基于3D打印技术的宽带圆形微带天线

张 胜，李大妮，徐 聪，于梦杰，解 鑫，曹为为

(中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

近年来，3D打印技术因其高效、环保、廉价的特点而受到广泛关注。在微波领域中，它已被证明是简化复杂结构和提高天线性能的有效方法，并已将3D打印技术用于微带天线的设计[1-5]。文献[1]介绍了3D打印空气基板的制作流程，并以此设计了一款高增益天线。文献[3]利用3D打印技术设计了一款圆极化贴片天线。文献[4]使用3D打印技术制作了非规则基板，并提出了利用非规则基板产生圆极化的方法。

圆形贴片天线因成本低、制造方便等优点而备受欢迎，但圆形贴片天线的阻抗带宽非常低，为了提高带宽，人们提出了不同的解决方案。文献[6]使用空气作为基板，将同轴探针与贴片直接相连。虽然该天线阻抗带宽达到36%，但是同轴探针易弯曲、变形，容易造成较大的误差。文献[7]通过引入双耦合环和短路通孔，使天线阻抗带宽达到31%，但是天线结构复杂，制造成本较高。文献[8]通过加载两个环形谐振器使天线带宽达到27%，但天线增益较差。

本文提出了一款中心馈电的圆形微带天线。该天线在基板的不同高度加载两个耦合环，产生3种谐振频率以拓展带宽。天线尺寸为0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0(其中λ0为天线最低工作频率下自由空间的波长)，阻抗带宽达到42%，天线增益达到8.4 dBi。该天线具有结构紧凑，带宽较宽，辐射性能良好且结构简单的优点。

1 天线设计

1.1 天线的初始结构

天线的初始构形如图1所示。天线以圆形金属贴片作为辐射贴片，选择聚乳酸(PLA)作为介质板材料，其介电常数为2.54，损耗角正切为0.015。天线采用同轴馈电方式，为了实现较好的全向辐射，将馈电置于圆环中心位置。图中，rg为介质基板的半径，r1为圆形辐射贴片的半径，h1为介质基板的厚度。

图1 初始天线结构

基板厚度h1是影响天线性能的关键因素之一，增加基板厚度可以降低天线的品质因数Q，因此需要对h1进行优化仿真，以寻找其最佳值。当h1不同时，天线的反射系数如图2所示。随着h1的增加，天线的工作带宽拓宽。当h1达到某值后，天线的宽带特性开始恶化。为了使天线达到良好的阻抗匹配，取h1=5 mm。

图2 h1对天线性能的影响

1.2 引入第一个耦合环

初始圆形贴片天线的主要工作模式是TM02模，天线引入第一个耦合环可以激励出TM01模，通过耦合环与圆形辐射贴片进行耦合可以进一步展宽带宽。为了改善天线的宽带特性，天线引入近馈结构。结构如图3所示，耦合环与圆形贴片不在一个平面上，第一个耦合环半径为r2，高度为h2。近馈结构的外径为rp，内径为rd。

图3 加载第一个耦合环的天线结构

耦合环与圆形贴片之间的距离是影响耦合的关键因素，因此，h2对天线性能有很大影响。图4为h2的反射系数对比图，h2对第二个谐振点无影响。随着h2的增大，第一谐振点往低频移动。为了使天线达到良好的阻抗匹配，取h2=2.5 mm。

图4 h2对天线性能的影响

1.3 引入第二个耦合环

为了进一步提高天线带宽和改善天线的宽带特性，在上述优化过程的基础上继续引入第2个耦合环。第2个耦合环可以激励出TM03模，产生第3个谐振点。通过对第3个谐振点进行优化，最终得到设计的天线。如图5所示，第二耦合环分布在独立的平面，高度为h3，半径为r3。

图5 天线的几何尺寸

与上述思路相同，对第二个耦合环的高度h3进行优化。如图6所示，随着h3的增加，两环之间的耦合增强，导致第二谐振点向低频移动，天线的宽带特性逐渐恶化。当h3=0.8 mm时，天线达到最佳匹配状态。优化后的天线尺寸如表1所示。

图6 h3对天线性能的影响

表1 天线的尺寸值 单位：mm

图7为4.1 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz的电流分布图。由图可见，3个谐振点分别对应TM01模、TM02模和TM03模。电流主要沿着径向流动，切向分量非常少，因此，天线可以产生类似单极子天线的全向辐射。

图7 天线电流分布图

2 天线加工与测量

为了验证仿真结果的有效性，对该天线进行了加工与测试。该天线尺寸为0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0。介质基板分为3层，使用传统加工方式制作不仅会花费大量的时间和造成大量的浪费，还会破坏天线的一体性。3D打印技术因具有环保、生产周期短和一次成型等优点，可以很好地解决这个问题。因此，本文提出的天线利用MAKESOME H0086打印机通过熔融沉积制造(FDM)技术进行制作，使用介电常数为2.54的PLA作为天线的主要打印材料，加工精度为100 μm。天线的辐射部分使用铜箔贴片进行制作。加工的天线如图8所示。

图8 天线实物图

使用KEYSIGHT E5063A网络分析仪对天线进行测量。天线反射系数S11仿真与测试结果对比如图9所示。由图可见，天线在3.8～5.8 GHz工作频段内具有良好的阻抗匹配，天线相对带宽为42%。

图9 天线反射系数仿真与测试结果对比图

图10为天线的增益仿真与实测结果对比图。由图可见，实测增益为4.3～7.8 dBi。与仿真结果相比，天线的第一谐振点发生偏移，天线增益降低，这可能是因加工误差导致。

图10 天线增益仿真与测试结果对比图

图11为天线在4.1 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz下归一化辐射方向图。在整个频段内，天线具有较好的全向特性。测量结果与仿真结果基本吻合。

图11 天线辐射方向图

表2为本文设计的天线与其他文献中天线的性能对比。由表可以看出，本文设计的天线具有尺寸小，带宽宽，增益高等特点。

表2 本文设计的天线与其他文献中天线的性能对比

续表

3 结束语

本文设计了一款基于3D打印技术的宽带圆形贴片天线。该天线结构紧凑，尺寸为0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0。将介质基板设计为3层，并通过引入两个耦合环，产生了3个谐振点以提升天线的带宽。使用3D打印技术制作天线。经过仿真分析和测试验证，天线在3.8～5.8 GHz工作频率内，其反射系数小于-10 dB，天线增益高于4.3 dBi，峰值增益达到8.4 dBi。该天线具有质量小，成本低，增益高等优点，在宽带无线通信系统中具有较好的应用前景。