一种新型UHF频段印刷天线设计

张书俊，张丽艳，陈 斌

(1.杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018;2.菲力克斯电子有限公司研发技术部，浙江宁波315400)

0 引言

随着无线通信系统的迅速发展，通信设备体积的不断减小，通信频带不断向宽频带高频段发展，天线的宽带化和小型化成为天线研究者比较迫切的任务。对数周期振子天线属于非频变天线，它具有宽频特性，且结构简单，重量轻，造价低，带宽可达10∶1而受到设计者青睐［1，2］。众所周知，天线的尺寸减小时，天线的效率降低，还会牺牲带宽，这就要求在天线的尺寸和性能之间寻求一种折中。实现天线的小型化有很多种方法，比如增加介质的介电常数，也可通过负载匹配设法使天线产生自谐振，即把器件加载到天线的结构之中，比如有源器件加载和无源器件加载，分布和集中加载，电感、电阻、电容性加载。这些加载技术都可以改善天线的性能［3］。文献4对振子采用T型电容性加载成功缩短了天线尺寸，且电指标没有受到很大的影响。近年来，随着计算机数据处理能力的不断提高，天线数值计算技术和优化算法的发展，大大缩短了天线开发的周期，节约了成本。本文将采用IE3D电磁仿真软件结合以上部分天线加载技术实现天线的宽带化、小型化目标。设计的折角形印刷天线充分满足了小型化的要求，相对带宽约为58.6%，无须匹配网络，可直接与50Ω的同轴线相连，从而节省了因为匹配而增加的成本。

1 折角形印刷天线的设计

为了拓宽天线的频宽，选择对数周期天线结构模型，不需要额外的匹配就能实现宽频特性，并通过光刻工艺把对数周期天线交叉馈电的振子印刷在同一块微带基板的两面［5］，馈电点在天线的短振子端，天线的结构如图1所示，每个单元振子的顶部折角形加载是建立在对数周期天线结构的基础上的，因此，首先需对对数周期天线进行结构的设计。常规对数周期天线的3个核心参数为比例因子 ，间隔因子σ和夹角α，只要确定其中两个参数就能求解第3个参数。

图1 天线的结构图

天线选取比例因子 =0.88，间隔因子σ=0.16来建立对数周期天线的初始结构，单元振子的长度为四分之一的波长，相邻振子的长度和振子之间距离都满足比例关系，然后，确定对数周期天线结构的前提下对振子进行顶部加载，本文使用电容性终端加载技术，在天线性能仍能满足要求的情况下，达到缩短天线尺寸的目的。折角形加载的尺寸是借助IE3D仿真软件进行仿真、优化并最终确定尺寸。天线最终尺寸为 292mm ×247mm ×1.6mm，选用板材是 FR-4，介电常数为 4.6，厚度为 1.6mm，tanσ =0.02，采用同轴线馈电的方式进行电信号传送，常用同轴线特征阻抗大小为50Ω，而集合线的特征阻抗几乎决定了天线输入阻抗的大小，且电容加载会使输入阻抗降低，因此集合线的特征阻抗要稍大于50Ω，经过优化，天线的集合线宽度为2.1mm。

2 天线加工和数据测试

通过IE3D 12.0软件对天线尺寸的仿真和优化，确定了天线的最终尺寸，并对所得到的天线模型进行加工和实验测试，天线的加工实物如图2所示，

图2 为天线实物图

借助矢量网络分析仪R/S 300kHz－4GHz测试天线的驻波比，电压驻波比的仿真数据和实验测试数据如图3所示。

由图3可看出，在微波暗室环境下测量的驻波特性与软件仿真计算结果基本吻合，实测值与仿真值两者之间会存在一定的偏差，主要是射频同轴连接器接头的焊接精度、天线尺寸的加工误差、介质板的介电常数及测量环境不稳定等等客观因素造成，在工作波段内实测驻波比小于1.8，很好的满足所需参数指标。天线的辐射方向图如图4-7所示，测试仪器包括R/S 10MHz－20GHz、三维转台及转盘控制设备。通过测试与理论仿真数据的对比，两者吻合比较好，存在一定偏差，主要是在外场测试环境下得到的测试结果，一些物体的反射会干扰测试的结果，所以测试数据不能与仿真结果非常吻合。

天线增益仿真数据如图8所示，在整个工作频带内有稳定的的增益达7dBi，说明天线实现了较高的增益。因实验室测试环境有限(没有此频段的标准天线)，无法给出具体的测试数据。

图3 天线驻波比仿真与实测曲线图

图4 频率为470MHz的E面方向图

图5 频率为550MHz的E面方向图

图6 频率为765MHz的E面方向图

图7 频率为862MHz的E面方向图

图8 天线的增益仿真曲线

3 结束语

本文设计并制作了一款UHF频段小型化折角形印刷天线，天线在工作频段470－862MHz内的电压驻波比测试数据小于1.8，仿真增益达7dBi，并且天线有很好的端射方向性。实验测试表明天线具有小型化，和宽带特性。同时还具有较高的增益。天线比较适合在广播电视中应用。

［1］康行健.天线原理与设计［M］.北京:北京理工大学出版社，1995:229－238.

［2］Vito G D，Stracca G B.Comments on the design og log-periodic dipole antenna［J］.IEEE Trans on Antenna and Propagation，1973.21(5):303 －308.

［3］Kuo S C.Size-reduced log-periodic dipole array［C］.Hithcock:IEEE Group on Antennas and Propagation，1970:51－158.

［4］张福顺，王君，焦永昌.双对数周期偶极天线扇形阵的研究［J］.电波科学学报，2007，22(1):104－107.

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