一种宽带高增益引向天线的仿真与实验

郭兰图,林 澍,刘冠君

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛 266107；2.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150080)

【信息科学与控制工程】

一种宽带高增益引向天线的仿真与实验

郭兰图1,林 澍2,刘冠君2

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛 266107；2.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150080)

提出了一种具有40%相对带宽和较高增益的印刷型引向天线，天线采用微带线馈电，加载较长的介质板改善口径场的幅相分布，仿真和实验表明：该天线与传统加载多个寄生振子的方法相比，不影响天线的阻抗带宽，增益也能有较大的提高；通过CST Microwave Studio的电流密度与口面场的仿真结果证明了上述结论，该天线亦可组阵使用。

宽带；高增益；引向天线；印刷天线

引向天线具有结构简单，增益较高的特点。在通信与电子系统中获得了广泛的应用。印刷电路技术的发展使印刷型引向天线受到了广泛的关注[1-3]。但是，引向天线增益的提高与带宽是相互矛盾的，传统的增加引向器的方法虽然能提高增益，但会使天线带宽显著降低，因此一般情况下采用组阵的方法提高系统增益[4-5]。在此提出了一种加载介质板提高引向天线增益的技术，可以不改变天线单元的带宽却能提高增益。采用CST软件进行仿真，对天线的表面电流和口面场进行了定量分析解释了天线的带宽特性和高增益特性。

1 天线结构

天线外形如图1所示，该天线印刷在一块厚度为1.6 mm 的FR-4型环氧板两面。馈源为半波振子，馈线为微带线转直线渐变形式的平衡微带线。天线具有一个引向器，引向器前端的介质长度为天线金属段长度的2倍。具体尺寸：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 仿真结果分析

2.1 辐射特性分析

通过CST软件可以获得天线引向器、有源振子和反射器(微带线地板)表面的电流相位分布如图2所示。从仿真结果可知，3个辐射器上电流均为驻波电流，且相位依次滞后，从而使天线产生了定向辐射特性。

图2 振子表面电流相位分布

2.2 工作带宽分析

图3给出了3个辐射器上电流与频率关系曲线，可以看出3个电流都有各自的谐振点，因此天线的工作带宽由这3个频率决定。|S11|的仿真结果证明了这一点。天线的工作带宽达到了8～12 GHz，相对带宽为40%。

图3 振子电流分布

2.3 增益提高机理

通过仿真获得了具有和没有介质板加载情况下的天线口面处电场的幅相分布，如图4(a)和图4(b)所示。两者相比，口面场的幅度分布相差不大，但是相位分布却有较大差异，不具有介质板的天线的口面场的相差很大，因此会导致天线口面利用系数下降，从而增益小于具有介质板的天线。这里，较大的介质板是导致口径相差变化较小的原因。

通过图4(c)可以对该天线的口面相位分布改善的原因给出物理上的解释，介质板加长后，会有较多的电波在介质板两侧与空气的分界面发生反射，这种反射以全反射居多。电磁波能量从而较多地聚集到了介质板内部，这相当于使口面场的分布得到了优化，这种优化主要体现在相位分布上。改善了相位分布的口径，相当于提高了口径的有效面积，因此天线的增益也会增加。仿真结果表明，加载后天线的增益达到了7～9 dBi，而通常三元引向天线的增益一般在5～7 dBi，两者相比会有2 dB的增益提高。

另外，加载的介质板与印刷天线本身的介质基板的材料是一致的，因此电磁波在加载介质板内传播时，在水平方向的介质-空气界面上的反射与不加载介质板类似，因此加载后的天线的反射系数不会发生显著变化，天线的阻抗带宽也不会发生较大变化。

图4 天线口面处电场幅相分布

3 实验结果

对所设计的天线制作实物，实物见图5所示，并进行测试，所得到的|S11|，增益和方向图曲线见图6、图7、图8，可以看出仿真结果与实验结果吻合得很好。介质板与焊接的非理想性导致了他们的少量差异。

图5 天线实物图

图6 反射系数实验和仿真结果

图8 方向图实验和仿真结果

4 结论

设计了一种具有40%带宽，增益达到8 dBi的引向天线，实现了在提高增益的情况下阻抗带宽却没受影响，天线可以单独使用，也可以组成阵列。

[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] 何林涛.机载毫米波有源相控阵天线热设计研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):115-119.

(责任编辑 杨继森)

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 基金项目：国家重大科学仪器开发专项(2012YQ0037)

郭兰图(1982—)，男，高级工程师，主要从事频谱管理及复杂电磁环境研究。

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：郭兰图,林澍,刘冠君.一种宽带高增益引向天线的仿真与实验[J].兵器装备工程学报，2017(5):99-101.