一種寬帶貼片偶極子天線設(shè)計(jì)

王　慷,方　鑫,萬(wàn)小剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種寬帶貼片偶極子天線設(shè)計(jì)

王慷,方鑫,萬(wàn)小剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：結(jié)合微帶天線和偶極子天線的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了一種低剖面的寬帶貼片偶極子微帶天線單元。通過(guò)仿真與優(yōu)化,擴(kuò)展了頻帶帶寬。在C頻段的電壓駐波比小于2、相對(duì)帶寬達(dá)到80%。同時(shí),天線單元的增益在頻帶內(nèi)均大于5.5 dB,頻帶內(nèi)輻射效率大于92%。天線單元可用于共形天線陣列的設(shè)計(jì),有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:微帶天線；偶極子天線；寬帶

0引言

微帶天線由于體積小、重量輕、低輪廓、易與載體表面共形、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、易與有源器件和電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的重視。微帶天線的缺點(diǎn)在于工作頻帶窄。諧振型微帶天線主要工作在頻率諧振點(diǎn)附近,當(dāng)工作頻率偏離諧振點(diǎn)時(shí)微帶天線工作頻帶內(nèi)阻抗匹配遭到破壞。

增加微帶天線帶寬的一般方法有:降低Q值,減小介質(zhì)材料介電常數(shù)以及增加介質(zhì)層厚度；采用多層貼片結(jié)構(gòu),不同層貼片分別控制不同的諧振頻率,當(dāng)頻率靠近時(shí)可增加帶寬；加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；采用不同貼片型式,如三角形、梯形、U型和E型等等。

本文主要將微帶天線與偶極子天線形式結(jié)合,擴(kuò)展天線單元帶寬至80%,有很好的應(yīng)用前景。

1微帶天線設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)微帶天線首先要確定其尺寸大小。假設(shè)天線工作頻率為f,光速為c,使用的介質(zhì)基片的高度為h,介電常數(shù)為εr,則微帶天線的輻射貼片的寬度W:

微帶天線的輻射貼片的長(zhǎng)度L:

其中,εe為有效介電常數(shù),△L為等效輻射縫隙長(zhǎng)度。

矩形微帶天線輸入阻抗的近似公式:

2微帶偶極子天線單元設(shè)計(jì)

天線采用微帶天線和偶極子天線結(jié)合的方式。將微帶天線低剖面的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合偶極子天線帶寬寬的特點(diǎn),首先設(shè)計(jì)了天線原型,見(jiàn)圖1。

圖1　天線原型

天線電壓駐波比僅有12.5%的帶寬,且增益較低,阻抗不匹配和諧振頻率單一導(dǎo)致天線性能較差。

圖2　天線原型電壓駐波比帶寬

針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化仿真,改變下層貼片型式進(jìn)行阻抗匹配。上表面增加E型結(jié)構(gòu)和對(duì)稱縫隙增加諧振頻率擴(kuò)展帶寬。根據(jù)固定要求和增加反射提高增益的需求,仿真中加入金屬地板。

優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3為天線俯視圖,圖4為天線側(cè)視圖。采用介電常數(shù)為3、厚度為1.85 mm的基板。天線基本結(jié)構(gòu)為偶極子單元。為擴(kuò)展帶寬,對(duì)稱地增加兩條縫隙和E型槽,金屬地板起支撐和提高增益的作用。饋電方式采用同軸線饋電。天線結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖3　天線俯視圖

圖4　天線側(cè)視圖

表1　天線尺寸參數(shù)表

3仿真結(jié)果分析

圖5為仿真得到的電壓駐波比曲線。電壓駐波比小于2、相對(duì)帶寬達(dá)到80%,與天線優(yōu)化前相比電壓駐波比帶寬顯著增加。圖6為微帶偶極子天線的輻射效率與增益。從圖中可知整個(gè)頻帶內(nèi)的輻射效率均大于93%,整個(gè)頻帶的增益均大于5.5 dB,且低頻端增益相對(duì)較差。

圖5　天線電壓駐波比帶寬

圖6　天線單元輻射效率與增益

圖7為天線單元E面和H面方向圖。從E面方向圖來(lái)看,3 dB波瓣寬度從67°逐漸減小至43°,副瓣電平從-6.8 dB變化到-9.6 dB,在中頻處副瓣最低。由于E型結(jié)構(gòu)本身不對(duì)稱,導(dǎo)致天線E面方向圖稍微偏離了主要輻射方向。

圖7　天線E面和H面方向圖對(duì)比

從H面方向圖看,3 dB波瓣寬度在124°左右,副瓣電平從-6.7 dB變化至-9.6 dB。

方向圖的變化可從圖8中的3D圖中直觀看到。圖中選取的是中頻和高頻兩個(gè)頻點(diǎn)的圖像。

圖9為中頻下天線磁能密度分布圖。從圖中可以看到,由于貼片E型結(jié)構(gòu)和兩條縫隙結(jié)構(gòu)的存在,產(chǎn)生了多個(gè)諧振頻率點(diǎn),從而擴(kuò)展天線單元的帶寬。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微帶天線頻帶窄的缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一個(gè)C波段微帶偶極子天線,結(jié)合微帶天線與偶極子天線的基本形式,在貼片上使用E型結(jié)構(gòu)和對(duì)稱縫隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)展帶寬,天線的相對(duì)電壓駐波比帶寬達(dá)到80%,頻帶內(nèi)輻射效率大于92%。天線單元可用于共形天線陣列的設(shè)計(jì)。

圖8　天線中高頻3D方向圖對(duì)比

圖9　天線磁能密度分布圖

參考文獻(xiàn):

[1]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.4: 152-159.

[2]Mak C L,Wong H，Luk K M.High-gain and wide-band single-layer patch antenna for wireless communications [J].IEEE Trans.on Vehicular Technology, 2005,54(1).

[3]安文星.新型寬帶電磁偶極子微帶天線的研究[D].云南大學(xué)博士論文,2012.

[4]張仁軒.一種新型寬帶電磁偶極子天線[D].北京郵電大學(xué),2014.

Design of a wideband patch dipole antenna

WANG Kang, FANG Xin, WAN Xiao-gang

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088)

Abstract:A low-profile wideband patch microstrip dipole antenna element is designed combining the advantages of the microstrip antenna and the dipole antenna. The antenna bandwidth is extended via simulation and optimization. The VSWR is less than 2, and the relative bandwidth reaches 80% at C band. At the same time, the antenna gain is more than 5.5 dB, and the radiation efficiency is more than 92% within the frequency band. This antenna element can be used for the design of the conformal antenna array, which has favorable application prospects.

Keywords:microstrip antenna; dipole antenna; wideband

收稿日期:2016-03-12；修回日期:2016-04-02

作者簡(jiǎn)介:王慷(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線及天線測(cè)試；方鑫(1989-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線及天線測(cè)試；萬(wàn)小剛(1966-),男,高級(jí)工程師,研究方向:天線及天線測(cè)試。

中圖分類號(hào):TN821.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2016)02-0043-03