极化及低后瓣等优良特性而被广泛研究和应用[7-9]。文献[8]提到一款介质集成的磁电偶极子天线被应用在5G WiFi频段，其相对阻抗带宽为18.74%。Kai-wen Yang等[9]提出了一款具有125%的相对阻抗带宽的磁电偶极子天线，通过加载三角形地可以提高高频轴向增益的稳定性。

本文基于磁电偶极子的耦合馈电结构，在接地反射面上方λ/4(λ为中心频率所对应波长)处正交放置两对交叉环形偶极子，设计了一款同时具有超宽带、双线极化、轴向辐射的新型交叉偶极子天线。测试表明，该天线的阻抗带宽(电压驻波比<2)可达83.9%。

1 天线结构设计

本文设计的双极化超宽带轴向交叉偶极子天线如图1(a)所示。首先，采用一个方形金属平面作为反射地，保证天线具有较低的后瓣；然后，在金属反射地上切出2个圆孔，并将一对同轴连接器的内导体和介质层穿过该圆孔,分别与一对正交放置的Γ型馈电结构相接触，如图1(b)所示，从而实现2个正交极化馈电，两支馈电结构在垂直平面内的高度差为3 mm；其次，将两对平面电偶极子进行中心掏空处理，形成两对环状阵子，实现了电偶极子的轻薄设计；最后，将该电偶极子放置在金属反射面上方λ/4处，使反射波与前向辐射波在+z方向同相叠加，最终具有轴向辐射。电偶极子与金属地之间通过两对垂直金属平板作为连接和支撑，如图1(c)所示，Γ型结构的垂直部分与该金属平板保持平行，从而可将其视为一段空气微带传输线。

来自同轴馈电线的电磁信号经过该空气传输线传输至环状电偶极子，进而形成有效辐射。该天线的最终优化尺寸如表1所示。表中，H为电偶极子上表面与天线反射板之间的距离，df为垂直支撑间距，Lfs为Γ型结构的耦合枝节长度。

表1 优化后的天线尺寸 单位：mm

2 仿真分析

2.1 电压驻波比与端口阻抗

采用电磁仿真软件HFSS对上述结构进行建模仿真，仿真所得电压驻波比曲线如图2(a)所示。由图可知，该天线在1.3～3.3 GHz内可实现电压驻波比<2。天线端口输入阻抗如图2(b)所示，两端口的输入阻抗实部约为50 Ω，虚部约为0，实现了与50 Ω传输线的良好匹配。由于天线结构的对称性，两端口的电压驻波比曲线和端口输入阻抗曲线变化趋势基本一致。

2.2 表面电流分析

为了阐述该天线的工作过程，当天线工作在中心频率2.5 GHz时，一个时域周期(1T)内环形偶极子和垂直支撑板的表面电流分布如图3所示。为了清晰表示，只给出了两个相邻阵子的电流分布情况，另外两个相邻阵子的表面电流幅度分布与图中的分布类似。此处，以左侧端口接激励，右侧端口接负载为例进行阐述和分析。当时间t=0、T/2时，表面电流主要分布在垂直支撑板和Γ型馈电条上，在t=0时电流流向为垂直向上，t=T/2时电流流向为垂直向下。环形偶极子的表面电流微弱，如图3(a)、(c)所示。在这两个时刻，垂直支撑板和Γ型馈电条作为空气微带线进行电流的传导，天线几乎不发生辐射。当t=T/4、3T/4时，环形偶极子表面具有很强的表面电流，在T/2时刻电流从天线中心向外部流动，在3T/4时刻电流向天线中心流动，越靠近天线中心，电流密度越大，如图3(b)、(d)所示。此时，由于环形偶极子下方λ/4处放置了一块平面反射板，故天线在T/2和3T/4时开始工作并产生轴向辐射。

2.3 参数分析

研究了df、Lf3、H对天线驻波比的影响。由图4(a)可看出，随着df的增加，天线的低频工作点向更低频率移动，高频段匹配特性先变好再变差，中间频段电压驻波比变小，匹配特性变好，高频驻波比先变好再变差。由图4(b)可看出，随着Lf3的增加，天线的低频段驻波比几乎保持不变，中间频带驻波比变小，匹配变好，高频驻波比变差。由图4(c)可看出，随着H的增加，天线在低频的工作频带进一步向更低频率移动，中间频段的电压驻波比几乎保持不变，高频驻波比变小，匹配变好。

3 加工与测试

为了验证本设计的有效性和可行性，加工制作了一款天线模型。天线阵子和接地反射板采用铝材制造，中心馈电条采用黄铜制造，并使用一块PMI泡沫固定天线中心的馈电条，使其能够稳定地进行传输馈电。最后将该天线放置在微波暗室中进行驻波比和方向图的测试，如图5所示。

将天线的仿真和测试驻波比曲线绘制在同一图中作为对比，由于天线结构的对称性，以其中一个端口的测试结果为例,如图6所示。通过对比可以发现，天线的实测驻波比在频率1.35～3.30 GHz均能满足驻波比<2，其相对带宽达到83.9%，仿真和测试结果吻合完好。

图7为天线方向图仿真和测试对比结果。由图可见，测试方向图和仿真方向图吻合良好，且在整个阻抗带宽内都能保持稳定的轴向辐射。其轴向增益如图8所示，工作带宽内的测试增益从7.9 dBi变化到8.6 dBi，增益变化仅有0.7 dB。由于天线本身的损耗和测试误差等因素，天线的测试增益略小于仿真增益0.5 dB，该误差可接受。

4 结束语

本文设计了一款新型双极化超宽带交叉偶极子天线，与传统交叉偶极子天线不同，该天线采用交叉Γ型结构耦合馈电，实现了在1.36～3.50 GHz(相对带宽为100%)内的双极化超宽带工作。工作带宽内的电压驻波比<2，轴向增益从7.9 dBi到变化8.6 dBi，其变化范围仅0.7 dB。该天线在整个阻抗带宽内均能实现稳定的轴向辐射，仿真与测试结果吻合良好。因此，该天线在超宽带通信领域具有巨大潜在应用价值。