介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)

倪國(guó)旗，韓非凡，張昱凱

(1. 桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,　廣西 桂林 541004)(2. 空軍空降兵學(xué)院 二系，　廣西 桂林 541003)

?

介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)

倪國(guó)旗1，2，韓非凡1，張昱凱1

(1. 桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004)(2. 空軍空降兵學(xué)院 二系，廣西 桂林 541003)

介質(zhì)埋藏天線可避免傳統(tǒng)覆蓋天線裸露在空氣中受到氧化腐蝕等問題，同時(shí)增強(qiáng)了天線的隱蔽性、減小了天線的尺寸,擴(kuò)展了天線的帶寬、天線波束變窄，有助于提高天線的增益。使用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對(duì)該天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，并制作了實(shí)物天線，進(jìn)行了測(cè)試。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該天線S11≤ -10dB的相對(duì)帶寬達(dá)到92.3%，具有超寬帶特性。在工作頻率處，增益可達(dá)到10.2dB并且具有較好的定向輻射特性，可以滿足工程項(xiàng)目的需要，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

介質(zhì)埋藏；平面對(duì)數(shù)周期天線；超寬帶

0　引　言

隨著無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展和個(gè)人通信需求的不斷擴(kuò)大，使得頻譜變得十分擁擠，超寬帶技術(shù)(超寬帶是指相對(duì)帶寬大于20%或者絕對(duì)帶寬大于500MHz的系統(tǒng)工作帶寬[1]很好地解決了這個(gè)問題。單極子天線是超寬帶天線之中結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的一種天線，可是它的輻射方向圖隨著頻率變化而迅速發(fā)生變化。Vivaldi天線可以在整個(gè)工作頻帶內(nèi)維持方向圖的穩(wěn)定，可是天線的尺寸相對(duì)較大[2]。平面對(duì)數(shù)周期天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低剖面、重量輕的非頻變超寬帶天線，并且在一定的工作頻段內(nèi)可以保持方向圖的穩(wěn)定。這就使得它在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等方面有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。但是在很多實(shí)際情況應(yīng)用中，天線的金屬部分不可避免地裸露在空氣中，很容易受到空氣的氧

化腐蝕，特別是在惡劣的環(huán)境中對(duì)天線的損傷會(huì)更大，從而使天線性能發(fā)生改變?；谝陨显?，本文將天線的金屬部分埋藏在介質(zhì)中，形成一種新型的天線形式—介質(zhì)埋藏天線[7]。

1　介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)

1.1對(duì)數(shù)周期天線的原理

對(duì)數(shù)周期天線作為一種非頻變寬帶天線，依靠諧振振子的自相似性， 理論上只要天線的尺寸足夠大，就可以獲得任意寬度的頻帶。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中

圖1　對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)圖

1.2平面對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文天線是由12組平行對(duì)稱的振子構(gòu)成的，分別印刷在介電常數(shù)為εr=4.5、厚度為h=0.762mm、損耗角正切為0.003 5的ArlonAD450介質(zhì)板上表面和下表面，每個(gè)表面都有12根振子，這些振子單元是由兩根對(duì)稱的傳輸線來饋電，相鄰振子間交叉耦合饋電，起到了從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換作用。厚度為h=0.762mm的介質(zhì)板把兩條傳輸線的導(dǎo)體隔開。通過轉(zhuǎn)接相鄰單元引入180°外部相移。天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定天線的幾個(gè)重要參數(shù)。對(duì)數(shù)周期天線的比例因子τ、間隔因子σ、頂角2a的大小，它們很大程度上影響天線的性能。對(duì)稱振子的尺寸是按照比例因子τ等比例遞減的。這就意味著，只要天線的尺寸和比例因子確定了，天線的結(jié)構(gòu)也就確定了。為了保證天線寬頻帶工作，理論上τ最好要趨向于1，可是經(jīng)過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的其他參數(shù)，τ不是特別靠近1，天線還是可以保持寬頻帶工作。通過天線的方向性系數(shù)與τ的關(guān)系，τ一般取0.8～0.95。而間隔因子σ取的太大，不利于天線的小型化設(shè)計(jì)。要是取的太小，天線的阻抗匹配性能變差。因此，σ的取值一般為0.1～0.3。頂角的大小可以通過相關(guān)公式計(jì)算出來，天線的結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示，圖中深色部分為介質(zhì)板的上表面金屬，淺色部分為介質(zhì)板下表面金屬。

圖2　HFSS天線的模型圖

1.3埋藏介質(zhì)的選擇

使用與天線基板材料相同的介質(zhì)把以上結(jié)構(gòu)的天線上下表面埋藏起來，即構(gòu)成介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線。

各層之間采用膠合劑粘接，也就是用黏合劑把埋藏的介質(zhì)和天線粘成一個(gè)整體。因此，埋藏介質(zhì)的介電常數(shù)最好和黏合劑的介電常數(shù)保持一致或者相似。否則就可能會(huì)影響天線的性能。本文使用市面上比較常見的，價(jià)格適中的環(huán)氧樹脂AB膠作為埋藏介質(zhì)的黏合劑。天線埋藏在介質(zhì)中，總的損耗包括輻射損耗、導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和表面波損耗。由于埋藏天線介質(zhì)的厚度會(huì)大于普通天線的厚度，影響了天線的輻射效率，降低了天線的增益。要是使用損耗角比較大的介質(zhì)，很大程度上對(duì)天線的增益造成極大的影響。所以，一般選用損耗角正切比較小的介質(zhì)。除此之外，介質(zhì)材料的均勻性、各向異性、溫度系數(shù)、濕度和老化的穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)天線的性能造成一定的影響。綜合以上方面的考慮，選用介電常數(shù)為4.5，損耗角正切為0.003 5的ArlonAD450介質(zhì)作為埋藏介質(zhì)。

1.4介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線各參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化

本文要設(shè)計(jì)的天線工作頻率是f0=4.5GHz、工作頻段是2.63GHz～6.81GHz，介質(zhì)基板采用的是h=0.762mm的ArlonAD450的雙面覆銅板，其相對(duì)介電常數(shù)是4.5。

1.4.1天線振子個(gè)數(shù)的計(jì)算

通過文獻(xiàn)[8]查找天線的方向性系數(shù)與對(duì)數(shù)周期天線的比例因子τ和對(duì)數(shù)周期天線間隔因子σ的關(guān)系，初步得到τ=0.88，σ=0.19，根據(jù)式(1)、式(2)可以計(jì)算工作頻帶高端的截止常數(shù)k1和工作頻帶低端的截止常數(shù)k2。

k1=1.01-0.591τ

(1)

k2=7.08τ3-2.13τ2+21.98τ-7.30+

σ(21.82-66τ+62.12τ2-17.29τ3)

(2)

根據(jù)k1,k2的計(jì)算結(jié)果代入下式中可求出天線振子的個(gè)數(shù)N。

(3)

最終計(jì)算結(jié)果得N≈12[9]。

1.4.2天線振子的長(zhǎng)度和寬度計(jì)算

本文采用的介質(zhì)板是ArlonAD450，其介電常數(shù)εr為4.5，厚度h為0.762mm，集合線的寬度w為1.59mm，由文獻(xiàn)[10]可知，其有效的介電常數(shù)為

(4)

則在有效介電常數(shù)下對(duì)應(yīng)的最大工作波長(zhǎng)為

(5)

式中：c為真空中的光速；fmin為天線工作的最低頻率。

(6)

式中：Ln為第n根振子所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度；n為振子對(duì)應(yīng)的系列號(hào)；wn為振子系列號(hào)所對(duì)應(yīng)的寬度；d為相鄰兩根振子的距離。根據(jù)上述各振子長(zhǎng)度以及相鄰兩根振子之間的距離，計(jì)算結(jié)果代入式(6)、式(7)可以計(jì)算出各振子的寬度[11]

(7)

根據(jù)上述提到的τ和σ值代入下式，可以計(jì)算出頂角的大小

(8)

最后，結(jié)合HFSS的參數(shù)掃描分析和優(yōu)化分析功能，設(shè)定天線的相關(guān)參數(shù)為比例因子τ=0.887，間隔因子σ=0.231 9，頂角的大小2a=13.89°。天線各振子的長(zhǎng)度和寬度如表1所示。

表1各振子的長(zhǎng)度和寬度mm

振子的序號(hào)長(zhǎng)度寬度15.880.91326.641.01537.461.10448.421.21359.501.312610.701.416712.081.513815.341.913919.502.0131021.982.1131124.782.2141227.952.313

2　天線的性能分析

2.1仿真實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述計(jì)算優(yōu)化的參數(shù)，利用電磁仿真軟件HFSS，進(jìn)行建模仿真，分別仿真優(yōu)化了平面對(duì)數(shù)周期天線和介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線，其S11曲線如圖3所示。

圖3　介質(zhì)埋藏對(duì)數(shù)周期天線的S11曲線圖

由圖3可見，在f0=4.5GHz時(shí)，S11=30.3dB，S11≤ -10dB的帶寬為2.63GHz～6.81GHz，絕對(duì)帶寬為4.18GHz,相對(duì)帶寬為92.3%，所設(shè)計(jì)的天線具有超寬帶特性。

天線的3D方向圖、E面方向圖和H面方向圖、輸入阻抗曲線圖，駐波比曲線圖分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4　不同頻率下的3D方向圖對(duì)比

圖6　介質(zhì)埋藏對(duì)數(shù)周期天線的輸入阻抗曲線圖

圖7　介質(zhì)埋藏對(duì)數(shù)周期天線的駐波比曲線圖

由圖4可見，介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線在2.63GHz處的增益為10.49dB，在4.5GHz處的增益為11.5dB，在6.5GHz處的增益為12.1dB。在頻段內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定并且天線的增益相對(duì)較高，這里因?yàn)橐肓私橘|(zhì)。介質(zhì)起到壓制波束的作用，降低了半功率波瓣角。雖然引人了介質(zhì)也帶來了一定的損耗，但是，本文是采用損耗角正切值比較小的材料來設(shè)計(jì)，從而有利于提高天線的增益。由圖5可見，介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線在2.63GHz處E面半功率波束寬度為55°(見圖5a)A1和B1兩點(diǎn)的角度差)，H面的半功率波束寬度為71°(見圖5a)C1和D1兩點(diǎn)的角度差)，在4.5GHz處E面半功率波束寬度為50°(見圖5b)A和B兩點(diǎn)的角度差)、H面的半功率波束寬度為66°(見圖5b)C和D兩點(diǎn)的角度差)，在6.5GHz處E面半功率波束寬度為47°(見圖5c)A2和B2兩點(diǎn)的角度差)、H面的半功率波束寬度為66°(見圖5c)C2和D2兩點(diǎn)的角度差)。波束寬度有所減小，這是由于引入了介質(zhì)，壓制了波束，使得天線的方向性變好。由電磁場(chǎng)理論可知，從光密向光疏媒質(zhì)傳播的電磁波，在兩種媒質(zhì)交界面的入射角大于臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射。本文采用的介質(zhì)介電常數(shù)εr=4.5大于ε0是光密媒質(zhì)，只要滿足入射角大于鄰界角的電磁波都被反射回去。由圖6可見，在中心頻率f=4.5GHz處，介質(zhì)埋藏天線的輸入阻抗在該頻點(diǎn)的實(shí)部為47.60Ω、虛部為1.75，輸入阻抗接近50Ω，說明介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線和饋線匹配得很好。由圖7可見，在中心頻率處，介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線的駐波比為1.06，所設(shè)計(jì)介質(zhì)埋藏天線的駐波性能較好，可以滿足系統(tǒng)的需要。

2.2天線實(shí)物制作與性能測(cè)試

2.2.1天線實(shí)物制作

綜合考慮了天線的設(shè)計(jì)成本和天線的性能，利用了上述仿真優(yōu)化和對(duì)比得到的天線參數(shù)，制做了實(shí)物，如圖8所示。天線包括正反兩個(gè)面，是印刷在介電常數(shù)為4.5，厚度為0.762mm的ArlonAD450 雙面敷銅板上，天線使用微帶線饋電，通過轉(zhuǎn)接相鄰單元引入180°外部相移，相鄰振子間交叉耦合，起到了從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換作用。 在上述基礎(chǔ)上使用環(huán)氧樹脂AB膠把介質(zhì)和天線的金屬部分粘成一個(gè)整體，為了方便粘接，不留過多的縫隙，以至對(duì)天線的性能造成影響，這里特意裁剪了一個(gè)SMA接頭的位置，以方便埋藏介質(zhì)和天線的金屬部分很好地粘接。

圖8　平面對(duì)數(shù)周期天線和介質(zhì)埋藏對(duì)數(shù)周期天線的實(shí)物圖

2.2.2性能測(cè)試與分析

使用了AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線實(shí)物的阻抗帶寬進(jìn)行了調(diào)試測(cè)量,測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9　實(shí)測(cè)介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線的S11曲線圖

在微波暗室使用NSI2000近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量。把天線主波束方向?qū)?zhǔn)發(fā)射喇叭天線的饋源，為了固定待測(cè)天線，這里使用在一個(gè)泡沫開縫的方法，把天線夾在縫中，然后用透明膠把泡沫牢牢地圈在轉(zhuǎn)軸上。

由于測(cè)試條件的客觀性，微波暗室空間有限，轉(zhuǎn)臺(tái)太大，不能轉(zhuǎn)到-180°～180°所以只能測(cè)試到±90°的范圍，但是由于所設(shè)計(jì)天線是定向輻射的，天線主要朝主波束方向輻射,而主波速方向是可以被測(cè)量到的。天線3D方向圖，歸一化的E面方向圖和H面方向圖分別如圖10和圖11所示。

圖10　不同頻率下實(shí)測(cè)的3D方向圖對(duì)比

圖11　不同頻率下仿真和實(shí)測(cè)歸一化的E面和H面方向圖對(duì)比

由圖10可見，實(shí)測(cè)3D方向圖沒有出現(xiàn)裂瓣，天線的定向輻射能力較好。從圖 11方向圖的測(cè)試和仿真結(jié)果比較可看出，實(shí)測(cè)的E面方向圖半功率波束寬度和仿真的吻合較好，實(shí)測(cè)的H面半功率波束寬度要比仿真的要窄。此外，通過比較法測(cè)試了天線的增益，在2.63GHz處增益為 9.7dB，實(shí)測(cè)值比仿真值低0.79dB，在4.5GHz處的增益為10.2dB，實(shí)測(cè)值比仿真值低1.3dB，在6.5GHz處增益為10.9dB,實(shí)測(cè)值比仿真值低1.2dB。這可能和固定天線的金屬架影響以及測(cè)量過程中不可避免引入的測(cè)量誤差有關(guān)。由文獻(xiàn)[12]可知：近場(chǎng)測(cè)量的理論依據(jù)是在無(wú)窮大掃描的平面上獲取采取數(shù)據(jù)，然后，再利用快速傅里葉變換成遠(yuǎn)場(chǎng)在近場(chǎng)天線測(cè)量?？墒窃趯?shí)際的測(cè)量中，掃描面不可能滿足無(wú)窮大，近場(chǎng)天線測(cè)量存在掃描面位置和掃描截面的誤差，加上微波暗室的測(cè)試環(huán)境也不可能是理想的。此外，在高頻下，本測(cè)試所用固定天線的金屬架子會(huì)感應(yīng)出電流，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)天線的輻射電磁場(chǎng)造成了一定的干擾，從而干擾到天線的方向圖和影響天線的增益，見表2。

表2　實(shí)測(cè)和仿真性能參數(shù)比較

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過采用介質(zhì)埋藏方式，設(shè)計(jì)了一種新型的介質(zhì)埋藏平面對(duì)數(shù)周期天線。通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物測(cè)試，可以看出:所設(shè)計(jì)的天線具有寬頻帶特性，而且增益較高、駐波比較低，在工作頻帶內(nèi)具有較好的定向輻射特性，天線的性能較好。這也為其他特型天線的埋藏設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)。通過比較埋藏介質(zhì)和沒有埋藏介質(zhì)的兩種類型的天線，可以知道介質(zhì)埋藏天線的隱蔽性好，集成度高，性能不容易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，可見，該天線具有良好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

[1]XIAOZ,GEN,PEIY,etal.SC-UWB:alow-complexityUWBtechnologyforportabledevices[C]//IEEEInternationalConferenceonSignalProcessing,CommunicationsandComputing. [S.l.]:IEEEPress, 2011: 1-6.

[2]ABDO-SANCHEZE,ESTEBANJ,MARTIN-GUERREROTM,etal.Anovelplanarlog-periodicarraybasedonthewidebandcomplementarystrip-slotelement[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2014, 62(11): 5572-5580.

[3]SOLSDM,TABOADAJM,ARAúJOG,etal.Designofopticalwide-bandlog-periodicnanoantennasusingsurfaceintegralequationtechniques[J].OpticsCommunications, 2013(8): 61-66.

[4]SAMMETAR,FILIPOVICDS.Reducedsizeplanardual-polarizedlog-periodicantennaforbidirectionalhighpowertransmitandreceiveapplications[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2014, 62(11): 5453-5461.

[5]SAMMETAR,FILIPOVICDS.Quasifrequency-independentincreasedbandwidthplanarlog-periodicantenna[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2014, 62(62): 1937-1944.

[6]PAVLOVRS,CURTOAG,HULSTNFV.Log-periodicopticalantennaswithbroadbanddirectivity[J].OpticsCommunications, 2012, 285(16): 3334-3340.

[7]倪國(guó)旗. 介質(zhì)埋藏微帶天線[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

NIGuoqi.Dielectricembeddedmicrostripantenna[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress, 2012.

[8]KRAUSJD,MARHEFKARJ. 天線[M]. 3版. 章文勛，譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

KRAUSJD,MARHEFKARJ.Antennas[M]. 3rded.Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry, 2011.

[9]劉英, 王偉, 陳玉東, 等. 采用新型背腔的對(duì)數(shù)周期縫隙天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(2): 232-236.

LIUYing,WANGWei,CHENYudong,etal.Log-periodicslotantennawithnovelcavity[J].ChineseJournalofRadioScience, 2014, 29(2): 232-236.

[10]張文濤, 楊暉, 稂華清. 一種長(zhǎng)陣子邊饋電的微帶對(duì)數(shù)周期偶極天線的設(shè)計(jì)[J]. 航空兵器, 2014(1): 30-32.

ZHANGWentao,YANGHui,LANGHuaqing.Agradientline-fedmicrostriplog-periodicdipoleantenna[J].AeroWeaponry, 2014(1): 30-32.

[11]殷興輝, 趙秋穎. 對(duì)數(shù)周期天線特征參數(shù)對(duì)電性能的影響分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 28(5): 957-961.

YINXinghui,ZHAOQiuying.Influenceofcharacteristicparametersonperformanceoflog-periodicdipoleantenna[J].ChineseJournalofRadioScience, 2013, 28(5): 957-961.

[12]李勇, 歐杰, 徐平. 平面近場(chǎng)天線測(cè)量誤差分析[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2010, 24(11): 987-992.

LIYong,OuJie,XUPing.Errorsanalysisofplanarnear-fieldantennameasurement[J].JournalofElectronicMeasurementandInstrument, 2010, 24(11): 987-992.

倪國(guó)旗男，1964年生，博士，教授。研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)與天線、微波器件與材料。

韓非凡男，1988年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘炀€技術(shù)。

張昱凱男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槲炀€。

DesignofaDielectricEmbeddedPlanarLogPeriodicAntenna

NIGuoqi1,2，HANFeifan1,ZHANGYukai1

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China) (2.The2ndDepartment,AirForceAirborneAcademy,Guilin541003,China)

Adielectricembeddedantennaisabletoavoidtheproblemoftraditionaldielectriccoveringantenna,causedbyexposingintheairandtheconcealmentoftheantennaisenhancedaswellasthebandwidthoftheantennacanbewidenedandthesizeoftheantennaisreduced.ThedesignedantennaissimulatedandoptimizedbyEMsimulationsoftwareAnsoftHFSS,anditsphysicalobjectisfabricated,aswellasmeasuredbyinstrumentsimulationandexperimentalresultsshowthattherelativebandwidthofthereturnlossofbetterthan10dBhasreached92.3%,whichhastheultrawidebandcharacteristics.Attheworkingfrequency,themaximumgaincanberunupto10.2dBandhavegooddirectionalradiationcharacteristics,whichcanmeettheneedofaprojectandisvaluabletobeappliedinEngineering.

dielectricembedded；planarlogperiodicantenna；ultrawideband

韓非凡Email：769096508@qq.com

2016-01-18

2016-03-20

TN82

A

1004-7859(2016)06-0054-05

·天饋伺系統(tǒng)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.013