宽带印刷偶极子天线设计

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1、宽带印刷偶极子天线设计何庆强何海丹(中国西南电子技术研究所，成都610036)摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带DesignofaBroadbandPrintedDipoleAntennaHeQingqiangHeHaidan(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036)Ab

2、stract:Abroadbandprinteddipoleantennaiscreated.Basedontheanalysisofequivalentcircuitmodel,aperfectdesigningcalculatedprocessisgiven.Applyingtheproposedmethod,thedipoledesigncanbesuccessfuloncetimeanddoesn’tneedparametertuneandoptimization.Thedesigneddipoleobtainsa54.15%bandwidthand

3、hasabetterwidebandcharacteristiccomparedwithrecentreports.Keywords:Dipole;Balun;Equivalentcircuit;Broadband·9·1引言印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。在这篇文章里，我们基

4、于等效电路模型进行分析，计算出了偶极子天线的物理参数尺寸。采用该方法进行设计，可一次成功，无须参数优化，所得天线的带宽可达54.15%，优于文献[1-5]给出的设计结果。2等效电路模型分析与设计图1给出了偶极子天线的几何结构及其参数。图中实线部分为天线结构示意图，该天线印刷在厚度为h，介电常数为的介质板上。印刷振子辐射臂长为Lt，宽为Lw；振子的下底长为LH，宽为Ld。在振子的中间，刻有一纵向长槽，长为Lab，宽为Sw。该天线采用标准的50欧SMA馈电。图1印刷偶极子天线几何结构及其参数在图1中，所示虚线结构是印刷巴伦匹配电路结构，该结构可视为由两段传输线组

5、成。它们的宽分别为wa和wb，长分别为la和lb，并在长槽D-D’的中心处短接。位于下底端的信号输入主馈线的宽为·9·wf，长为lf。图2给出了该天线的等效电路图。由图可知，传输线内导体a与主馈线相连，特性阻抗为Za；传输线内导体b终端开路，特性阻抗为Zb；Zab是由两根传输线的外导体（接地板）构成的平衡式短路线特性阻抗；主馈线特性阻抗为Zf。根据传输线理论，有（1）（2）于是，从D-G端看进去的阻抗ZDG为（3）从而有输入阻抗为（4）图2印刷巴伦天线等效电路模型如果让，根据公式（3）可以得出（5）式（5）说明，在该电路结构中，是用特性阻抗Zab的短路线来实

6、现不平衡-平衡的转换的，传输线的外导体截面积相同，可以通过改变二者之间的距离来调节Zab的值。并且有（6）式（6）说明，阻抗变换作用是靠特性阻抗为Za段来完成。ZR是天线辐射阻抗，对于半波振子天线，可以近似把天线输入阻抗看作是辐射阻抗，即有（7）在式（7）中，是衰减系数，是相位系数。对于良导体，衰减系数和相位系数的量值相等，可以表示为（8）在式（8）中，是工作频率，是磁导率，是电导率，是工作波长。基于上面的分析，可以得出如下设计步骤：①根据偶极子辐射臂几何参数，应用公式（7）计算出阻抗ZR；②取馈电端口阻抗，应用公式（6）计算出阻抗Za，进一步确定其微带传输

7、线a的尺寸和信号输入主馈线的尺寸；③由确定微带传输线b的尺寸；④确定纵向长槽阻抗Zab，进一步确定长槽的几何尺寸；⑤根据计算的几何尺寸建模，得到所需的偶极子天线。3应用实例印刷偶极子刻饲在厚度为，介电常数为的Teflon介质板上。印刷振子辐射臂长为（约为线偶极子天线的谐振长度），宽为（是工作波长，中心频率为1.3GHz）。根据公式（7）得出。（9）由公式（6）算出（10）由微带线公式，可以算出与主馈线相连的传输线段的带宽和长度分别为（）（11）（12）主馈线宽wf为（）（13）为了保证传输线a和b·9·横向部分在辐射臂的中心线位置，取主馈线长度为（14）对于

8、开路传输线b，宽度取为，长度。传输线a和传输线b离纵