蝶形双偶极子宽带印刷端射天线设计

赵刘易斯，王友保，郑大鹏

(南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

0 引 言

随着无线通信系统技术的进步，人们对天线结构、能量辐射等性能的要求也越来越严格[1-2]。在雷达、隧道通信、导航和矿井探测等场合应用中，宽频带、高增益和方向性已经成为评判天线性能优劣的重要指标。端射天线与其他天线相比，具有增益高、方向性好的优点，用来测向和远距离通信效果好，可用于多种场合[3-4]。常见的端射天线有渐变槽线天线[5-6]、对数周期天线[7-9]、八木天线[10-12]等。而八木天线作为端射天线最典型的结构之一，具有结构简单、价格低廉、方向性好、易于制造等优点。但是,因为其具有体积过大、带宽窄等缺点，不能达到某些通信系统低剖面的要求，在移动通信领域和一些空间有限的实际工程中应用受到极大的限制[13]。因此，在20世纪90年代，文献[14]将八木天线的原理应用于微带天线设计中，设计出了微带八木天线[14]。为了达到宽频带的效果，文献[15-18]通过对八木天线的辐射单元形状进行改进，以此来提高天线的带宽。在文献[19]中，作者首次采用了阶梯槽线结构提高了天线带宽。之后文献[20-21]便将这种结构应用到超宽带端射天线中，以此拓宽带宽。为了提高增益，文献[22-23]中分别提出了工作在WLAN(无线局域网)频段下的单八木、双八木和四八木阵列天线设计，最高增益由10.7 dBi提高到了15.6 dBi，实现了高增益效果，但带宽却随之变窄。因此，文献[24]提出了对文献[22-23]的设计结构进行改进，在保证高增益的前提下通过在八木天线辐射贴片两侧添加寄生贴片来增加带宽，实现了宽频带、高增益的效果。文献[25]通过对天线引向器形状进行设计来提高天线的增益。在八木天线设计中，菱形引向器通过与驱动器耦合产生电流，感应电流在引向器上进行渐进相移，从而形成适合于支撑行波的阵列结构，进而提高了增益。文献[26]采用阵列天线方式来提高天线增益，但天线尺寸相对较大。为了拓宽天线带宽，同时减小天线尺寸。文献[27]将端射天线辐射器设计为蝶形来提高带宽，通过在天线反射板上添加枝节来减小天线尺寸。而文献[28]通过将偶极子辐射器弯折的方法来提高天线带宽，并减小了天线尺寸。

平面双偶极子阵列天线因其结构简单，频带宽，易于集成而得到广泛应用。本文设计了一款蝶形双偶极子宽带印刷端射天线。通过采用阶梯槽线结构来扩大天线带宽，提高设计天线的定向辐射性能。再引入蝶形枝节加载到矩形双偶极子驱动器和地面反射器上，增加了天线的电流路径长度，进一步提高带宽并减小了天线尺寸。最后在不改变天线尺寸的前提下，在引向器上下两边加载寄生贴片，与引向器形成类似阵列的结构，扩大了设计天线的辐射口径，从而提高了天线高频端带宽和增益。最终所设计的天线带宽为1.56 GHz～3.93 GHz，增益为5.7 dBi～8.65 dBi。

1 端射天线设计与分析

图1为所设计的蝶形双偶极子宽带印刷端射天线的结构图。该天线由两个不同长度的印刷蝶形偶极子驱动器(D1、D2)、一个半蝶形地面反射器(R0)、一条微带馈线和一个引向器(Dr1)以及两个寄生贴片(Dr2、Dr3)组成。两个蝶形偶极子驱动器和反射器通过共面带(Coplanar Strip，CPS)线串联连接，与引向器、寄生贴片印制在天线的背面。微带馈线印制在天线的正面，与CPS线组成简单的集成巴伦，从而使所设计的天线输入阻抗易与50 Ω微带馈线匹配。在微带线的末端馈电点处，使用金属短路柱进行短路。金属短路柱的半径取值为0.5 mm。天线印刷在相对介电常数为4.4，损耗角正切tanδ=0.02，厚度为1.6 mm的FR4介质板上。另外，天线优化后的最终尺寸如表1所示。

图1 蝶形双偶极子宽带印刷端射天线结构图

表1 优化后的设计参数 mm

2 天线的结构分析

所设计的蝶形双偶极子端射天线的五个结构特点设计原理描述如下。图2(a)所示为CPS上缝隙宽度相同，未加载引向器的参考矩形双偶极子微带准八木天线。从图3(a)可以看出，参考天线的频带很窄、增益低。为了提高带宽，将连接第一偶极子(D1)和第二偶极子(D2)的CPS之间的缝隙宽度展宽，形成阶梯槽线结构。由图3(b)可以看到阶梯槽线天线阻抗匹配得到提高，带宽为1.55 GHz～2.42 GHz，增益也有所提高，这是由于缝隙宽度增加，减小了直线缝隙对电场的束缚作用，使得两边金属边沿电流增加，从而使得电磁辐射能力变强，天线阻抗匹配程度高，提高了带宽。

图2 天线结构

图3 天线(a)和天线(b)的反射系数与增益比较

如图4给出了天线(b)结构缝隙宽度Ws2变化对天线反射系数的影响。随着Ws2的增加，直线缝隙对电场的束缚减弱，金属边沿电流增加，天线带宽也随之扩展。当Ws2达到6.4 mm时，天线带宽达到最大，此时再提高Ws2天线带宽将会减小。

图4 参数Ws2对天线反射系数的影响

为了进一步提高天线带宽并减小天线尺寸，在天线(b)反射器和矩形双偶极子驱动器上添加蝶形枝节，形成蝶形双偶极子天线，如图5所示。由于蝶形天线是双锥天线的平面演化形式，所以具有双锥天线宽频带和方向性好的特性。因此，由图6(a)看到天线(c)的频带得到拓宽，带宽为1.54 GHz～2.53 GHz。而且天线(c)中反射板长度Lg、双偶极子长度L1、L2以及双偶极子、反射板之间间距S1、S2有所减小，天线尺寸与天线(a)参考天线相比，减少了22.3%。这是因为添加蝶形枝节可以增加天线的有效电长度，该天线因尺寸减小带来的损耗可以由蝶形结构来弥补。

图5 加载蝶形枝节天线(c)

图6 三种天线的反射系数和增益比较

图7显示蝶形枝节Wb1、Wb2、Wb3对天线带宽的影响。由图7(a)可以看出，当Wb1长度增大时，高频阻抗匹配有所改善。但过大时又开始变差，因此取Wb1=6.8 mm，增加Wb2天线带宽向低频移动，但高频匹配会变差，综合考虑Wb2取值为4.5 mm。图7(c)中，Wb3的变化对低频和高频都有影响，但高频移动幅度变化比低频更大，为防止高频处的匹配恶化，Wb3折中选择2.6 mm。

图7 三种蝶形枝节对反射系数影响

为了提高高频匹配，达到宽频带、高增益的目的，在图8所示的天线(d)中引入了两个等长不等宽的无源引向器来提高天线的工作带宽和端射特性。从图9(a)和(b)中可以看到天线在3.6 GHz频点处得到一个新的谐振点，从而提高了天线高频阻抗匹配，天线带宽得到了拓展。这是因为天线在高频处的阻抗大，增加引向器后，使天线高频处的阻抗变小，能与50 Ω馈线匹配。

图8 加载引向器的八木天线(d)

图9 四种天线的的反射系数和增益比较

图10给出了引向器与偶极子驱动器间距d1对天线性能的影响。当d1增加时，引向器与偶极子驱动器之间耦合产生辐射，高频阻抗匹配提高。但距离过大时，偶极子驱动器与引向器间的耦合效果又会降低，高频匹配变差，所以取d1=8 mm。

图10 参数d1对天线反射系数的影响

根据对八木天线的设计理论分析，可知，增加引向器数量可提高天线的增益，数目越多，增益越高。但在设计过程中发现，在增加第三、第四个引向器时，仅高频部分提高了0.1 dBi～0.4 dBi，而且中高频处的阻抗匹配变差，天线尺寸也增加了。这是因为每增加一个引向器就会引起负载效应，从而降低天线输入阻抗，使天线阻抗匹配恶化，因此，天线(d)采用了两个引向器，天线带宽为1.56 GHz～3.84 GHz，在该带宽上的增益为5.62 dBi～8.63 dBi。

在不改变天线尺寸的前提下，引入了一个与引向器Dr2尺寸大小相同的引向器Dr3，如图11所示。将引向器Dr2与引向器Dr3关于y轴对称放置，作为寄生贴片与引向器Dr1形成类似阵列天线的结构，扩大了天线的辐射口径，提高了天线的方向性。

图11 扩大辐射口径天线(e)

为了更加清楚地看到天线(e)结构的优势，图12给出了天线(d)结构和天线(e)结构的反射系数与增益对比图。从图中可以看到天线(e)在高频段的带宽又得到了扩展，并且扩展部分的增益也提高了。最终目标天线实现带宽为1.56 GHz～3.93 GHz，在1.6 GHz～3.9 GHz上的增益为5.7 dBi～8.65 dBi，其中在2.4 GHz～3.8 GHz频段上的增益均在7 dBi以上。与天线(d)结果相比，天线在整个频段上的增益都有所提高，在3.9 GHz处增益最大提高了3.4 dBi。

图12 天线(d)与天线(e)的反射系数和增益对比

引向器Dr2、Dr3之间的间距d3对天线反射系数的影响如图13所示，即天线辐射口径大小对天线反射系数的影响。当d3增大时，天线高频段的反射系数波动比较大。当d3=20 mm时，天线阻抗匹配达到最好。

图13 参数d3对天线反射系数的影响

图14给出了天线在1.6 GHz和3.8 GHz频点上的表面电流分布。在1.6 GHz处时，偶极子D1上的表面电流较强，而引向器Dr1、Dr2、Dr3上的表面电流很弱。在3.8 GHz时，引向器上的感应电流会增强，这意味着引向器能够有效地在高频区域工作。因此，可调节引向器尺寸与间距来提高天线高频区域性能。

图14 本设计天线在两个频点上电流分布

3 蝶形双偶极子宽带印刷端射天线实物测试与分析

所设计的蝶形双偶极子宽带印刷端射天线加工实物如图15所示。天线印制在尺寸为122 mm×77 mm×1.6 mm的FR4基板上，由50 Ω SAM转接头来实现馈电。天线反射系数通过Agilent N5227A来进行测试，图16给出天线反射系数的仿真与实测图。从图中可以看出，仿真和实测反射系数曲线趋势大体相同，实测带宽为1.59 GHz～3.96 GHz(阻抗带宽为85%)，所产生误差可能由SMA接头焊接和天线加工所引起的。

图15 天线实物图

图16 天线仿真与实测反射系数

图17为本设计天线在微波暗室中测量方向图和增益的现场图。图18是天线在1.6 GHz、2.8 GHz、3.6 GHz三个频点处的XOY面(E面)和YOZ面(H面)的实测和仿真归一化方向图。由图可知天线具有良好的端射特性，仿真和实测结果基本一致。天线端射方向增益的仿真与实测结果如图19所示，实测增益为5.84 dBi～8.5 dBi，仿真与实测结果基本吻合。

图17 天线现场实测图图

图18 天线在1.6 GHz、2.8 GHz、3.6 GHz归一化方向图

图19 天线仿真与实测增益图

表2给出了本节设计天线与相关文献进行比较的结果。文献[28]天线采用折叠偶极子辐射器来提高带宽，添加三个尺寸相同的矩形引向器提高天线增益，天线工作频带为1.53 GHz～2.93 GHz(62%)，增益为5.3 dBi～7.3 dBi，尺寸为117 mm×90 mm×1.6 mm。与文献[29]相比，本文所设计的天线虽然尺寸大了13%，但阻抗带宽却提高了27%，而且带宽上的增益也提高了许多。与本文所设计的天线相比，该天线带宽较窄，增益较低，天线尺寸要比本文所设计的天线大了12%。文献[30]是采用共面波导馈电的矩形双偶极子天线。该天线通过展宽直线槽宽度，并且加载一对平行放置的引向器来提高带宽和方向性。它的带宽为1.66 GHz～3.38 GHz(68.3%)，在1.6 GHz～2.9 GHz上的增益为5 dBi～7.3 dBi，但在整个工作频带内增益为2.1 dBi～7.3 dBi。该天线在高频区域的增益并未得到提高，并且天线尺寸要比本文所设计的天线大10%。对比之下可知，本文提出的天线设计能达到宽频带、高增益和尺寸减小的目的。

表2 设计天线与相关文献天线对比

4 结 语

文中介绍了一款蝶形双偶极子宽带印刷端射天线。首先，通过采用阶梯槽线结构来提高天线阻抗匹配，展宽天线工作频带；其次在双偶极子辐射器和地面反射器上添加蝶形枝节，增加了电流流径提高了带宽并缩小了天线尺寸；最后通过加载寄生贴片和引向器形成与阵列相似结构，扩大了天线的辐射口径，提高了天线的方向性。结果显示，天线工作带宽为1.59 GHz～3.96 GHz，阻抗带宽达到了85%，在1.6 GH～3.9 GHz上增益实现了5.84 dBi～8.5 dBi。本文设计的天线可应用于WLAN、RFID、WiMax和LTE等无线通信领域。