《Results in Engineering》：Circularly Polarized Magneto-Electric Dipole Antenna with Microstrip Line Cross Aperture-Coupled Excitation
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本文针对传统磁电偶极子天线实现圆极化需复杂馈电网络的难题，提出了一种新型十字缝隙耦合馈电的圆极化磁电偶极子天线。该设计通过单层微带线实现正交模90°相位差激励，在2.89-3.38 GHz频段实现15.63%阻抗带宽，3.04-3.23 GHz频段内轴比带宽达6.2%，峰值增益5 dBic。其创新性的交叉缝隙结构为5G sub-6 GHz和卫星通信系统提供了低成本、高极化纯度的天线解决方案。
在现代无线通信技术飞速发展的今天，天线作为信号收发的"门户"扮演着至关重要的角色。特别是在5G和卫星通信领域，传统的线极化天线容易因设备姿态变化导致信号衰减，而圆极化天线则能有效克服这一难题。磁电偶极子天线因其独特的互补特性，能同时激发电偶极子和磁偶极子，展现出宽频带、稳定辐射模式等优势，成为近年来研究的热点。然而，现有的大多数磁电偶极子天线仍局限于线极化工作模式，要实现圆极化往往需要复杂的馈电网络或多层结构，这不仅增加了制造成本，也限制了其在实际工程中的应用。
针对这一技术瓶颈，来自乌尔米亚大学的研究团队在《Results in Engineering》上发表了一项创新研究，提出了一种基于十字缝隙耦合馈电的圆极化磁电偶极子天线新设计。这项研究巧妙地将几何结构与馈电机制相结合，通过简单的单层微带线实现了圆极化辐射，为5G sub-6 GHz频段和卫星通信提供了一种高性能、低成本的解决方案。
研究团队采用了几项关键技术方法：首先设计了独特的十字形缝隙耦合结构，通过单根微带线同时激励两个正交的磁电偶极子对；其次利用激光切割钢制辐射单元与FR4介质基板的组合，在保证性能的同时兼顾机械强度和成本控制；此外还建立了基于Schelkunoff偶极子理论和Babinet-Booker对偶性的等效电路模型，为天线设计提供了理论指导。这些方法的综合运用使得天线在保持紧凑结构的同时，实现了优异的圆极化性能。
结构设计：天线的核心创新在于其层次化设计思路。研究团队首先构建了传统的线极化磁电偶极子天线作为基础，随后通过将缝隙和偶极子臂旋转45°实现了椭圆极化，最终通过阵列结构优化实现了圆极化。这种渐进式的设计方法确保了每个阶段的性能可控性。天线的辐射部分由两对正交的钢制导体板组成，分别作为电偶极子和磁偶极子，通过十字形缝隙与底层的微带线实现耦合馈电。
仿真与实验结果：仿真结果显示，该天线在2.89-3.38 GHz频段内阻抗带宽达到15.63%，在3.04-3.23 GHz频段内轴比低于3 dB，满足圆极化工作要求。辐射方向图显示天线具有66.32°的半功率波束宽度，在主轴方向左右旋圆极化隔离度超过20 dB。实测结果与仿真高度吻合，验证了设计的可靠性。特别值得关注的是，天线在工作频带内的辐射效率保持在84.2%至87.7%之间，表明其具有较高的能量转换效率。
等效电路建模：研究团队还建立了天线的等效电路模型，将电偶极子和磁偶极子分别用集总参数元件表示，微带线用传输线理论建模。这一模型不仅帮助理解天线的工作原理，还能在设计初期快速预测性能，减少对耗时的大型全波仿真的依赖。模型准确捕捉了电偶极子和磁偶极子谐振之间的相互作用，为天线的优化设计提供了理论依据。
性能对比分析：与现有技术相比，该设计在圆极化纯度、结构复杂度和制造成本之间取得了良好平衡。虽然一些设计可能具有更宽的带宽或更高的增益，但它们往往需要多层基板或外部相移网络。而本研究采用的单层FR4基板和钢制辐射单元，在保证性能的同时显著降低了制造成本，更有利于实际工程应用。
这项研究的成功实施，标志着在圆极化磁电偶极子天线设计领域取得了重要突破。其创新的十字缝隙耦合机制为实现圆极化提供了一种简单有效的解决方案，避免了传统设计中对复杂馈电网络的依赖。天线展现出的宽波束特性和高极化纯度，使其特别适合需要广域覆盖的5G基站和卫星通信终端。未来，研究团队计划进一步优化天线增益，并探索其在毫米波频段的适用性，为下一代无线通信系统的发展提供更多可能性。
