張呈輝 曹祥玉高 軍 李思佳

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)

寬頻帶寬波束磁電偶極子天線設(shè)計(jì)

張呈輝 曹祥玉*高 軍 李思佳

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)

為了展寬天線的波束寬度，在磁電(ME)偶極子天線的基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)出一種低交叉極化寬頻帶寬波束的新型磁電偶極子天線。通過將振子傾斜彎折，展寬了天線的波束寬度；結(jié)合6個(gè)寄生振子的對(duì)稱加載，提高了輻射方向圖的一致性。在Γ型饋電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，優(yōu)化天線的振子間距和振子長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了天線58.5%的相對(duì)帶寬(S11≤-10 dB)，頻帶范圍為2.3～4.2 GHz；對(duì)振子傾斜角度以及寄生振子的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在2.4～4.0 GHz的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輻射方向圖E面和H面同時(shí)達(dá)到120°以上的半功率波束寬度(HPBW)。測(cè)試與仿真有較好的一致性，證明了所設(shè)計(jì)天線不僅具有寬頻帶寬波束特性，同時(shí)在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)方向圖的一致性得到了極大地提高。

天線；磁電偶極子；寄生振子；寬波束；寬頻帶；一致性

1 引言

寬角度掃描的相控陣天線在機(jī)載、艦載雷達(dá)、衛(wèi)星通信以及氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。天線陣列的性能極大程度上依賴于單元的設(shè)計(jì)[2]，但目前能夠同時(shí)滿足寬頻帶寬波束且E面、H面一致性較好的天線單元卻鮮有報(bào)道。研究表明，增加天線介質(zhì)層，減小反射板，使用3維反射板結(jié)構(gòu)等[3-6]，都可以展寬天線的輻射方向圖，但相對(duì)帶寬不足10%。近期, 文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]分別提出波束寬度達(dá)到197°和115°的天線，相對(duì)帶寬僅為3.4%和3.3%，仍不能實(shí)現(xiàn)天線較寬頻帶內(nèi)E面、H面同時(shí)滿足120°以上的波束要求。因此E面H面輻射一致的寬帶寬波束天線單元設(shè)計(jì)亟待解決。

為了提高天線輻射方向圖的一致性，文獻(xiàn)[9]首次提出磁電(Magneto-Electric, ME)偶極子天線，該天線利用電偶極子和磁偶極子方向圖互補(bǔ)疊加原理，使天線E面和H面的輻射方向圖近乎一致，其相對(duì)帶寬為44%(S11≤-15 dB)，在1.85～2.89 GHz的頻帶范圍內(nèi)，增益波動(dòng)僅為0.5 dBi，方向圖穩(wěn)定。隨后各類磁電偶極子天線紛紛被提出[10-13]，這些天線在頻帶范圍內(nèi)都具有E面H面一致且穩(wěn)定的方向圖，且交叉極化和后向輻射都很小，但半功率波束寬度(Half Power Beam Width, HPBW)卻很窄，E面和H面HPBW僅為70°左右。本文在磁電偶極子天線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種低交叉極化的寬帶寬波束天線。通過電偶極子傾斜彎折并結(jié)合在反射板上對(duì)稱加載寄生振子的方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶和寬波束性能，在2.4～4.0 GHz頻帶范圍內(nèi)使E面和H面HPBW展寬至120°以上。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。將磁電偶極子天線的水平振子進(jìn)行傾斜和彎折，改善天線的匹配性能，展寬了天線的輻射方向圖，在反射板上中心對(duì)稱的加載6個(gè)寄生振子，提高了天線的輻射一致性，使天線在整個(gè)頻段內(nèi)輻射穩(wěn)定。垂直貼片一端和電偶極子(水平振子)相連，另一端接地短路，兩個(gè)垂直貼片與中間的短路地板構(gòu)成了磁偶極子[15]。天線采用Γ型饋電結(jié)構(gòu)，饋線末端與微帶轉(zhuǎn)接頭(Sub-Miniature-A, SMA)相連，對(duì)饋線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到很好的匹配效果。加載的寄生振子高為H1=22 mm，寬為W1=12 mm，對(duì)稱放置于半徑為R=28 mm的圓上，如圖1(c)所示。整個(gè)天線的尺寸大小為60 mm×60 mm×30 mm(0.65λ×0.65λ× 0.32λ,λ=92.3mm，為中心頻率3.25 GHz處的工作波長(zhǎng)。天線長(zhǎng)度Gl=60 mm, 天線寬度Gw=60 mm)。表1給出了天線的具體參數(shù)。

3 參數(shù)優(yōu)化與仿真分析

利用電磁仿真軟件HFSS14對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。首先分析未加載寄生振子時(shí)振子間距S、傾斜角度α以及振子長(zhǎng)度L, L1對(duì)天線的匹配性能和方向圖的影響，其次研究了加載寄生振子對(duì)天線的作用。在仿真分析的過程中，始終保持饋線尺寸、反射板大小和振子高度不變，這是因?yàn)檫x擇當(dāng)前饋線尺寸時(shí)天線匹配性能良好，而對(duì)于偶極子天線來說，反射板放置于距離/4λ的位置時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)單向輻射，而反射板的大小則直接影響天線的輻射方向圖。

3.1 振子間距S

圖2(a)給出了天線增益和S11隨振子間距S的變化，隨著S的增大，低頻諧振點(diǎn)向高頻移動(dòng)，天線帶寬有所縮窄，天線增益在中心頻點(diǎn)附近幾乎沒有影響，在高頻段S最小時(shí)增益最低。圖2(b)給出了在3 GHz頻點(diǎn)處，天線E 面和H面的HPBW隨S變化的曲線，由圖可知，H面的HPBW大于E面，考慮天線在E面和H面的輻射一致性，結(jié)合帶寬、增益要求，選擇S=17 mm。

3.2 傾斜角度

由圖3(a)可知，隨著傾斜角度的增大，低頻諧振點(diǎn)向高頻移動(dòng)，帶寬變窄，天線增益在2.0～4.0 GHz的頻帶范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)α為30°時(shí)，高頻段的增益最低。圖3(b)為3 GHz時(shí)天線E面H面的HPBW隨傾角α的變化曲線，當(dāng)α為50°時(shí)，E面HPBW最大，且E面和H面HPBW相差較小，但此時(shí)天線的帶寬最窄，高頻段增益較大，導(dǎo)致在高頻段天線的輻射方向圖波束較窄，綜合考慮取α為30°。

3.3 振子長(zhǎng)度

為了使天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬波束，要求具有平緩的增益曲線，且在整個(gè)頻帶內(nèi)增益不能過高。因?yàn)樘炀€輻射功率固定，鼻錐方向增益的降低，使天線HPBW變寬，而高頻段增益較高時(shí)，方向圖出現(xiàn)裂瓣。圖4(a)表明，隨著L的增大，天線的匹配性能有所改善，增益在頻帶范圍內(nèi)波動(dòng)較小，在高頻段，L=15 mm時(shí)增益最?。惶炀€增益和S11隨L1變化的曲線如圖4(b)所示，依據(jù)相同的優(yōu)選原則，選取L1=9 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

表1 寬帶寬波束磁電偶極子天線相關(guān)參數(shù)(mm)

圖2 振子間距S對(duì)天線匹配及輻射的影響

圖3 傾斜角度α對(duì)天線匹配及輻射的影響

圖4 振子長(zhǎng)度L, L1對(duì)天線匹配和增益的影響

3.4 寄生振子

在反射板上對(duì)稱加載六個(gè)寄生振子[16-18]如圖1(c)所示。加載后天線低頻段增益下降約3 dBi，天線在整個(gè)頻段內(nèi)的一致性得到極大提高，鼻錐方向輻射減弱，主輻射方向四周的輻射增強(qiáng)，天線的HPBW得到展寬。但匹配性能有所惡化，低頻諧振點(diǎn)消失，高頻略有拓寬，絕對(duì)帶寬縮窄386 MHz，如圖5所示。圖6為不同頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方向圖，在2.4～4.0 GHz的頻帶范圍內(nèi)天線E面H面的HPBW均大于120°。實(shí)際上，加載的寄生振子相當(dāng)于小型振子天線，寄生振子同時(shí)輻射，補(bǔ)充了主輻射方向周圍的弱區(qū)，使天線的波束寬度和輻射一致性都得到了很大的提高。

圖7為3 GHz時(shí)天線的電流分布圖。在相位為0°時(shí)，傾斜振子上的表面電流沿振子指向同一方向，兩個(gè)垂直貼片上的電流最小，此時(shí)電偶極子起主要作用，而寄生振子類似于單極子，左側(cè)寄生振子電流向下，右側(cè)朝上，對(duì)主輻射方向的弱區(qū)起補(bǔ)充作用；相位為90°時(shí)，傾斜振子上的表面電流最小，垂直貼片上的電流最大，磁偶極子起主要作用，寄生振子輻射最??；相位為180°時(shí)，電偶極子再次起主導(dǎo)作用，寄生振子輻射，電流方向與相位為0°時(shí)相反；相位為270°時(shí)磁偶極子起主要作用，電流方向與相位為90°時(shí)相反，寄生振子輻射最小。

由以上分析可得，調(diào)節(jié)天線的結(jié)構(gòu)尺寸控制電偶極子和磁偶極子工作的幅度和相位，使天線可以在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輻射方向圖，而調(diào)節(jié)寄生振子的位置和尺寸大小則能有效補(bǔ)充主輻射方向四周的弱區(qū)，達(dá)到展寬HPBW的目的。

4 加工實(shí)測(cè)

圖5 未加寄生振子和加載寄生振子后的天線增益和S11對(duì)比圖

圖6 不同頻點(diǎn)2維方向圖

圖7 不同相位的電流分布圖

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)天線的寬頻帶寬波束特性，對(duì)圖1所示天線模型參數(shù)優(yōu)化后加工實(shí)物，利用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的S11和輻射方向圖進(jìn)行測(cè)試。圖8給出了仿真和實(shí)測(cè)S11曲線。測(cè)試表明，-10 dB以下帶寬為2.4～4.3 GHz，相對(duì)帶寬為58.5%，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，頻帶范圍一致，略向高頻偏移，這主要是Γ型饋線焊接時(shí)同兩側(cè)短路貼片的距離誤差及測(cè)試環(huán)境引起的。

圖8 仿真和實(shí)測(cè)的S11曲線

圖9為天線在2.4 GHz, 3.0 GHz, 3.6 GHz和4.0 GHz處的仿真和實(shí)測(cè)E面、H面2維方向圖。由圖可知，E面H面具有近乎一致的方向圖，波束寬度得到極大展寬，除3.6 GHz的E面HPBW未達(dá)到120°外，其他頻點(diǎn)E面和H面的HPBW均大于120°，且在整個(gè)頻帶范圍天線方向圖非常穩(wěn)定，交叉極化小于-15 dB，仿真與實(shí)測(cè)之間的差異主要是由天線加工誤差、測(cè)試環(huán)境等因素造成的。

5 結(jié)束語

在磁電偶極子天線的基礎(chǔ)上，通過將振子傾斜彎折并結(jié)合在反射板上加載寄生振子的方法，設(shè)計(jì)出一種新型的寬頻帶寬波束磁電偶極子天線。仿真結(jié)果表明，在2.3～4.2 GHz的頻帶范圍內(nèi)滿足電壓駐波比VSWR≤2，并且在2.4～4.0 GHz的頻帶范圍內(nèi)天線E面和H面輻射方向圖的HPBW同時(shí)大于120°，交叉極化均小于-15 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真具有較好的一致性，證明了該天線的低交叉極化、寬頻帶寬波束輻射特性。

圖9 不同頻點(diǎn)處天線的測(cè)試和仿真方向圖

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張呈輝： 男，1989年生，博士生，研究方向?yàn)槲炀€、寬波束天線設(shè)計(jì)、人工電磁材料等.

曹祥玉： 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘炀€與電磁兼容、電磁超材料、計(jì)算電磁學(xué)等.

高 軍： 男，1962年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶派⑸淅碚?、電磁超材料、天線設(shè)計(jì)等.

李思佳： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)槿斯る姶懦牧?、雙極化天線設(shè)計(jì)等.

Broadband and Wide Beam Magneto-electric Dipole Antenna Design

Zhang Cheng-hui Cao Xiang-yu Gao Jun Li Si-jia
(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

In order to broaden the antenna beamwidth, a broadband and wide beam Magneto-Electric (ME) dipole antenna with low polarization is designed based on the conventional ME antenna. By tilting and bending the dipoles, the beam width of the antenna is broadened; the consistency of the radiation pattern is improved by placing 6 parasitic patches symmetrically around the ground center. Optimizing the space between the dipoles and the length of the dipole based on the Γ-shaped feed structure, a relative bandwidth of 58.5% (S11≤-10 dB) from 2.3～4.2 GHz is achieved. By optimizing the tilting angle and the parameters of the parasitic dipole, the Half Power Beam Width (HPBW) of E-plane and H-plane is simultaneously broadened to 120° in the frequency range from 2.4～4.0 GHz. The measurement results are in good agreement with the corresponding simulation, which not only

prove that the broadband and wide beam characteristics of the designed antenna, but also extremely improve the consistency of the radiation pattern through the whole frequency band.

Antenna; Magneto-Electric (ME) dipole; Parasitic monopole; Wide beam; Broadband; Consistency

TN82

A

1009-5896(2015)03-0758-05

10.11999/JEIT140579

2014-05-06收到，2014-07-18改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271100, 61471389)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JM8003)資助課題

*通信作者：曹祥玉 gigi9694@163.com