一种带状线馈电的印刷对数周期天线

张 岩,李 哲

(1.海军装备部驻扬州地区军事代表室,江苏 扬州 225001;2.中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

对数周期天线(LPDA)是一种非频变超宽带天线,它具有自相似结构,其电性能可以在10∶1甚至更宽的频带内基本保持不变。一般的对数周期天线用金属圆柱振子做成,其体积大,重量重,加工精度有限。将对数周期天线通过印制电路工艺制作在微带基板上,构成所谓的印刷对数周期天线(PLPDA),它具有重量轻、体积小、易于加工、制作精度高、一致性好的优点。文献[1]介绍了常规印刷对数周期天线的设计方法,文献[2]介绍了一种分形结构的小型化印刷对数周期天线的设计。

常规对数周期天线采用同轴电缆馈电[3],馈电点位于天线顶部,在较高的工作频段(6 GHz或更高),电缆及焊接部位对天线的性能影响较大,常出现驻波增大,方向图左右偏头等问题,这限制了印刷对数周期天线在较高频段的应用。本文对常规同轴馈电结构的印刷对数周期天线进行了分析,在此基础上提出了一种基于带状线结构的底端馈电印刷对数周期天线,并通过仿真分析,将带状线馈电与常规同轴馈电印刷对数周期天线的性能进行了对比。

1 常规印刷对数周期天线结构

常规印刷对数周期天线是将辐射振子和平行双线通过印刷电路工艺印制在同一块微带基板的正反两面,平行双线也称为集合线,如图1所示。通过同轴线从天线底部馈电,同轴线的外表皮焊接到平行双线的一条导带上,内导体延伸弯曲后焊接到双线的另一条导带上,如图2所示。

图1 常规印刷对数周期天线结构示意图

图2 常规印刷对数周期天线馈电结构示意图

印刷对数周期天线的设计是在一般对数周期天线的基础上,考虑微带基板的影响,对天线的参数进行适当修正得来的。

如图3所示,印刷对数周期天线的几何形状由比例因子τ和间隔因子σ确定,具体有以下关系:

图3 印刷对数周期天线结构尺寸示意图

(1)

(2)

式中:Ln为第n根振子的长度;dn为第n根和第n+1根振子间的距离。

印刷对数周期天线的具体设计步骤如下:

(1) 确定比例因子τ和间隔因子σ:比例因子τ和间隔因子σ的选取主要综合考虑天线增益以及波束宽度的要求决定,τ、σ与增益、波束宽度的关系可以通过查阅文献[4]中的图表得到。

(2) 计算各振子的长度和振子间距:天线振子的最大长度与最小长度由最低工作频率和最高工作频率决定,最长振子长度为:

L1=K1λmax

(3)

K1=1.01-0.519τ

(4)

最短振子的长度为:

Lmin=K2λmin

(5)

K2=7.08τ3-21.3τ2+21.98τ-7.3+

σ(21.82-66τ+62.12τ-18.29τ3)

(6)

式中:λmax和λmin分别为最低和最高工作频率对应的波长;K1和K2为截止常数,由经验公式确定。

一旦L1确定,就能由式(1)确定其他振子的长度:L2=τL1,L3=τL2,…,Ln=τn-1L1。

(3) 计算振子宽度:在对数周期偶极子天线中偶极子的半径:

an=Ln/(l/a)

(7)

式中:l/a为偶极子长度半径比,一般取为125。

一般印刷对数周期天线的振子线宽为:

Wn=πan

(8)

(4) 计算集合线宽度:首先,根据机械强度、介质损耗、成本等综合因素选择微波介质基板的厚度和介电常数,然后,开始计算集合线的宽度。要计算集合线宽度就要计算未加载的集合线特性阻抗Z0。Z0由加载后的集合线特性阻抗R0、偶极子长度直径比L1/2a1、τ、σ决定。R0与馈线特性阻抗相等时输入端达到匹配。考虑到高频端非谐振振子的电容加载作用,R0比50 Ω要稍大,取为65 Ω,则:

(9)

通过计算得到Z0后,即可通过平行双线阻抗计算公式得到集合线的宽度。

本文设计的印刷对数周期天线工作频段为6～18 GHz,综合考虑机械强度及成本因素,选用的介质基片为Rogers4350B,厚度1.524 mm,相对介电常数为3.66。通过理论计算和仿真优化,初步确定的设计参数如表1所示。

表1 印刷对数周期天线设计参数

2 常规印刷对数周期天线性能分析

使用仿真软件HFSS对常规印刷对数周期天线的性能进行分析,分别建立了理想集总端口(Lump Port)馈电和同轴线馈电的仿真模型,同轴线外导体直径为2.2 mm,内导体直径为0.5 mm。除馈电端口不同外,其余设计参数均相同。仿真模型如图4所示。

图4 印刷对数周期天线仿真模型

仿真结果如图5～图7所示。

图5 驻波仿真结果

图6 集总端口馈电E面方向图仿真结果

图7 同轴线馈电E面方向图仿真结果

从仿真结果可以看出,与理想集总端口馈电相比,同轴线馈电印刷对数周期天线驻波恶化严重,E面方向图出现明显的左右偏头现象,而且工作频率越高,影响越大。这是因为,在频率高端,同轴电缆和焊接点带来的不对称性更加明显,引起了振子表面电流幅度相位的变化,破坏了对数周期天线上下两层振子电流幅度相等、相位相反的工作条件。

3 带状线馈电印刷对数周期天线设计

为了解决同轴电缆馈电带来的性能恶化问题,本文提出了一种新型馈电方案,即使用带状线代替同轴电缆,将同轴接头设置在天线底部(最长振子端),避免同轴线及焊接部位对方向图的影响,同时在天线印制板两侧同时设置尺寸相同的带状线,保证天线的结构对称性不被破坏,解决不对称性带来的方向图偏头等问题。带状线馈电印刷对数周期天线结构模型如图8、图9所示。

图8 带状线馈电印刷对数周期天线仿真模型

图9 带状线馈电印刷对数周期天线模型局部

如图8和图9所示,使用带状线代替同轴电缆,带状线地板宽度与集合线宽度相同,中心馈线宽度为0.5 mm,基板厚度为0.254 mm,介电常数为3.66。靠近天线顶端处将上层集合线开一个圆孔代替同轴线进行馈电,带状线中心条带通过一个金属过孔与下层集合线相连接。

将带状线馈电与理想端口馈电印刷对数周期天线性能进行对比分析,仿真结果如图10、图11所示。

图10 驻波仿真结果(黑色曲线:集总端口馈电,红色曲线:带状线馈电)

图11 天线方向图对比(黑色曲线:集总端口馈电,红色曲线:带状线馈电)

从仿真结果可以看出,带状线馈电的印刷对数周期天线方向图较为对称,电性能与理想端口馈电天线较为相似。

4 结 论

本文设计了一种带状线馈电的印刷对数周期天线,该天线解决了常规印刷对数周期天线在频率高端存在的驻波恶化、方向图偏头等问题。仿真结果表明,在6～18 GHz的频带范围内,天线具有良好的电性能,增益和波束宽度稳定,拓宽了印刷对数周期天线的应用范围。