一种宽带双极化共享折合臂天线设计

任晓飞 王琼 贺双

（中国电波传播研究所,青岛 266107）

引言

由于无线信号空间传输的复杂性，为了抗多径衰落效应，双极化天线被广泛应用于无线通信中.在信号监测领域应用中，监测天线要具备水平和垂直双极化同时接收能力，并且需要宽带、高隔离度等特性.双极化天线形式多种多样，包括贴片天线、磁电偶极子、缝隙天线和正交偶极子天线等.其中正交偶极子天线隔离度高、方向图稳定，被广泛应用和研究.Zengdi Bao 等人利用强耦合技术设计了同轴线直接馈电的新型双极化天线[1].在此基础上，学者们对这种宽带正交偶极子天线进一步设计改进，设计研究了圆弧形、蝶形以及四叶草形双极化正交偶极子天线[2-5]，此类交叉偶极子天线具有一定的宽带特性，但是相对带宽基本维持在50%左右，仅仅能够支持通信频段应用.

为了进一步提升天线工作带宽，部分学者采用在振子臂结构上进行L 形加载或环形嵌套加载[6-8]和在振子外进行高频或低频的寄生加载[9-11]等方法展宽天线带宽.这种类型的加载是通过引入的枝节产生新的谐振频带，通过控制加载枝节的尺寸灵活调整谐振频段，通过谐振叠加产生宽带模式的辐射.另外，通过馈电结构的改善也能在一定程度上展宽带宽，如通过将馈电结构变形为Γ 形或者Y 形[12-14]，调节阻抗匹配，以展宽带宽，但其还不足以覆盖到L 和S 波段宽波段，难以满足实际的更大带宽需求.同时，这种类型的带宽展宽方法往往只能改善驻波带宽，到高频时辐射方向图会产生分裂，也很难用在信号宽带监测领域.

本文针对实际通信信号宽带监测需求，在双极化共享臂(dual-polarized shared-dipole，DPSD)天线[15]内部空间增加共享折合支节结构，形成双极化共享折合臂(dual-polarized shared-folded-dipole，DPSFD)天线，在整个天线外形尺寸不增加情况下，有效扩展了天线工作带宽.理论和实测数据表明：天线可工作在1.6～4 GHz，双极化隔离度优于22 dB，增益可达8.3 dBi.天线尺寸仅为最低工作频率波长的28%，远小于半波十字交叉振子天线.该双极化天线具有小尺寸、超宽带、高隔离度特点，可用于移动通信信号宽带无线电监测系统中.

1 天线原理及展宽带宽机理

DPSD 天线通过振子臂的复用使另外一个极化的振子臂长度达到二分之一波长[15].图1 是DPSD天线的等效电路图，为了清楚描述天线工作原理，将整个天线拆分成4 个振子臂进行分析.

图1 DPSD 天线等效电路图Fig.1 Equivalent circuit for the DPSD antenna

假设端口1 和端口3 受到电压为Vp1和Vp3的射频信号激励，其中：

在振子臂1、振子臂4、振子臂2 和振子臂3 的末端，电压值分别为其中：α和 β 是幅度系数；θ 和 γ是相应的延迟相位.因此，端口2 和端口4 处的电压值为：

对于对称的DPSD 天线，4 个臂的长度相同，并且端口1 和端口3 以等幅同相信号激励.因此有：

这意味着，当端口1 和端口3 以等幅同相的信号激励时，其他两个端口(端口2 和端口4)处的电压为零.对于天线来说，从端口1 发送到端口3 的信号在端口2 和端口4 处相互抵消.因此，共享臂天线不仅具有高隔离度的特性，还达到振子臂的共享复用.

普通结构的DPSD 天线工作带宽有限，为了满足实际宽带监测需求，通过对称加载共享折合枝节，等效增加天线宽度，降低天线的Q 值，从而实现天线带宽的展宽.另外通过采用渐变型振子结构，进一步改善天线阻抗平稳特性，形成DPSFD 天线，天线模型如图2 所示.

图2 宽带DPSFD 天线模型Fig.2 The model of the wideband DPSFD antenna

在宽带监测应用中，除了考虑天线阻抗特性，还需要考虑天线方向图特性.为了实现定向方向特性，在天线背面增加反射板，来实现定向波束.在宽带工作中，反射板到天线之间距离不宜过大，否则在高频段天线波束会分裂，不能满足实际需求；距离过近，低频段阻抗特性难以满足要求.在满足高频波束的前提下，低频阻抗特性通过加载耦合线枝节来调整优化低频驻波特性.

2 天线设计与性能分析

根据实际宽带监测的指标要求，提出了宽带DPSFD 天线，通过优化共享折合臂长度和天线距反射板距离，来实现天线宽带工作能力.提出的DPSFD天线的设计参数如表1 所示，该天线结构配置图如图3 所示.其中a1、a2为振子臂长度，w1为双线传输线宽度，d为双线传输线间距，L1和w2为加载的耦合线的长度和宽度.天线采用介质基板为0.8 mm 厚的Rogers 4003，其介电常数为3.55.天线整体结构在介质板两面蚀刻中心对称的折合振子臂，通过金属过孔使介质板两面振子电连接形成振子臂的复用.

表1 DPFSD 天线结构参数Tab.1 Parameters of the wideband DPFSD antenna structure mm

图3 DPSFD 天线结构Fig.3 Configuration of wideband DPSFD antenna

折合振子相对于普通振子，具有更好的阻抗带宽[16].将共享臂天线中的振子利用折合振子来设计，形成新型的DPSFD 天线，天线结构演化过程如图4所示.调整折合臂的长度，可以得到需要带宽的特性.天线其他参数如表1 所示，图5 给出了仅有共享折合臂长度a2变化下，天线电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)结果.可以看出：随着a2的缩减，谐振点也随之向高频方向偏移；采用共享折合臂，天线带宽得到明显的展宽.图6 给出了a2变化下，天线的增益特性曲线.从仿真结果可以看到，a2变化下增益变化比较小，且相对于无折合臂情况，增益随频率变化更加平稳.

图4 增加共享折合臂的天线结构Fig.4 Antenna construction of increasing folded shared-dipole

图5 折合臂长度a2 对VSWR 的影响Fig.5 The influence of length a2 of folded shared-dipole on VSWR

图6 折合臂长度a2 对增益的影响Fig.6 The influence of length a2 of folded shared-dipole on gain

振子天线通过添加金属反射板实现单向波束辐射，反射板的高度一般为四分之一波长.图7 给出了DPSFD 天线其他参数不变情况下，仅有距反射板高度H变化后的仿真结果.从优化过程可以看到，高度大于33 mm 后，高频增益急速下降，这主要是由于高频距离反射板高度过大，天线方向图裂瓣造成的.高度过低时，虽然增益曲线较为平稳，但是天线驻波抬高，整体往高频移动.兼顾增益和驻波，最终选择天线距离反射板高度为33 mm.

图7 反射板高度H 对VSWR 与增益的影响Fig.7 The influence of reflector height H on VSWR and gain

为了解决反射板距振子的小间距引起的低频驻波恶化问题，在传输线附近增加耦合线，来改善低频段的匹配.增加耦合线，等效于在传输线上跨接一个阻抗调节枝节，通过调节耦合枝节位置来进行阻抗变化，从而达到调节天线驻波的目的.如图8 所示，w2为耦合线的宽度，Ld1为耦合线距传输线的距离.

图8 增加枝节耦合线的天线结构Fig.8 Antenna construction of increasing parasitic coupler elements

图9 给出了耦合线宽度w2变化对驻波特性的影响，图10 给出了耦合线距传输线距离Ld1变化对驻波特性的影响.可以看出：通过增加耦合线，可以有效改善天线低频驻波特性；w2变化对带内驻波影响较小；Ld1变大，频段内驻波曲线向高频扩展，改善了高频驻波.通过参数优化，最后确定Ld1为3 mm、w2为1 mm 时能达到较好的阻抗匹配结果.

图9 耦合线宽度w2 对VSWR 的影响Fig.9 The influence of coupler width w2 on VSWR

图10 耦合线距传输线距离Ld1 对VSWR 的影响Fig.10 The influence of distance between coupler and transmission line Ld1 on VSWR

通过参数优化的仿真结果分析可以看出，提出的DPSFD 天线能够有效地展宽带宽，工作带宽可达1.6～4 GHz.说明本文设计的新型天线具有明显的带宽优势.

3 仿真与实测结果

通过HFSS 软件对天线参数的仿真优化，对该天线进行实物加工与测试，得到天线实物如图11 所示.该天线印刷在厚度为0.8 mm 的 Rogers 4003 介质板两面，反射板采用1.5 mm 厚的铝板，天线直接使用带有SMA 头的同轴电缆焊接在天线的馈电点处.天线和反射板使用20 mm 高的六角尼龙柱固定在一起.

图11 宽带DPSFD 天线实物图Fig.11 Photograph of the broadband DPSFD antenna

天线VSWR、双极化端口隔离度的实测结果如图12 所示.

图12 天线的实测VSWR 和隔离度Fig.12 Measured VSWR and isolation results of the antenna

从天线实测结果可以看出：天线在工作带宽内具有良好的匹配性能，VSWR 在 1.6～4 GHz 范围小于2，相对带宽达85.7%；双极化端口隔离度优于22 dB.

仿真得到天线的方向性特性如表2 所示.

表2 不同频点天线的方向特性Tab.2 Characteristics of gain in different frequencies

天线经过实际外场测试，实测方向图如图13 所示.通过实测结果可以看到，实测主极化波束与仿真结果非常吻合，且在1.6～4 GHz 保持良好的定向性.

图13 天线实测与仿真方向图对比Fig.13 Compared simulated and measured patterns of the antenna

实测交叉极化电平比仿真结果较高，这主要是由于实际天线馈电点焊接和馈线安装误差造成的.但是实测交叉极化在非常宽的工作频段内依然可达到22 dB 的水平，满足实际需求.将本文设计天线与已发表文献相关天线进行对比，结果如表3 所示，可以看出本文天线为平面结构，带宽更宽，尺寸更小，表现出良好的工作性能.

表3 本文天线与相关文献天线性能比较Tab.3 Performance comparison of dual-polarized antennas

4 结论

本文提出了DPSFD 天线形式，利用渐变宽度的共享折合振子，有效扩展了天线工作频段.由于折合臂在天线辐射体内部空间进行折合，使得天线尺寸仅有最低工作频率波长的28%，远小于半波振子天线.实物测试表明：天线在1.6～4 GHz 频带范围内，电压驻波比小于2，双极化隔离度优于22 dB，典型增益可达8.3 dBi，具有良好的定向性.文中提出的DPSFD 天线相对于传统十字交叉偶极子具有更小的尺寸和更大的带宽，可广泛应用于移动通信信号监测系统中，并可组阵进一步提升系统增益和实现波束扫描功能.