一種新型寬帶印刷偶極子天線

符 友, 高 帆

(1.中電科技揚州寶軍電子有限公司，江蘇 揚州 225003； 2.中國航天科工集團第九總體設(shè)計部，湖北 武漢 430040)

工作頻率在一個倍頻程以上的天線常見的有對數(shù)周期天線[1]、阿基米德螺旋天線[2]、寬帶喇叭天線[3]和Vivaldi天線[4-6]等形式。這些天線形式主要采用了非頻變結(jié)構(gòu)，即相應(yīng)工作頻率的電磁波在天線中輻射的位置隨著工作頻率變化而移動，因此，天線的輻射特性不因工作頻率的改變而改變，可以在很寬的工作頻帶內(nèi)使天線的方向圖、增益、電壓駐波比和極化的特性保持穩(wěn)定。但是，非頻變的結(jié)構(gòu)形式不可避免地帶來了天線尺寸變大的缺點，在一些小型化、緊湊結(jié)構(gòu)尺寸的約束下，不能得到有效地應(yīng)用。

寬帶印刷偶極子天線具有設(shè)計成熟，結(jié)構(gòu)形式簡單和調(diào)試方便等優(yōu)點，使其得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)設(shè)計的印刷偶極子天線電壓駐波比小于2的工作帶寬只能達到25%～30%，因此，為了擴展工作帶寬，一般有寬帶自相移交叉偶極子[7-9]、蝴蝶結(jié)形式偶極子[10]、寬帶巴倫饋電[11]、帶狀線饋電雙面偶極子[12]和電磁偶極子[13-14]天線等形式。自相移交叉、蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)和帶狀線耦合饋電雙面偶極子帶擴展的相對帶寬一般在50%左右，可以有效地提升天線的工作帶寬，但想要達到一個倍頻程仍然有一定的難度。采用電磁偶極子可以將相對帶寬提高到100%以上，但是需要較大的平面尺寸，破壞了印刷偶極子兩維的結(jié)構(gòu)形式。

為了符合工作頻率覆蓋2～4 GHz的寬帶工作頻段的要求，設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸限制下的一種新型寬帶印刷偶極子天線，嘗試在印刷偶極子天線基礎(chǔ)上，對偶極子結(jié)構(gòu)擬采用蝴蝶結(jié)輻射臂形狀，同時，借鑒寬帶漸變槽Vaildi天線中寬帶匹配槽線饋電形式拓展工作頻率。

1 天線設(shè)計

印刷偶極子蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)的作用是將雙錐天線的三維結(jié)構(gòu)變成二維的平板化形式，如圖1所示。工作特性是其電流沿著偶極子兩臂方向分布，當(dāng)兩臂采用平面扇形圖案形式時，從中心耦合槽線饋電處來看，扇形結(jié)構(gòu)帶來了不同工作頻率下相同的電流分布路徑和輻射特性，具有寬帶特性。當(dāng)扇形張角θ=90°時，其對于所有頻率上的阻抗理論上保持不變。天線的兩臂長度L限定了工作的最低頻率，并且沒有截止工作最高頻率，考慮一般的印刷偶極子天線采用的饋電形式大都為常規(guī)的λ/4阻抗變換平衡器對耦合槽線進行平衡耦合饋電，如圖1中虛線所示。

圖1 蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)印刷偶極子圖

這種饋電形式本身有限的工作帶寬限制了整個天線的工作帶寬，使蝴蝶結(jié)輻射臂結(jié)構(gòu)沒有截止高頻頻率的特性未能有效體現(xiàn)。為此，借鑒Vivaldi天線中采用的阻抗匹配圓形槽線諧振腔和扇形匹配微帶線的饋電方法[15]，其饋電形式圖如圖2所示。將原先的λ/4波長阻抗變換平衡饋電變?yōu)樯刃挝Ф探泳€結(jié)構(gòu)，原先的常規(guī)槽線變?yōu)殚_路端使用圓形槽線諧振腔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)匹配寬頻阻抗，這樣就規(guī)避了常規(guī)的λ/4波長阻抗變換線和槽線對頻率的依賴性，有效地拓展天線的工作帶寬。

根據(jù)上述的方法，結(jié)合蝴蝶結(jié)輻射臂形狀和寬帶匹配槽線饋電形式的特點，設(shè)計一種印刷偶極子天線，天線采用微波介質(zhì)基板制作，正面為蝴蝶結(jié)偶極子結(jié)構(gòu)和圓形槽線諧振腔，反面為扇形匹配微帶線，同時，將兩個這種形式的天線組成一個單元，用一個T型結(jié)功分饋電，并建立天線仿真模型仿，印刷偶極子和天線仿真模型示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖2 Vivaldi天線中饋電形式圖

圖3 印刷偶極子圖

圖4 天線仿真模型

2 仿真及測試

在天線仿真模型中，天線單元采用單層厚度為1.0 mm，介電常數(shù)選取為2.6的介質(zhì)基板制作，反射面設(shè)置為金屬面。

天線尺寸主要調(diào)節(jié)蝴蝶結(jié)張角θ、反射面的高度H、微帶線寬度W、微帶漸變線長度L1、耦合微帶線寬度W1、耦合槽線寬度Hc及其長度Lc、圓形槽線諧振腔半徑R、扇形微帶線長度Ls和張角θS等,使用電磁場全波仿真軟件進行了建模和仿真，其中θ、L1、R、Ls、θS等參數(shù)對天線的電壓駐波比指標(biāo)影響較大；高度參數(shù)H對天線高頻處的增益影響較大。調(diào)整參數(shù)使天線在確定的參數(shù)下天線工作頻率能夠達到寬帶的要求，同時，使天線輻射特性在帶內(nèi)保持平穩(wěn)，即可得到最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 天線仿真優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)

天線的電壓駐波比和增益仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 天線電壓駐波比仿真結(jié)果

圖6 天線增益仿真結(jié)果

根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值制做了天線實物，其天線實物正反面如圖7所示。

圖7 天線實物圖

對天線實物進行了調(diào)試。使用是德科技公司出品的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5080A，測試了天線的電壓駐波比和增益測試,其具體結(jié)果分別如圖8和表2所示。

從圖8和表2可看出，在2～4 GHz帶寬內(nèi)，天線的電壓駐波比小于1.8(見表2)，在帶內(nèi)大于6.8 dB。

圖8 天線電壓駐波比實測結(jié)果

表2 天線實測增益

通過對比圖5和圖8的結(jié)果可知，在2～4 GHz帶寬內(nèi)，天線的電壓駐波比測試結(jié)果與仿真結(jié)果及其變化趨勢基本吻合。需要說明的是,天線介質(zhì)基板的正切損耗比理想值高，從而導(dǎo)致高頻時板材損耗較大,因此，在3.5～4 GHz處實測值比仿真值較低。

通過表2和圖6的對比可知，天線增益的實測與仿真結(jié)果也基本吻合。高頻時天線介質(zhì)基板損耗較大，同時，測試時天線安裝的底座與實際仿真時天線的底面不同，因此，在高頻處增益比仿真結(jié)果下降了0.5 dB。測試結(jié)果說明了該設(shè)計方法、設(shè)計過程和測試過程正確有效。

3 結(jié)語

設(shè)計了一種寬帶印刷偶極子天線，該天線采用蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合寬帶匹配圓形槽和扇形微帶線饋電，仿真結(jié)果和實測結(jié)果證明了該方法結(jié)構(gòu)尺寸限制下拓展天線的工作帶寬可行性。所設(shè)計的天線制作工藝簡單，易于結(jié)構(gòu)裝配。在保持了印刷天線兩維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其工作帶寬達到了在一個倍頻程內(nèi)(2～4 GHz)電壓駐波比小于1.8，有效相對帶寬達到了70%以上，天線的測試指標(biāo)滿足設(shè)計和使用的要求。