一種磁電偶極子基站天線設計

摘要：提出了一種由一對U型水平貼片和一對垂直摺疊短路貼片組成的新型磁電偶極子天線結構，採用同軸線饋電，低剖面。利用HFSS模擬軟體建立模擬模型進行性能分析，結果表明：天線相對帶寬達到37.6%（VSWR ≤2），在2.03 GHz到2.97 GHz的工作頻帶內，天線的E面和H面基本一致，交叉極化分量較小，前後比良好，增益能穩定在9 dBi左右。可見，該天線方向性良好、增益穩定、結構緊湊、能防雷擊，可應用於戶外基站天線。

正文內容：

0 引言

近年來，隨著現代無線通信技術的快速發展，當前的LTE、WiFi、WiMAX等無線通信技術對天線有了更高要求。許多應用需要天線具有寬阻抗帶寬、低截面、增益穩定、單向輻射方向圖穩定、低交叉極化和低後瓣等特點[1]。為此，很多學者提出了結構新穎的天線模型，如對數周期天線、喇叭天線[2]等，但這類天線尺寸太大，且結構複雜。貼片天線雖然可以單向輻射、結構簡單，但其工作帶寬不能滿足當前無線通信技術的需求[3]；背腔偶極子天線則因加入了複雜的腔體設計，導致天線輻射不穩定[4-5]。

文獻[6]提出了一種新型的互補結構偶極子天線，通過型饋電結構對電偶極子和磁偶極子同時激勵，利用磁偶極子和電偶極子的互補性原理[7]，使整個天線單元的E面和H面具有相同的輻射場圖，在1.85 GHz到2.89 GHz實現了43.8%的相對帶寬（ SWR≤1.5），且具有低交叉極化、工作頻段內增益達到8 dBi、增益穩定等優點。此後，磁電偶極子天線進入研究者視野。文獻[8]採用「E」型的水平貼片和彎曲的饋電貼片，實現了在1.84～3.45 GHz的頻帶範圍內的SWR ≤1.5。文獻[9]通過摺疊饋電銅片和垂直貼片，在保證天線工作帶寬的條件下，降低了天線高度。

本文設計了一種緊湊型的磁電偶極子天線。它包含一對平面U型貼片和一對垂直的摺疊短路貼片，結合矩形盒反射板，採用同軸饋電的形式。該模型具有符合當前需求的增益穩定、E面和H面輻射圖一致、低交叉極化低後瓣等特點，且高度降低到15 mm，同時直流接地適用於戶外基站天線。

1　天線結構與設計

天線結構如圖1所示。圖1（a）為天線的側視圖，圖1（b）為俯視圖，圖1（c）為建模圖。該天線由兩塊水平的U型貼片和兩塊摺疊垂直短路貼片組成。短路貼片均由平面金屬片製成，天線通過同軸線饋電。同軸電纜由地板打洞穿過，位於兩組貼片中間。其中，同軸電纜的內芯通過長方形金屬貼片與一側水平U型銅片相連，外芯通過摺疊的金屬貼片與另一側水平U型銅片連接，組成平衡balun[10]，以達到能量傳輸的目的。在該天線單元中，水平放置的U型貼片充當電偶極子天線，垂直短路貼片充當磁偶極子天線，由同軸電纜同時激勵。同軸電纜外芯與天線直接接地，因此該天線單元具有防雷擊效果，非常適合作為戶外基站天線。天線的具體參數如表1所示。

2　模擬結果與分析

通過HFSS16.0對該天線模型進行模擬分析，可以得到模擬結果如圖2所示。圖2為天線的駐波比和增益曲線。從圖2可以看出，該天線的工作頻帶為2.03 GHz到2.97 GHz，相對帶寬達到37.6%（ VSWR≤2），在此工作頻帶內天線的增益穩定在10 dBi左右。

圖3分別表示在2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz情況下該天線模型的輻射方向圖。不難看出，該天線在整個工作頻段內，E面與H面基本一致，保持著良好的輻射方向性，且由於模型是對稱結構，交叉極化分量較小，在E面與H面上的交叉極化分量都能在-30 dB以下具有良好的方向性。

表2展示了在2.1 GHz、2.5 GHz、2.9 GHz三個頻率點該模型的前後比、3 dB波束帶寬的具體數值。可以看出，該模型的3 dB帶寬都在60°左右，前後比都超過20 dB，滿足基站天線的基本需求。

3　結　語

針對現在的無線通信需求，設計了一款緊湊型寬頻帶高增益電磁偶極子基站天線，工作頻段為2.03～2.97 GHz，通過改變饋電方式和摺疊垂直短路貼片，有效降低天線高度，並使用U型水平貼片擴展天線帶寬，降低回波損耗。在工作頻段內，設計的天線增益較高且穩定，交叉極化分量較小，3 dB波瓣寬度和前後比均滿足基站天線需求。綜上所述，該天線直流接地、結構簡單、各項性能指標良好，可作為移動通信戶外基站天線。

參考文獻：

[1] 盧萬錚.天線理論與技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.

[2] Bansal R.Antenna Theory;Analysis and Design[J].Proceedings of the IEEE,2005,72(07):989-990.

[3] Lee K F,Luk K M,Tong K F,et al.Experimental and Simulation Studies of the Coaxially Fed U-slot Rectangular Patch Antenna[J].IEEE Proceedings-Microwaves,Antennas and Propagation,1997,144(05):354-358.

[4] Qu S W,Li J L,Xue Q,et al.Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Improvement[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2008,56(12):3850-3854.

[5] Qu S W,Li J L,Xue Q,et al.Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Improvement[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2008,56(12):3850-3854.

[6] Luk K M,Wong H.A New Wideband Unidirectional Antenna Element[J].Int. J. Microw. Opt. Technol,2006,1(01):35-44.

[7] 安文星.新型寬頻電磁偶極子微帶天線的研究[D].北京:北京郵電大學,2012.

[8] An W X,Lau K L,Li S F,et al.Wideband E-shaped Dipole Antenna with Staircase-shaped Feeding Strip[J].Electronics Letters,2010,46(24):1583-1584.

[9] 汪善棟,李民權,潘旭等.一種寬頻高增益磁電偶極子天線設計[J].通信技術,2017,50(02):377-380.

[10]Ge L,Luk K M.A Magneto-Electric Dipole Antenna With Low-Profile and Simple Structure[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2013,12(1921):140-142.

作者：張澤勝，史姣姣

單位：杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018

作者簡介：張澤勝，男，碩士，主要研究方向為無線通信系統；

史姣姣，女，碩士，主要研究方向為無線通信系統。

本文刊登在《通信技術》2018年第3期（轉載請註明出處，否則禁止轉載）

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