一种新型宽带印刷偶极子天线

符 友, 高 帆

(1.中电科技扬州宝军电子有限公司，江苏 扬州 225003； 2.中国航天科工集团第九总体设计部，湖北 武汉 430040)

工作频率在一个倍频程以上的天线常见的有对数周期天线[1]、阿基米德螺旋天线[2]、宽带喇叭天线[3]和Vivaldi天线[4-6]等形式。这些天线形式主要采用了非频变结构，即相应工作频率的电磁波在天线中辐射的位置随着工作频率变化而移动，因此，天线的辐射特性不因工作频率的改变而改变，可以在很宽的工作频带内使天线的方向图、增益、电压驻波比和极化的特性保持稳定。但是，非频变的结构形式不可避免地带来了天线尺寸变大的缺点，在一些小型化、紧凑结构尺寸的约束下，不能得到有效地应用。

宽带印刷偶极子天线具有设计成熟，结构形式简单和调试方便等优点，使其得到了广泛的应用。常规设计的印刷偶极子天线电压驻波比小于2的工作带宽只能达到25%～30%，因此，为了扩展工作带宽，一般有宽带自相移交叉偶极子[7-9]、蝴蝶结形式偶极子[10]、宽带巴伦馈电[11]、带状线馈电双面偶极子[12]和电磁偶极子[13-14]天线等形式。自相移交叉、蝴蝶结结构和带状线耦合馈电双面偶极子带扩展的相对带宽一般在50%左右，可以有效地提升天线的工作带宽，但想要达到一个倍频程仍然有一定的难度。采用电磁偶极子可以将相对带宽提高到100%以上，但是需要较大的平面尺寸，破坏了印刷偶极子两维的结构形式。

为了符合工作频率覆盖2～4 GHz的宽带工作频段的要求，设计结构尺寸限制下的一种新型宽带印刷偶极子天线，尝试在印刷偶极子天线基础上，对偶极子结构拟采用蝴蝶结辐射臂形状，同时，借鉴宽带渐变槽Vaildi天线中宽带匹配槽线馈电形式拓展工作频率。

1 天线设计

印刷偶极子蝴蝶结结构的作用是将双锥天线的三维结构变成二维的平板化形式，如图1所示。工作特性是其电流沿着偶极子两臂方向分布，当两臂采用平面扇形图案形式时，从中心耦合槽线馈电处来看，扇形结构带来了不同工作频率下相同的电流分布路径和辐射特性，具有宽带特性。当扇形张角θ=90°时，其对于所有频率上的阻抗理论上保持不变。天线的两臂长度L限定了工作的最低频率，并且没有截止工作最高频率，考虑一般的印刷偶极子天线采用的馈电形式大都为常规的λ/4阻抗变换平衡器对耦合槽线进行平衡耦合馈电，如图1中虚线所示。

图1 蝴蝶结结构印刷偶极子图

这种馈电形式本身有限的工作带宽限制了整个天线的工作带宽，使蝴蝶结辐射臂结构没有截止高频频率的特性未能有效体现。为此，借鉴Vivaldi天线中采用的阻抗匹配圆形槽线谐振腔和扇形匹配微带线的馈电方法[15]，其馈电形式图如图2所示。将原先的λ/4波长阻抗变换平衡馈电变为扇形微带短接线结构，原先的常规槽线变为开路端使用圆形槽线谐振腔结构调节匹配宽频阻抗，这样就规避了常规的λ/4波长阻抗变换线和槽线对频率的依赖性，有效地拓展天线的工作带宽。

根据上述的方法，结合蝴蝶结辐射臂形状和宽带匹配槽线馈电形式的特点，设计一种印刷偶极子天线，天线采用微波介质基板制作，正面为蝴蝶结偶极子结构和圆形槽线谐振腔，反面为扇形匹配微带线，同时，将两个这种形式的天线组成一个单元，用一个T型结功分馈电，并建立天线仿真模型仿，印刷偶极子和天线仿真模型示意图分别如图3和图4所示。

图2 Vivaldi天线中馈电形式图

图3 印刷偶极子图

图4 天线仿真模型

2 仿真及测试

在天线仿真模型中，天线单元采用单层厚度为1.0 mm，介电常数选取为2.6的介质基板制作，反射面设置为金属面。

天线尺寸主要调节蝴蝶结张角θ、反射面的高度H、微带线宽度W、微带渐变线长度L1、耦合微带线宽度W1、耦合槽线宽度Hc及其长度Lc、圆形槽线谐振腔半径R、扇形微带线长度Ls和张角θS等,使用电磁场全波仿真软件进行了建模和仿真，其中θ、L1、R、Ls、θS等参数对天线的电压驻波比指标影响较大；高度参数H对天线高频处的增益影响较大。调整参数使天线在确定的参数下天线工作频率能够达到宽带的要求，同时，使天线辐射特性在带内保持平稳，即可得到最终优化结构参数，如表1所示。

表1 天线仿真优化结构参数

天线的电压驻波比和增益仿真结果分别如图5和图6所示。

图5 天线电压驻波比仿真结果

图6 天线增益仿真结果

根据表1中的结构优化参数值制做了天线实物，其天线实物正反面如图7所示。

图7 天线实物图

对天线实物进行了调试。使用是德科技公司出品的矢量网络分析仪E5080A，测试了天线的电压驻波比和增益测试,其具体结果分别如图8和表2所示。

从图8和表2可看出，在2～4 GHz带宽内，天线的电压驻波比小于1.8(见表2)，在带内大于6.8 dB。

图8 天线电压驻波比实测结果

表2 天线实测增益

通过对比图5和图8的结果可知，在2～4 GHz带宽内，天线的电压驻波比测试结果与仿真结果及其变化趋势基本吻合。需要说明的是,天线介质基板的正切损耗比理想值高，从而导致高频时板材损耗较大,因此，在3.5～4 GHz处实测值比仿真值较低。

通过表2和图6的对比可知，天线增益的实测与仿真结果也基本吻合。高频时天线介质基板损耗较大，同时，测试时天线安装的底座与实际仿真时天线的底面不同，因此，在高频处增益比仿真结果下降了0.5 dB。测试结果说明了该设计方法、设计过程和测试过程正确有效。

3 结语

设计了一种宽带印刷偶极子天线，该天线采用蝴蝶结结构形式，结合宽带匹配圆形槽和扇形微带线馈电，仿真结果和实测结果证明了该方法结构尺寸限制下拓展天线的工作带宽可行性。所设计的天线制作工艺简单，易于结构装配。在保持了印刷天线两维结构的基础上，其工作带宽达到了在一个倍频程内(2～4 GHz)电压驻波比小于1.8，有效相对带宽达到了70%以上，天线的测试指标满足设计和使用的要求。