一種雙面印刷偶極子天線

引言

偶極子天線是一種最基本的單元形式，既可獨立使用，也可作為大型天線陣的輻射單元。采用微帶平衡巴倫饋電的印刷偶極子天線具有剖面薄、重量輕、體積小、成本低、便于集成和組成陣列等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。而一般的印刷偶極子天線存在帶寬較窄、交叉極化電平過高等缺點。

本文提出了一種雙面印刷偶極子天線，在傳統(tǒng)微帶巴倫饋電的單面偶極子基礎(chǔ)上，多加了層介質(zhì)在巴倫兩側(cè)雙面印刷偶極臂，改變了巴倫饋電的電場分布，使得橫向交叉極化電場分量相互抵消降低了天線的交叉極化特性。并通過調(diào)整巴倫結(jié)構(gòu)，獲得了良好的雙諧振匹配，達到了展寬帶寬的效果。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

印刷偶極子天線由兩部分組成：在一塊介質(zhì)板上一面印刷平衡巴倫饋電結(jié)構(gòu)，另一面印刷偶極子臂。

傳統(tǒng)單面印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示;雙面印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。從兩張圖比較來看，前者一層介質(zhì)，一面是偶極子臂，另一面是微帶巴倫;后者雙層介質(zhì)，兩面都為偶極子臂，中間相當(dāng)于帶狀線的巴倫。從圖1右側(cè)可以看出，單面偶極子天線的巴倫會帶來橫向交叉極化電場分量;而圖2中，雙面偶極子天線巴倫的橫向電場分量相互抵消，這樣大大降低了天線的交叉極化電平。

圖1 單面印刷偶極子天線

微帶巴倫在這里起到了平衡-不平衡轉(zhuǎn)換和阻抗匹配的作用。它的等效電路模型如圖3所示：

圖2 雙面印刷偶極子天線

圖3 平衡巴倫結(jié)構(gòu)等效電路圖

印刷振子一般都具有雙諧特性即在帶寬內(nèi)有兩個諧振點，當(dāng)兩個諧振點相距較遠時，每個諧振點附近的駐波曲線較尖銳，諧振點之問的頻率點上駐波較大，只有在兩個諧振區(qū)部分重合時，才有可能在滿足駐波要求的條件下獲得較大的帶寬。通過調(diào)節(jié)參數(shù)s、hs、hm、Wm和lm(即開路線寬度長度和開槽的寬度長度及匹配段的寬度長度)，可以使其阻抗在很寬的頻帶內(nèi)匹配。

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本文提出的雙面印刷偶極子天線由兩層Er=2.55,每層厚度t=0.7mm的介質(zhì)雙面印刷偶極子臂，中間印刷巴倫結(jié)構(gòu)組成。為了使天線單向輻射，天線底部加有金屬底板。天線的尺寸參數(shù)如圖4所示：w1、w2、h1、h2、L決定偶極臂的尺寸;s、hs、hm、Wm、lm決定巴倫的尺寸。

圖4 天線尺寸參數(shù)圖

3 天線優(yōu)化仿真與結(jié)果

本文天線經(jīng)過仿真計算，尺寸參數(shù)基本確定為：w1=35mm,w2=25mm,h1=60mm, h2=25mm,L=40mm;s=1.5mm,hs=1mm, wm=1mm,lm=20mm,hm=25mm。通過不斷的優(yōu)化這些參數(shù)變量，得到了以1.25GHz為中心頻率回波損耗小于-10dB的1-1.51GHz(約40%)的帶寬，如圖5所示：

圖5 天線回波損耗圖

在此頻率范圍內(nèi)天線的增益為5-9dBi，如圖6所示：

圖6 天線增益圖

天線在1GHz、1.25GHz和1.5GHz的方向圖分別為圖7、圖8和圖9。

圖7 1GHz時的方向圖

圖8 1.25GHz時的方向圖

圖9 1.5GHz時的方向圖

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本文設(shè)計的雙面印刷偶極子天線與傳統(tǒng)單面偶極子相比，在中心頻率1.25GHz上的交叉極化電平由-30dB降低到了-50dB，如圖10和11所示：

圖10 傳統(tǒng)單面印刷偶極子的交叉極化

圖11 雙面印刷偶極子的交叉極化

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種雙面印刷偶極子天線，采用雙層平面偶極子結(jié)構(gòu)降低了交叉極化電平，利用平衡巴倫匹配獲得雙諧振點拓展帶寬。最后達到了40%的回波損耗小于-10dB的阻抗帶寬，帶內(nèi)增益5-9dBi，交叉極化電平小于-50dB的結(jié)果。為印刷天線的寬帶與低交叉極化設(shè)計提供了有效的方法與途徑。