介质埋藏平面蝶形天线的设计*

2017-01-03倪国旗韩非凡张昱凯

电讯技术 2016年12期

关键词：蝶形增益介质

倪国旗，韩非凡，张昱凯

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;2.空军空降兵学院二系，广西桂林 541003)

介质埋藏平面蝶形天线的设计*

倪国旗**1,2，韩非凡1，张昱凯1

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;2.空军空降兵学院二系，广西桂林 541003)

采用了介质埋藏的形式将平面蝶形天线埋藏于介质中，并设计了渐变的平面微带巴伦给平面蝶形天线馈电，实现了不平衡到平衡的转换；还设计了三角形微带巴伦和微带传输线一起的结构形式，进行阻抗匹配。使用电磁仿真软件Ansoft HFSS对该天线进行了优化设计和仿真实验，与制作的实物天线性能进行对比。仿真和实测结果表明，该天线S11≤-10 dB仿真的相对带宽达到88.7%而实测的相对带宽为79.3%，具有超宽带特性；在工作频率处，仿真增益为 6.9 dB，实测增益为5.8 dB。该天线满足某工程项目的需要，可作为探地雷达系统的收发天线。

探地雷达；超宽带天线；介质埋藏平面蝶形天线；三角形微带巴伦

1 引言

天线正沿着宽频带、高增益、小型化方向发展[1]。平面蝶形天线具有宽频带、结构简洁、易于加工和小型化、方便与电路集成等特点而被越来越多的国内外学者关注[2-6]。目前，它也是探地雷达系统中收发天线的主要形式之一，并且得到了广泛的应用[1-2]。但是在实际应用中，天线的金属部分不可避免地裸露在空气中，很容易受到空气的氧化腐蚀，特别是在恶劣的环境中对天线的损伤会更大，从而使天线性能发生改变。可见，很有必要在天线的外表面加覆盖层用以保护天线的金属部分，例如：涂上油漆，可是油漆对天线的性能影响很大。基于保护天线和某种性能的需要，本文将天线的金属部分埋藏在介质中，形成一种新型的天线形式——介质埋藏天线[7]，该天线可减小天线的尺寸同时还增强天线的隐蔽性,比油漆的作用效果要好，具有较高的工程应用价值[7]。

2 介质埋藏平面蝶形天线的设计

2.1 介质埋藏平面蝶形天线结构的设计

本设计所提出的介质埋藏平面蝶形天线采用印刷电路工艺，天线的两振子分别印刷在介质板的两侧。如图1所示，介质板采用FR4，其相对介电常数εr=4.4，厚度为h=1.6 mm,介质板上下两个表面铜箔厚度为0.018 mm,天线的长度为L，宽度为W。使用了渐变的微带三角形巴伦实现了天线的平衡馈电。不平衡端的微带线宽为W2，不平衡端接地面宽W1；平衡端的微带线宽W3；巴伦三角形侧边长为L2，底边长为L1；平行双线长为L3；渐变传输线长为最L4。最后，用介质把平面蝶形天线的上下表面和馈电巴伦全部埋藏起来，即构成介质埋藏平面蝶形天线。

图1 介质埋藏平面蝶形天线的结构图

Fig.1 The structure of dielectric embedded planar bow-tie antenna

2.2 天线各主要参数的计算与优化

本文要设计的天线工作频率是f0=3 GHz，工作频段是1.42～4.08 GHz，介质基板采用的是h=1.6 mm的FR4的双面覆铜板，其相对介电常数εr是4.4。

2.2.1 天线参数的计算与优化

根据介质基板的相关参数，厚度不平衡端SMA接头处微带线宽度为W2=3.08 mm,由文献[3]和文献[8]可知，其有效的介电常数为

(1)

由文献[2]可知，天线的有效电长度约等于天线谐振时对应工作波长的一半,即

(2)

而天线的宽度W则由天线每边的张角θ决定，天线的宽度随着θ的变化而变化，而θ的选取必须考虑天线的小型化和天线的阻抗带宽,一般由工程经验可以取为60°[2]。最后，由HFSS的参数扫描和优化分析给出L=34.46 mm，W=27.5 mm。

2.2.2 馈电结构的设计以及参数的计算与优化

(3)

经过多次仿真优化计算，最终确定了天线的相关参数和馈电结构的相关参数，如表1所示。

表1 天线的相关参数值

Tab.1 The relative parameter values of the antenna

2.3 天线埋藏介质的选择

天线各层之间采用胶合剂粘接，也就是用黏合剂把埋藏的介质和天线粘成一个整体。若粘胶选择不合适，电磁波就会经过介质板和粘胶的交界面时会产生反射或者折射，进而影响天线的性能。为了最大程度减小粘接胶对天线的影响，常采用与介质基板相同的材质的胶粘接。考虑到市面上比较常见的、价格适中的环氧树脂AB胶与FR4介质板的基本材料相同，并且相对其他板材来说，FR4板材价格比较便宜，综合考虑设计的需要、设计成本等因素，本设计选择环氧树脂FR4作为埋藏介质的选择。

3 实验与天线性能分析

3.1 仿真实验与分析

根据优化得到的参数，利用电磁仿真软件HFSS进行建模仿真分析，仿真了介质埋藏平面蝶形天线，并把平面蝶形天线的S11曲线和其对比，如图2所示。

图2 S11曲线图

Fig.2 The curve ofS11

图2中，由实线可知，介质埋藏平面蝶形天线在f0=3 GHz处，S11=-27.15 dB，S11≤-10 dB的带宽为1.42～4.08 GHz，绝对带宽为2.66 GHz,相对带宽为88.7%。由虚线可知，平面蝶形天线在f0=3 GHz处，S11=-25.90 dB,S11≤-10 dB的频率范围是1.54～4.42 GHz，绝对带宽为2.88 GHz，相对带宽为96%。虽然介质埋藏平面蝶形天线的带宽比平面蝶形天线的要窄一些，但是所设计的天线仍然具有超宽带特性。

介质埋藏平面蝶形天线的3D方向图如图3所示,为了方便比较它和平面蝶形天线增益值的差距，这里也给出了平面蝶形天线的三维方向图。

(a) 介质埋藏平面蝶形天线

(b) 平面蝶形天线

图3 3D方向图

Fig.3 3D radiation pattern

图3中，介质埋藏平面蝶形天线的增益为6.9 dB而平面蝶形天线的增益只有5.1 dB,前者的增益比后者高1.8 dB。这是由于引入了介质，起到了压制波束的作用，使得天线的方向性变好，从而有利于提高天线的增益。由电磁场理论可知，从光密向光疏媒质传播的电磁波，在两种媒质交界面的入射角大于临界角时，就会发生全反射。本文采用的介质介电常数εr=4.4大于ε0，是光密媒质，只要满足入射角大于临界角的电磁波都被反射回。

介质埋藏平面蝶形天线的E面方向图和H面方向图、输入阻抗曲线图、驻波比曲线图如图4～6所示。

(a)E面方向图

(b) H面方向图

图4 E面和H面方向图

Fig.4 E plane and H plane radiation patterns

图5 输入阻抗曲线图

Fig.5 The curve of input impedance

图6 驻波比曲线图

Fig.6 The curve of VSWR

图4中，E面半功率波束宽度为55°(见图4(a)中A和B两点的角度差)，H面半功率波束宽度为93°(见图4(b)C和D两点的角度差)。图5中，在中心频率3 GHz处，输入阻抗的实部为47.7 Ω，虚部为-3.6,相对接近50 Ω，这说明介质埋藏平面蝶形天线和馈线匹配得较好。图6中，介质埋藏平面蝶形天线的驻波比为1.09，所设计的介质埋藏平面蝶形天线的驻波性能较好，可以满足系统的需要。介质埋藏平面蝶形天线的仿真性能参数如表2所示。

表2 天线的仿真性能参数

Tab.2 The simulation parameters of antenna

f0/GHzB/GHzG/dBVSWRθ0.5E/(°)θ0.5H/(°)Re/ΩIm32.666.91.09559347.7-3.6

3.2 天线实物制作与性能测试

3.2.1 天线实物制作

综合考虑天线的设计成本和天线的性能，利用上述仿真优化得到的天线参数，制作了实物，如图7所示。

图7 介质埋藏平面蝶形天线的实物图

Fig.7 The physical object of dielectric embeddedplanar bow-tie antenna

天线包括正反两个面，印刷在介电常数为4.4、厚度为1.6 mm的FR4双面敷铜板上。天线使用微带的三角形巴伦馈电，有效地实现了不平衡到平衡的转换和阻抗匹配。在上述基础上使用环氧树脂AB胶把介质和天线的金属部分粘成一个整体，为了方便粘接，不留过多的缝隙，防止对天线的性能造成影响，这里特意裁剪了一个SMA接头的位置，以方便埋藏介质和天线的金属部分很好地粘接。

3.2.2 性能测试与分析

使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对介质埋藏平面蝶形天线实物的阻抗带宽进行了调试测量,结果如图8所示。

图8 实测介质埋藏平面蝶形天线S11曲线图

Fig.8 The measured curve ofS11on dielectric embedded planar bow-tie antenna

图8中，天线测试的S11最低值谐振点和仿真的吻合较好。仿真数据显示,S11≤-10 dB的带宽为1.42～4.08 GHz，绝对带宽为2.66 GHz,相对带宽为88.7%。由实测结果可知,S11≤-10 dB的带宽为2.2～4.58 GHz,绝对带宽为2.38 GHz，相对带宽为79.3%。实测结果比仿真结果差，这可能与加工误差和焊接等因素的影响有关，但是都在可接受的范围内。

在微波暗室使用NSI2000近场测试系统进行了测量。把天线主波束方向对准发射喇叭天线的馈源，为了固定待测天线，这里使用在一个泡沫开缝的方法，把天线夹在缝中，然后用透明胶把泡沫牢牢地圈在转轴上。由于测试条件的客观性，微波暗室空间有限，转台太大，不能测试到后瓣，只能测试到180°的范围。但是,由于所设计天线是单向辐射的，天线主要朝主波束方向辐射,而主波束方向是可以被测量到的。天线3D方向图、归一化的E面方向图和H面方向图分别如图9和图10所示。

图9 实测的3D方向图

Fig.9 The measured 3D radiation pattern

(a)E面方向图

(b)H面方向图

图10 仿真和实测归一化的E面方向图和H面方向图

Fig.10 The simulated and measured normalized E and H plane radiation patterns

图9中，实测3D方向图没有出现裂瓣。图10中，实测E面和H面半功率波束宽度要比仿真的要窄，这可能是和测量过程中无可避免引入的测量误差有关。此外，通过比较法测试了天线的增益，实测增益只有5.8 dB,比仿真值低1.1 dB。这可能与固定天线的金属架影响以及测量误差有关，但是天线的整体性能是可以被接受的。实测和仿真性能参数比较如表3所示。

表3 实测和仿真性能参数比较

Tab.3 The contrast of the performances between simulation and measurement

结果f0/GHzB/GHzG/dBθ0.5E/(°)θ0.5H/(°)实测32.355.838.3978.84仿真32.666.955.0093.00

4 结论

本文通过采用介质埋藏方式，设计了一种新型的介质埋藏平面蝶形天线。通过仿真实验和实物测试可以看出,所设计的天线具有宽频带特性，驻波比较低，天线的性能较好。这也为其他特型天线的埋藏设计打下了一定的基础。通过比较埋藏介质和没有埋藏介质的两种类型的天线可以知道,介质埋藏天线具有隐蔽性好、集成度高、性能不容易受环境影响等优点，因此，该天线具有良好的应用价值和广阔的发展前景，但是，其增益相对较低，可以在后续的设计中进行组阵。

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NI Guoqi was born in Hubei Province,in 1964.He received the Ph.D. degree from Beijing Institute of Technology in 2008.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research concerns microwave technology and antenna, microwave devices and material.

Email:ngq157@163.com

韩非凡(1988—)，男，广东人，2013年于电子科技大学中山学院获学士学位，现为桂林电子科技大学硕士研究生，主要研究方向为天线技术;

HAN Feifan was born in Guangdong Province,in 1988.He received the B.S. degree from Zhongshan Institute,University of Electronic Science and Technology of China,in 2013.He is now a graduate student.His research concerns antenna technology.

Email:1302202008@mails.guet.edu.cn

张昱凯(1991—)，男，山西人，2014年于桂林电子科技大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为微带天线。

ZHANG Yukai was born in Shanxi Province,in 1991.He received the B.S. degree from Guilin University of Electronic Technology in 2014.He is now a graduate student.His research concerns microstrip antenna.

Email:646945467@qq.com

Design of a Dielectric Embedded Planar Bow-Tie Antenna

NI Guoqi1,2,HAN Feifan1,ZHANG Yukai1

(1.School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.The 2nd Department，Air Force Airborne Academy,Guilin 541003,China)

The planar bow-tie antenna employing the form of dielectric embedded is buried in the substrate.A tapered planar microstrip balun is designed so as to achieve transforming unbalance to balance.In order to realize impedance matching,the structure of triangular microstrip balun with microstrip transmission line is designed.The designed antenna is simulated and optimized by Ansoft HFSS and compared with fabricated physical object.Simulated and measured results show that the relative bandwidth reaches 88.7%,while the measurement is 79.3%,which has the ultra-wideband(UWB) characteristics.At the working central frequency,the gain is up to 6.9 dB,while the measurement is 5.8 dB,which meets the need of a certain project and can be applied in the receiving and transmitting antenna of ground penetrating radar system.

ground penetrating radar;ultra-wideband(UWB) antenna;dielectric embedded planar bow-tie antenna；triangle microstrip balun

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.014

倪国旗，韩非凡，张昱凯.介质埋藏平面蝶形天线的设计[J].电讯技术，2016,56(12):1381-1386.[NI Guoqi,HAN Feifan,ZHANG Yuka.Design of a dielectric embedded planar bow-tie antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1381-1386.]

2016-02-29；

2016-06-08 Received date:2016-02-29；Revised date：2016-06-08

TN822

1001-893X(2016)12-1381-06