多应用环境下新型微带偶极子天线设计与优化

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(合肥工业大学 信息工程系，安徽 宣城 242000)

0 引言

无线电通信技术发展至今，已经在车载终端、便携设备领域中得到了广泛的应用。天线既是无线电通信重要的组成部分，也是影响通信系统性能的重要组件。目前对无线电通信的应用仍然局限在宽频带和小型化之中，存在偶极子臂细、安全性低、天线走线占用空间大、增益特性差等问题，很难满足现代科技对通信的要求[1-2]。文献[3]提出了高功率共面馈电脉冲辐射天线设计，该天线结构具有体积小的优势，但是在安全性能方面较差，不能满足通信的基本要求；文献[4]提出了平行带状线馈电的双面印刷偶极子天线设计，该天线结构便于集成、组成阵列，但是体积较大，也不能满足通信的基本要求。

针对上述问题，提出了多应用环境下螺旋形印刷微带偶极子天线设计与优化。该结构具有重量轻、体积小、成本低，便于集成、组成阵列，还能克服微带天线频带窄的缺点。利用专业电磁仿真软件HFSS对天线特性进行仿真，并得出结论，螺旋形印刷微带偶极子天线设计增加了偶极子臂的粗度，具有良好的安全性能，大大减小了天线走线所占用的空间，增强了增益的特性，具有较好的性能，对于未来的微带偶极子天线的设计与优化具有一定的参考价值。

1 多应用环境下新型微带偶极子天线设计与优化

1.1 微带偶极子天线硬件设计

微带偶极子天线工作结构如图1所示。

图1 微带偶极子天线工作结构图

由图1可知：该天线的结构是由两根粗细均匀，长度相同的导线组成的，中间为两个反馈的电端。距离微带偶极子振子中心z处可以取长度为dz的一个微小电流元段，并将此电流元段分解为多个“元过程”，以此为基础对微带偶极子天线的硬件进行初始化设计。

1.1.1 初始化设计

微带偶极子天线的初始化设计是由振子臂、介质板以及底部的渐变阻抗变换段和反射板组成的。介质板的顶部和底部以及两侧都是由振子臂包围的，且利用微带线进行馈电，其初始化结构如图2所示。

图2 初始化结构

由图2可知：初始化的微带偶极子天线结构设计在臂的上部和下部比较单薄，安全性极低，为此应该对该结构进行优化。

1.1.2 优化后的微带偶极子天线结构

优化后的天线结构如图3所示。

图3 优化后的天线结构俯视图

由图3可知，优化后的天线结构在图2的基础上，添加了寄生贴片，并在上下贴片的表面进行穿孔，通过金属进行连接，这无疑是增加了偶极子臂的粗度。

介质板中介质层的材质是由介电常数为ε=4.4的环氧树脂玻璃纤维板组成的，并采用了双面敷铜结构组成了天线的两个臂端，且利用微带线进行馈电[5]。数据信号流经过天线的馈电位置导入，并经过微带巴伦的整体结构传输到偶极子天线的两个臂端。而在微电的传输线路上，电流的方向是相反的，不可能接收到辐射的电磁波。半波偶极子天线的长度是偶极子天线两个臂端长度的一般，且该天线的设计呈现的是一个对称的结构，在传输的线路上，反馈的电流也必须是对称的。该结构与底座连接时，需要使用一个转换的结构，从电流的不稳定到稳定；从阻抗的角度分析，该天线结构需要设置一个电阻并且阻值为82.1欧姆，反馈端口电阻的阻抗为50欧姆，并且使用微带巴伦来实现电阻阻抗的匹配。将微带天线技术与对称振子天线的属性相结合，能够提高该系统的安全性能。

1.1.3 螺旋形印刷天线结构

基于上述优化后的天线结构，提出了一种螺旋形印刷天线结构，如图4所示。

图4 螺旋形印刷天线结构框图

由图4可知：该结构将基片的顶部和底部利用微带线缠绕成类似螺旋天线的一种结构形式。该结构中上下走线采用的是0.2 mm的铜孔来连接的，这种连接的方式能够增加电流路径的长度，还能节省天线走线所占用的空间。螺旋形印刷天线结构采用两层的方式能够有效的增加天线的物理长度，还能减少天线走线所占用的面积，位于中间位置的介质基片不但能够抑制不同天线层的电磁干扰，还能抑制不同走向电流之间的增益衰减[6-7]。螺旋形印刷天线结构既拥有传统天线结构的安全性，又拥有较高的增益特性，是一种在多应用环境下最适用的天线结构。

1.2 微带偶极子天线软件设计

1.2.1 微带偶极子天线软件设计原理

微带偶极子天线工作原理是以元过程为基础，并采用物理或数学的分析方法化解问题，该方法也被称为微元法[8]，利用微元法可以计算距离较远的辐射区场，其数值为：

(1)

1.2.2 对称偶极振子方向设计

对称偶极振子方向函数的计算以波腹电流归算为基础[9-10]，其公式如(2)所示：

(2)

对称偶极振子在轴向上没有辐射，辐射与微带偶极子天线单臂长度s有关，当s的长度小于等于0.5λ的时候，对称偶极振子所经过的电流是相同的，在电流相同的情况下，参与辐射电流元就会增加，当a=90°时，该方向上的辐射强度就会增加，电波的宽度就会变窄；当s的长度等于0.5λ的时候，对称偶极振子所经过的电流的走向是相反的，这时就会出现副波瓣；当s的长度增大为0.7λ的时候，该方向上的辐射就会发生偏移；当s的长度等λ，a=90°的时候，该方向上的辐射强度为0。

1.2.3 对称偶极振子阻抗特性的设计

由于偶极振子阻抗对输入电流的异常敏感，导致了实际的电流分布情况与理论中的分布情况有一定的差别，具体表现在输入端和波节处。传统系统在计算输入阻抗的时候，一般采用的是等值的传输方法。

对称偶极振子的平均阻抗为：

(3)

公式(3)中：R为偶极振子的阻抗；s为微带偶极子天线的单臂长度；r为球面半径；dz为一个微小电流元段；r′为振子半径。

对称偶极振子的输入阻抗为：

(4)

公式(4)中：Rin为对称偶极振子输入阻抗；s为微带偶极子天线的单臂长度；g为衰减常数；h为相移常数；

由公式(4)可知，对称偶极振子越粗，对称偶极振子平均阻抗R就越；对称偶极振子的输入阻抗会随着微带偶极子天线的单臂长度s的变化而越发的平缓，这样有利于改善频带宽度，使之更适用于多应用环境下的新型微带偶极子天线结构。

1.2.4 天线结构参数优化

该系统设计的中心频率为3.25 GHz，如果传播介质为自由的空间，那么该天线结构所对应的工作波长为112 mm左右，偶极子天线两臂加一起的长度为56 mm左右；如果传播介质为全部填充的FR-4等级材料，那么该天线结构所对应的工作波长为60 mm左右，偶极子天线两臂加一起的长度为30 mm左右。本文提出的螺旋形印刷天线结构既包括自由空间，又包括介质，因此该天线两臂加一起的长度应为30 mm-56 mm左右，而螺旋形印刷天线两臂加一起的长度应取两者的平均值43 mm，且输出的长度为20 mm，微带巴伦结构中两个直角边的长度分别为9 mm和11 mm，传输线的宽度为4 mm。

由于螺旋形印刷天线呈现的是弯折的状态，因此其实际各位置的尺寸要大于理论尺寸，初始尺寸设定如表1所示。

表1 螺旋形印刷天线初始尺寸

1)基层高度对谐振频率的影响。

保持天线其它参数不变，根据参数扫描功能，基层高度分别为15 mm、14 mm、13 mm的时候，天线谐振频率分别为539 MHz、587 MHz、621 MHz，由此可以得出结论：随着基层高度的降低，其谐振的频率变大。

2)基层宽度对谐振频率的影响。

保持天线其它参数不变，根据参数扫描功能，基层宽度分别为3 mm、2.8 mm、2.1 mm的时候，天线谐振频率分别为565 MHz、592 MHz、640 MHz，由此可以得出结论：随着基层宽度的降低，其谐振的频率变大。

3)连接两孔之间距离对谐振频率的影响。

保持天线其它参数不变，根据参数扫描功能，连接两孔之间距离分别为

1.2 mm、0.8 mm、0.6 mm的时候，天线谐振频率分别为623 MHz、610 MHz、592 MHz，由此可以得出结论：随着连接两孔之间距离的减小，其谐振的频率也变小。

由此可以得出天线结构最优参数尺寸如表2所示。

表2 螺旋形印刷天线结构最优参数尺寸

2 实验结果与分析

为了验证多应用环境下新型微带偶极子天线设计与优化的合理性，进行了仿真对比实验，其实验过程如下所示：

1)采用的是HFSS11软件建立模型，设置实验环境与参数。

2)回波损耗分析与结果以满足通信要求。

3)驻波比分析与结果以满足通信要求。

2.1 实验环境与参数设置

实验采用的是HFSS11软件所建立模型，如图5所示。

图5 天线模型

采用的是集总端口激励，频率设置为3.12 GHz，扫描频率为300～400 MHz，扫描类型为快速扫描。

2.2 回波损耗结果与分析

天线结构谐振频率选取的范围为320～345 MHz，回波损耗仿真实验结果如图6所示。

由图6可知：当谐振频率为320～332 MHz的范围内曲线图呈现下降趋势，回波损耗从-1 dB下将到-23 dB；当谐振频率为332～345 MHz的范围内曲线图呈现上升趋势，回波损耗从-23 dB上升到-1 dB。由此可以看出，当谐振频率为332 MHz的时候，该点的回波损耗为-23 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范围内，回波损耗小于-10 dB，满足通信行业的标准。

图6 回波损耗

2.3 驻波比结果与分析

天线结构谐振频率选取的范围为320～345 MHz，驻波比仿真实验结果如图7所示。

图7 驻波比

由图7可知：当谐振频率为320～332 MHz的范围内曲线图呈现下降趋势，驻波比从3.40 dB下将到1.30 dB；当谐振频率为332～345 MHz的范围内曲线图呈现上升趋势，但是比较缓慢，驻波比从1.30 dB上升到1.70 dB。由此可以看出，当谐振频率为332 MHz的时候，该点的驻波比为1.30 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范围内，驻波比小于1.50 dB，满足通信行业的标准。

2.4 实验结论

由上述的实验过程可以得出结论：在328～340 MHz的有效范围内，驻波比小于1.70 dB；在331.5～334.9 MHz的有效范围内，驻波比小于1.50 dB；在330～332 MHz的有效范围内，驻波比小于1.30 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范围内，回波损耗小于-10 dB。在该范围内能够有效的避免瞬间过高电压导致射频末端的损坏，能够满足通信的基本要求，增加了偶极子臂的粗度，提高了安全性，大大减小了天线走线所占用的空间，增强了增益的特性。

3 结束语

在多应用环境下利用微带巴伦的电磁耦合机理，通过融合螺旋天线的结构特点对微带偶极子天线进行设计与优化，能够实现电磁波在微带线间的合理耦合，对于未来的微带偶极子天线的设计与优化具有一定的参考价值，并且充分满足通信行业的基本标准。