一種新型寬頻帶全向天線的設(shè)計(jì)

張運(yùn)啟， 王 亮， 栗 曦， 楊 林， 龔書(shū)喜

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

印制偶極子天線相比于傳統(tǒng)全向天線，具有低剖面、易加工、成本低、能與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊、廣播、數(shù)據(jù)傳輸、組建無(wú)線擴(kuò)頻網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域[1]．隨著電子技術(shù)和通訊產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)全向天線的要求越來(lái)越高，印制偶極子天線作為全向輻射天線，已經(jīng)成為天線科學(xué)的一個(gè)重要研究方向．

早期的全向天線的帶寬較窄，這限制了天線在寬頻帶情況下的應(yīng)用[2]．展寬天線帶寬成為天線中重要的研究?jī)?nèi)容．目前常用的展寬微帶貼片帶寬的方法有：加厚介質(zhì)基板或是厚空氣介質(zhì)，采用小介電常數(shù)εr或大 tanδ的基板；電容饋電(阻抗匹配)，采用鍥形或梯形基板、多層結(jié)構(gòu)；使用電阻加載等[3-4]．但在工程應(yīng)用中，有一些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度大，天線結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，比如采用多層結(jié)構(gòu)時(shí)，天線厚度增加，加工難度大；使用加載電阻，會(huì)使天線的損耗增加，抗震能力下降．

筆者提出了一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的印制偶極子天線．當(dāng)印制偶極子天線印制在基板的同一面時(shí)適合采用共面帶線(CPS)饋電；如果印制在基片的兩面時(shí)，則應(yīng)用平行雙導(dǎo)線饋電．筆者設(shè)計(jì)的天線通過(guò)平行耦合雙線對(duì)印制在介質(zhì)基板兩側(cè)的兩個(gè)輻射單元進(jìn)行饋電，寬偶極子可以減緩偶極子阻抗隨頻率的變化，增加帶寬．

1 印制偶極子單元的設(shè)計(jì)

印制偶極子天線主要有兩種形式：第1種結(jié)構(gòu)是偶極子的兩個(gè)振子臂均印制在介質(zhì)基板的同一面，然后用類平行耦合線分別與兩個(gè)振子臂相連接．這種偶極子的方向圖與普通對(duì)稱振子的相同，只是交叉極化比較嚴(yán)重，并且類平行耦合線與饋電同軸線之間要用巴倫來(lái)實(shí)現(xiàn)從非平衡結(jié)構(gòu)到平衡結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換[5]．第2種結(jié)構(gòu)是將印制偶極子的兩個(gè)振子臂分別印制在介質(zhì)基板的上下兩面，然后用平行耦合線與兩振子臂將介質(zhì)基板上下兩層相連．這種設(shè)計(jì)的交叉極化較低，而且饋電結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單．

展寬印制偶極子天線的帶寬主要方法有：利用振子臂的漸變形式來(lái)減小振子臂的阻抗變化；采用寄生單元與偶極子的互耦來(lái)改善天線的阻抗特性；通過(guò)寬頻帶的饋電結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶特性；還有在介質(zhì)基板兩面印制偶極子的方法來(lái)展寬帶寬[6-7]．

圖1 雙偶極子型振子

1.1 雙偶極子型振子的設(shè)計(jì)

雙偶極子型振子印制在介質(zhì)基板的上下兩面，如圖1所示，振子的振子臂由介質(zhì)基板兩側(cè)的金屬片構(gòu)成，上下兩層的金屬片通過(guò)金屬化的通孔連接．振子臂中間連接的兩條金屬帶構(gòu)成平行寬邊耦合線，與左右兩個(gè)振子臂相連構(gòu)成平衡的饋電端口．當(dāng)上下兩層的饋電連接方式相反時(shí)，振子有180°的相位差．

雙偶極子型振子帶寬展寬的原理可以看做是將振子臂加粗，從而帶寬變寬．也可將上下兩層的振子臂看做是寄生結(jié)構(gòu)，兩層的振子臂互相耦合，從而展寬了帶寬．

偶極子的主要參數(shù)是振子臂的長(zhǎng)度和寬度，而對(duì)其他的尺寸(例如振子臂之間的距離)沒(méi)有嚴(yán)格的要求．一般情況下，振子臂的寬度越寬，天線的帶寬越寬．天線的工作頻段主要由振子臂的長(zhǎng)度決定．筆者設(shè)計(jì)的振子臂總長(zhǎng)度近似為自由空間工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的 1/2，在設(shè)計(jì)中振子臂的長(zhǎng)度要比自由空間波長(zhǎng)的 1/2 略短，一般乘以一個(gè)大小為0.8的因子．介質(zhì)對(duì)天線性能也有很大影響．介質(zhì)越厚，天線工作頻帶越寬．但是介質(zhì)越厚，平行耦合線的寬度越寬，所以介質(zhì)厚度不宜過(guò)厚[8-9]．

圖2 平行耦合線阻抗計(jì)算

1.2 平行耦合線饋電

對(duì)輻射單元進(jìn)行饋電的是平行耦合線，特性阻抗Z0可以由寬度相等、介質(zhì)厚度減半的微帶線的特性阻抗來(lái)等效求得．平行耦合線的電磁場(chǎng)如圖2所示．上下兩層金屬帶線上的電流相差180°，方向相反；饋線工作在奇模狀態(tài)，中間的對(duì)稱平面看做電壁．設(shè)微帶線與地板之間的電壓值為U，電流為I，則微帶線的特性阻抗定義為Zc=U/I．對(duì)平行耦合線，上下兩帶條之間的電壓為2U，電流仍為I，于是推出平行耦合線的特性阻抗Z0= 2U/I= 2Zc．類似微帶線，介質(zhì)基板的厚度越厚，具有相同阻抗的平行耦合線就越寬．筆者設(shè)計(jì)的天線主要應(yīng)用于無(wú)線通信，所以要求天線不能太大，介質(zhì)基板厚度不宜太厚．

1.3 印制偶極子單元的仿真

仿真印制偶極子天線單元如圖1所示．設(shè)計(jì)天線的工作中心頻率是3.3 GHz，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2.55，厚度為 1.5 mm．天線尺寸：振子臂長(zhǎng)為 19 mm ，寬為 3 mm ，耦合線寬為 1.5 mm．仿真駐波比如圖3所示．可以看出單元駐波比小于2時(shí)，在 3.1～ 3.56 GHz 范圍內(nèi)，相對(duì)帶寬較窄．方向圖如圖4所示，天線仿真最高增益為 3 dBi，不圓度最大為 1.5 dB，方向圖沒(méi)有裂瓣．

圖3 印制偶極子單元的仿真駐波比圖4 印制偶極子單元3.3GHz的仿真方向圖

2 寬帶印制偶極子的設(shè)計(jì)

印制偶極子天線的駐波比帶寬(駐波比小于2)通常只有10%左右．為了展寬天線的工作帶寬，采用寬偶極子和寬帶的饋電巴倫結(jié)構(gòu)，如圖5所示．介質(zhì)基板的尺寸是x1×y1×h= 16 mm× 90 mm× 1.5 mm，印制偶極子尺寸是dw×dl= 4 mm×19 mm．寬帶巴倫分為3級(jí)，采用平行耦合線向微帶線過(guò)渡，與振子相連的平行耦合線寬度sw4=1 mm，饋電的位置sl4=60 mm；中間一級(jí)加粗，sw2=1.5 mm，sl2=35 mm；最下面一級(jí)微帶線寬度sw3=4 mm，長(zhǎng)度sl3=20 mm．

圖5 寬帶印制偶極子

在饋電巴倫中間一級(jí)加載單支節(jié)對(duì)天線的阻抗進(jìn)行匹配．單支節(jié)的寬度sl1=0.8 mm，加載位置在天線底部 24 mm 處．在印制偶極子的振子臂上加載金屬化的通孔，這樣可以使天線方向圖的不圓度降低，改善天線的性能．

天線的仿真駐波比如圖6所示．可以看出，加載寬帶巴倫的印制偶極子天線駐波比在 2.57～ 3.97 GHz 頻帶內(nèi)都在2以下，相對(duì)帶寬為42%;而沒(méi)有加載寬帶巴倫結(jié)構(gòu)的天線駐波比在2以下的相對(duì)帶寬只有15%左右．可見(jiàn)寬帶巴倫能很好地調(diào)節(jié)天線的駐波帶寬．

圖6 天線仿真駐波比圖7 天線仿真方向圖

天線仿真中心頻率方向圖如圖7所示，天線在駐波比小于2 的頻帶內(nèi)方向圖沒(méi)有裂瓣，仿真增益為 2.1～ 3.8 dBi，全向不圓度在 3 dB 以下．

3 天線實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)圖8所示天線進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)天線電壓駐波比在 2.6～ 4.1 GHz 頻帶小于2，相對(duì)帶寬為44.7%．天線在高頻端的電壓駐波比較仿真結(jié)果有 100 MHz 的展寬，在頻帶內(nèi)電壓駐波比也較仿真結(jié)果更好，在 2.7～ 3.95 GHz 頻帶內(nèi)小于1.5，如圖9所示．

圖8 天線實(shí)物圖9 天線實(shí)測(cè)駐波比

天線實(shí)測(cè)方向圖如圖10所示，在電壓駐波比小于2的頻帶內(nèi)，方向圖沒(méi)有出現(xiàn)分裂，全向面不圓度小于 3 dB．隨著頻率增高，天線方向圖會(huì)上翹．天線全向面實(shí)測(cè)增益為 1.8～ 3.5 dBi．全向面不圓度在頻帶內(nèi)如表1所示．

圖10 天線實(shí)測(cè)方向圖

f/GHz2.62.93.23.53.84.1不圓度/dB1.11.61.92.02.32.7

4 結(jié) 束 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種新型寬帶印制偶極子天線，利用寬帶巴倫展寬了天線的駐波比．加工了天線實(shí)物并進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)駐波比在 2.6～ 4.1 GHz 頻帶內(nèi)小于2，天線方向圖在 2.5～ 3.9 GHz 頻帶內(nèi)全向面不圓度小于 3 dB，天線實(shí)測(cè)增益為 1.8～ 3.5 dBi．筆者設(shè)計(jì)的全向天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工和安裝，在無(wú)線通信中有著廣泛的應(yīng)用．

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