微带偶极子天线的小型化改进设计

于 臻

(1.华北科技学院电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601;2.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876)

0 引言

随着无线电通信技术的发展，宽频带和小型化是目前天线的主要研究方向［1－3］。印刷偶极子天线具有重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点，广泛应用于各种无线通信系统中。普通的印刷偶极子天线频带非常窄，目前可采用许多途径来展宽其频带，如平面Balun偶极子天线，平行带状线馈电的双面印刷偶极子天线等［4－7］。由于微带天线具有重量轻、体积小、易于加载、制作精度高、稳定性好的优点，在各种小型化移动终端设备中得到了广泛应用。本文设计制作了一种新型双印刷宽带天线，该天线将两个长度不同的偶极子臂印刷在薄介质基片的两面作为谐振单元，采用渐变结构微带线加平行带状线馈电，其中心工作频率为2.45 GHz，采用HFSS软件进行建模仿真，并用PNA3621矢量网络分析仪对制作的天线进行了测试，测量结果与仿真结果较为吻合，天线性能较好。

1 偶极振子天线结构和工作原理

对称偶极振子天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成，中间为两个馈电端，如图1所示。

图1 对称振子辐射场

在振子上距中心z处取电流元段dz，用微元法可计算出它对远区场的贡献为:

1.1 对称偶极振子的方向特性

以波腹电流归算的方向函数为:

上式为对称偶极振子E面的方向函数;在振子的H面上，方向函数与φ无关，其方向图为圆。图2为采用Matlab软件对不同臂长的水平对称偶极振子E面归一化方向图仿真结果。

图2 对称偶极振子E面方向图(其中，t=l/λ)

由图可见，振子在其轴向无辐射，辐射与其电长度l/密切相关。当l≤0.5λ时，对称振子上各点电流同相，因此参与辐射的电流元越多，它们在θ=90°方向上的辐射越强，波瓣宽度越窄;当l=0.5λ时，对称振子上出现反相电流，也就开始出现副瓣;当电长度继续增大至l=0.72λ后，最大辐射方向将发生偏移;当l=λ时，在θ=90°的方向上就没有辐射了［8］。

1.2 对称偶极振子的阻抗特性

对称偶极振子输入阻抗对输入端电流非常敏感，其实际电流分布与理想正弦分布在输入端和波节处有一定的差别。为了较准确地计算天线的输入阻抗，常采用“等值传输线法”，偶极振子的平均特性阻抗为ZoA［9－10］:

其中，a为振子半径。

对称振子的输入阻抗Zin为:

其中，α为衰减常数，β为传输线的相移常数。由上式可知，振子越粗，平均特性阻抗Z0A越低，振子的输入阻抗随电长度的变化越平缓，有利于改善频带宽度。

1.3 微带偶极子天线的结构

将工作于半波状态的对称振子天线与微带天线技术相结合。整个天线结构分为5部分，即介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面，如下图所示。

图3 印刷偶极子天线模型

其中，介质层的材质为相对介电常数εr=4.4的环氧树脂玻璃纤维板(FR4)，采用双面敷铜，构成偶极子天线的两臂、微带馈线和微带巴伦。激励信号从天线馈电点处馈入，经过微带巴伦结构和微带传输线传输到偶极子天线的两个臂上。在微带传输线上，电流方向相反，不会辐射电磁波。对于半波偶极子天线，天线两个臂的总长度约为1/2个工作波长。偶极子天线是一个对称结构，传输线上的馈电电流必须是对称分布的。在与SMA母座连接时，需要采用一个不平衡到平衡的转换结构;另外，从阻抗匹配的角度，半波偶极子天线的输入阻抗约为73.2 Ω，而馈电端口阻抗为50 Ω，需要采用巴伦实现阻抗匹配。图中的三角形微带巴伦和微带传输线一起可以起到阻抗转换的作用，相当于1/4波长阻抗转换器。调节传输线的长度和三角形的大小，可以改变馈电面的输入阻抗。

1.4 微带偶极子天线的结参数计算

本次设计的天线的中心频率为2.45 GHz，若在自由空间中传播，对应的工作波长约为122 mm，则半波偶极子天线两个臂的总长度约为61 mm;若在全部填充以FR4材质的介质中传播，对应的工作波长约为58 mm，则半波长偶极子天线两个臂的总长度约为29 mm。因为印刷偶极子天线同时包含介质与自由空间，所以印刷偶极子天线臂的实际长度应该介于29 mm和61 mm之间，取二者的平均值45mm作为印刷偶极子天线两个臂总长度的初始值。传输线长度L1为22 mm，对于三角形的微带巴伦结构，两个直角边的长度初始值分别取12 mm和10 mm，金属传输线的宽度初始值都取3 mm。

2 偶极子微带天线建模与性能仿真

设计中采用Ansoft HFSS软件搭建天线模型并进行仿真分析。偶极子微带天线模型如图3所示。采用集总端口激励，求解频率设置为2.45 GHz，扫频范围为 2 GHz～3 GHz，选择快速(Fast)扫频类型，经过仿真，得到天线的方向图、回波损耗和输入阻抗等特性曲线，如图4，5所示。

图4 印刷偶极子天线3D方向图

从仿真结果可以看出，天线的方向性很好。从天线的驻波比和回波损耗特性曲线得到，回波损耗－10 dB相对带宽 BW=(2.729/2.256)/2.45=19.3%，在中心频率2.45 GHz处的VSWR为接近1，结果比较理想。

3 天线测试分析

制作的印刷偶极子变形天线实物如图6所示。

图5 印刷偶极子天线驻波比及回波损耗曲线

图6 印刷偶极子天线

使用普纳公司PNA3621型矢量网络分析仪及测试转台对该所设计的天线进行阻抗特性和方向及增益特性的测试。采用电桥法对偶极子天线的回波损耗、电压驻波比等阻抗特性进行测试，如图7所示。

另外，采取旋转天线法测试天线的增益和方向性:将待测天线固定于测试云台上，通过方向控制器控制天线在水平面内旋转360°，接收天线接收来自云台上发射天线的场强，经过处理后得到测试结果［11］。

图7 印刷偶极子天线阻抗特性测试场景

测试频率范围为2.2 GHz～2.7 GHz，以10 MHz为间隔，共选取51个采样测试点，测得天线输入端电压驻波比(VSWR)及回波损耗(RL)曲线和E面方向图，如图8所示。

图8 印刷偶极子天线测试结果

4 结论

从阻抗特性测试图中可以看出，在2.2 GHz～2.7 GHz带宽内，驻波比小于2.8，在2.45 GHz处的驻波比VSWR=1.5，整个测试频段内回波损耗RL＜－9 dB，与仿真结果比较吻合，天线性能较好。造成这种现象的主要原因，是天线在制作工艺上会存在一定的误差，另外，天线与馈线连接处由于焊接的原因，造成阻抗不匹配所致。从方向图中可以看出，天线方向图对称性比较好，旁瓣数目比较少，方向图不平滑呈锯齿状是由于试验室的空间测试环境有限，造成电波多次反射后进入测试天线所致。

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