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(mèng)杰，解 鑫，曹為為

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)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(jià)的特點(diǎn)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(jì)[1-5]。文獻(xiàn)[1]介紹了3D打印空氣基板的制作流程，并以此設(shè)計(jì)了一款高增益天線。文獻(xiàn)[3]利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款圓極化貼片天線。文獻(xiàn)[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(diǎn)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(xiàn)[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(dá)到36%，但是同軸探針易彎曲、變形，容易造成較大的誤差。文獻(xiàn)[7]通過引入雙耦合環(huán)和短路通孔，使天線阻抗帶寬達(dá)到31%，但是天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。文獻(xiàn)[8]通過加載兩個(gè)環(huán)形諧振器使天線帶寬達(dá)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(gè)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(dá)到42%，天線增益達(dá)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(diǎn)。

1 天線設(shè)計(jì)

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(shí)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(duì)h1進(jìn)行優(yōu)化仿真，以尋找其最佳值。當(dāng)h1不同時(shí)，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(dāng)h1達(dá)到某值后，天線的寬帶特性開始惡化。為了使天線達(dá)到良好的阻抗匹配，取h1=5 mm。

圖2 h1對(duì)天線性能的影響

1.2 引入第一個(gè)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(gè)耦合環(huán)可以激勵(lì)出TM01模，通過耦合環(huán)與圓形輻射貼片進(jìn)行耦合可以進(jìn)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(gè)平面上，第一個(gè)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(gè)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(duì)天線性能有很大影響。圖4為h2的反射系數(shù)對(duì)比圖，h2對(duì)第二個(gè)諧振點(diǎn)無影響。隨著h2的增大，第一諧振點(diǎn)往低頻移動(dòng)。為了使天線達(dá)到良好的阻抗匹配，取h2=2.5 mm。

圖4 h2對(duì)天線性能的影響

1.3 引入第二個(gè)耦合環(huán)

為了進(jìn)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(gè)耦合環(huán)。第2個(gè)耦合環(huán)可以激勵(lì)出TM03模，產(chǎn)生第3個(gè)諧振點(diǎn)。通過對(duì)第3個(gè)諧振點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到設(shè)計(jì)的天線。如圖5所示，第二耦合環(huán)分布在獨(dú)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(duì)第二個(gè)耦合環(huán)的高度h3進(jìn)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(qiáng)，導(dǎo)致第二諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，天線的寬帶特性逐漸惡化。當(dāng)h3=0.8 mm時(shí)，天線達(dá)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(duì)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(gè)諧振點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)TM01模、TM02模和TM03模。電流主要沿著徑向流動(dòng)，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(cè)量

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，對(duì)該天線進(jìn)行了加工與測(cè)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(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和造成大量的浪費(fèi)，還會(huì)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(diǎn)，可以很好地解決這個(gè)問題。因此，本文提出的天線利用MAKESOME H0086打印機(jī)通過熔融沉積制造(FDM)技術(shù)進(jìn)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(jìn)行制作。加工的天線如圖8所示。

圖8 天線實(shí)物圖

使用KEYSIGHT E5063A網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量。天線反射系數(shù)S11仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)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(duì)帶寬為42%。

圖9 天線反射系數(shù)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

圖10為天線的增益仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。由圖可見，實(shí)測(cè)增益為4.3～7.8 dBi。與仿真結(jié)果相比，天線的第一諧振點(diǎn)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(cè)試結(jié)果對(duì)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(gè)頻段內(nèi)，天線具有較好的全向特性。測(cè)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(jì)的天線與其他文獻(xiàn)中天線的性能對(duì)比。由表可以看出，本文設(shè)計(jì)的天線具有尺寸小，帶寬寬，增益高等特點(diǎn)。

表2 本文設(shè)計(jì)的天線與其他文獻(xiàn)中天線的性能對(duì)比

續(xù)表

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(jì)為3層，并通過引入兩個(gè)耦合環(huán)，產(chǎn)生了3個(gè)諧振點(diǎn)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(cè)試驗(yàn)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(dá)到8.4 dBi。該天線具有質(zhì)量小，成本低，增益高等優(yōu)點(diǎn)，在寬帶無線通信系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。