基于3D打印技術(shù)的寬帶圓形微帶天線

張 勝，李大妮，徐 聰，于夢杰，解 鑫，曹為為

(中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

近年來，3D打印技術(shù)因其高效、環(huán)保、廉價的特點而受到廣泛關(guān)注。在微波領(lǐng)域中，它已被證明是簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)和提高天線性能的有效方法，并已將3D打印技術(shù)用于微帶天線的設(shè)計[1-5]。文獻[1]介紹了3D打印空氣基板的制作流程，并以此設(shè)計了一款高增益天線。文獻[3]利用3D打印技術(shù)設(shè)計了一款圓極化貼片天線。文獻[4]使用3D打印技術(shù)制作了非規(guī)則基板，并提出了利用非規(guī)則基板產(chǎn)生圓極化的方法。

圓形貼片天線因成本低、制造方便等優(yōu)點而備受歡迎，但圓形貼片天線的阻抗帶寬非常低，為了提高帶寬，人們提出了不同的解決方案。文獻[6]使用空氣作為基板，將同軸探針與貼片直接相連。雖然該天線阻抗帶寬達到36%，但是同軸探針易彎曲、變形，容易造成較大的誤差。文獻[7]通過引入雙耦合環(huán)和短路通孔，使天線阻抗帶寬達到31%，但是天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。文獻[8]通過加載兩個環(huán)形諧振器使天線帶寬達到27%，但天線增益較差。

本文提出了一款中心饋電的圓形微帶天線。該天線在基板的不同高度加載兩個耦合環(huán)，產(chǎn)生3種諧振頻率以拓展帶寬。天線尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0(其中λ0為天線最低工作頻率下自由空間的波長)，阻抗帶寬達到42%，天線增益達到8.4 dBi。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊，帶寬較寬，輻射性能良好且結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。

1 天線設(shè)計

1.1 天線的初始結(jié)構(gòu)

天線的初始構(gòu)形如圖1所示。天線以圓形金屬貼片作為輻射貼片，選擇聚乳酸(PLA)作為介質(zhì)板材料，其介電常數(shù)為2.54，損耗角正切為0.015。天線采用同軸饋電方式，為了實現(xiàn)較好的全向輻射，將饋電置于圓環(huán)中心位置。圖中，rg為介質(zhì)基板的半徑，r1為圓形輻射貼片的半徑，h1為介質(zhì)基板的厚度。

圖1 初始天線結(jié)構(gòu)

基板厚度h1是影響天線性能的關(guān)鍵因素之一，增加基板厚度可以降低天線的品質(zhì)因數(shù)Q，因此需要對h1進行優(yōu)化仿真，以尋找其最佳值。當h1不同時，天線的反射系數(shù)如圖2所示。隨著h1的增加，天線的工作帶寬拓寬。當h1達到某值后，天線的寬帶特性開始惡化。為了使天線達到良好的阻抗匹配，取h1=5 mm。

圖2 h1對天線性能的影響

1.2 引入第一個耦合環(huán)

初始圓形貼片天線的主要工作模式是TM02模，天線引入第一個耦合環(huán)可以激勵出TM01模，通過耦合環(huán)與圓形輻射貼片進行耦合可以進一步展寬帶寬。為了改善天線的寬帶特性，天線引入近饋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖3所示，耦合環(huán)與圓形貼片不在一個平面上，第一個耦合環(huán)半徑為r2，高度為h2。近饋結(jié)構(gòu)的外徑為rp，內(nèi)徑為rd。

圖3 加載第一個耦合環(huán)的天線結(jié)構(gòu)

耦合環(huán)與圓形貼片之間的距離是影響耦合的關(guān)鍵因素，因此，h2對天線性能有很大影響。圖4為h2的反射系數(shù)對比圖，h2對第二個諧振點無影響。隨著h2的增大，第一諧振點往低頻移動。為了使天線達到良好的阻抗匹配，取h2=2.5 mm。

圖4 h2對天線性能的影響

1.3 引入第二個耦合環(huán)

為了進一步提高天線帶寬和改善天線的寬帶特性，在上述優(yōu)化過程的基礎(chǔ)上繼續(xù)引入第2個耦合環(huán)。第2個耦合環(huán)可以激勵出TM03模，產(chǎn)生第3個諧振點。通過對第3個諧振點進行優(yōu)化，最終得到設(shè)計的天線。如圖5所示，第二耦合環(huán)分布在獨立的平面，高度為h3，半徑為r3。

圖5 天線的幾何尺寸

與上述思路相同，對第二個耦合環(huán)的高度h3進行優(yōu)化。如圖6所示，隨著h3的增加，兩環(huán)之間的耦合增強，導(dǎo)致第二諧振點向低頻移動，天線的寬帶特性逐漸惡化。當h3=0.8 mm時，天線達到最佳匹配狀態(tài)。優(yōu)化后的天線尺寸如表1所示。

圖6 h3對天線性能的影響

表1 天線的尺寸值 單位：mm

圖7為4.1 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz的電流分布圖。由圖可見，3個諧振點分別對應(yīng)TM01模、TM02模和TM03模。電流主要沿著徑向流動，切向分量非常少，因此，天線可以產(chǎn)生類似單極子天線的全向輻射。

圖7 天線電流分布圖

2 天線加工與測量

為了驗證仿真結(jié)果的有效性，對該天線進行了加工與測試。該天線尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0。介質(zhì)基板分為3層，使用傳統(tǒng)加工方式制作不僅會花費大量的時間和造成大量的浪費，還會破壞天線的一體性。3D打印技術(shù)因具有環(huán)保、生產(chǎn)周期短和一次成型等優(yōu)點，可以很好地解決這個問題。因此，本文提出的天線利用MAKESOME H0086打印機通過熔融沉積制造(FDM)技術(shù)進行制作，使用介電常數(shù)為2.54的PLA作為天線的主要打印材料，加工精度為100 μm。天線的輻射部分使用銅箔貼片進行制作。加工的天線如圖8所示。

圖8 天線實物圖

使用KEYSIGHT E5063A網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行測量。天線反射系數(shù)S11仿真與測試結(jié)果對比如圖9所示。由圖可見，天線在3.8～5.8 GHz工作頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配，天線相對帶寬為42%。

圖9 天線反射系數(shù)仿真與測試結(jié)果對比圖

圖10為天線的增益仿真與實測結(jié)果對比圖。由圖可見，實測增益為4.3～7.8 dBi。與仿真結(jié)果相比，天線的第一諧振點發(fā)生偏移，天線增益降低，這可能是因加工誤差導(dǎo)致。

圖10 天線增益仿真與測試結(jié)果對比圖

圖11為天線在4.1 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz下歸一化輻射方向圖。在整個頻段內(nèi)，天線具有較好的全向特性。測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

圖11 天線輻射方向圖

表2為本文設(shè)計的天線與其他文獻中天線的性能對比。由表可以看出，本文設(shè)計的天線具有尺寸小，帶寬寬，增益高等特點。

表2 本文設(shè)計的天線與其他文獻中天線的性能對比

續(xù)表

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于3D打印技術(shù)的寬帶圓形貼片天線。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0。將介質(zhì)基板設(shè)計為3層，并通過引入兩個耦合環(huán)，產(chǎn)生了3個諧振點以提升天線的帶寬。使用3D打印技術(shù)制作天線。經(jīng)過仿真分析和測試驗證，天線在3.8～5.8 GHz工作頻率內(nèi)，其反射系數(shù)小于-10 dB，天線增益高于4.3 dBi，峰值增益達到8.4 dBi。該天線具有質(zhì)量小，成本低，增益高等優(yōu)點，在寬帶無線通信系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。