小型化磁電偶極子天線設(shè)計(jì)*

周夢麗， 徐艷紅， 蔣 安， 張志文， 王安義

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710600)

0 引 言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前的LTE、WiFi、WiMAX等無線通信技術(shù)對天線有了更高的要求，尤其是天線的工作帶寬，尺寸大小以及輻射性能等。目前，天線正在朝著寬帶化[1]、小型化[2]的趨勢發(fā)展。很多學(xué)者提出了對數(shù)周期天線、喇叭天線等，但天線尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。微帶天線具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，但帶寬較窄[3]。文獻(xiàn)[4]提出了互補(bǔ)型的磁電偶極子天線，利用電偶極子和磁偶極子方向圖的互補(bǔ)性，將電偶極子與磁偶極子相結(jié)合，得到對稱的E面和H面的方向圖，在1.85～2.89 GHz的工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了43.9 %(駐波比SWR小于1.5)的工作帶寬。此后，磁電偶極子天線進(jìn)入研究者的視野。文獻(xiàn)[5]通過改進(jìn)傳統(tǒng)的Γ形饋電結(jié)構(gòu)，有效地減小了磁電偶極子天線的尺寸。文獻(xiàn)[6]提出了一種新型低剖面磁電偶極子天線，通過折疊垂直短路貼片，有效降低了天線的剖面，并在E面和H面上獲得了具有高前后比的穩(wěn)定的輻射方向圖。分形結(jié)構(gòu)可以通過自相似性和空間填充特性來展寬天線帶寬和實(shí)現(xiàn)小型化[7]，常見的分形結(jié)構(gòu)有Koch、Hillbert[8]、Sierpinski[9]、Minkowski[10]等。

本文提出了一種基于Minkowski分形的磁電偶極子天線，利用分形結(jié)構(gòu)的空間填充特性，延長了輻射貼片上的電流路徑，使得天線諧振頻率降低，并通過仿真對比加載分形前后的磁電偶極子天線特性，仿真結(jié)果表明：該天線具有尺寸縮減性，且加載分形結(jié)構(gòu)對天線的輻射特性影響很小。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文提出的基于Minkowski分形的磁電偶極子天線貼片的分形迭代過程如圖1所示。將矩形貼片一分為二，分成兩個(gè)大小相等的正方形，設(shè)正方形邊長為L，分形比例因子為α，從方形貼片的各邊中間位置，蝕刻出尺寸大小為L/3×L×α/3的小矩形，形成如圖1(b)所示的1階分形結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，用同樣的方法在1階分形結(jié)構(gòu)中蝕刻出小矩形，得到如圖1(c)所示的2階分形結(jié)構(gòu)。

圖1 磁電偶極子天線分形迭代過程

本文磁電偶極子天線采用2階Minkowski分形結(jié)構(gòu)，使用同軸饋電。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2(a)為天線的側(cè)視圖，圖2(b)為建模圖。該天線分為對稱兩個(gè)部分，最上面的兩個(gè)矩形貼片天線作為電偶極子天線，垂直貼片天線及兩個(gè)垂直貼片之間的地板充當(dāng)磁偶極子天線，兩垂直貼片之間的距離為17 mm。該天線在兩垂直短路貼片中間采用Γ形饋線，饋線底部與SMA頭的內(nèi)導(dǎo)體相接。天線的具體參數(shù)如表1所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸mm

2 天線性能分析

2.1 天線反射系數(shù)和增益

通過仿真軟件HFSS.15.0對天線模型進(jìn)行仿真和分析。圖3為天線的反射系數(shù)與增益曲線圖。經(jīng)分析可知，天線的工作頻帶為1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，相對帶寬達(dá)到53 %，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，增益穩(wěn)定，最大增益達(dá)到8.7 dB。

圖3 天線反射系數(shù)和增益曲線

2.2 天線遠(yuǎn)場區(qū)輻射方向圖和電流分布

圖4表示天線在(不同頻率的)E面和H面方向圖。由圖4可知，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，天線的E面和H面的方向圖基本一致，并且天線的交叉極化分量較小，在1.8，2.3，2.8 GHz時(shí)的交叉極化均小于-30 dB,方向圖具有很好的對稱性。

圖4 天線輻射方向

為了進(jìn)一步了解天線的輻射情況，圖5給出了2.3 GHz處磁電偶極子天線的電流分布情況，因?yàn)橹芷诤瘮?shù)在時(shí)域具有周期性，這里只分析一個(gè)周期，水平貼片的電流分布描述了偶極子天線的工作狀態(tài)，垂直貼片且兩個(gè)垂直貼片之間的地板上的電流分布描述了磁偶極子天線的工作狀態(tài)，在t=0時(shí)及t=T/2時(shí)(T為頻率在2.3 GHz時(shí)的一個(gè)周期)，磁偶極子和電偶極子表面的電流強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)t=T/4和3T/4時(shí)，磁偶極子和電偶極子分別在圖5(c),(d)中表面電流強(qiáng)度變得微弱，由此說明，在一個(gè)周期內(nèi)，電偶極子和磁偶極子被同時(shí)激勵(lì)，符合磁電偶極子天線的工作機(jī)理。

圖5 電流分布

2.3 天線參數(shù)優(yōu)化分析

為了研究分形結(jié)構(gòu)對磁電偶極子天線的影響，更直觀地分析加載分形結(jié)構(gòu)后天線諧振頻率的變化，凸顯小型化效果，利用HFSS15.0對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。不同迭代次數(shù)得到的諧振特性如圖6所示。對水平貼片做分形處理主要影響的是電偶極子的性能，通過圖6可以看出隨著分形階次的增加，高頻諧振點(diǎn)未變，低頻諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，頻帶展寬，阻抗匹配效果得到改善。二階分形結(jié)構(gòu)相比分形前，電流路徑較長，通過延長電流路徑，使得天線的中心頻率降低，減小天線的整體尺寸。

圖6 反射系數(shù)隨分形次數(shù)的變化

分形比例因子α對天線反射系數(shù)的影響如圖7所示，分析圖7可知,α對天線的反射系數(shù)影響較大，隨著α值的變化，高頻諧振點(diǎn)不變，低頻諧振點(diǎn)會(huì)隨著α值的增大，向低頻移動(dòng)。當(dāng)α值為0.6或0.7 mm時(shí)，低頻諧振點(diǎn)1.9 GHz，當(dāng)α值為0.8或0.9 mm時(shí)，低頻諧振點(diǎn)為1.8 GHz。當(dāng)α取0.8 mm時(shí)，有較好的阻抗匹配特性。

圖7 反射系數(shù)隨α的變化

另外，進(jìn)一步研究了饋線寬度d和饋線長度b對天線性能的影響，如圖8所示為饋線寬度d的不同取值對S11的影響，圖9顯示了S11隨饋線長度b的變化。

圖8 d對天線性能的影響

從圖8可以看出，隨著饋線寬度的增加，天線的頻帶展寬，在低頻處S11逐漸減小，高頻處S11逐漸增大。當(dāng)d=3.6 mm時(shí)，匹配最好。

圖9 b對天線性能的影響

從圖9可以看出，隨著饋線長度的增加，天線的工作頻帶向低頻移動(dòng)，在低頻處S11逐漸增大，高頻處S11逐漸減小?？紤]到天線的性能，選擇b=23.7 mm。

表2總結(jié)了磁電偶極子天線加載分形結(jié)構(gòu)前后的性能比較。第2列和第5列給出了天線分形前和分形后的中心頻率和天線尺寸，對比分析可以得出在天線尺寸保持不變的情況下，加載Minkowski分形結(jié)構(gòu)后，天線的中心頻率從2.4 GHz移動(dòng)到2.245 GHz。天線的尺寸從0.24λ1×0.616λ1×0.48λ1減小到0.22λ0×0.575λ0×0.44λ0，其中，λ1和λ0為分形前后天線中心頻率對應(yīng)的波長。從第3列可以看出，分形后的天線具有更寬的阻抗帶寬。隨著分形階次的增加，天線的增益略微減小。本文提出的天線在保證磁電偶極子天線性能的前提下實(shí)現(xiàn)了19.5 %的尺寸縮減。

表2 加載分形結(jié)構(gòu)前后對比

3 結(jié) 論

本文提出了一種小型化磁電偶極子天線，由一對加載Minkowski分形結(jié)構(gòu)的平面電偶極子天線，一對垂直短路貼片和地平面組成，并采用同軸饋電。工作頻段為1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，實(shí)現(xiàn)了53 %的相對帶寬，在工作頻帶內(nèi)，最大增益達(dá)到8.7 dB，有良好的方向性、低交叉極化等性能。利用分形結(jié)構(gòu)空間填充性，減小了天線尺寸，該天線可應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng)中。