一種工作于UHF頻段的寬頻帶互補天線設(shè)計

王超，侯煥存，趙浩

（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266590）

一種工作于UHF頻段的寬頻帶互補天線設(shè)計

王超，侯煥存，趙浩

（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266590）

本文應(yīng)用互補天線的原理，通過采用蝶形平面天線作為電偶極子，采用垂直壁與接地面作為等效磁偶極子，設(shè)計了一種新穎的蝶形寬頻帶天線。該天線實現(xiàn)了62%的相對帶寬（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB），在工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的波瓣圖，優(yōu)于-30dB的交叉極化和超過18dB的前后比。

互補天線；寬帶天線；特高頻

0 引言

寬頻帶天線的應(yīng)用能夠有效的減少天線的數(shù)量和降低通信設(shè)備的制造成本。互補天線自從被提出以來，便因其具有寬頻帶、穩(wěn)增益、高前后比的特征，而成為天線領(lǐng)域的一個研究熱點[1-9]。文獻[1]最早提出了互補天線（也稱為磁電式天線），該天線具有寬頻帶、穩(wěn)增益、相同的E-面和H-面波瓣圖以及高前后比的特點。不過，該天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適于移動通信場合。

文獻[2]應(yīng)用互補天線的原理，對互補天線的結(jié)構(gòu)進行了簡化，使用平面結(jié)構(gòu)天線取代了矩形波導(dǎo)，使用Г形探針耦合饋電結(jié)構(gòu)取代了波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。該天線獲得了超過43%的帶寬（SWR＜1.5）和8 dBi的最大增益，這些改進使其適用于移動通信。文獻[3] 設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)較簡化的磁電式天線，該使用了空氣微帶線直接饋電的方式進行饋電，應(yīng)用了蝶形貼片、垂直壁和接地面等效磁偶極子，使用矩形金屬片作為電偶極子。該天線獲得了60%的帶寬（SWR＜2）和最大7.0dBi的增益。

磁電式天線由一個磁偶極子和一個電偶極子互補而成。電偶極子的輻射波瓣圖在E-平面像數(shù)字8，在H-平面像字母O。而磁偶極子的輻射波瓣圖與電偶極子正好相反，在E-平面像字母O，在H-平面像數(shù)字8。所以，當(dāng)這兩種天線正交放置并被等幅等相饋電時，它們的波瓣圖可以互補，其前向輻射相互疊加增強，其背向輻射相互抵消減弱[10]。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的話，磁電式天線可以實現(xiàn)零背向輻射，所以具有極高的前后比，滿足基站天線對高前后比的要求。在阻抗方面，磁電式天線的阻抗可以等效為RLC串聯(lián)電路（電偶極子）與RLC并聯(lián)電路（磁偶極子）的相互并聯(lián)。對于這種電路，當(dāng)磁偶極子與電偶極子結(jié)構(gòu)的諧振頻率相同，且電偶極子的阻抗調(diào)整至一個合理的值時，磁偶極子和電偶極子子的感抗將相互抵消，這使得磁電式天線具有了寬頻特性。

1 天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線的組成部分包括：一個長和寬分別為GW和GL的接地面，該接地面主要起反射作用，能夠提高天線的定向性。一對與接地面平行的蝶形金屬片，其等效為電偶極子，其外邊長為W2，內(nèi)邊長為W1。一對與接地面垂直且直接相連的矩形垂直壁，該垂直壁一端與接地面相連，另一端與蝶形電偶極子相連，其高度為L1。一個Г形饋電針，該饋電針的高度與垂直壁的高度相同，寬度為b。

矩形垂直壁與接地面、Г形饋電針在一起構(gòu)成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，饋電時可以產(chǎn)生穿過該環(huán)形結(jié)構(gòu)中心的磁流，可等效為磁偶極子。電偶極子與磁偶極子正交放置，分別具有相同的諧振頻率，當(dāng)對該結(jié)構(gòu)進行等幅度等相位饋電時，可以獲得磁電式天線所特有的頻帶寬、增益穩(wěn)等特性。該天線采用特征阻抗為50Ω的同軸饋線進行饋電，同軸線的線芯接Г形饋電針的底端，同軸線的接地線連接天線的接地反射面。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過大量的參數(shù)掃描分析，得到該天線的最佳尺寸，如表1所示，其中λ0表示天線的中心頻率。

表1 天線參數(shù)表

2 天線仿真分析

該部分采用全波電磁仿真軟件HFSS對天線進行建模和仿真。首先對參數(shù)W2進行了參數(shù)掃描，以分析其對天線帶寬的影響，然后對天線的反射系數(shù)、增益、方向圖等關(guān)鍵參數(shù)進行了仿真分析。

2.1 參數(shù)W2對帶寬的影響

通過調(diào)整參數(shù)W2研究蝶形振子的張開角度對天線反射系數(shù)的影響，保持其他參數(shù)不變，如表1所示，分別設(shè)置W2的值為20mm、30mm、40mm、50mm，然后運行參數(shù)掃描分析，得到對應(yīng)不同值的S11相對于頻率的結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知，隨著蝶形振子張開角度的增大，天線的整體頻帶寬度有所展寬，天線的第一諧振點上移，第二諧振點保持穩(wěn)定，同時，第一、二諧振點之間的頻段內(nèi)天線的阻抗匹配會變差。

權(quán)衡更寬的天線帶寬和更好的諧振程度，最終確定W2的值為40mm。此時，天線的帶寬為62%（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB）。

2.2 增益

對天線在1-3GHz的頻段內(nèi)的最大增益進行參數(shù)分析，得到結(jié)果如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為最大增益（PeakGain）。分析該仿真結(jié)果可得，天線的1dB增益帶寬介于1.15-2.66GHz，1dB相對帶寬為79.27%。天線在頻率為1.8GHz是獲得最大增益，為7.89dBi。所以，該天線具有較高的增益和增益的頻率穩(wěn)定性。

2.3 波瓣圖

分別選取頻率1.6GHz、2.1GHz和2.6GHz，生成在這些頻率下的E-面和H-面波瓣圖如圖4所示。分析可知，該天線為定向天線，具有相似的E-面和H-面增益，具有交叉極化低、波瓣圖穩(wěn)定、前后比高的特點。其中，在頻率為2.1GHz時，該天線的交叉極化在E-面和H-面均優(yōu)于-43dB，前后比為18dB。

圖2 蝶形振子的張開角度對反射系數(shù)的影響

圖3 天線增益的頻率穩(wěn)定性

圖4 天線波瓣圖的頻率穩(wěn)定性

3 結(jié)語

本論文設(shè)計了一種新穎的蝶形寬頻帶天線。該天線實現(xiàn)了62%的相對帶寬（1.52-2.89GHz，S11＜-10dB），在工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的波瓣圖，優(yōu)于-30dB的交叉極化和超過18dB的前后比。該天線可應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信的諸多領(lǐng)域，如基站天線、室內(nèi)覆蓋天線、車載天線等。

[1]Chlavin, A..A new antenna feed having equal E -and H-plane patterns[J]. Antennas and Propagation, Transactions of the IRE Professional Group on. 1954, Vol. 2(NO.3)：113-119.

[2]Luk K M, Hang W. A new wideband unidirectional antenna element[J]. Int.j.microw.opt.technol, 2006, 1.

[3]Hang Wong;Ka-Ming Mak;Kwai-Man Luk.Wideband Shorted Bowtie Patch Antenna With Electric Dipole[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2008, Vol. 56(No.7)：2098-2101.

[4]Mak K M, Hang W, Luk K M. A Shorted Bowtie Patch Antenna With a Cross Dipole for Dual Polarization[J]. Antennas & Wireless Propagation Letters IEEE, 2007, 6(11):126-129.

[5]Wu B Q, Luk K M. A Broadband Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole Antenna With Simple Feeds[J]. Antennas & Wireless Propagation Letters IEEE, 2009, 8(4):60-63.

[6]Wu B Q, Luk K M. A Wideband, Low-Profile, Conical-Beam Antenna With Horizontal Polarization for Indoor Wireless Communications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2009, 8(4):634 - 636.

[7]Wu, B.;Luk, K.-M..A 4-Port Diversity Antenna With High Isolation for Mobile Communications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2011,Vol.59(No.5)：1660 -1667.

[8]Kwai-Man Luk; Biqun Wu. The Magnetoelectric Dipole—A Wideband Antenna for Base Stations in Mobile Communications[J].Proceedings of the IEEE. 2012, Vol. 100(No.7)： 2297-2307.

[9]Ge, L.;Luk, K. M..A Low-Profile Magneto-Electric Dipole Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2012,Vol.60(No.4)：1684-1689.

[10]Mingjian Li;Kwai-Man Luk.Wideband Magnetoelectric Dipole Antennas[J].Handbook of Antenna Technologies.2016：1969-2019.

Design of a Wideband Complementary Antenna for UHF Application

Wang Chao,Hou Huancun,Zhao Hao
(College of Electronic communication and physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong, 266590)

A novel bow-tie wideband antenna is presented. The design of the antenna is based on the principle of complementary antenna. The bow-tie patch is applied as the electric dipole, and the vertical wall together with the ground is equivalent to a magnetic dipole. A wide impedance bandwidth of more than 62% is achieved with S11＜-10dB, from 1.52-2.89GHz. The radiation pattern is stable cross the operating band. The cross-polarization is less than -30dB and a front-to-back ratio of more than 18dB is obtained.

Complementary Antenna; Wideband Antenna; UHF

王超（1992-），男，碩士研究生，主要從事寬帶天線、磁電式天線研究。

山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項目(SDKDYC170360)。

侯煥存（1992-），男，碩士研究生，研究方向無線通信。

趙浩（1991-），男，碩士研究生，研究方向無線通信。