周梦丽， 徐艳红， 蒋 安， 张志文， 王安义

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710600)

0 引 言

随着现代无线通信技术的快速发展，当前的LTE、WiFi、WiMAX等无线通信技术对天线有了更高的要求，尤其是天线的工作带宽，尺寸大小以及辐射性能等。目前，天线正在朝着宽带化[1]、小型化[2]的趋势发展。很多学者提出了对数周期天线、喇叭天线等，但天线尺寸较大、结构复杂。微带天线具有体积小、重量轻的特点，但带宽较窄[3]。文献[4]提出了互补型的磁电偶极子天线，利用电偶极子和磁偶极子方向图的互补性，将电偶极子与磁偶极子相结合，得到对称的E面和H面的方向图，在1.85～2.89 GHz的工作频段内实现了43.9 %(驻波比SWR小于1.5)的工作带宽。此后，磁电偶极子天线进入研究者的视野。文献[5]通过改进传统的Γ形馈电结构，有效地减小了磁电偶极子天线的尺寸。文献[6]提出了一种新型低剖面磁电偶极子天线，通过折叠垂直短路贴片，有效降低了天线的剖面，并在E面和H面上获得了具有高前后比的稳定的辐射方向图。分形结构可以通过自相似性和空间填充特性来展宽天线带宽和实现小型化[7]，常见的分形结构有Koch、Hillbert[8]、Sierpinski[9]、Minkowski[10]等。

本文提出了一种基于Minkowski分形的磁电偶极子天线，利用分形结构的空间填充特性，延长了辐射贴片上的电流路径，使得天线谐振频率降低，并通过仿真对比加载分形前后的磁电偶极子天线特性，仿真结果表明：该天线具有尺寸缩减性，且加载分形结构对天线的辐射特性影响很小。

1 天线结构与设计

本文提出的基于Minkowski分形的磁电偶极子天线贴片的分形迭代过程如图1所示。将矩形贴片一分为二，分成两个大小相等的正方形，设正方形边长为L，分形比例因子为α，从方形贴片的各边中间位置，蚀刻出尺寸大小为L/3×L×α/3的小矩形，形成如图1(b)所示的1阶分形结构，在此基础上，用同样的方法在1阶分形结构中蚀刻出小矩形，得到如图1(c)所示的2阶分形结构。

图1 磁电偶极子天线分形迭代过程

本文磁电偶极子天线采用2阶Minkowski分形结构，使用同轴馈电。天线结构如图2所示，图2(a)为天线的侧视图，图2(b)为建模图。该天线分为对称两个部分，最上面的两个矩形贴片天线作为电偶极子天线，垂直贴片天线及两个垂直贴片之间的地板充当磁偶极子天线，两垂直贴片之间的距离为17 mm。该天线在两垂直短路贴片中间采用Γ形馈线，馈线底部与SMA头的内导体相接。天线的具体参数如表1所示。

图2 天线结构

表1 天线结构尺寸mm

2 天线性能分析

2.1 天线反射系数和增益

通过仿真软件HFSS.15.0对天线模型进行仿真和分析。图3为天线的反射系数与增益曲线图。经分析可知，天线的工作频带为1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，相对带宽达到53 %，在整个工作频带内，增益稳定，最大增益达到8.7 dB。

图3 天线反射系数和增益曲线

2.2 天线远场区辐射方向图和电流分布

图4表示天线在(不同频率的)E面和H面方向图。由图4可知，在整个工作频带内，天线的E面和H面的方向图基本一致，并且天线的交叉极化分量较小，在1.8，2.3，2.8 GHz时的交叉极化均小于-30 dB,方向图具有很好的对称性。

图4 天线辐射方向

为了进一步了解天线的辐射情况，图5给出了2.3 GHz处磁电偶极子天线的电流分布情况，因为周期函数在时域具有周期性，这里只分析一个周期，水平贴片的电流分布描述了偶极子天线的工作状态，垂直贴片且两个垂直贴片之间的地板上的电流分布描述了磁偶极子天线的工作状态，在t=0时及t=T/2时(T为频率在2.3 GHz时的一个周期)，磁偶极子和电偶极子表面的电流强度达到最大。当t=T/4和3T/4时，磁偶极子和电偶极子分别在图5(c),(d)中表面电流强度变得微弱，由此说明，在一个周期内，电偶极子和磁偶极子被同时激励，符合磁电偶极子天线的工作机理。

图5 电流分布

2.3 天线参数优化分析

为了研究分形结构对磁电偶极子天线的影响，更直观地分析加载分形结构后天线谐振频率的变化，凸显小型化效果，利用HFSS15.0对各项参数进行仿真分析。不同迭代次数得到的谐振特性如图6所示。对水平贴片做分形处理主要影响的是电偶极子的性能，通过图6可以看出随着分形阶次的增加，高频谐振点未变，低频谐振点向低频移动，频带展宽，阻抗匹配效果得到改善。二阶分形结构相比分形前，电流路径较长，通过延长电流路径，使得天线的中心频率降低，减小天线的整体尺寸。

图6 反射系数随分形次数的变化

分形比例因子α对天线反射系数的影响如图7所示，分析图7可知,α对天线的反射系数影响较大，随着α值的变化，高频谐振点不变，低频谐振点会随着α值的增大，向低频移动。当α值为0.6或0.7 mm时，低频谐振点1.9 GHz，当α值为0.8或0.9 mm时，低频谐振点为1.8 GHz。当α取0.8 mm时，有较好的阻抗匹配特性。

图7 反射系数随α的变化

另外，进一步研究了馈线宽度d和馈线长度b对天线性能的影响，如图8所示为馈线宽度d的不同取值对S11的影响，图9显示了S11随馈线长度b的变化。

图8 d对天线性能的影响

从图8可以看出，随着馈线宽度的增加，天线的频带展宽，在低频处S11逐渐减小，高频处S11逐渐增大。当d=3.6 mm时，匹配最好。

图9 b对天线性能的影响

从图9可以看出，随着馈线长度的增加，天线的工作频带向低频移动，在低频处S11逐渐增大，高频处S11逐渐减小。考虑到天线的性能，选择b=23.7 mm。

表2总结了磁电偶极子天线加载分形结构前后的性能比较。第2列和第5列给出了天线分形前和分形后的中心频率和天线尺寸，对比分析可以得出在天线尺寸保持不变的情况下，加载Minkowski分形结构后，天线的中心频率从2.4 GHz移动到2.245 GHz。天线的尺寸从0.24λ1×0.616λ1×0.48λ1减小到0.22λ0×0.575λ0×0.44λ0，其中，λ1和λ0为分形前后天线中心频率对应的波长。从第3列可以看出，分形后的天线具有更宽的阻抗带宽。随着分形阶次的增加，天线的增益略微减小。本文提出的天线在保证磁电偶极子天线性能的前提下实现了19.5 %的尺寸缩减。

表2 加载分形结构前后对比

3 结 论

本文提出了一种小型化磁电偶极子天线，由一对加载Minkowski分形结构的平面电偶极子天线，一对垂直短路贴片和地平面组成，并采用同轴馈电。工作频段为1.65～2.84 GHz(S11<-10 dB)，实现了53 %的相对带宽，在工作频带内，最大增益达到8.7 dB，有良好的方向性、低交叉极化等性能。利用分形结构空间填充性，减小了天线尺寸，该天线可应用于多种无线通信系统中。