面向毫米波通信的宽带圆极化磁电偶极子天线设计与阵列实现

《iScience》：Broadband circularly polarized magneto-electric dipole antenna for millimeter-wave communication

为解决毫米波通信中传统天线带宽窄、尺寸大及多径干扰等问题，研究人员开展了宽带圆极化磁电偶子天线研究，通过引入中心对称C形贴片和六边形寄生贴片结构，实现了26.9%阻抗带宽和20.8%轴比带宽，并基于顺序旋转技术构建4×4阵列，实测显示30.7%阻抗带宽与26.5%轴比带宽，为5G/6G和卫星互联网提供了高性能天线解决方案。

　　

随着5G/6G、卫星互联网和毫米波技术的飞速发展，现代无线系统对天线性能提出了前所未有的高要求：既要实现超宽带传输，又要在复杂环境中保持稳定通信。然而，传统天线受限于窄带宽、大尺寸和多径干扰等问题，难以满足高频通信的实际应用需求。特别是在向毫米波/太赫兹频段演进的空天地一体化网络中，宽带圆极化（Circularly Polarized, CP）天线凭借其抗多径干扰和自适应极化特性，成为高速移动平台和密集环境中的关键基础设施。磁电（Magneto-Electric, ME）偶极子天线通过磁电偶极子的互补机制，天然具有抗极化干扰、抗多径衰落和强穿透等显著优势，成为解决频段限制和极化失配问题的理想载体，为6G通信、卫星终端和抗干扰系统提供下一代硬件支持。

尽管顺序旋转技术（Sequential Rotation Technique, SRT）是设计圆极化阵列的常用方法，通过旋转空间结构产生相位差实现圆极化，但其馈电网络设计复杂、阵列规模受限，且容易产生较大栅瓣，影响毫米波应用性能。相比之下，开发本征宽带圆极化辐射单元能更好地实现宽带圆极化阵列设计。本研究旨在设计一种结构简单、低剖面、高集成度的宽带圆极化磁电偶极子天线，为毫米波通信系统提供高性能天线解决方案。

研究人员主要采用电磁仿真与优化设计、PCB工艺加工制备、矢量网络分析仪测试等关键技术方法，通过Ansys Electronics Desktop R2023b和CST Studio Suite 2023软件进行数值分析与优化设计，并利用Keysight E5071C矢量网络分析仪在微波暗室中对加工样品进行性能测试。

圆极化单元设计与分析

提出的圆极化辐射单元配置

该天线采用PCB技术，由两个堆叠基板组成：上层基板使用Rogers RO4003（ε_r=3.38, tanδ=0.004），厚度0.508 mm；下层基板使用Rogers RT/duroid 5880（ε_r=10.2, tanδ=0.0025），厚度1.78 mm，约0.23λ_g（λ_g表示基板中的波长）。结构包含三层铜层：顶层金属由一对中心对称的C形偶极子辐射单元组成，其馈电点通过金属化过孔垂直连接到中层金属接地层；中层金属接地层作为顶层天线的反射层和底部微带馈线的接地层，表面蚀刻有Z形耦合槽；底层包含U形微带馈电网络，通过槽耦合馈电激发产生圆极化辐射。

天线单元演化过程

天线设计基于常见的线极化ME偶极子天线配置，通过正交排列的矩形电偶极子与中间金属层中槽产生的磁偶极子耦合，建立磁电偶极子功能。为实现圆极化辐射，从原始矩形贴片沿x和y方向延伸支路产生正交电场分量，生成相对于参考极化波具有90°相位差的垂直极化波，形成C形圆极化ME偶极子天线结构（Ant.1）。但该结构的轴比带宽过窄，为满足设计要求，采用寄生单元技术，在+45°对角线上添加两个矩形寄生贴片以引入额外谐振点（Ant.2）。为进一步扩展轴比带宽，基于Ant.2将矩形寄生贴片切割成多边形寄生贴片（Ant.3）。仿真表明，加载对称寄生贴片后，阻抗带宽为27.2%（22.51-29.58 GHz），峰值增益为8 dBic，轴比带宽从2.44 GHz（24.57-27.01 GHz）增加到4.43 GHz（24.6-29.03 GHz），相对带宽从9.4%提升到16.52%。通过切割寄生贴片角部改变贴片表面电流流向，Ant.3的轴比带宽进一步扩展到20.8%（24.38-29.78 GHz），相对带宽比Ant.2增加4.19%。

工作原理

为实现优异辐射性能，设计的ME偶极子天线需同时激发磁偶极子和电偶极子。沿z轴放置的电流元和磁流元的远场辐射场可由公式1和2表示，两者存在对偶关系。通过控制磁流元和电流元具有相同方向并辐射相等场强，可简单合成圆极化磁电波。C型偶极子天线受结构对称性限制，只能在离散谐振频率实现圆极化辐射特性，这是因为其电流分布难以在宽频范围内维持正交辐射分量所需的90°相位差条件。加载对称寄生贴片后，寄生贴片与电偶极子和磁偶极子电耦合，激发额外谐振模式，产生另一个圆极化谐振点。表面电流分布分析表明，顺时针旋转的表面电流产生左旋圆极化（LHCP）辐射。在两个谐振频率（25.69 GHz和27.4 GHz）处，表面电流和槽电场分布均满足圆极化天线理论标准，寄生元件引入额外电流和等效磁流，增强了天线圆极化辐射效率，并在高低频贡献辐射，优化了宽频带内的圆极化性能。

阵列设计

2×2圆极化天线子阵列设计

2×2天线子阵列由四个辐射单元和1比4等分功分器馈电网络组成。四分之一波长阻抗变换器与T型结功分器集成形成馈电网络配置，实现负载阻抗匹配。四分之一波长变换器的阻抗由公式3确定。阵列仿真结果显示，轴比带宽为20.7%（23.4-28.3 GHz），略优于天线单元，完全并联馈电配置未显著增强轴比带宽性能，但由于相长干涉提供了4 dB增益增强。

4×4圆极化天线子阵列设计

以2×2子阵列作为构建模块，采用SRT方法构建4×4圆极化阵列。馈电网络对相邻馈线施加渐进λ/4延迟，在单元之间产生必要的90°相位偏移，通过正交相位激励建立圆极化。

结果

仿真与测量结果对比

4×4圆极化阵列天线的测量和仿真S参数在整个22-30 GHz频带内均低于-10 dB。测量的3 dB轴比频率范围为22-28.75 GHz，相对带宽26.6%；仿真频率范围为22-28.71 GHz，相对带宽26.5%。阵列增益的仿真和测量结果高度一致，验证了设计有效性。

圆极化性能

三个频率点（25.69 GHz、26 GHz和27.4 GHz）的E面和H面测量与仿真辐射模式显示，实际测量与仿真结果存在差异，这是由于SMA连接器的过渡损耗和基板组件的偏移，但整体匹配良好。设计的天线在三个频率点的θ=0°处共极化与交叉极化差值分别为-30.3 dB、-28.5 dB和-24.4 dB，在工作频带内表现出优异的极化特性。

讨论

与现有先进设计的性能比较表明，本工作中的圆极化ME偶极子阵列实现了比先前实现更低的剖面和更简单的结构，同时获得了全频带阻抗带宽（|S11|<-10 dB）和更宽的3 dB轴比带宽。该研究提出了一种用于毫米波通信的圆极化磁电偶极子结构天线。通过添加寄生贴片引入新谐振点以拓宽天线工作带宽，将3 dB轴比带宽从9.4%增加到20.8%，显著扩展了单元的轴比。以该单元为基础，构建了并联馈电的2×2和SRT馈电的4×4圆极化阵列天线。制作并测试了4×4圆极化阵列天线，最终实现30.7%阻抗带宽（22-30 GHz）、26.5%轴比带宽（22-28.71 GHz）和相对稳定的增益。仿真与测量结果一致，证明该天线具有优异的圆极化辐射性能，在毫米波通信领域具有重要应用潜力。

研究局限性

圆极化ME偶极子天线设计的主要局限性在于其增益潜力通常受限且难以实现高度紧凑的小型化。尽管其结构提供了良好的宽带圆极化特性和稳定的辐射模式，但固有的辐射机制从根本上限制了单单元的增益上限。同时，为维持实现高质量圆极化（特别是宽轴比带宽）所需的磁电偶极子特性及其正交馈电关系，其物理尺寸通常无法像某些微带贴片天线那样极度压缩，这对空间受限的应用场景构成了显著约束。

该研究由中国家自然科学基金（批准号62202372）和西安市高校人才服务企业项目（批准号23GXFW0061）支持，研究成果发表于《iScience》期刊，为毫米波通信天线设计提供了新的技术路径和解决方案。