一種超寬帶印刷天線的設(shè)計(jì)

萬(wàn)小鳳，鄭宏興，王曉輝

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展以及雷達(dá)、預(yù)警、導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍事技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)界及軍工系統(tǒng)對(duì)天線的結(jié)構(gòu)類型、性能參數(shù)、裝配方式以及尺寸大小等技術(shù)指標(biāo)都提出了許多新的要求，高性能天線的潛在需求進(jìn)一步推動(dòng)了天線技術(shù)的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的超寬帶天線一般用平面金屬板向外輻射，并帶有與輻射板垂直的較大尺寸的接地板結(jié)構(gòu)，其體積大、應(yīng)用不方便[2]，而印刷超寬帶天線兼具天線小型化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足超寬帶通信的特定要求[3]。超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法主要有3種[4]。①多諧振法：通過(guò)增加天線的諧振頻率來(lái)展寬工作帶寬。多諧振法是對(duì)窄帶天線進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)引入多個(gè)不連續(xù)諧振點(diǎn)，改變天線邊緣衍射場(chǎng)的相位分布關(guān)系，進(jìn)而減小天線諧振時(shí)的品質(zhì)因數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)展寬天線帶寬的目的[5]。②電小尺寸輻射法：在天線的結(jié)構(gòu)中只允許有一個(gè)與波長(zhǎng)相比物理尺寸很小的輻射區(qū)，在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生相同的輻射區(qū)域。電小尺寸輻射法可以應(yīng)用到不規(guī)則印刷天線的設(shè)計(jì)中，但其有一個(gè)缺點(diǎn)就是天線的增益和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性會(huì)對(duì)頻率有較強(qiáng)的依賴性。③相似輻射法：在很寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)天線進(jìn)行相似輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線輻射特性與頻率無(wú)關(guān)，可以在很寬的頻段內(nèi)工作。本文對(duì)超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

1 超寬帶天線分析

超寬帶天線的饋電方式一般有3類：共面波導(dǎo)饋電、微帶饋電、同軸饋電，如圖1所示。共面波導(dǎo)饋電將接地面和輻射單元放置在同一個(gè)面上，饋電的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于對(duì)同軸線的平面化，同時(shí)接地面本身也可以看作是輻射體的一部分[6]。微帶饋電又叫邊饋[7]，這種饋電方式在介質(zhì)板的兩面都有金屬，背面的金屬主要是起到微帶線地板的作用。同軸饋電[7]是超寬帶單極天線早期常見的一種饋電方式，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在較大的金屬平面板上豎立起一塊與其垂直的金屬輻射單元，底部用同軸線饋電，它的H面方向圖近似全向，E面方向圖類似蝴蝶形狀[6]。這類天線帶寬性能好，增益也較大，全向性也較好，缺點(diǎn)就是體積比較大，不易集成化。采用共面波導(dǎo)和微帶線饋電的超寬帶天線具有體積小、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，本文采用的是微帶線饋電。

圖1 不同饋電類型的天線

超寬帶印刷單極子天線的輻射貼片可以做成各種各樣的形狀，比如三角形[6]、圓形[8]、橢圓形[9]、矩形[10]、八邊形[11]等，可以很方便地改變其阻抗帶寬和輻射特性。以往的研究表明，提高超寬帶印刷單極子天線的帶寬有以下幾種方法：一是通過(guò)采用漸變的饋線來(lái)增大天線的帶寬[12]；二是通過(guò)改變輻射貼片的形狀來(lái)增大天線帶寬，可以用“U”形、鏟形、梯形、階梯形、圓形、水滴形等貼片形式；若采用十字形、U形或者蝴蝶形等結(jié)構(gòu)，天線的駐波比帶寬可增大到4∶1，若用圓形、扇形、橢圓形等，帶寬會(huì)更寬。

2 超寬帶天線設(shè)計(jì)

超寬帶印刷單極子天線的正、反面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中陰影部分表示金屬。

圖2 介質(zhì)基片的金屬片結(jié)構(gòu)

采用微帶線進(jìn)行饋電，圓角矩形貼片和接地板分別印制在Lsub×Wsub×Hsub的介質(zhì)基片的正反兩面，介質(zhì)基片選用介電常數(shù)為4.4的FR4基板，圓角矩形貼片長(zhǎng)為L(zhǎng)1，寬為L(zhǎng)2，并且其4個(gè)角被剪切成半徑為R的圓角，微帶饋線長(zhǎng)為L(zhǎng)3，寬為W1，接地面長(zhǎng)為L(zhǎng)4，寬為Wsub，并且在接地板上開尺寸為L(zhǎng)5×W1的矩形槽來(lái)擴(kuò)展帶寬。

本文采用商業(yè)仿真軟件HFSS對(duì)天線性能進(jìn)行仿真。首先對(duì)未開矩形槽時(shí)的天線進(jìn)行仿真分析，其對(duì)應(yīng)的S11及VSWR曲線如圖3、圖4中的虛線所示。

圖3 開槽前、后天線的回波損耗

圖4 開槽前、后天線的電壓駐波比

從圖中可以看出，天線在3.26～10.25 GHz頻段內(nèi)特性良好，但在10.25 GHz頻段處出現(xiàn)了一個(gè)不可控的陷波，導(dǎo)致天線性能降低。

針對(duì)這種情況，采用在接地面上開矩形槽的方法來(lái)消除陷波，同時(shí)可以增加天線的帶寬，調(diào)節(jié)矩形槽的尺寸并對(duì)其進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果用實(shí)線表示顯示在圖3、圖4中?？梢钥吹酱藭r(shí)天線的帶寬由原來(lái)的3.26～10.25 GHz擴(kuò)展到了3.13～15.7 GHz，極大地展寬了天線帶寬。

3 天線參數(shù)優(yōu)化

下面對(duì)影響天線性能的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先，對(duì)接地板的長(zhǎng)度L4進(jìn)行優(yōu)化，分別取L4=12、12.5、13、13.5 mm，改變接地板的長(zhǎng)度，實(shí)際就是改變輻射貼片與地板之間的距離，從圖5的仿真結(jié)果可以看出接地板長(zhǎng)度的變化主要影響天線的高頻性能，對(duì)低頻影響不大，并且當(dāng)L4=12.5 mm時(shí)天線帶寬最大，效果最好。其次，改變天線接地板上開槽的長(zhǎng)度L5，觀察其變化對(duì)天線性能的影響。其他參數(shù)保持不變，分別令L5=1、3、5 mm，比較結(jié)果如圖6所示，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開槽矩形的長(zhǎng)度L5=3 mm時(shí)帶寬最寬，效果最好。最后，對(duì)天線介質(zhì)板的長(zhǎng)度Lsub進(jìn)行優(yōu)化，令其取值分別為30、35、40 mm，其他參數(shù)不變，回波損耗隨介質(zhì)基片長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖7中可以看出，介質(zhì)基片長(zhǎng)度等于40 mm時(shí)，天線的帶寬最大。

圖5 不同接地板長(zhǎng)度對(duì)天線帶寬的影響

圖6 不同槽長(zhǎng)對(duì)天線影響

圖7 不同介質(zhì)板長(zhǎng)度對(duì)帶寬影響

最終確定天線各部分的尺寸分別為：介質(zhì)基片長(zhǎng)度Lsub=40 mm，寬度Wsub=27 mm，厚度Hsub=1.6 mm；接地板的長(zhǎng)度L4=12.5 mm，且接地面的上端開有矩形槽，矩形槽長(zhǎng)度L5=3 mm，位于微帶線的正下方，微帶饋線長(zhǎng)度L3=14 mm，寬度W1=2.9 mm，輻射貼片是邊長(zhǎng)L1=L2=14 mm的正方形，圓角半徑為R=4 mm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性

根據(jù)最后的參數(shù)，設(shè)計(jì)了如圖2的超寬帶印刷單極子天線，并對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性進(jìn)行仿真。選取工作頻段內(nèi)的 4 GHz、8 GHz、11 GHz和15 GHz作為參考頻率點(diǎn)，觀察天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，方向圖如圖8所示。從圖8中可看出，當(dāng)頻率較低時(shí)，天線的方向圖呈現(xiàn)良好的單極天線的特性。觀察H平面，在低頻范圍內(nèi)（4 GHz、8 GHz），輻射場(chǎng)的形狀接近圓周，為近似全向輻射；而在高頻范圍內(nèi)（11 GHz、15 GHz），輻射場(chǎng)曲線出現(xiàn)明顯的不規(guī)則的凹凸，全向性有所降低。E面方向圖在頻率較低時(shí)可以獲得接近“8“字形的指向性，具有較低的交叉極化電平；當(dāng)頻率較高時(shí)，天線的方向圖產(chǎn)生一些變形，交叉極化電平也隨之升高?？偟膩?lái)講，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的近似全向輻射特性。

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果，制作了天線的實(shí)物如圖9所示。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測(cè)量，結(jié)果顯示與HFSS軟件仿真結(jié)果相一致。

圖9 天線實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款微帶線饋電的超寬帶印刷單極子天線，天線輻射體采用圓角矩形輻射貼片，并通過(guò)在接地板上開矩形槽極大地增大了天線的帶寬。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，性能優(yōu)良，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]秦順友，許德森.地球站天線技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（4）：466-471.

[2]呂文俊，程崇虎，朱洪波.小型平面超寬帶天線的研究進(jìn)展[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007，2（6）：556-561.

[3]李明，李迎松，楊曉冬，等.小型化陷波超寬帶天線的研究與設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2011，38（9）：28-31.

[4]SCHANTZ.超寬帶（UWB）天線原理與設(shè)計(jì)[M].呂文俊，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

[5]孫思揚(yáng)，林欣，高攸綱，等.一種可展寬頻帶的微帶貼片天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）：307-310.

[6]李迎松，楊曉冬，劉乘源，等.共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010，24（9）：819-823.

[7]鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]翟岱亮，張晨新，李紅梅，等.新型圓形共面波導(dǎo)雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，13（3）：50-53.

[9]田雨波，譚冠南.頻率可重構(gòu)超寬帶天線研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：222-226.

[10]張功國(guó)，田海燕.基于地板開槽的陷波矩形漸變超寬帶天線設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37（3）：164-166.

[11]胡偉，張建華，田健.一種新型的多邊形超寬帶印刷天線[J].現(xiàn)代雷達(dá).2011，33（3）：60-66.

[12]鐘順時(shí)，梁仙靈，張麗娜，等.阻抗帶寬超過(guò)21∶1的印刷單極天線[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，13（4）：337-343.