倪國旗，韓非凡，張昱凱

(1. 桂林電子科技大學 信息與通信學院,　廣西 桂林 541004)(2. 空軍空降兵學院 二系，　廣西 桂林 541003)

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介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線的設(shè)計

倪國旗1，2，韓非凡1，張昱凱1

(1. 桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004)(2. 空軍空降兵學院 二系，廣西 桂林 541003)

介質(zhì)埋藏天線可避免傳統(tǒng)覆蓋天線裸露在空氣中受到氧化腐蝕等問題，同時增強了天線的隱蔽性、減小了天線的尺寸,擴展了天線的帶寬、天線波束變窄，有助于提高天線的增益。使用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對該天線進行了優(yōu)化設(shè)計和仿真實驗，并制作了實物天線，進行了測試。仿真和實測結(jié)果表明：該天線S11≤ -10dB的相對帶寬達到92.3%，具有超寬帶特性。在工作頻率處，增益可達到10.2dB并且具有較好的定向輻射特性，可以滿足工程項目的需要，具有一定的工程應用價值。

介質(zhì)埋藏；平面對數(shù)周期天線；超寬帶

0　引　言

隨著無線通信技術(shù)快速發(fā)展和個人通信需求的不斷擴大，使得頻譜變得十分擁擠，超寬帶技術(shù)(超寬帶是指相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500MHz的系統(tǒng)工作帶寬[1]很好地解決了這個問題。單極子天線是超寬帶天線之中結(jié)構(gòu)較為簡單的一種天線，可是它的輻射方向圖隨著頻率變化而迅速發(fā)生變化。Vivaldi天線可以在整個工作頻帶內(nèi)維持方向圖的穩(wěn)定，可是天線的尺寸相對較大[2]。平面對數(shù)周期天線是一種結(jié)構(gòu)簡單、低剖面、重量輕的非頻變超寬帶天線，并且在一定的工作頻段內(nèi)可以保持方向圖的穩(wěn)定。這就使得它在通信、雷達、電子對抗等方面有著廣泛的應用[3-6]。但是在很多實際情況應用中，天線的金屬部分不可避免地裸露在空氣中，很容易受到空氣的氧

化腐蝕，特別是在惡劣的環(huán)境中對天線的損傷會更大，從而使天線性能發(fā)生改變。基于以上原因，本文將天線的金屬部分埋藏在介質(zhì)中，形成一種新型的天線形式—介質(zhì)埋藏天線[7]。

1　介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線的設(shè)計

1.1對數(shù)周期天線的原理

對數(shù)周期天線作為一種非頻變寬帶天線，依靠諧振振子的自相似性， 理論上只要天線的尺寸足夠大，就可以獲得任意寬度的頻帶。但是，在實際的應用中

圖1　對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)圖

1.2平面對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文天線是由12組平行對稱的振子構(gòu)成的，分別印刷在介電常數(shù)為εr=4.5、厚度為h=0.762mm、損耗角正切為0.003 5的ArlonAD450介質(zhì)板上表面和下表面，每個表面都有12根振子，這些振子單元是由兩根對稱的傳輸線來饋電，相鄰振子間交叉耦合饋電，起到了從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換作用。厚度為h=0.762mm的介質(zhì)板把兩條傳輸線的導體隔開。通過轉(zhuǎn)接相鄰單元引入180°外部相移。天線設(shè)計的關(guān)鍵是確定天線的幾個重要參數(shù)。對數(shù)周期天線的比例因子τ、間隔因子σ、頂角2a的大小，它們很大程度上影響天線的性能。對稱振子的尺寸是按照比例因子τ等比例遞減的。這就意味著，只要天線的尺寸和比例因子確定了，天線的結(jié)構(gòu)也就確定了。為了保證天線寬頻帶工作，理論上τ最好要趨向于1，可是經(jīng)過適當?shù)卣{(diào)整天線的其他參數(shù)，τ不是特別靠近1，天線還是可以保持寬頻帶工作。通過天線的方向性系數(shù)與τ的關(guān)系，τ一般取0.8～0.95。而間隔因子σ取的太大，不利于天線的小型化設(shè)計。要是取的太小，天線的阻抗匹配性能變差。因此，σ的取值一般為0.1～0.3。頂角的大小可以通過相關(guān)公式計算出來，天線的結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示，圖中深色部分為介質(zhì)板的上表面金屬，淺色部分為介質(zhì)板下表面金屬。

圖2　HFSS天線的模型圖

1.3埋藏介質(zhì)的選擇

使用與天線基板材料相同的介質(zhì)把以上結(jié)構(gòu)的天線上下表面埋藏起來，即構(gòu)成介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線。

各層之間采用膠合劑粘接，也就是用黏合劑把埋藏的介質(zhì)和天線粘成一個整體。因此，埋藏介質(zhì)的介電常數(shù)最好和黏合劑的介電常數(shù)保持一致或者相似。否則就可能會影響天線的性能。本文使用市面上比較常見的，價格適中的環(huán)氧樹脂AB膠作為埋藏介質(zhì)的黏合劑。天線埋藏在介質(zhì)中，總的損耗包括輻射損耗、導體損耗、介質(zhì)損耗和表面波損耗。由于埋藏天線介質(zhì)的厚度會大于普通天線的厚度，影響了天線的輻射效率，降低了天線的增益。要是使用損耗角比較大的介質(zhì)，很大程度上對天線的增益造成極大的影響。所以，一般選用損耗角正切比較小的介質(zhì)。除此之外，介質(zhì)材料的均勻性、各向異性、溫度系數(shù)、濕度和老化的穩(wěn)定性都會對天線的性能造成一定的影響。綜合以上方面的考慮，選用介電常數(shù)為4.5，損耗角正切為0.003 5的ArlonAD450介質(zhì)作為埋藏介質(zhì)。

1.4介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線各參數(shù)計算及優(yōu)化

本文要設(shè)計的天線工作頻率是f0=4.5GHz、工作頻段是2.63GHz～6.81GHz，介質(zhì)基板采用的是h=0.762mm的ArlonAD450的雙面覆銅板，其相對介電常數(shù)是4.5。

1.4.1天線振子個數(shù)的計算

通過文獻[8]查找天線的方向性系數(shù)與對數(shù)周期天線的比例因子τ和對數(shù)周期天線間隔因子σ的關(guān)系，初步得到τ=0.88，σ=0.19，根據(jù)式(1)、式(2)可以計算工作頻帶高端的截止常數(shù)k1和工作頻帶低端的截止常數(shù)k2。

k1=1.01-0.591τ

(1)

k2=7.08τ3-2.13τ2+21.98τ-7.30+

σ(21.82-66τ+62.12τ2-17.29τ3)

(2)

根據(jù)k1,k2的計算結(jié)果代入下式中可求出天線振子的個數(shù)N。

(3)

最終計算結(jié)果得N≈12[9]。

1.4.2天線振子的長度和寬度計算

本文采用的介質(zhì)板是ArlonAD450，其介電常數(shù)εr為4.5，厚度h為0.762mm，集合線的寬度w為1.59mm，由文獻[10]可知，其有效的介電常數(shù)為

(4)

則在有效介電常數(shù)下對應的最大工作波長為

(5)

式中：c為真空中的光速；fmin為天線工作的最低頻率。

(6)

式中：Ln為第n根振子所對應的長度；n為振子對應的系列號；wn為振子系列號所對應的寬度；d為相鄰兩根振子的距離。根據(jù)上述各振子長度以及相鄰兩根振子之間的距離，計算結(jié)果代入式(6)、式(7)可以計算出各振子的寬度[11]

(7)

根據(jù)上述提到的τ和σ值代入下式，可以計算出頂角的大小

(8)

最后，結(jié)合HFSS的參數(shù)掃描分析和優(yōu)化分析功能，設(shè)定天線的相關(guān)參數(shù)為比例因子τ=0.887，間隔因子σ=0.231 9，頂角的大小2a=13.89°。天線各振子的長度和寬度如表1所示。

表1各振子的長度和寬度mm

振子的序號長度寬度15.880.91326.641.01537.461.10448.421.21359.501.312610.701.416712.081.513815.341.913919.502.0131021.982.1131124.782.2141227.952.313

2　天線的性能分析

2.1仿真實驗與分析

根據(jù)上述計算優(yōu)化的參數(shù)，利用電磁仿真軟件HFSS，進行建模仿真，分別仿真優(yōu)化了平面對數(shù)周期天線和介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線，其S11曲線如圖3所示。

圖3　介質(zhì)埋藏對數(shù)周期天線的S11曲線圖

由圖3可見，在f0=4.5GHz時，S11=30.3dB，S11≤ -10dB的帶寬為2.63GHz～6.81GHz，絕對帶寬為4.18GHz,相對帶寬為92.3%，所設(shè)計的天線具有超寬帶特性。

天線的3D方向圖、E面方向圖和H面方向圖、輸入阻抗曲線圖，駐波比曲線圖分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4　不同頻率下的3D方向圖對比

圖6　介質(zhì)埋藏對數(shù)周期天線的輸入阻抗曲線圖

圖7　介質(zhì)埋藏對數(shù)周期天線的駐波比曲線圖

由圖4可見，介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線在2.63GHz處的增益為10.49dB，在4.5GHz處的增益為11.5dB，在6.5GHz處的增益為12.1dB。在頻段內(nèi)相對穩(wěn)定并且天線的增益相對較高，這里因為引入了介質(zhì)。介質(zhì)起到壓制波束的作用，降低了半功率波瓣角。雖然引人了介質(zhì)也帶來了一定的損耗，但是，本文是采用損耗角正切值比較小的材料來設(shè)計，從而有利于提高天線的增益。由圖5可見，介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線在2.63GHz處E面半功率波束寬度為55°(見圖5a)A1和B1兩點的角度差)，H面的半功率波束寬度為71°(見圖5a)C1和D1兩點的角度差)，在4.5GHz處E面半功率波束寬度為50°(見圖5b)A和B兩點的角度差)、H面的半功率波束寬度為66°(見圖5b)C和D兩點的角度差)，在6.5GHz處E面半功率波束寬度為47°(見圖5c)A2和B2兩點的角度差)、H面的半功率波束寬度為66°(見圖5c)C2和D2兩點的角度差)。波束寬度有所減小，這是由于引入了介質(zhì)，壓制了波束，使得天線的方向性變好。由電磁場理論可知，從光密向光疏媒質(zhì)傳播的電磁波，在兩種媒質(zhì)交界面的入射角大于臨界角時，就會發(fā)生全反射。本文采用的介質(zhì)介電常數(shù)εr=4.5大于ε0是光密媒質(zhì)，只要滿足入射角大于鄰界角的電磁波都被反射回去。由圖6可見，在中心頻率f=4.5GHz處，介質(zhì)埋藏天線的輸入阻抗在該頻點的實部為47.60Ω、虛部為1.75，輸入阻抗接近50Ω，說明介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線和饋線匹配得很好。由圖7可見，在中心頻率處，介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線的駐波比為1.06，所設(shè)計介質(zhì)埋藏天線的駐波性能較好，可以滿足系統(tǒng)的需要。

2.2天線實物制作與性能測試

2.2.1天線實物制作

綜合考慮了天線的設(shè)計成本和天線的性能，利用了上述仿真優(yōu)化和對比得到的天線參數(shù)，制做了實物，如圖8所示。天線包括正反兩個面，是印刷在介電常數(shù)為4.5，厚度為0.762mm的ArlonAD450 雙面敷銅板上，天線使用微帶線饋電，通過轉(zhuǎn)接相鄰單元引入180°外部相移，相鄰振子間交叉耦合，起到了從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換作用。 在上述基礎(chǔ)上使用環(huán)氧樹脂AB膠把介質(zhì)和天線的金屬部分粘成一個整體，為了方便粘接，不留過多的縫隙，以至對天線的性能造成影響，這里特意裁剪了一個SMA接頭的位置，以方便埋藏介質(zhì)和天線的金屬部分很好地粘接。

圖8　平面對數(shù)周期天線和介質(zhì)埋藏對數(shù)周期天線的實物圖

2.2.2性能測試與分析

使用了AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線實物的阻抗帶寬進行了調(diào)試測量,測試結(jié)果如圖9所示。

圖9　實測介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線的S11曲線圖

在微波暗室使用NSI2000近場測試系統(tǒng)進行了測量。把天線主波束方向?qū)拾l(fā)射喇叭天線的饋源，為了固定待測天線，這里使用在一個泡沫開縫的方法，把天線夾在縫中，然后用透明膠把泡沫牢牢地圈在轉(zhuǎn)軸上。

由于測試條件的客觀性，微波暗室空間有限，轉(zhuǎn)臺太大，不能轉(zhuǎn)到-180°～180°所以只能測試到±90°的范圍，但是由于所設(shè)計天線是定向輻射的，天線主要朝主波束方向輻射,而主波速方向是可以被測量到的。天線3D方向圖，歸一化的E面方向圖和H面方向圖分別如圖10和圖11所示。

圖10　不同頻率下實測的3D方向圖對比

圖11　不同頻率下仿真和實測歸一化的E面和H面方向圖對比

由圖10可見，實測3D方向圖沒有出現(xiàn)裂瓣，天線的定向輻射能力較好。從圖 11方向圖的測試和仿真結(jié)果比較可看出，實測的E面方向圖半功率波束寬度和仿真的吻合較好，實測的H面半功率波束寬度要比仿真的要窄。此外，通過比較法測試了天線的增益，在2.63GHz處增益為 9.7dB，實測值比仿真值低0.79dB，在4.5GHz處的增益為10.2dB，實測值比仿真值低1.3dB，在6.5GHz處增益為10.9dB,實測值比仿真值低1.2dB。這可能和固定天線的金屬架影響以及測量過程中不可避免引入的測量誤差有關(guān)。由文獻[12]可知：近場測量的理論依據(jù)是在無窮大掃描的平面上獲取采取數(shù)據(jù)，然后，再利用快速傅里葉變換成遠場在近場天線測量?？墒窃趯嶋H的測量中，掃描面不可能滿足無窮大，近場天線測量存在掃描面位置和掃描截面的誤差，加上微波暗室的測試環(huán)境也不可能是理想的。此外，在高頻下，本測試所用固定天線的金屬架子會感應出電流，所產(chǎn)生的電磁場會對天線的輻射電磁場造成了一定的干擾，從而干擾到天線的方向圖和影響天線的增益，見表2。

表2　實測和仿真性能參數(shù)比較

3　結(jié)束語

本文通過采用介質(zhì)埋藏方式，設(shè)計了一種新型的介質(zhì)埋藏平面對數(shù)周期天線。通過仿真實驗和實物測試，可以看出:所設(shè)計的天線具有寬頻帶特性，而且增益較高、駐波比較低，在工作頻帶內(nèi)具有較好的定向輻射特性，天線的性能較好。這也為其他特型天線的埋藏設(shè)計打下了一定的基礎(chǔ)。通過比較埋藏介質(zhì)和沒有埋藏介質(zhì)的兩種類型的天線，可以知道介質(zhì)埋藏天線的隱蔽性好，集成度高，性能不容易受環(huán)境影響等優(yōu)點，可見，該天線具有良好的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。

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倪國旗男，1964年生，博士，教授。研究方向為微波技術(shù)與天線、微波器件與材料。

韓非凡男，1988年生，碩士研究生。研究方向為天線技術(shù)。

張昱凱男，1991年生，碩士研究生。研究方向為微帶天線。

DesignofaDielectricEmbeddedPlanarLogPeriodicAntenna

NIGuoqi1,2，HANFeifan1,ZHANGYukai1

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China) (2.The2ndDepartment,AirForceAirborneAcademy,Guilin541003,China)

Adielectricembeddedantennaisabletoavoidtheproblemoftraditionaldielectriccoveringantenna,causedbyexposingintheairandtheconcealmentoftheantennaisenhancedaswellasthebandwidthoftheantennacanbewidenedandthesizeoftheantennaisreduced.ThedesignedantennaissimulatedandoptimizedbyEMsimulationsoftwareAnsoftHFSS,anditsphysicalobjectisfabricated,aswellasmeasuredbyinstrumentsimulationandexperimentalresultsshowthattherelativebandwidthofthereturnlossofbetterthan10dBhasreached92.3%,whichhastheultrawidebandcharacteristics.Attheworkingfrequency,themaximumgaincanberunupto10.2dBandhavegooddirectionalradiationcharacteristics,whichcanmeettheneedofaprojectandisvaluabletobeappliedinEngineering.

dielectricembedded；planarlogperiodicantenna；ultrawideband

韓非凡Email：769096508@qq.com

2016-01-18

2016-03-20

TN82

A

1004-7859(2016)06-0054-05

·天饋伺系統(tǒng)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.013