一種新型寬頻帶全向天線的設計

張運啟， 王 亮， 栗 曦， 楊 林， 龔書喜

(西安電子科技大學 天線與微波技術重點實驗室，陜西 西安 710071)

印制偶極子天線相比于傳統全向天線，具有低剖面、易加工、成本低、能與有源器件集成等優點，可以應用于點對點通訊、廣播、數據傳輸、組建無線擴頻網絡等領域[1]．隨著電子技術和通訊產業的飛速發展，對全向天線的要求越來越高，印制偶極子天線作為全向輻射天線，已經成為天線科學的一個重要研究方向．

早期的全向天線的帶寬較窄，這限制了天線在寬頻帶情況下的應用[2]．展寬天線帶寬成為天線中重要的研究內容．目前常用的展寬微帶貼片帶寬的方法有：加厚介質基板或是厚空氣介質，采用小介電常數εr或大 tanδ的基板；電容饋電(阻抗匹配)，采用鍥形或梯形基板、多層結構；使用電阻加載等[3-4]．但在工程應用中，有一些技術的實現難度大，天線結構過于復雜，比如采用多層結構時，天線厚度增加，加工難度大；使用加載電阻，會使天線的損耗增加，抗震能力下降．

筆者提出了一種新型的、結構簡單的印制偶極子天線．當印制偶極子天線印制在基板的同一面時適合采用共面帶線(CPS)饋電；如果印制在基片的兩面時，則應用平行雙導線饋電．筆者設計的天線通過平行耦合雙線對印制在介質基板兩側的兩個輻射單元進行饋電，寬偶極子可以減緩偶極子阻抗隨頻率的變化，增加帶寬．

1 印制偶極子單元的設計

印制偶極子天線主要有兩種形式：第1種結構是偶極子的兩個振子臂均印制在介質基板的同一面，然后用類平行耦合線分別與兩個振子臂相連接．這種偶極子的方向圖與普通對稱振子的相同，只是交叉極化比較嚴重，并且類平行耦合線與饋電同軸線之間要用巴倫來實現從非平衡結構到平衡結構的轉換[5]．第2種結構是將印制偶極子的兩個振子臂分別印制在介質基板的上下兩面，然后用平行耦合線與兩振子臂將介質基板上下兩層相連．這種設計的交叉極化較低，而且饋電結構更為簡單．

展寬印制偶極子天線的帶寬主要方法有：利用振子臂的漸變形式來減小振子臂的阻抗變化；采用寄生單元與偶極子的互耦來改善天線的阻抗特性；通過寬頻帶的饋電結構來實現寬帶特性；還有在介質基板兩面印制偶極子的方法來展寬帶寬[6-7]．

圖1 雙偶極子型振子

1.1 雙偶極子型振子的設計

雙偶極子型振子印制在介質基板的上下兩面，如圖1所示，振子的振子臂由介質基板兩側的金屬片構成，上下兩層的金屬片通過金屬化的通孔連接．振子臂中間連接的兩條金屬帶構成平行寬邊耦合線，與左右兩個振子臂相連構成平衡的饋電端口．當上下兩層的饋電連接方式相反時，振子有180°的相位差．

雙偶極子型振子帶寬展寬的原理可以看做是將振子臂加粗，從而帶寬變寬．也可將上下兩層的振子臂看做是寄生結構，兩層的振子臂互相耦合，從而展寬了帶寬．

偶極子的主要參數是振子臂的長度和寬度，而對其他的尺寸(例如振子臂之間的距離)沒有嚴格的要求．一般情況下，振子臂的寬度越寬，天線的帶寬越寬．天線的工作頻段主要由振子臂的長度決定．筆者設計的振子臂總長度近似為自由空間工作頻率對應波長的 1/2，在設計中振子臂的長度要比自由空間波長的 1/2 略短，一般乘以一個大小為0.8的因子．介質對天線性能也有很大影響．介質越厚，天線工作頻帶越寬．但是介質越厚，平行耦合線的寬度越寬，所以介質厚度不宜過厚[8-9]．

圖2 平行耦合線阻抗計算

1.2 平行耦合線饋電

對輻射單元進行饋電的是平行耦合線，特性阻抗Z0可以由寬度相等、介質厚度減半的微帶線的特性阻抗來等效求得．平行耦合線的電磁場如圖2所示．上下兩層金屬帶線上的電流相差180°，方向相反；饋線工作在奇模狀態，中間的對稱平面看做電壁．設微帶線與地板之間的電壓值為U，電流為I，則微帶線的特性阻抗定義為Zc=U/I．對平行耦合線，上下兩帶條之間的電壓為2U，電流仍為I，于是推出平行耦合線的特性阻抗Z0= 2U/I= 2Zc．類似微帶線，介質基板的厚度越厚，具有相同阻抗的平行耦合線就越寬．筆者設計的天線主要應用于無線通信，所以要求天線不能太大，介質基板厚度不宜太厚．

1.3 印制偶極子單元的仿真

仿真印制偶極子天線單元如圖1所示．設計天線的工作中心頻率是3.3 GHz，介質基板的介電常數為2.55，厚度為 1.5 mm．天線尺寸：振子臂長為 19 mm ，寬為 3 mm ，耦合線寬為 1.5 mm．仿真駐波比如圖3所示．可以看出單元駐波比小于2時，在 3.1～ 3.56 GHz 范圍內，相對帶寬較窄．方向圖如圖4所示，天線仿真最高增益為 3 dBi，不圓度最大為 1.5 dB，方向圖沒有裂瓣．

圖3 印制偶極子單元的仿真駐波比圖4 印制偶極子單元3.3GHz的仿真方向圖

2 寬帶印制偶極子的設計

印制偶極子天線的駐波比帶寬(駐波比小于2)通常只有10%左右．為了展寬天線的工作帶寬，采用寬偶極子和寬帶的饋電巴倫結構，如圖5所示．介質基板的尺寸是x1×y1×h= 16 mm× 90 mm× 1.5 mm，印制偶極子尺寸是dw×dl= 4 mm×19 mm．寬帶巴倫分為3級，采用平行耦合線向微帶線過渡，與振子相連的平行耦合線寬度sw4=1 mm，饋電的位置sl4=60 mm；中間一級加粗，sw2=1.5 mm，sl2=35 mm；最下面一級微帶線寬度sw3=4 mm，長度sl3=20 mm．

圖5 寬帶印制偶極子

在饋電巴倫中間一級加載單支節對天線的阻抗進行匹配．單支節的寬度sl1=0.8 mm，加載位置在天線底部 24 mm 處．在印制偶極子的振子臂上加載金屬化的通孔，這樣可以使天線方向圖的不圓度降低，改善天線的性能．

天線的仿真駐波比如圖6所示．可以看出，加載寬帶巴倫的印制偶極子天線駐波比在 2.57～ 3.97 GHz 頻帶內都在2以下，相對帶寬為42%;而沒有加載寬帶巴倫結構的天線駐波比在2以下的相對帶寬只有15%左右．可見寬帶巴倫能很好地調節天線的駐波帶寬．

圖6 天線仿真駐波比圖7 天線仿真方向圖

天線仿真中心頻率方向圖如圖7所示，天線在駐波比小于2 的頻帶內方向圖沒有裂瓣，仿真增益為 2.1～ 3.8 dBi，全向不圓度在 3 dB 以下．

3 天線實測結果

對圖8所示天線進行了測量，實測天線電壓駐波比在 2.6～ 4.1 GHz 頻帶小于2，相對帶寬為44.7%．天線在高頻端的電壓駐波比較仿真結果有 100 MHz 的展寬，在頻帶內電壓駐波比也較仿真結果更好，在 2.7～ 3.95 GHz 頻帶內小于1.5，如圖9所示．

圖8 天線實物圖9 天線實測駐波比

天線實測方向圖如圖10所示，在電壓駐波比小于2的頻帶內，方向圖沒有出現分裂，全向面不圓度小于 3 dB．隨著頻率增高，天線方向圖會上翹．天線全向面實測增益為 1.8～ 3.5 dBi．全向面不圓度在頻帶內如表1所示．

圖10 天線實測方向圖

f/GHz2.62.93.23.53.84.1不圓度/dB1.11.61.92.02.32.7

4 結 束 語

筆者設計了一種新型寬帶印制偶極子天線，利用寬帶巴倫展寬了天線的駐波比．加工了天線實物并進行了測量，實測駐波比在 2.6～ 4.1 GHz 頻帶內小于2，天線方向圖在 2.5～ 3.9 GHz 頻帶內全向面不圓度小于 3 dB，天線實測增益為 1.8～ 3.5 dBi．筆者設計的全向天線結構簡單，易于加工和安裝，在無線通信中有著廣泛的應用．

[1] 蔣芹, 洪偉. 一種新型寬帶印制天線 [J]. 微波學報, 2001, 17(3): 17-23.

Jiang Qin, Hong Wei. A New Type of Broadband Printed Antenna[J]. Journal of Microwaves, 2001, 17(3): 17-23.

[2] Herscovici N, Sipus Z, Kildal P S, The Cylinderiacal Omnidirectional Patch Antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001, 49(12): 1746-1753.

[3] Ma T G, Jeng S K. A Novel Compact Ultra-wideband Printed Dipole Antenna with Tapered Slot Feed [C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Piscataway: IEEE, 2003: 608-611.

[4] Wu C K, Wong K L. Broadband Microstrip Antenna with Directly Coupled and Gap-coupled Parasitic Patches [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 1999, 22(5): 348-349.

[5] Kim J, Kim J M, Yoon Y J. Wideband Printed Fat Dipole fed by Tapered Microstrip Balun [C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Piscataway: IEEE, 2003: 32-35.

[6] Zhou Z, Yang S, Nie Z P. A Novel Broadband Printed Dipole Antenna with Low Cross-polarization [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007, 55(11Ⅰ): 3091-3093.

[7] Thirakoune S, Petosa A, Ittipiboon A, et al, Broadband Printed Dipole Antennas [C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Piscataway: IEEE, 2002: 52-55.

[8] Wong K L, Hsiao F R, Chiou T W. Omnidirectional Planner Dipole Array Antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(2): 624-628.

[9] Jayakumar I, Garg R, Sarap B K, et al. A Conformal Cylindrical Array for Producing Omnidirectional Radiation Pattern [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1974, 34(10): 1258-1261.