磁偶极子天线

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磁偶极子天线辐射场

磁偶极子天线辐射场磁偶极子天线是一种用来辐射电磁波的天线类型。

它由一个磁体偶极子和一根导线构成，通过电流的流动在天线上产生磁场，从而辐射出电磁波。

磁偶极子天线辐射场具有一定的特性和特点。

磁偶极子天线辐射场具有方向性。

由于磁偶极子天线是通过电流产生磁场来辐射电磁波的，因此其辐射场的方向与电流流动的方向相关。

根据右手定则，当电流流动方向与磁偶极子天线的轴线方向相同时，辐射场沿着轴线方向辐射；当电流流动方向与轴线方向相反时，辐射场则沿着轴线相反方向辐射。

这使得磁偶极子天线可以实现辐射方向的控制。

磁偶极子天线辐射场的辐射强度与频率有关。

根据辐射功率的表达式，辐射功率与电流的平方成正比。

而电流的大小与频率有关，当频率较低时，电流较大，辐射功率也较大；当频率较高时，电流较小，辐射功率也较小。

这说明磁偶极子天线辐射场的强度与频率之间存在一定的关系。

磁偶极子天线辐射场的辐射范围也是有限的。

根据辐射场的传播特性，辐射场的功率密度随着距离的增加而减小。

当距离远离天线时，辐射场的强度会逐渐减小，直至无穷远处，辐射场的强度非常微弱。

因此，在实际应用中，磁偶极子天线的辐射范围是受限的，需要根据需求进行合理的布置和设计。

磁偶极子天线辐射场还具有极化特性。

极化是指电磁波的电场振动方向。

对于磁偶极子天线辐射的电磁波来说，其电场和磁场振动方向垂直于辐射方向，因此其极化方式为垂直极化。

这种极化特性在通信和雷达等领域中具有重要应用价值。

磁偶极子天线辐射场具有方向性、与频率有关、辐射范围有限以及具有特定的极化特性等特点。

在无线通信、雷达系统等领域中，磁偶极子天线的辐射场特性对于信号的传输和接收起着重要的作用。

因此，对于磁偶极子天线辐射场的研究和应用具有重要意义。

课件：磁偶极子天线

Part3 实物测试
回波损耗
理论上设计的磁偶极子天线中心频率为2.52GHZ，实际测得 2.576483GHZ，
由相对误差计算公式可得误差为2.2％
电压驻波比
S11天线的驻波比，测得为1.417。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗，驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。驻波比用来表示天线和电波发射台是否匹配。由实测值可得，有一部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温。
输入阻抗
S22的输入阻抗值，等于天线输入端的电压与电流的比值，实部为72.979Ω，虚部为j35.678Ω
实部图如下
输入阻抗
S22的输入阻抗值，等于天线输入端的电压与电流的比值，实部为72.979Ω，虚部为j35.678Ω
虚部图如下
Smith圆图
通过Smith圆图，我们能够迅速的得出在传输线上任意一点阻抗、电压反射系数、驻波比等数据。通过smith圆图可以进行匹配阻抗和VSWR的调试，只需要在极坐标的smith图上以阻抗点到圆心的距离为半径做圆，与水平轴相交，则离极坐标原点最远点坐标的大小即为电压驻波比（VSWR）的大小。
磁偶极子天线
仿真与制作
第一组
目录
1 •天线设置
3
•实物测试
2 •仿真结果
Part1 天线设置
天线整体结构
Top surface
Bottom surface
参数值
Properties Wb h Ra L1 L2 W3 Wd
Value 20 mm 1.6 mm 5 mm 8 mm 13 mm 3.75 mm 1.25 mm
S11的smith圆图如下

磁偶极子天线辐射场

磁偶极子天线辐射场磁偶极子天线是一种常见的无线通信天线，它通过产生磁场来辐射电磁波。

本文将详细介绍磁偶极子天线的辐射场特性。

我们需要了解磁偶极子天线的基本结构。

磁偶极子天线由一个导体环组成，电流从环的一个端口输入，通过环内部的导线流过，并返回到另一个端口。

当电流通过导线时，会在环的周围产生磁场，这个磁场就是磁偶极子天线的辐射场。

磁偶极子天线的辐射场具有以下几个特点：1. 方向性辐射：磁偶极子天线的辐射场在水平方向上具有较强的辐射能力，而在垂直方向上的辐射能力较弱。

这是因为磁偶极子天线的辐射主要是由环内部的电流产生的磁场引起的，而磁场的辐射主要是垂直于电流方向的。

因此，磁偶极子天线的主要辐射方向与电流的方向相垂直。

2. 辐射效率高：磁偶极子天线的辐射效率较高，这是因为磁偶极子天线的辐射主要是通过磁场辐射电磁波，而磁场的辐射功率与电流的平方成正比，因此辐射效率高。

3. 辐射范围有限：磁偶极子天线的辐射范围有限，辐射远离天线的地方辐射强度会逐渐减小。

这是因为磁偶极子天线的辐射主要是通过磁场辐射电磁波，而磁场的辐射范围相对较小。

4. 偏振特性与电流方向有关：磁偶极子天线的辐射场的偏振特性与电流的方向有关。

当电流方向与天线轴线的垂直方向一致时，辐射场的偏振为垂直于天线轴线的方向；当电流方向与天线轴线的垂直方向相反时，辐射场的偏振为与天线轴线平行的方向。

磁偶极子天线的辐射场是由电流在天线内部产生的磁场引起的。

磁场的辐射主要是通过磁感应强度的变化来实现的。

当电流通过导线时，导线周围的磁场会随着电流的变化而变化，从而产生电磁波的辐射。

辐射场的强度与电流的大小、频率以及天线的结构参数有关。

磁偶极子天线的辐射场具有方向性辐射、辐射效率高、辐射范围有限以及偏振特性与电流方向有关等特点。

磁偶极子天线在无线通信、雷达等领域有着广泛的应用，对于研究和了解磁偶极子天线的辐射场特性具有重要意义。

涡流场问题实例：磁偶极子天线的近区场计算

电磁场与电磁波实验报告实验四班级：通信2班姓名：闫振宇学号：1306030222日期：实验4 涡流场问题实例：磁偶极子天线的近区场计算1. 实验目的和任务a.学习软件Ansoft maxwell 软件的使用方法；b.通过软件的学习掌握运用Ansoft Maxwell 进行边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻计算的流程；c.理解并掌握辐射边界的使用。

2. 实验内容1)磁偶极子线圈的近区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻；2)会用Ansoft Maxwell 后处理器和计算器对仿真结果分析；3)恒定磁场力矩计算。

3. 实验原理磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。

具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子。

磁偶极子受到力矩的作用会发生转动，只有当力矩为零时，磁偶极子才会处于平衡状态。

利用这个道理，可以进行磁场的测量。

但由于没有发现单独存在的磁单极子，故我们将一个载有电流的圆形回路作为磁偶极子的模型。

利用磁偶极子模型计算给定区域内的涡流场问题。

4 实验步骤4.1 建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D Design选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Eddy current设置几何尺寸单位：Modeler > Units > Select Units: m (meters)4.2 创建线圈Draw>Torus中心点：（0,0,0）输入线圈的内径：（0.0095,0,0）输入线圈的外径：（0.001,0,0）将材料设置为Copper重命名为：coil4.3 创建计算区域RegionDraw>Sphere中心点：（0,0,0）输入球形计算区域的半径：（0.06,0,0）材料设为vacuum图4-1 仿真模型4.4 创建激励电流加载面（Create Section）Select coilModeler > Surface > SectionSection Plane: YZ平面Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）Del 删除1个截面将剩下的1个截面重命名为“current”4.5 设置激励（Assign Excitation）选中线圈截面：currentMaxwell 3D> Excitations > Assign > CurrentValue: 1.414Type: soild4.6 设置涡流效应和位移电流存在区域Maxwell > Excitations > Set Eddy Effects图4-2 设置涡流效应和位移电流存在区域4.7设置辐射边界Radiation Boundary将region的半径表示为的函数选中Region下的Create sphere将半径radius改为：lambda/4+0.01 (m)添加变量lambda的定义为：c0/frequ这里c0表示真空中的光速添加变量frequ的定义为：1.5GHz图4-3 设置变量结果图按f 键，改为面选择4.8 选中Region的外表面Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation…4.9 设置表面剖分的近似原则选中外表面Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation…Maximum surface deviation：ignoreSet maximum normal deviation (angle)：15 degSet aspect ratio：104.10 创建计算区域的外表面选中Region区域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face将该面重命名为Outside4.11 设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix4.12 设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup最大迭代次数：Maximum number of passes ：5误差要求：Percent Error: 10%频率设置：Solver > Adaptive Frequency: 1.5GHz5.检查并运行Check & Run6.计算结果6.1 计算辐射电阻创建平均Poynting 矢量的计算表达式⎭⎬⎫⎩⎨⎧*⨯=→→→H E p Re 21Maxwell 3D > Fields > Calculator…Quantity > E Quantity > HComplex > Conj （取H 矢量的共轭） Cross （叉乘操作）Complex > Real （取实部） Number > 0.5 *点击Add…Named expressions > PP DoneIp R rmsavr 2=Maxwell > Fields > Calculator在Named Expressions 栏中选中PoyntingCopy to stack （将pp 的计算设置copy 到Calculator 堆栈中） Geometry > Surface > Outside Normal （保留pp 的法向分量）⎰积分Eval （查看结果）6.2 查看阻抗矩阵Maxwell > Results > Solution Data图6-1 阻抗矩阵结果图6.3 查看辐射边界上的pp 矢量图选中Region的外表面Maxwell > Fields > Fields > Named Expression…选中pp图6-2 辐射边界上的pp矢量图7.心得体会本次的实验，感觉真的好麻烦，中间遇到很多的困难，有些地方的一个符号，一个字母不对，就会影响之后的结果，然后只能重来。

磁偶极子天线

电偶极子天线
小圆环天线
Rr
80π
2
L 2
0.88102
Rr
320π
4
s
2
2
2.44 108
辐射电阻愈大，则辐射功率愈强
（3）小电流环天线的辐射场特性
计算结果表明，同样频率、同样长度的导线制作成小电流环天线的辐射阻抗远小于制作电偶极子天线的辐射阻抗。这说明小电流环天线辐射电磁波的能力远小于电偶极子天线。其原因何在？
（3）小电流环天线的辐射场特性
利用辐射电阻的定义，得到小电流圆环（磁偶极子）的辐射电阻是
Rr
2P
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2
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【例】设导线的长度为1米，求制作成圆环和电偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为1MHz
4 πr 3
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其磁场正好是第三章中小电流圆环（即磁偶极子）产生磁场的表达式（3-5-12）
远场区的辐射场
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电偶极子辐射电场为：
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磁偶极子辐射电场为：
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磁电偶极子天线原理

磁电偶极子天线原理一、引言磁电偶极子天线是一种常用的无线通信天线，其原理基于磁电偶极子的辐射特性。

本文将详细介绍磁电偶极子天线的原理和工作原理。

二、磁电偶极子天线的定义磁电偶极子天线是一种将电磁波转换为电流的设备，可以将电流转换为辐射电磁波的设备。

磁电偶极子天线常用于无线通信中，如蜂窝移动通信、无线局域网等。

三、磁电偶极子天线的结构磁电偶极子天线由两个电极和一个磁场组成。

两个电极之间通过电场连接，电极上的电流可以产生磁场。

当电流通过电极时，电极上的电场会产生磁场，从而形成一个磁电偶极子。

四、磁电偶极子天线的工作原理磁电偶极子天线的工作原理基于电磁波的辐射特性。

当电流通过电极时，电极上的电场会产生磁场。

这个磁场可以将电流转换为辐射电磁波。

辐射的电磁波可以传播到空间中，从而实现无线通信。

五、磁电偶极子天线的应用磁电偶极子天线广泛应用于无线通信领域。

例如，在蜂窝移动通信中，磁电偶极子天线被用作基站天线，用于发送和接收无线信号。

在无线局域网中，磁电偶极子天线被用作无线路由器的天线，用于传输无线信号。

六、磁电偶极子天线的特点磁电偶极子天线具有以下特点：1. 磁电偶极子天线可以实现高效的无线通信，具有较高的传输速率和较低的信号衰减。

2. 磁电偶极子天线可以实现多频段通信，适用于不同频率的无线通信系统。

3. 磁电偶极子天线具有较小的尺寸和重量，便于安装和维护。

4. 磁电偶极子天线具有较好的方向性，可以实现定向传输和接收。

七、磁电偶极子天线的发展趋势随着无线通信技术的不断发展，磁电偶极子天线也在不断创新和改进。

未来的磁电偶极子天线可能会更加小型化、高效化和智能化。

同时，磁电偶极子天线还可能应用于更多领域，如物联网、智能家居等。

八、结论磁电偶极子天线是一种常用的无线通信设备，其原理基于磁电偶极子的辐射特性。

磁电偶极子天线具有高效的无线通信能力、多频段通信、小型化和方向性等特点。

随着无线通信技术的发展，磁电偶极子天线将在未来得到更广泛的应用。

2020高中物理竞赛-电磁学篇(电磁场理论)06电磁波的辐射：小电流环—磁偶极子天线 (共12张PP

1
I
2 0
π
Re
0
E H
2πr 2sind
320π
4
s
2
2
【例】设导线的长度为1米，求制作成圆环和电偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为1MHz
电偶极子天线
小圆环天线
Rr
80π 2
L
2
0.88102
Rr
2P
I
2 0
320π
4
s
2
2
2.44 108
计算结果表明，同样频率、同样长度的导线制作
成小电流环天线的辐射阻抗远小于制作电偶极子天线的辐射阻抗。这说明小电流环天线辐射电磁波的能力远小于电偶极子天线。其原因何在？
4 小电流环与磁偶极子等效
在静态电磁场中，恒定小电流环可用磁偶极子等效。在时变电磁场中，置于坐标原点的磁偶极子
m eˆ zm 的磁矢势〔参考（6-1-12)式〕为：
Ar, , jk0
电磁场理论
Electromagnetic Theory 2020高中物理竞赛（电磁学篇）
6.3 小电流环—磁偶极子天线
1 小电流环天线结构
电流环上通有随时间谐变的电流，电流的振幅为恒量，数学上可表示为：
如果电流环半径很小，考虑到是随位置变化的，将
其在球坐标系中表示，即
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近场区电磁场
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宽带磁电偶极子天线设计

宽带磁电偶极子天线设计
通信系统的飞速发展离不开天线技术的支持。

随着4G通信系统的普及和5G 通信系统频率的确定与发布,通信系统更新换代越来越快的局面给天线技术的发展再次提出了新的要求:宽频带、低交叉极化、在工作带宽内有稳定的增益和方向图指标等。

磁电偶极子天线以其优越的性能获得广大学者的关注,对磁电偶极子天线这种新型互补型天线的研究从未停下脚步。

本文在现有技术的基础上结合相关文献对宽带磁电偶极子天线进行研究和设计。

论文的主要工作内容如下:(1)设计了一款具有简单馈电结构的磁电偶极子
天线单元。

将交叉偶极子天线的馈电方式进行优化并应用于磁电偶极子天线上,采用同轴线耦合馈电的方式替代传统r型馈线条带,实现了47%(驻波比小于1.5)的工作带宽(1.68GHz-2.71GHz)。

在天线的工作带宽内增益稳定同时保持了良好的方向图指标,交叉极化较低。

(2)设计了一款宽带磁电偶极子天线单元。

通过改进传统的r型馈线条带形成H型馈线条带进行馈电,同时采用印刷
FR4基板代替传统铜材质的磁电偶极子辐射振子,水平电偶极子设计成八边形渐
变结构,使天线获得了79.1%(驻波比小于1.5)的相对带宽覆盖1.56GHz-3.60GHz。

为防止天线高频增益和方向图的严重恶化,天线采用有金属围栏的反射板,这种
设计能有效改善天线增益和方向图的恶化。

在整个工作频段内,天线具有稳定的增益,交叉极化较低,辐射方向图能保持良好的一致性和单向性。

磁偶极子天线

6.4 磁偶极子天线自强●弘毅●求是●拓新（1）小电流环天线结构电流环上通有随时间谐变的电流，电流的振幅为恒量，数学上可表示为：（2）小电流环天线的电磁场如果电流环半径很小，考虑到是随位置变化的，将其在球坐标系中表示，即eˆ r eˆ J r eˆ ' I 0 z a eˆ I 0z aeˆ r sin sin eˆ cos sin ' ' eˆ cos ' 磁矢位 Ar , , I0a04π2πeeˆˆrsinsin cossin ' ' 0 eˆ cos ' e jkR Rd'I0a04π2π 0eˆ eˆ cos ' e jkR Rd'由于环上电流只有phi分量，可以预言A仅有phi分量，故上式积分后只剩下phi分量。

（2）小电流环天线的电磁场e jkR R e jkr ra jk r1 r2 ej krsin cos'Ar, , I0s04πe jkr jk r1 r2sinH r 1 Ar 0E r 1 H r j 0 H r Hj I 0 kscos 2πr 2ejkr 11 jkr I 0 k 2 ssin 4πrejkr 11 jkr1kr 2 ErE0 E 0 0I 0 k 2 ssin 4πre jkr 11 jkr （3）小电流环天线的辐射场特性近场区电磁场kr 1, exp jkr 1 H r H 2 I 0 s cos 4 πr 3I 0 s sin 4 πr 3 E j I 0 k s sin 4πr 2其磁场正好是第三章中小电流圆环（即磁偶极子）产生磁场的表达式（3-5-12）远场区的辐射场kr 1 E H I 0 sk 2 sin 4πr I 0 sk 2 sin 4πr 0 e jkr 0e jkr与电偶极子远区场相比，除电场和磁场的极化方向互为置换外，特性类似（3）小电流环天线的辐射场特性利用辐射电阻的定义，得到小电流圆环（磁偶极子）的辐射电阻是 Rr2PI2 02I2 0 Sr, , dss1I2 0π Re0EH 2πr 2sin d320π4 s2 2 【例】设导线的长度为1米，求制作成圆环和电偶极子天线的辐射电阻。

环形电流法、微带天线圆极化法、交叉振子法和磁电偶极子法

环形电流法、微带天线圆极化法、交叉振子
法和磁电偶极子法
《无线通信中的常用天线设计方法》
在无线通信技术中，天线设计是非常重要的一环。

不同的应用场景需要不同类型的天线设计来满足要求。

本文将介绍四种常用的天线设计方法：环形电流法、微带天线圆极化法、交叉振子法和磁电偶极子法。

第一种天线设计方法是环形电流法。

这种方法是通过在天线导体上施加环形电流来实现对天线的高效辐射。

环形电流法的特点是具有较宽的工作频段和较高的辐射效率，适用于一些宽带通信系统中。

第二种天线设计方法是微带天线圆极化法。

这种方法是通过在微带天线的辐射片上设计特定形状的辐射结构，实现天线的圆极化辐射。

微带天线圆极化法的特点是结构简单、安装方便，并且适用于一些对电磁兼容性较高的应用。

第三种天线设计方法是交叉振子法。

这种方法是通过在天线辐射片上设计多个不同方向的交叉振子，来实现对不同极化的辐射。

交叉振子法的特点是可以实现多种不同极化方向的辐射，适用于一些需要在不同场景下灵活调整极化方向的通信系统。

第四种天线设计方法是磁电偶极子法。

这种方法是通过在天线导体上设计特定形状的磁电偶极子结构，实现对辐射场的调控。

磁电偶极子法的特点是可以实现对天线辐射场的高度精确的控制，适用于一些需要对辐射场进行精确控制的通信系统。

总的来说，以上四种天线设计方法都有各自的特点和适用场景。

在实际应用中，可以根据具体的通信需求来选择合适的天线设计方法，以实现更好的通信效果。

磁电偶极子天线的极化可重构研究(特邀文章)

磁电偶极子天线的极化可重构研究(特邀文章)吴凡;陆贵文【摘要】磁电偶极子天线有着宽带、对称方向图、低后瓣和稳定增益等优越性能,在诸如基站天线设计等应用场合颇受青睐.另一方面,随着通信系统朝着大容量、高可靠性和智能化等方向发展,可重构天线因其可重配置的天线特性受到广泛关注.该文总结回顾了极化可重构磁电偶板子天线的研究进展,着重介绍了一种高天线效率、三种极化选择和一种单端口、四种极化选择的磁电偶板子天线的设计和分析.相对于传统的基于微带天线的极化可重构设计,提出的基于磁电偶极子天线的极化可重构天线,具有交叠带宽宽,方向图对称,增益稳定等优点;并且通过采用如低损耗的可重构微扰结构和交叉阵子结构馈电等技术,可以实现较高的天线效率或是更少的馈电端口和不复杂的直流偏压电路.其在未来高度集成化、绿色和智能化的无线通信系统中有着一定的应用前景.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)003【总页数】6页(P287-292)【关键词】可重构天线;磁电偶极子天线;极化可重构;宽带;高效率【作者】吴凡;陆贵文【作者单位】香港城市大学电子工程系毫米波国家重点实验室,香港999077;香港城市大学电子工程系毫米波国家重点实验室,香港999077【正文语种】中文【中图分类】TN820引言无线通信系统正在向着更高的通信容量、更高可靠率以及更为智能和绿色的方向发展. 天线作为无线通信系统中不可或缺的信号收发器件,对整个系统的功能和性能有着重要的影响. 可重构天线有着可重配置的一个或多个天线特性,在保障通信容量、提高通信可靠度和系统智能化等方面,有着独特的优势和应用前景[1-3]. 极化可重构天线作为可重构天线研究的一个重要方向,受到了广大研究者的持续关注. 在极化可重构天线的研究中, 以用二极管实现天线的极化可重构特性的设计方法最为普遍. 这些天线大多是以微带贴片天线或微带缝隙天线为原型,在天线辐射结构或是馈电结构中引入二极管,用以控制不同的电通路和电流路径,以实现天线极化的改变[4-6]. 总的来说,这些极化可重构设计因其原型天线的窄带特性,都有着较窄的带宽,尤其是较窄的交叠带宽(不同极化状态的阻抗带宽和轴比带宽的重合区域);另外,由于天线上绝大部分电流都要流过二极管,整个天线的效率相对较低.磁电偶极子天线由陆贵文等人于2006年首次提出[7],作为一种互补源天线,它有着较宽的阻抗带宽、对称的方向图、较低的后向辐射以及稳定的增益等突出优点,在微波波段[8-10]、毫米波波段[11-12]乃至太赫兹波段[13]都已经得到发展和应用. 我们将极化可重构的设计延伸发展到这类天线,基于磁电偶极子结构的极化可重构天线有着磁电偶极子天线的诸多优点,同时,磁电偶极子天线的立体结构,也为用尽可能少的馈电端口实现更多的极化自由度提供了可能.1 高效率三重极化可重构磁电偶极子1.1 天线结构图1(a)展示了所提出的一种高效率三重极化可重构磁电偶极子天线的结构[9](具体参数取值见表1),整个天线由一个盒状的金属背板作为地板,而天线的辐射结构由一系列的竖直金属壁和四块水平金属印刷贴片构成.这一系列的竖直金属壁高度接近四分之一波长,在合适的激励条件下,可以在其形成的朝正上方的缝隙口面处形成磁流,产生磁偶极子式辐射. 四块水平贴片是通过印刷电路板工艺加工刻蚀在一块介质板(Rogers 5870、厚度为0.787 mm)的正下方,四块水平金属贴片的四个靠内的互相临近的顶点通过两条对角连接线互相连接. 这两条连接线分别印刷于介质板的上下面,并且每条连接线中嵌入了两个二极管,来控制其通断. 如图1(a)中绿色连线所示,只需要一根直流控制线路和简单的正负1.5 V电压,就可以分别控制导通这两条连接线. 在后续的分析中我们会阐述,正是通过控制这两条连接线的导通,我们可以控制整个天线的极化,在一种线极化和两正交圆极化之间互相切换. 天线的馈电是通过一个折叠的金属条带,将源自位于天线地板处同轴线中的能量,通过磁电耦合的形式,转移到整个天线当中. 换言之,这个折叠的金属条带结构可以看成是一段将天线输入阻抗变换到同轴线特性阻抗的阻抗变换器.(a) 天线结构图(a) The antenna configuration(b) 圆极化原理示意图(b) The schematic diagram for explaining the circular polarization图1 高效率三重极化可重构磁电偶极子天线[9]Fig.1 The high-efficiency and tri-polarization reconfigurable ME diode antenna[9]表1 高效率三重极化可重构磁电偶极子几何参数Tab.1 Geometry parameters of the high-efficiency and tri-polarization reconfigurable ME diode antennamm参数LsLgLpHpHgG 数值92120329232181.2 圆极化原理及极化可重构设计如图1(b)所示,给出了当印刷于介质板上表面的连接线被选择控制导通时,天线的理想结构示意图(地板结构被省去). 此时的天线结构可以被看作是一个单馈源激励的双极化磁电偶极子天线的一种变形形式:折叠金属条带引入的沿y方向的激励可看作是两个分别沿+45°和-45°方向激励的矢量和;而-45°方向极化的这一对磁电偶极子由于被一条连接线将两个水平贴片的内顶角短接,相当于引入了一个微扰. 在恰当地选取整个天线的几何参数后,可以让-45°方向引入的微扰使得-45°方向极化的磁电偶极子辐射相位与没有微扰的+45°磁电偶极子辐射相位相差90°,从而形成圆极化波. 同理,如果我们通过不同的直流偏压仅将+45°方向的连接线导通,易知此时的天线将辐射与前述圆极化旋向相反的圆极化波. 进一步的,如果控制两条对角连接线同时断开,则整个天线呈现线极化工作状态,其极化方向与激励方向相同:沿y轴方向.1.3 测试结果与分析在仿真设计的基础上,我们加工了一个天线实物并对其进行测试. 通过矢量网络分析仪安捷伦N5230A对天线在所关心频段内的匹配性能进行了测量. 天线的辐射特性,则借助球面近场测试系统进行测量.从图2所示的测试结果可以看到,在三种不同的极化状态下,天线的匹配特性都与仿真结构比较接近.遗憾的是,实测的轴比带宽与全波仿真的结果相差不少,仔细分析我们发现,这很有可能是因为天线加工和装配过程中产生的误差导致的(特别的,通过参数扫描分析我们发现,天线一些参数,比如G的毫米量级的误差就能导致轴比带宽减少高达50%). 这里我们把天线工作的交叠带宽定义为天线在三种不同极化状态下反射系数小于-10 dB和在两种圆极化状态下轴比小于3 dB的重合频率范围. 我们设计的天线在仿真中达到了一个22.6%的交叠带宽. 实测中,主要是受限于测试的轴比结果,只得到了7.9%的交叠带宽. 虽然如此,这个结果相比传统的微带极化可重构天线仍有一定优势.从图3所示的测试天线方向图可以看出,所设计的天线性能符合仿真预期,在两个主平面内有着对称的方向图,交叉极化电平均小于-20 dB,后向辐射也都低于-30 dB. 另外,我们通过图4的测量结果,可以观察天线在增益和天线效率两方面的表现. 天线的线极化和圆极化增益十分接近,并且在所关心的频率范围内波动很小,同时,它们的测试结果都与仿真结果接近. 令人振奋的是,所设计的极化可重构磁电偶极子天线有着80%或更高的天线效率,这一结果比绝大部分现有的极化可重构设计都要优良. 究其原因,主要是得益于我们采用了一种低插损的可重构微扰,即,在我们设计的通过控制其通断来改变天线极化的连接线上,并不会流过贡献天线辐射的主要电流. 这样一来,二极管导通时所引入的损耗,也相应更小,使整个天线的效率得以提高.图2 天线的匹配特性和轴比[9]Fig.2 Reflection coefficients and axial ratio of the prototype[9](a) 线极化, xoz面 (b) 线极化, yoz面(a) Linear polarization,xoz plane (b) Linear polarization,yoz plane(c) 右旋圆极化, xoz面 (d) 右旋圆极化, yoz面(c) Right-handed circular polarization, xoz plane (d) Right-handed circular polarization, yoz plane (e) 左旋圆极化, xoz面 (f) 左旋圆极化, yoz面(e) Left-handed circular polarization, xoz plane (f) Left-handed circular polarization, yoz plane图3 不同极化状态下的天线仿真和测试方向图[9] (2.3 GHz)Fig.3 Simulated and measured radiation patterns under different polarization states at 2.3 GHz[9]图4 不同极化状态下的天线增益与天线效率[9]Fig.4 Gain and antenna efficiency under different polarization state[9]2 单端口四重极化可重构磁电偶极子2.1 天线结构与工作机理所提出的单端口四重极化可重构磁电偶极子的结构示意图如图5所示[10],这里,一个交叉振子形状的结构被用来对天线进行馈电,交叉振子结构能很好地嵌入到磁电偶极子天线的两个交叉空隙中,并且通过近场耦合的方式,将能量从交叉振子馈入到磁电偶极子中. 在这里,交叉振子属于馈电结构而并非辐射结构. 我们在交叉振子的每一个臂上都设计了一个二极管,用来控制每个臂的导通与切断. 当选取并导通不同的对臂时,磁电偶极子天线会得到不同的线极化激励,从而让整个天线可以工作于两个正交的线极化状态. 这种集成二极管的交叉振子馈电结构是一种旋转对称结构,得益于此,两个正交的线极化状态下,天线的匹配性能将会保持一致,简化了天线的设计复杂度. 与此同时,我们在辐射结构上继续引入两条内嵌二极管的连接线. 当仅选择导通其中一条连接线的情况下,磁电偶极子天线将工作于圆极化状态. 额外的,调节和优化天线的多个几何参数,当两条连接线被同时导通时,整个磁电偶极子天线仍可以工作于线极化状态;较之前所述线极化状态,此时的天线是工作在较低的一个毗邻频段,从而实现了(两个)线极化状态下的频率切换功能. 具体的天线结构参数可详见文献[10].图5 单端口四重极化可重构天线结构[10]Fig.5 Configuration of the single-port and quad-polarization reconfigurable ME dipole antenna[10]图6画出了天线工作于线极化和圆极化状态下的理想结构示意图(俯视),可以看到,当沿x方向的一对振子臂被导通而另一对沿y方向的振子臂断开时,天线将工作于x方向的线极化状态,并且依据两条连接线的同时导通与否,可以在两个相邻的工作频段之间切换.由于对称性,这里只简明给出了x方向的线极化状态的天线结构图,y 方向线极化的实现原理与此相似. 当两条连接线只有一条被选择导通,另一条被断开时,则磁电偶极子天线将工作于圆极化状态,并且选择不同的连接线进行导通可以改变其所辐射圆极化波的旋向.图6 可重构工作原理示意图[10]Fig.6 The schematic diagram for explaining the antenna reconfigurability[10]2.2 测试结果与分析在仿真设计的基础上,我们对天线进行了加工和测试,对匹配和辐射特性的测试方法与前述设计相同. 从图7和图8的四种不同极化状态下的天线匹配情况可以看出:所设计的磁电偶极子天线可以在两正交的线极化状态下分别工作于一个相对较高的和一个相对较低的频带内,实现了线极化状态下的频率切换; 而线极化状态下两个可能的工作频带正好与两个圆极化状态的工作频带相重合. 测试所得的圆极化匹配带宽为17.8% (从1.38 GHz到1.65 GHz). 图9画出了仿真和测试的天线工作于两正交圆极化状态下的轴比数据,可以看出,仿真的两个圆极化的轴比重合带宽为5% (从1.37 GHz到1.44 GHz),而测试的两个圆极化的轴比重合带宽为3.6% (从1.38 GHz到1.43 GHz).图7 线极化状态下仿真和测试反射系数[10]Fig.7 Simulated and measured reflection coefficients under linear polarization state[10]图8 圆极化状态下仿真和测试反射系数[10]Fig.8 Simulated and measured reflection coefficients under circular polarization states[10]图9 仿真和测试轴比[10]Fig.9 Simulated and measured axial ratio[10]3 结论本文总结回顾了极化可重构磁电偶极子天线的研究进展,着重介绍了一种高天线效率、三种极化选择和一种单端口、四种极化选择的磁电偶极子天线的设计和分析. 相对于传统的基于微带天线的极化可重构设计,我们提出的基于磁电偶极子天线的极化可重构天线,具有交叠带宽宽、方向图对称、增益稳定等优点;并且通过采用如低损耗的可重构微扰结构和交叉阵子结构馈电等技术,可以实现较高的天线效率或是更少的馈电端口和不复杂的直流偏压电路. 其在未来高度集成化、绿色和智能化的无线通信系统中有着一定的应用前景.参考文献【相关文献】[1] HAUPT R L, LANAGAN M. 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