一種寬帶高增益引向天線的仿真與實驗

郭蘭圖,林 澍,劉冠君

(1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150080)

【信息科學與控制工程】

一種寬帶高增益引向天線的仿真與實驗

郭蘭圖1,林 澍2,劉冠君2

(1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150080)

提出了一種具有40%相對帶寬和較高增益的印刷型引向天線，天線采用微帶線饋電，加載較長的介質板改善口徑場的幅相分布，仿真和實驗表明：該天線與傳統加載多個寄生振子的方法相比，不影響天線的阻抗帶寬，增益也能有較大的提高；通過CST Microwave Studio的電流密度與口面場的仿真結果證明了上述結論，該天線亦可組陣使用。

寬帶；高增益；引向天線；印刷天線

引向天線具有結構簡單，增益較高的特點。在通信與電子系統中獲得了廣泛的應用。印刷電路技術的發展使印刷型引向天線受到了廣泛的關注[1-3]。但是，引向天線增益的提高與帶寬是相互矛盾的，傳統的增加引向器的方法雖然能提高增益，但會使天線帶寬顯著降低，因此一般情況下采用組陣的方法提高系統增益[4-5]。在此提出了一種加載介質板提高引向天線增益的技術，可以不改變天線單元的帶寬卻能提高增益。采用CST軟件進行仿真，對天線的表面電流和口面場進行了定量分析解釋了天線的帶寬特性和高增益特性。

1 天線結構

天線外形如圖1所示，該天線印刷在一塊厚度為1.6 mm 的FR-4型環氧板兩面。饋源為半波振子，饋線為微帶線轉直線漸變形式的平衡微帶線。天線具有一個引向器，引向器前端的介質長度為天線金屬段長度的2倍。具體尺寸：a=25 mm,b=35 mm, 2l1=18 mm, 2l2=13.9 mm, 2l3=6.4 mm,d1=5 mm,d2=4 mm,d3=4.25 mm,d4=3 mm,w1=3.4 mm,w2=1 mm,D=0.5 mm。

2 仿真結果分析

2.1 輻射特性分析

通過CST軟件可以獲得天線引向器、有源振子和反射器(微帶線地板)表面的電流相位分布如圖2所示。從仿真結果可知，3個輻射器上電流均為駐波電流，且相位依次滯后，從而使天線產生了定向輻射特性。

圖2 振子表面電流相位分布

2.2 工作帶寬分析

圖3給出了3個輻射器上電流與頻率關系曲線，可以看出3個電流都有各自的諧振點，因此天線的工作帶寬由這3個頻率決定。|S11|的仿真結果證明了這一點。天線的工作帶寬達到了8～12 GHz，相對帶寬為40%。

圖3 振子電流分布

2.3 增益提高機理

通過仿真獲得了具有和沒有介質板加載情況下的天線口面處電場的幅相分布，如圖4(a)和圖4(b)所示。兩者相比，口面場的幅度分布相差不大，但是相位分布卻有較大差異，不具有介質板的天線的口面場的相差很大，因此會導致天線口面利用系數下降，從而增益小于具有介質板的天線。這里，較大的介質板是導致口徑相差變化較小的原因。

通過圖4(c)可以對該天線的口面相位分布改善的原因給出物理上的解釋，介質板加長后，會有較多的電波在介質板兩側與空氣的分界面發生反射，這種反射以全反射居多。電磁波能量從而較多地聚集到了介質板內部，這相當于使口面場的分布得到了優化，這種優化主要體現在相位分布上。改善了相位分布的口徑，相當于提高了口徑的有效面積，因此天線的增益也會增加。仿真結果表明，加載后天線的增益達到了7～9 dBi，而通常三元引向天線的增益一般在5～7 dBi，兩者相比會有2 dB的增益提高。

另外，加載的介質板與印刷天線本身的介質基板的材料是一致的，因此電磁波在加載介質板內傳播時，在水平方向的介質-空氣界面上的反射與不加載介質板類似，因此加載后的天線的反射系數不會發生顯著變化，天線的阻抗帶寬也不會發生較大變化。

圖4 天線口面處電場幅相分布

3 實驗結果

對所設計的天線制作實物，實物見圖5所示，并進行測試，所得到的|S11|，增益和方向圖曲線見圖6、圖7、圖8，可以看出仿真結果與實驗結果吻合得很好。介質板與焊接的非理想性導致了他們的少量差異。

圖5 天線實物圖

圖6 反射系數實驗和仿真結果

圖8 方向圖實驗和仿真結果

4 結論

設計了一種具有40%帶寬，增益達到8 dBi的引向天線，實現了在提高增益的情況下阻抗帶寬卻沒受影響，天線可以單獨使用，也可以組成陣列。

[1] WANG H,LIU L,ZHANG Z,et al.A Wideband Compact WLAN/WiMAX MIMO Antenna Based on Dipole With V-shaped Ground Branch[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2015,63(5):2290-2295.

[2] ZOU X,TONG C M,BAO J S,et al.SIW-Fed Yagi Antenna and Its Application on Monopulse Antenna[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2014(13):1035-1038.

[3] ZHANG W H,TAM K W.A compact wideband planar quasi-Yagi antenna[C]//Wireless Symposium (IWS),2015 IEEE International.IEEE,2015:1-4.

[4] KANG C Y.A Wideband Printed Directional Antenna Array with Impedance Regulating Load[J].International Journal of Antennas and Propagation,2014(6):1-10.

[5] 何林濤.機載毫米波有源相控陣天線熱設計研究[J].兵器裝備工程學報，2016(5):115-119.

(責任編輯 楊繼森)

Experiment and Simulation of a Wideband and High-Gain Directional Antenna

GUO Lan-tu1， LIN Shu2， LIU Guan-Jun2

(1.The 22ndResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao 266107, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

A 40% relative bandwidth high gain directional printed antenna was proposed, which was fed by micro-strip line. By loading longer substrate, the distribution of amplitude and phase of aperture field can be improved. Simulation and experiment show that the antenna does not affect the bandwidth of the antenna and the gain can be greatly improved compared with the conventional Yagi-Uda antenna. The above results were proved by the simulation results of current density and aperture field distribution of CST Microwave Studio. The proposed antenna can also be used to form antenna array.

wide-band; high-gain; directional antenna; printed antenna

2016-12-22；

2017-01-25 基金項目：國家重大科學儀器開發專項(2012YQ0037)

郭蘭圖(1982—)，男，高級工程師，主要從事頻譜管理及復雜電磁環境研究。

10.11809/scbgxb2017.05.022

format:GUO Lan-tu，LIN Shu，LIU Guan-Jun.Experiment and Simulation of a Wideband and High-Gain Directional Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):99-101.

TN82

A

2096-2304(2017)05-0099-03

本文引用格式：郭蘭圖,林澍,劉冠君.一種寬帶高增益引向天線的仿真與實驗[J].兵器裝備工程學報，2017(5):99-101.