宽带印刷偶极子天线设计

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
Design of a Broadband Printed Dipole Antenna
He Qingqiang He Haidan
(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036)
Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports.
Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband
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
r
ε的介质板上。

印刷振子辐射臂长为L t，宽为L w；振子的下底长为L H，宽为L d。

在振子的中间，刻有一纵向长槽，长为L ab，宽为S w。

该天线采用标准的50欧SMA馈电。

·2·
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成。

它们的宽分别为w a 和w b ，长分别为l a 和l b ，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w f ，长为l f 。

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Z a ；传输线内导体b 终端开路，特性阻抗为Z b ；Z ab 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Z f 。

根据传输线理论，有
tan B b b Z jZ c θ=- （1）
tan AB ab ab Z jZ θ= （2）
于是，从D -G 端看进去的阻抗Z DG 为
tan tan tan R ab ab
DG b b R ab ab
jZ Z Z jZ c Z jZ θθθ=
-+（3）
从而有输入阻抗为
tan tan DG a a
in a a DG a
Z jZ Z Z Z jZ θθ+=+ （4）
图2 印刷巴伦天线等效电路模型
如果让2b ab θθπ==，根据公式（
3）可以得出
DG R Z Z = （5）
式（5）说明，在该电路结构中，是用特性阻抗Z ab 的短路线来实现不平衡-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Z ab 的值。

并且有
a Z = （6）
式（6）说明，阻抗变换作用是靠特性阻抗为Z a 段来完成。

Z R 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 ()()()()sinh sinh 4120ln()1cos cosh t t t R w t t L L L Z L L L ααββαβ⎛⎫
- ⎪⎡⎤
⎪=-⎢⎥- ⎪
⎣⎦ ⎪⎝⎭
（7） 在式（7）中，α是衰减系数，β是相位系数。

对于良导体，衰减系数α和相位系数β的量值相等，可以表示为
2π
αβλ
=≈≈
（8）
在式（8）中，f 是工作频率，μ是磁导率，γ是电导率，λ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Z R ；②取馈电端口阻抗50f Z =Ω，应用公式（6）计算出阻抗Z a ，进一步确定其微带传输线a 的尺寸(),a a w l 和信号输入主馈线的尺寸()
,f f w l ；③由(),a a w l 确定微带传输线b 的尺寸(),b b w l ；④确定纵向长槽阻抗Z ab ，进一步确定长槽的几何尺寸
(),w ab S L ；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1mm h =，介电常数为2.1r ε=的Teflon 介质板上。

印刷振子辐射臂长为
0.46t L λ=（约为线偶极子天线的谐振长度），宽为0.13w L λ=（λ是工作波长，中心频率为1.3GHz ）。

根据公式（7）得出。

166.3R Z =Ω
（9）
由公式（6）算出
91.1a Z
=Ω （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（2a w h ≤）
10.118exp 0.231 1.14mm
r a w εεε⎤⎛⎫-
+⎥
⎪+==11） 39.8mm a a l θβ=
== （12） 主馈线宽w f 为（2a w h ≥）
·3·
1ln 1210.61ln 10.392 3.8mm
f r
r r w πεεε⎧⎫⎛⎫
--+⎪
⎪ ⎪⎪⎝⎭⎪
=⎬⎡⎤⎛⎫⎪⎪++-⎢⎥ ⎪⎪⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭
=（13） 为了保证传输线a 和b 横向部分在辐射臂的中心线位置，取主馈线长度为
42.2mm f l = （14）
对于开路传输线b ，宽度取为b a w w =，长度
b a l l =。

传输线a 和传输线b 离纵向槽中心距离均为
12mm 。

对于纵向槽，当2ab θπ=时，取槽宽
3.5mm w S =，由共面带线公式可以计算出
()()
-1
0.5
0.5
2tan 0.775ln 1.750.040.70.01210.10.251 120ln 2 128d f f ab
d f d f r d r h L w w Z k L w L w h L εε--⎧⎫
⎡⎤⎛⎫⎪⎪++⎢⎥ ⎪ ⎪-⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎪
⎪⎪⎪⎡
⎤=⎨⎬-+⋅⎢
⎥-⎪⎪⎢
⎥⎪⎪⎢⎥⎛⎫⎪⎪⎢⎥-+ ⎪⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎩
⎭
⎡⎢+⎛⎫
⎢ ⎪⎝⎭⎢⎢⎣=.4Ω
（15）
此时槽长
55.3mm ab L = （16）
表1给出了所有的理论计算尺寸。

根据表1给出的理论计算尺寸，采用软件CST 和HFSS 分别进行建模，计算得到的电压驻波比如图3所示。

从图3可以看出，采用上述理论公式计算得到的几何结构具有很好的带宽特性。

在驻波比小于2的条件下，用CST 计算出来的带宽是0.99～1.78GHz ，用HFSS 计算出来的带宽是1.01～1.76GHz ，两者结果非常一致，其百分比带宽可达54.15%。

同时，我们也可以看出，采用该设计方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化计算，具有速度快、效率高、电特性好的优点。

表1 应用公式计算的天线几何尺寸（单位：mm ）
V S
W R
Frequency(GHz)
图3 偶极子天线的驻波带宽
表2给出了采用我们的方法计算的结果与文献
设计结果进行对比的情况，从该表可以看出，应用我们的设计方法，可以设计出更好的宽带印刷偶极子天线。

表2 采用本文方法设计的结果与文献结果对比
图4给出了分别采用CST 和HFSS 计算的偶极子天线辐射方向图。

从图可以看出，该天线在E 面的辐射方向图呈8字形，在H 面是一个全向辐射。

·4·
-20
-10
-30-20
-10
0 (a) 1.1GHz
-20
-10
-30-20
-10
(b) 1.3GHz
-20
-10
-30-20
-10
(c) 1.5GHz
图4 偶极子天线辐射方向图
4 结论
本文给出了一套宽带印刷偶极子的设计理论和方法，基于等效电路模型进行分析，给出了详细的计算公式。

数值计算结果表明：采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数调谐和优化。

同时，本文给出的设计方法具有效率高、方便、快捷等特点。

给出的例子所得天线增益在工作频带内为2.5~3dB ，带宽达到54.15%，优于最新的文献报道。

参 考 文 献
[1] W. C. Wilkinson. A class of printed circuit antennas. IEEE-APS , 1974, 270-273.
[2] D. Jaisson. Fast design of a printed dipole antenna with an integrated balun. IET Microw. Antennas Propag ., 2006, 153 (4):
389-394.
[3] 范志广, 冉立新, 陈抗生. V 形地平面反射结构新型印制偶极子天线. 浙江大学学报, 2005, 39 (9): 1292-1295.
[4] H. J. Delgado and M. H. Thusby. A novel neural network combined with FDTD for the synthesis of a printed dipole antenna.
IEEE-AP , 2005, 53 (7): 2231-2236.
[5] Q. Q. He, B. Z. Wang, and J. He. Dual-wideband design of a printed dipole antenna. IEEE-AWPL , 2008, 7: 1-4.
作者简介：
何庆强，男，博士，主要研究领域为天线理论与技术、电磁场数值计算、微波毫米波电路等。

何海丹，男，研高，主要研究领域为天线理论与技术、系统总体等。

基于AMC结构的超薄吸波材料及其在微带天线RCS
减缩中的应用
李有权张辉袁乃昌
（国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙410073）
摘要：本文研究了基于AMC结构的吸波材料的设计原理，并实际加工了吸波材料样品，测量了其反射相位及表面反射系数，分析了吸波材料反射系数与AMC反射相位的关系。

将这种超薄AMC吸波材料应用于微带天线中，有效降低天线的结构散射，天线辐射性能稍有降低，前向增益下降低了0.9dB。

关键词：人工磁导体，吸波材料，微带天线，RCS减缩
Ultra-thin Absorber Based on the AMC Structure and its Application on the RCS Reduction of Microstrip Antenna
Li You quan Zhang hui Y uan Nai chang
(School of Electronic Science and Engineering, NUDT, Changsha 410073, China)
Abstract:In this paper the design principle of AMC based absorbing material is investigated. Samples of AMC based absorber are fabricated. The reflection phase of AMC and the reflection coefficient of AMC based absorber are measured, the relationship between the reflection coefficient and reflection phase is analyzed. This ultra-thin AMC based absorber is applied to microstrip antenna which can reduce the structural RCS of antenna effectively, the radiation performance is decreased slightly, the gain decrease 0.9dB.
Key words: Artificial magnetic conductor(AMC), absorbing material, microstrip antenna, RCS reduction
1 前言
为了获得性能优异的吸波材料，世界各国都在致力于开发新型吸波机制的吸波材料。

N. Engheta 首次提出用Metamaterial来获得超薄吸收材料的思想[1]，D. J. Kern等人用含损耗的频率选择表面(HZFSS) [2] 实现了超薄宽带吸收材料,但设计方法较为复杂，很难在实际当中得到应用。

文献[3]中采用在高阻表面上加载集总电阻的方法实现超薄吸波，该方法结构简单，具有较强的实用性。

微带天线因为其具有轻、薄和容易共形的特点，在各种作战平台上得到广泛的应用。

降低微带天线RCS对于降低整个作战平台的RCS具有十分重要的意义。

传统的微带天线RCS减缩方法如采用损耗衬底和加终端匹配等[4][5]，都是以天线的辐射性能降低为代价的。

本文首先研究了基于AMC结构的吸波材料的设计，给出了设计原理和实验结果。

然后研究了基于AMC结构的吸波材料在微带天线中的应用，在所设计的频带内，天线RCS有效降低，而天线性能只是稍有下降，前向增益下降了0.9dB。

2 基于AMC结构吸波材料的设计
考虑在厚度为h介质板，其底板为金属，表面为方形阵列，当电磁波垂直入射到其表面时，表面阻抗可以等效为容性的贴片阵和感性的介质板并联，可表示为[6]
·5·
·6·
d
g d g AMC Z Z Z Z Z +=
（1）
其中g Z 为贴片阵等效电容，d Z 是介质板等效电感。

在谐振频率，输入阻抗的虚部趋近于无穷大，此时这种结构可以等效为人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor ，AMC),如果在其表面放置电阻片，就可以实现超薄吸波，整个吸波结构输入阻抗为
s
AMC inp R Z Z 1
11+
= （2） 对于垂直入射波，其表面反射系数为
0ηη+-=
inp inp Z Z R （3）
这种结构是基于Salisbury 屏原理[7]，在我们的设计中，直接将集总电阻加载在贴片之间，由于AMC 同相反射特性，不存在4λ厚度的限制，可以实现超薄吸波。

如图1所示为基于AMC 结构吸波材料示意图。

在其表面为周期排列的方形贴片，贴片间加载集总电阻，底面为金属板。

选择适当的电阻阻值可以在一定频段内较好地吸收入射电磁波。

图1 基于AMC 结构的吸波材料
图2 测量的AMC 反射相位与表面反射系数
所设计的AMC 吸波材料采用如下参数：介质板厚度为3mm ，介电常数为 3.5, 方形贴片宽度为8mm ，贴片间缝隙宽度为0.5mm.我们制作了两块同样尺寸的AMC 结构，整体结构大小为138.6×138.6mm ，其中一块在方形贴片间加载阻值为620Ω的集总电阻。

图2所示为测量的AMC 反射相位及吸波材料表面反射系数。

从图中可以看出，AMC 反射相位在±600的频带4.52－5.24GHz ，其带宽为720MHz ，其中心频率为4.88GHz 。

AMC 吸波材料表面反射系数低于-10dB 的频段为4.01-4.73GHz, 带宽为720MHz ，中心频率为4.35GHz 。

可以看出，AMC 吸波频带基本与其表面反射相位在±600的频带相对应，但是其中心频率向低频发生了偏移。

这是由于加载集总电阻时会产生寄生电容，使得吸波频段下移，而没有与AMC 同相反射频段相对应，在设计AMC 结构吸波材料时必须考虑到集总电容的影响。

3 加载AMC 吸波材料的微带天线及测量结果
3.1 加载AMC 吸波材料的微带天线设计
加载AMC 吸波材料的微带矩形贴片天线如图3所示。

微带天线采用同轴馈电方式，AMC 吸波材料围绕在辐射贴片四周，它们共用相同的基板，介质板厚度为3mm,介电常数为3.5。

AMC 参数与上述参数相同，微带天线贴片尺寸为16.8×12.4mm ，在微带贴片与AMC 吸波结构之间适当留出距离，以减小对天线的影响。

加载AMC 吸波材料的天线整体尺寸为61.2×61.2mm 。

图3 加载AMC 吸波材料的微带天线
3.2 测试结果及讨论
加载与未加载AMC 吸波材料的两个微带天线
·7·
的驻波测量结果如图4所示，加载吸波材料后微带天线工作频段没有发生变化，这说明AMC 吸波材料对其驻波影响较小。

3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
-25
-20
-15
-10
-5
S 11, d B
Frequency, GHz
normal antenna with AMC absorber
图4 天线驻波比较
在微波暗室中对天线方向图进行了测量，测量频点为4.35GHz 。

为了便于比较，对测量结果进行了归一化处理，如图5所示。

从测量的E 面和H 面方向图来看，加载了AMC 吸波材料后，微带天线方向图在各个方向幅值稍有降低，但降低幅度不大。

天线前向增益下降了0.9dB 。

这是由于吸波材料对各个方向均有吸波效果。

270
-30-25-20-15-10-50-35-30-25-20-15-10-50
(a) E 面方向图
90
180
270
-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50
(b) H 面方向图
图5 天线方向图比较
天线RCS 分为结构散射和模式散射，加载AMC 吸波材料主要是为了降低其结构散射，因此在测量时两个天线都加载了匹配负载。

由于天线整体尺寸较小，考虑到整个测量系统精度，采用如下测量方式：将两个喇叭天线平排放置，中间放置吸波材料以减小天线间的耦合，把贴片天线放置在距离喇叭100cm 处，此时入射波可近似看作平面波。

在微波暗室中对两个天线的后向散射进行了测量，电磁波入射方向为垂直于天线表面，电场方向沿x 方向。

图6所示为测量的RCS 减缩结果，可以看出在整个频带内RCS 值均有减缩，在4.1-4.83GHz 频带内，天线的RCS 降低了10dB 以上，RCS 减缩频段与AMC 吸波材料的工作频段一致，说明RCS 的减缩是因为AMC 吸波材料的缘故。

图6中RCS 减缩曲线在4.5GHz 周围存在一个突起，这是因为天线工作在这个频段，虽然加载了匹配负载，但是模式散射依然存在一些影响。

3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
-30-25-20-15-10-505
R C S r e d u c t i o n , d B
Frequency, GHz
图6 加载AMC 吸波材料后天线RCS 减缩
4 结论
周期排列的金属贴片阵在谐振频率可以实现人工磁导体特性，在贴片间加载集总电阻能够吸收入射电磁波，实现超薄吸波材料。

基于AMC 结构的吸波材料，其吸波频段对应于同相反射相位在±600的区域。

在实际设计时由于寄生电容，吸波频段会往低频偏移。

基于AMC 结构的吸波材料应用于微带天线中，能够有效降低天线RCS 。

同时对天线的驻波及方向图特性影响较小，前向增益仅下降0.9dB 。

·8·
参考文献
[1] Engheta, N, Thin absorbing screens using metamaterial surfaces. IEEE Trans. Antenna propag society(AP-S)
Int. Symp. And USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Antonio, TX, USA, (2002), 16-21.
[2] Kern D J and Werner D H. A Genetic Algorithm Approach to the Design of Ultra-thin Electromagnetic
Band-gap Absorbers [J], Microwave and Optical Technology Lett. 2003.38(1): 61-64
[3] Q. Gao, Y. Yin, D.-B. Yan and N.-C. Yuan. Application of metamaterials to ultra-thin radar-absorbing
material design. Electronics Lett., 41 (2005), 936-937
[4] Jackson, D.R, The RCS of a rectangular microstrip patch in a substrate-superstrate geometry”, IEEE Trans.
Antennas propagat.38(1990), 2-8
[5] V olakis, J.L., Alexanian, A., and Jin, J, Broadband RCS reduction of rectangular patch by using distributed
loading, Electron Lett., 28(1992), 2322-2323
[6] S.A. Tretyakov,C.R.Simovski. Dynamic model of artificial reactive impedance surfaces. J. of Electromagn.
Waves and appl., 17(2003),131-145
[7] Fante, R.L., and McComack, M.T.: reflection properties of the Salisbury screen, IEEE Trans. Antennas
Propag, 36 (1988) 1443-145
作者简介：
李有权，男，博士研究生，主要研究领域为电磁数值计算、电磁带隙结构、天线设计。

张辉，女，博士研究生，主要研究领域为电磁数值计算、左手材料、微波电路。

袁乃昌，男，教授，博导，主要研究领域为目标与环境特性、超宽带技术及光子晶体等。

·9·。