基于印刷工艺的小型化超宽带平面对数周期天线设计

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                1  引言

                         对数周期天线称为LPDA (Log Periodic Dipole Antennas)，是一种常用超宽带天线，它由基本单元-偶极子构成，其结构具有自相似性，其电性能可以在很宽的频带内基本保持稳定[1-2]。一般的对数周期天线用圆柱振子做成,其体积大,重量重,制作难度大,精度有限。将对数周期天线通过现代光刻工艺制作在微带基板上,构成所谓的印刷对数周期天线(PLPDA),具有重量轻、体积小、易于加载、制作精度高、一致性好的优点。
                         80年代国外出现了双层印刷对数周期天线的设计[3],将印刷振子分别印刷在两块基板上,通过两板中间的微带线馈电；另有研究提出了单层印刷对数周期天线结构,并进行了实验研究[4-5]。通过上述研究的经验发现，双层印刷对数周期天线的带宽可以进一步扩展，而且尺寸也可以缩小。本文通过选择高介电常数的介质基板，采用紧密排布振子的结构，设计的双层印刷对数周期天线可以以60mm×60mm×2.054mm的尺寸实现1.5GHz-18.5GHz的工作带宽，具有很好的小型化以及超宽带特点。经过优化设计的天线在工作频带内驻波以及增益特性较稳定,加工难度低、精度高，具有较好的实现价值。
                          
                        2  对数周期天线原理

                         如图1所示，LPDA是由N个平行偶极子按一定的比例关系排列而成，由一对双线传输线馈电。为使方向图指向短振子一端，相邻的两振子采用交叉馈电，与长/短振子相接的集合线终端有时接一阻抗元件或支节，以减小终端反射。天线结构参数如以下定义：
                          
                         周期率或比例因子
                                   (1)
                         张角或结构角
                                (2)
       

                 

                         式中ln是第n个振子的长度，Rn是第n个振子到天线顶点O的距离。当天线由长振子端或短振子端馈电后，信号源供给的能量沿集合线传输，并依次对各振子激励。只有长度接近谐振波长的振子部分才能激励起较大的电流，向空间形成有效辐射，通常称这部分振子为有效区或辐射区，从馈电点到辐射区之间的这一段振子区域称为传输区。而长度稍大于或很大于谐振长度的那部分振子及其集合线部分则称为未激励区。
                          
       

               

       

                图1  对数周期偶极天线结构示意

                          
                        3  小型化印刷对数周期天线设计

                          
                        3.1  双层介质基板的对数周期天线原理

                         双层介质基板的利用微带印刷工艺，可以实现LPDA天线的高精度、小型化加工。其结构为双层微带板，其中间为带状馈电线，上下两面分别为天线的基本振子单元以及馈线；中间馈电带线末端与一侧的天线短路。具体结构及组成部分如图2所示。
                          
                         为实现小型化，微带板的材料选择高介电常数的Rogers6010，介电常数为10.2；单层介质板厚度为1mm，覆铜厚度0.018mm。
       

               

       

                图2  印刷对数周期偶极天线结构

       

                 

                         其中：
                         1-馈电端口
                         2-阻抗匹配段
                         3-馈电线
                         4-上层微带振子
                         5-下层微带振子
                         6-介质基板
                         7-短路端
                          
                        3.2  参数计算

                         选择天线工作频段为1.5GHz-18.5GHz，由介质基板的材料特性以及最高工作频率得到最短振子的长度 。
                         (3)
                          
                         选择高介电常数的介质基板使振子的长度大大减小，另外为缩短轴向尺寸，本文中将天线张角 设为较大角度，并选择适当比例因子实现紧凑的振子排布结构来进一步实现小型化。选择 ， ；通过式(1)-(3)计算出各贴片单元的长度、宽度以及间距，并计算出馈电带线的宽度w。
                          
                         按照计算尺寸，利用仿真软件HFSS建立天线模型，进行仿真和优化。
                          
                        3.3  仿真结果及分析

                         优化得到的最终参数为：天线整体尺寸为 (同轴接头除外)；最短振子长度 ，宽度 ；馈电带线宽度 ，匹配段长度为1.5mm，宽度分别为3.2mm、2.8mm、2.4mm。
                 
                         得到的驻波曲线以及增益曲线分别如图3、图4所示；1.5GHz、7.5GHz、13.5GHz、18.5GHz的水平和俯仰维方向图如图5-8所示。
                          
       

               

       

                图3  1.5GHz-18.5GHz驻波比曲线

       

               

       

                图4  1.5GHz-18.5GHz增益曲线

       

               

       

                图5  1.5GHz水平及俯仰维方向图

       

               

       

                图6  7.5GHz水平及俯仰维方向图

       

               

       

                图7  13.5GHz水平及俯仰维方向图

       

               

       

                图8  18.5GHz水平及俯仰维方向图

       

                 

                         在几个频点的方向图中，虚线为水平方向，实线为俯仰方向。经过仿真以及调试，得到了比较理想的结果，如图3所示，在1.5GHz - 18.5GHz范围内，驻波满足<3的条件，其中<2的部分占频带宽度的90%以上。在此频段内，天线的增益基本大于3dB，如图4以及表1所示。
                          
                         可见天线在频带内保证了端向辐射，在俯仰方向波束宽度变化不大。
                          
                         表1  天线各频点增益
       

频率(GHz)	增益(dB)	频率(GHz)	增益(dB)
1.5	1.6	10.5	4.3
2.5	5.8	11.5	4.9
3.5	5.3	12.5	2.8
4.5	5.2	13.5	5.4
5.5	5.1	14.5	4.7
6.5	5.8	15.5	5.1
7.5	5.9	16.5	4.2
8.5	3.8	17.5	4.5
9.5	4.9	18.5	3.9

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