低剖宽带磁电偶极子天线的设计*

吴思雨，赵建平，徐 娟，赵 敏，郭瑾昭

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273165）

0 引言

近年来，无线通信技术迅速发展，对天线的性能提出了更高的要求，希望其具有宽阻抗带宽、低交叉极化、低背向辐射、增益稳定的特点。2006年Luk提出了称为磁电偶极子天线的互补型天线[1]，该天线通过Г型馈电结构对电偶极子和磁偶极子同时激励，利用电偶极子和磁偶极子方向图互补叠加原理使整个天线E面和H面具有相同的辐射场图，实现43.8%的相对带宽（SWR≤1.5），带内增益达到8 dBi，天线性能优良，但是高度为0.25λ（λ是自由空间下对应的中心频率处的波长），基于这种基本天线结构，许多学者为降低剖面，拓展带宽，提高增益做出了积极的努力。文献[2]通过在天线中填充介电常数为2.65的介质材料，将天线剖面将为0.15λ，实现24.9%的阻抗带宽（SWR≤2）；文献[3]采用折叠磁偶极子，采用同轴馈电的方式将天线剖面将为0.173λ，实现54.8%的阻抗带宽（SWR≤1.5）；文献[4]采用钝角三角形环作为磁偶极子将天线剖面将为0.097λ，但带宽较窄，实现28.2%的阻抗带宽（SWR≤2）；文献[5]通过在磁电偶极子天线的四分之一波长贴片天线上切出一个垂直缝隙，设计一种具有缺陷接地结构的宽带磁电偶极子天线，实现91.3%的相对带宽；文献[6]通过差分馈电的方式，用中心馈电环作为磁偶极子，实现了132%的阻抗带宽（SWR≤2）；文献[7]通过增加背腔的方式提高天线增益。

本文提出的磁电偶极子天线采用阶梯馈电以及金属环加载的方式有效拓展天线带宽，提高天线增益，通过折叠磁偶极子降低天线剖面，使天线高度仅为15 mm，在2.20～4.58 GHz频率范围内S11≤-10 dB,增益达到9.7 dBi以上，符合低剖面、宽带、高增益、辐射方向图稳定、低交叉极化、低背向辐射的特点。

1 天线结构设计

图1为未加载金属环的天线，为改善天线性能将其改进为图2的结构，其中图2（a）为天线的侧视图，（b）为天线的俯视图，（c）天线的馈电结构图。该天线由充当电偶极子的水平矩形贴片和充当磁偶极子的垂直折叠短路贴片组成。电偶极子之间的距离为S，通过加载金属环的方法使其短路，可实现阻抗匹配，进一步拓展工作带宽。磁偶极子则采用折叠的方式有效降低天线剖面，使天线的整体高度为仅15 mm，其顶端与电偶极子相连，天线整体结构紧凑。

天线采用阶梯型探针馈电，如图2（c）所示。馈线可分为耦合线和传输线两部分。耦合线由将能量耦合到天线的矩形金属片和引入电容抵消矩形金属片产生电感的L型金属片组成；传输线由折叠的梯形金属片作为空气微带线组成，它与右边垂直的贴边距离为Q1，馈线末端与反射面下的SMA接头相连，可同时激励电偶极子和磁偶极子，实现天线E面H面方向图一致。馈线中部分金属片采用梯形结构，目的是更好地实现阻抗匹配。在天线的底面放置一个边长为GL的正方形反射面以降低天线的背向辐射使方向图稳定并可作为天线的地。经过HFSS13.0软件优化后天线的具体参数如表1所示。

图1 未加载金属环天线结构

图2 天线结构

表1 天线各参数/mm

2 仿真结果分析

利用基于有限元法的电磁仿真软件Ansoft HFSS13.0对所设计的天线进行仿真。图3为加载金属环与未加载金属环天线的S11对比图，图4为增益对比图。由图2可知，在未加载金属环时，天线的工作频段为2.17～4.27 GHz，加载后的工作频段为2.20～4.58 GHz,天线在低频处稍有变窄，但高频处得到有效展宽，且S11性能更好，更稳定。由图3可知，加载金属环后在整个工作频段内天线增益都有一定程度的提高且在高频部分较为显著，天线的整体增益在9.7 dBi以上，最高增益可达13.3 dBi。由对比可知，磁电偶极子天线在加载金属短路环后可改善自身阻抗特性，拓宽工作频段，提高增益。

图3 天线S11

图5给出在2.4 GHz、3 GHz、3.5 GHz和4 GHz频率下的E面H面的仿真方向图，从图中可以看出，该天线的后向辐射得到了很好的抑制，在整个工作频段内定向辐射特性良好而稳定，且E面H面上的方向图基本对称。

图4 天线增益

图5 不同频点E面H面

3 结语

本文设计了一款低剖面宽带磁电偶极子天线，通过多次折叠磁偶极子的方法来降低天线的剖面，通过金属环加载拓展天线带宽，提高天线增益，使天线在整个工作范围内（2.23～4.58 GHz）增益大于9.7 dB,具有良好的定向辐射性能，稳定的辐射模式，低的交叉极化。该天线结构简单，易于制作，可用于现代无线通信系统。