一種寬帶貼片偶極子天線設計

王　慷,方　鑫,萬小剛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種寬帶貼片偶極子天線設計

王慷,方鑫,萬小剛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：結合微帶天線和偶極子天線的優勢,設計了一種低剖面的寬帶貼片偶極子微帶天線單元。通過仿真與優化,擴展了頻帶帶寬。在C頻段的電壓駐波比小于2、相對帶寬達到80%。同時,天線單元的增益在頻帶內均大于5.5 dB,頻帶內輻射效率大于92%。天線單元可用于共形天線陣列的設計,有良好的應用前景。

關鍵詞:微帶天線；偶極子天線；寬帶

0引言

微帶天線由于體積小、重量輕、低輪廓、易與載體表面共形、制造工藝簡單、成本低、易與有源器件和電路集成等諸多優點而得到了廣泛的重視。微帶天線的缺點在于工作頻帶窄。諧振型微帶天線主要工作在頻率諧振點附近,當工作頻率偏離諧振點時微帶天線工作頻帶內阻抗匹配遭到破壞。

增加微帶天線帶寬的一般方法有:降低Q值,減小介質材料介電常數以及增加介質層厚度；采用多層貼片結構,不同層貼片分別控制不同的諧振頻率,當頻率靠近時可增加帶寬；加阻抗匹配網絡；采用不同貼片型式,如三角形、梯形、U型和E型等等。

本文主要將微帶天線與偶極子天線形式結合,擴展天線單元帶寬至80%,有很好的應用前景。

1微帶天線設計原理

設計微帶天線首先要確定其尺寸大小。假設天線工作頻率為f,光速為c,使用的介質基片的高度為h,介電常數為εr,則微帶天線的輻射貼片的寬度W:

微帶天線的輻射貼片的長度L:

其中,εe為有效介電常數,△L為等效輻射縫隙長度。

矩形微帶天線輸入阻抗的近似公式:

2微帶偶極子天線單元設計

天線采用微帶天線和偶極子天線結合的方式。將微帶天線低剖面的結構優點結合偶極子天線帶寬寬的特點,首先設計了天線原型,見圖1。

圖1　天線原型

天線電壓駐波比僅有12.5%的帶寬,且增益較低,阻抗不匹配和諧振頻率單一導致天線性能較差。

圖2　天線原型電壓駐波比帶寬

針對上述問題對天線進行優化仿真,改變下層貼片型式進行阻抗匹配。上表面增加E型結構和對稱縫隙增加諧振頻率擴展帶寬。根據固定要求和增加反射提高增益的需求,仿真中加入金屬地板。

優化后的天線結構如圖3所示。圖3為天線俯視圖,圖4為天線側視圖。采用介電常數為3、厚度為1.85 mm的基板。天線基本結構為偶極子單元。為擴展帶寬,對稱地增加兩條縫隙和E型槽,金屬地板起支撐和提高增益的作用。饋電方式采用同軸線饋電。天線結構尺寸如表1所示。

圖3　天線俯視圖

圖4　天線側視圖

表1　天線尺寸參數表

3仿真結果分析

圖5為仿真得到的電壓駐波比曲線。電壓駐波比小于2、相對帶寬達到80%,與天線優化前相比電壓駐波比帶寬顯著增加。圖6為微帶偶極子天線的輻射效率與增益。從圖中可知整個頻帶內的輻射效率均大于93%,整個頻帶的增益均大于5.5 dB,且低頻端增益相對較差。

圖5　天線電壓駐波比帶寬

圖6　天線單元輻射效率與增益

圖7為天線單元E面和H面方向圖。從E面方向圖來看,3 dB波瓣寬度從67°逐漸減小至43°,副瓣電平從-6.8 dB變化到-9.6 dB,在中頻處副瓣最低。由于E型結構本身不對稱,導致天線E面方向圖稍微偏離了主要輻射方向。

圖7　天線E面和H面方向圖對比

從H面方向圖看,3 dB波瓣寬度在124°左右,副瓣電平從-6.7 dB變化至-9.6 dB。

方向圖的變化可從圖8中的3D圖中直觀看到。圖中選取的是中頻和高頻兩個頻點的圖像。

圖9為中頻下天線磁能密度分布圖。從圖中可以看到,由于貼片E型結構和兩條縫隙結構的存在,產生了多個諧振頻率點,從而擴展天線單元的帶寬。

4結束語

針對微帶天線頻帶窄的缺點,本文設計了一個C波段微帶偶極子天線,結合微帶天線與偶極子天線的基本形式,在貼片上使用E型結構和對稱縫隙結構擴展帶寬,天線的相對電壓駐波比帶寬達到80%,頻帶內輻射效率大于92%。天線單元可用于共形天線陣列的設計。

圖8　天線中高頻3D方向圖對比

圖9　天線磁能密度分布圖

參考文獻:

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[2]Mak C L,Wong H，Luk K M.High-gain and wide-band single-layer patch antenna for wireless communications [J].IEEE Trans.on Vehicular Technology, 2005,54(1).

[3]安文星.新型寬帶電磁偶極子微帶天線的研究[D].云南大學博士論文,2012.

[4]張仁軒.一種新型寬帶電磁偶極子天線[D].北京郵電大學,2014.

Design of a wideband patch dipole antenna

WANG Kang, FANG Xin, WAN Xiao-gang

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088)

Abstract:A low-profile wideband patch microstrip dipole antenna element is designed combining the advantages of the microstrip antenna and the dipole antenna. The antenna bandwidth is extended via simulation and optimization. The VSWR is less than 2, and the relative bandwidth reaches 80% at C band. At the same time, the antenna gain is more than 5.5 dB, and the radiation efficiency is more than 92% within the frequency band. This antenna element can be used for the design of the conformal antenna array, which has favorable application prospects.

Keywords:microstrip antenna; dipole antenna; wideband

收稿日期:2016-03-12；修回日期:2016-04-02

作者簡介:王慷(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線及天線測試；方鑫(1989-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線及天線測試；萬小剛(1966-),男,高級工程師,研究方向:天線及天線測試。

中圖分類號:TN821.4

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0043-03