王　慷,方　鑫,万小刚

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

一种宽带贴片偶极子天线设计

王慷,方鑫,万小刚

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：结合微带天线和偶极子天线的优势,设计了一种低剖面的宽带贴片偶极子微带天线单元。通过仿真与优化,扩展了频带带宽。在C频段的电压驻波比小于2、相对带宽达到80%。同时,天线单元的增益在频带内均大于5.5 dB,频带内辐射效率大于92%。天线单元可用于共形天线阵列的设计,有良好的应用前景。

关键词:微带天线；偶极子天线；宽带

0引言

微带天线由于体积小、重量轻、低轮廓、易与载体表面共形、制造工艺简单、成本低、易与有源器件和电路集成等诸多优点而得到了广泛的重视。微带天线的缺点在于工作频带窄。谐振型微带天线主要工作在频率谐振点附近,当工作频率偏离谐振点时微带天线工作频带内阻抗匹配遭到破坏。

增加微带天线带宽的一般方法有:降低Q值,减小介质材料介电常数以及增加介质层厚度；采用多层贴片结构,不同层贴片分别控制不同的谐振频率,当频率靠近时可增加带宽；加阻抗匹配网络；采用不同贴片型式,如三角形、梯形、U型和E型等等。

本文主要将微带天线与偶极子天线形式结合,扩展天线单元带宽至80%,有很好的应用前景。

1微带天线设计原理

设计微带天线首先要确定其尺寸大小。假设天线工作频率为f,光速为c,使用的介质基片的高度为h,介电常数为εr,则微带天线的辐射贴片的宽度W:

微带天线的辐射贴片的长度L:

其中,εe为有效介电常数,△L为等效辐射缝隙长度。

矩形微带天线输入阻抗的近似公式:

2微带偶极子天线单元设计

天线采用微带天线和偶极子天线结合的方式。将微带天线低剖面的结构优点结合偶极子天线带宽宽的特点,首先设计了天线原型,见图1。

图1　天线原型

天线电压驻波比仅有12.5%的带宽,且增益较低,阻抗不匹配和谐振频率单一导致天线性能较差。

图2　天线原型电压驻波比带宽

针对上述问题对天线进行优化仿真,改变下层贴片型式进行阻抗匹配。上表面增加E型结构和对称缝隙增加谐振频率扩展带宽。根据固定要求和增加反射提高增益的需求,仿真中加入金属地板。

优化后的天线结构如图3所示。图3为天线俯视图,图4为天线侧视图。采用介电常数为3、厚度为1.85 mm的基板。天线基本结构为偶极子单元。为扩展带宽,对称地增加两条缝隙和E型槽,金属地板起支撑和提高增益的作用。馈电方式采用同轴线馈电。天线结构尺寸如表1所示。

图3　天线俯视图

图4　天线侧视图

表1　天线尺寸参数表

3仿真结果分析

图5为仿真得到的电压驻波比曲线。电压驻波比小于2、相对带宽达到80%,与天线优化前相比电压驻波比带宽显著增加。图6为微带偶极子天线的辐射效率与增益。从图中可知整个频带内的辐射效率均大于93%,整个频带的增益均大于5.5 dB,且低频端增益相对较差。

图5　天线电压驻波比带宽

图6　天线单元辐射效率与增益

图7为天线单元E面和H面方向图。从E面方向图来看,3 dB波瓣宽度从67°逐渐减小至43°,副瓣电平从-6.8 dB变化到-9.6 dB,在中频处副瓣最低。由于E型结构本身不对称,导致天线E面方向图稍微偏离了主要辐射方向。

图7　天线E面和H面方向图对比

从H面方向图看,3 dB波瓣宽度在124°左右,副瓣电平从-6.7 dB变化至-9.6 dB。

方向图的变化可从图8中的3D图中直观看到。图中选取的是中频和高频两个频点的图像。

图9为中频下天线磁能密度分布图。从图中可以看到,由于贴片E型结构和两条缝隙结构的存在,产生了多个谐振频率点,从而扩展天线单元的带宽。

4结束语

针对微带天线频带窄的缺点,本文设计了一个C波段微带偶极子天线,结合微带天线与偶极子天线的基本形式,在贴片上使用E型结构和对称缝隙结构扩展带宽,天线的相对电压驻波比带宽达到80%,频带内辐射效率大于92%。天线单元可用于共形天线阵列的设计。

图8　天线中高频3D方向图对比

图9　天线磁能密度分布图

参考文献:

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1991.4: 152-159.

[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.新型宽带电磁偶极子微带天线的研究[D].云南大学博士论文,2012.

[4]张仁轩.一种新型宽带电磁偶极子天线[D].北京邮电大学,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

作者简介:王慷(1990-),男,助理工程师,硕士,研究方向:天线及天线测试；方鑫(1989-),男,助理工程师,硕士,研究方向:天线及天线测试；万小刚(1966-),男,高级工程师,研究方向:天线及天线测试。

中图分类号:TN821.4

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0043-03