Magneto-electric diopole antenna

1年前浏览1713

主要介绍磁电偶极子天线：

主要适应于工作在频率0.5GHz~2GHz内，或者超宽带3GHz~10GHz内的应用，市面上毫米波频段也有些相关的研究。电偶极子具有宽阻抗的特性，仍然存在尺寸较大、增益不稳定和高的交叉极化电平比，而微带天线可以实现较小的天线尺寸，且加工简便，但也有带宽较窄和后向辐射电平较高等缺点。但磁电偶极子天线（ME）兼顾两者的优势，本质上来说也是是一种互补天线。基本结构包含接地板、四分之一波长接地贴片和平面电偶极子。通常采用耦合探针馈电。磁电偶极子具有宽阻抗特性、稳定增益和定向辐射的特点，同时具有较低的交叉极化和反向辐射电平。（以上优点可以作为天线选型依据）

磁电偶极子的基本架构

1. 工作原理

磁电偶极子通常由正交放置并同时激励的电偶极子和磁偶极子组成，电偶极子方向图在E平面方向图呈“8”字形状，H平面方向图呈“O”形状。而磁偶极子E平面方向图为“O”型，H平面为“8”字形状。当两个两个等幅源以适当的相位组合时，可以在一些方向获得高增益，而在反向电流相互抵消，产生较低辐射，形成低交叉极化和低后瓣电平。

方向图的合成过程

2. 阻抗特性

比较经典的文献Luk KM,Wu B (2012)The magnetoelectric dipole – awideband antenna for base stations in mobile communications. Proc IEEE100(7):2297–2307中的LuK教授用一种接地的 1/4λ 的垂直短路贴片天线来实现磁偶极子。这种结构的天线模型主要依靠开口处向外辐射，工作在折合偶极子的模式。水平方向上的对称偶极子贴片为电偶极子天线，同时使用中间的微带线耦合馈电。由于微带贴片天线作为磁流源辐射，和常规采用缝隙天线分析互补天线不一样，对于磁电偶极子的阻抗分析可以采用微带贴片天线等效为磁偶极子来分析。文章中给出了详细的等效电路分析模型，这里就不贴公式了，主要的结论就是：如果电偶极子和微带贴片天线的谐振频率一致时，把电偶极子的输入电阻被调节到合适的值时，该天线输入导纳的虚部可以被抵消，因此只要合理的选择天线的尺寸，这种互补天线可以拥有很宽的带宽。

3. 设计准则

a. 根据工作频点设计电偶极子长和宽：长度四分之一波长，宽度半波长

b. 根据工作频点设计短路贴片，高度大约四分之一波长，宽度半波长；

c. 选择接地尺寸，远大于工作波长

d. 设计50欧姆馈电探针，优化端口阻抗；

4. 设计案例

800MHz～2GHz天线设计，超宽带磁电偶极子天线方案，长宽高分别为124mm、84mm、42.5mm。50Ω同轴线给电偶极子馈电，与下方矩形地板相连。为提高天线在工作频段内的增益，采用矩形腔体结构，通过腔体反射来提高天线增益。天线主要由馈电电偶极子、垂直方向折叠的短路贴片以及矩形腔体三部分构成，均为普通金属铝，方便加工处理。