多應用環境下新型微帶偶極子天線設計與優化

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(合肥工業大學 信息工程系，安徽 宣城 242000)

0 引言

無線電通信技術發展至今，已經在車載終端、便攜設備領域中得到了廣泛的應用。天線既是無線電通信重要的組成部分，也是影響通信系統性能的重要組件。目前對無線電通信的應用仍然局限在寬頻帶和小型化之中，存在偶極子臂細、安全性低、天線走線占用空間大、增益特性差等問題，很難滿足現代科技對通信的要求[1-2]。文獻[3]提出了高功率共面饋電脈沖輻射天線設計，該天線結構具有體積小的優勢，但是在安全性能方面較差，不能滿足通信的基本要求；文獻[4]提出了平行帶狀線饋電的雙面印刷偶極子天線設計，該天線結構便于集成、組成陣列，但是體積較大，也不能滿足通信的基本要求。

針對上述問題，提出了多應用環境下螺旋形印刷微帶偶極子天線設計與優化。該結構具有重量輕、體積小、成本低，便于集成、組成陣列，還能克服微帶天線頻帶窄的缺點。利用專業電磁仿真軟件HFSS對天線特性進行仿真，并得出結論，螺旋形印刷微帶偶極子天線設計增加了偶極子臂的粗度，具有良好的安全性能，大大減小了天線走線所占用的空間，增強了增益的特性，具有較好的性能，對于未來的微帶偶極子天線的設計與優化具有一定的參考價值。

1 多應用環境下新型微帶偶極子天線設計與優化

1.1 微帶偶極子天線硬件設計

微帶偶極子天線工作結構如圖1所示。

圖1 微帶偶極子天線工作結構圖

由圖1可知：該天線的結構是由兩根粗細均勻，長度相同的導線組成的，中間為兩個反饋的電端。距離微帶偶極子振子中心z處可以取長度為dz的一個微小電流元段，并將此電流元段分解為多個“元過程”，以此為基礎對微帶偶極子天線的硬件進行初始化設計。

1.1.1 初始化設計

微帶偶極子天線的初始化設計是由振子臂、介質板以及底部的漸變阻抗變換段和反射板組成的。介質板的頂部和底部以及兩側都是由振子臂包圍的，且利用微帶線進行饋電，其初始化結構如圖2所示。

圖2 初始化結構

由圖2可知：初始化的微帶偶極子天線結構設計在臂的上部和下部比較單薄，安全性極低，為此應該對該結構進行優化。

1.1.2 優化后的微帶偶極子天線結構

優化后的天線結構如圖3所示。

圖3 優化后的天線結構俯視圖

由圖3可知，優化后的天線結構在圖2的基礎上，添加了寄生貼片，并在上下貼片的表面進行穿孔，通過金屬進行連接，這無疑是增加了偶極子臂的粗度。

介質板中介質層的材質是由介電常數為ε=4.4的環氧樹脂玻璃纖維板組成的，并采用了雙面敷銅結構組成了天線的兩個臂端，且利用微帶線進行饋電[5]。數據信號流經過天線的饋電位置導入，并經過微帶巴倫的整體結構傳輸到偶極子天線的兩個臂端。而在微電的傳輸線路上，電流的方向是相反的，不可能接收到輻射的電磁波。半波偶極子天線的長度是偶極子天線兩個臂端長度的一般，且該天線的設計呈現的是一個對稱的結構，在傳輸的線路上，反饋的電流也必須是對稱的。該結構與底座連接時，需要使用一個轉換的結構，從電流的不穩定到穩定；從阻抗的角度分析，該天線結構需要設置一個電阻并且阻值為82.1歐姆，反饋端口電阻的阻抗為50歐姆，并且使用微帶巴倫來實現電阻阻抗的匹配。將微帶天線技術與對稱振子天線的屬性相結合，能夠提高該系統的安全性能。

1.1.3 螺旋形印刷天線結構

基于上述優化后的天線結構，提出了一種螺旋形印刷天線結構，如圖4所示。

圖4 螺旋形印刷天線結構框圖

由圖4可知：該結構將基片的頂部和底部利用微帶線纏繞成類似螺旋天線的一種結構形式。該結構中上下走線采用的是0.2 mm的銅孔來連接的，這種連接的方式能夠增加電流路徑的長度，還能節省天線走線所占用的空間。螺旋形印刷天線結構采用兩層的方式能夠有效的增加天線的物理長度，還能減少天線走線所占用的面積，位于中間位置的介質基片不但能夠抑制不同天線層的電磁干擾，還能抑制不同走向電流之間的增益衰減[6-7]。螺旋形印刷天線結構既擁有傳統天線結構的安全性，又擁有較高的增益特性，是一種在多應用環境下最適用的天線結構。

1.2 微帶偶極子天線軟件設計

1.2.1 微帶偶極子天線軟件設計原理

微帶偶極子天線工作原理是以元過程為基礎，并采用物理或數學的分析方法化解問題，該方法也被稱為微元法[8]，利用微元法可以計算距離較遠的輻射區場，其數值為：

(1)

1.2.2 對稱偶極振子方向設計

對稱偶極振子方向函數的計算以波腹電流歸算為基礎[9-10]，其公式如(2)所示：

(2)

對稱偶極振子在軸向上沒有輻射，輻射與微帶偶極子天線單臂長度s有關，當s的長度小于等于0.5λ的時候，對稱偶極振子所經過的電流是相同的，在電流相同的情況下，參與輻射電流元就會增加，當a=90°時，該方向上的輻射強度就會增加，電波的寬度就會變窄；當s的長度等于0.5λ的時候，對稱偶極振子所經過的電流的走向是相反的，這時就會出現副波瓣；當s的長度增大為0.7λ的時候，該方向上的輻射就會發生偏移；當s的長度等λ，a=90°的時候，該方向上的輻射強度為0。

1.2.3 對稱偶極振子阻抗特性的設計

由于偶極振子阻抗對輸入電流的異常敏感，導致了實際的電流分布情況與理論中的分布情況有一定的差別，具體表現在輸入端和波節處。傳統系統在計算輸入阻抗的時候，一般采用的是等值的傳輸方法。

對稱偶極振子的平均阻抗為：

(3)

公式(3)中：R為偶極振子的阻抗；s為微帶偶極子天線的單臂長度；r為球面半徑；dz為一個微小電流元段；r′為振子半徑。

對稱偶極振子的輸入阻抗為：

(4)

公式(4)中：Rin為對稱偶極振子輸入阻抗；s為微帶偶極子天線的單臂長度；g為衰減常數；h為相移常數；

由公式(4)可知，對稱偶極振子越粗，對稱偶極振子平均阻抗R就越；對稱偶極振子的輸入阻抗會隨著微帶偶極子天線的單臂長度s的變化而越發的平緩，這樣有利于改善頻帶寬度，使之更適用于多應用環境下的新型微帶偶極子天線結構。

1.2.4 天線結構參數優化

該系統設計的中心頻率為3.25 GHz，如果傳播介質為自由的空間，那么該天線結構所對應的工作波長為112 mm左右，偶極子天線兩臂加一起的長度為56 mm左右；如果傳播介質為全部填充的FR-4等級材料，那么該天線結構所對應的工作波長為60 mm左右，偶極子天線兩臂加一起的長度為30 mm左右。本文提出的螺旋形印刷天線結構既包括自由空間，又包括介質，因此該天線兩臂加一起的長度應為30 mm-56 mm左右，而螺旋形印刷天線兩臂加一起的長度應取兩者的平均值43 mm，且輸出的長度為20 mm，微帶巴倫結構中兩個直角邊的長度分別為9 mm和11 mm，傳輸線的寬度為4 mm。

由于螺旋形印刷天線呈現的是彎折的狀態，因此其實際各位置的尺寸要大于理論尺寸，初始尺寸設定如表1所示。

表1 螺旋形印刷天線初始尺寸

1)基層高度對諧振頻率的影響。

保持天線其它參數不變，根據參數掃描功能，基層高度分別為15 mm、14 mm、13 mm的時候，天線諧振頻率分別為539 MHz、587 MHz、621 MHz，由此可以得出結論：隨著基層高度的降低，其諧振的頻率變大。

2)基層寬度對諧振頻率的影響。

保持天線其它參數不變，根據參數掃描功能，基層寬度分別為3 mm、2.8 mm、2.1 mm的時候，天線諧振頻率分別為565 MHz、592 MHz、640 MHz，由此可以得出結論：隨著基層寬度的降低，其諧振的頻率變大。

3)連接兩孔之間距離對諧振頻率的影響。

保持天線其它參數不變，根據參數掃描功能，連接兩孔之間距離分別為

1.2 mm、0.8 mm、0.6 mm的時候，天線諧振頻率分別為623 MHz、610 MHz、592 MHz，由此可以得出結論：隨著連接兩孔之間距離的減小，其諧振的頻率也變小。

由此可以得出天線結構最優參數尺寸如表2所示。

表2 螺旋形印刷天線結構最優參數尺寸

2 實驗結果與分析

為了驗證多應用環境下新型微帶偶極子天線設計與優化的合理性，進行了仿真對比實驗，其實驗過程如下所示：

1)采用的是HFSS11軟件建立模型，設置實驗環境與參數。

2)回波損耗分析與結果以滿足通信要求。

3)駐波比分析與結果以滿足通信要求。

2.1 實驗環境與參數設置

實驗采用的是HFSS11軟件所建立模型，如圖5所示。

圖5 天線模型

采用的是集總端口激勵，頻率設置為3.12 GHz，掃描頻率為300～400 MHz，掃描類型為快速掃描。

2.2 回波損耗結果與分析

天線結構諧振頻率選取的范圍為320～345 MHz，回波損耗仿真實驗結果如圖6所示。

由圖6可知：當諧振頻率為320～332 MHz的范圍內曲線圖呈現下降趨勢，回波損耗從-1 dB下將到-23 dB；當諧振頻率為332～345 MHz的范圍內曲線圖呈現上升趨勢，回波損耗從-23 dB上升到-1 dB。由此可以看出，當諧振頻率為332 MHz的時候，該點的回波損耗為-23 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范圍內，回波損耗小于-10 dB，滿足通信行業的標準。

圖6 回波損耗

2.3 駐波比結果與分析

天線結構諧振頻率選取的范圍為320～345 MHz，駐波比仿真實驗結果如圖7所示。

圖7 駐波比

由圖7可知：當諧振頻率為320～332 MHz的范圍內曲線圖呈現下降趨勢，駐波比從3.40 dB下將到1.30 dB；當諧振頻率為332～345 MHz的范圍內曲線圖呈現上升趨勢，但是比較緩慢，駐波比從1.30 dB上升到1.70 dB。由此可以看出，當諧振頻率為332 MHz的時候，該點的駐波比為1.30 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范圍內，駐波比小于1.50 dB，滿足通信行業的標準。

2.4 實驗結論

由上述的實驗過程可以得出結論：在328～340 MHz的有效范圍內，駐波比小于1.70 dB；在331.5～334.9 MHz的有效范圍內，駐波比小于1.50 dB；在330～332 MHz的有效范圍內，駐波比小于1.30 dB，在331.5～334.9 MHz的有效范圍內，回波損耗小于-10 dB。在該范圍內能夠有效的避免瞬間過高電壓導致射頻末端的損壞，能夠滿足通信的基本要求，增加了偶極子臂的粗度，提高了安全性，大大減小了天線走線所占用的空間，增強了增益的特性。

3 結束語

在多應用環境下利用微帶巴倫的電磁耦合機理，通過融合螺旋天線的結構特點對微帶偶極子天線進行設計與優化，能夠實現電磁波在微帶線間的合理耦合，對于未來的微帶偶極子天線的設計與優化具有一定的參考價值，并且充分滿足通信行業的基本標準。