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 ≥）