小型化超宽带对周天线

小型化宽频带对周天线

周江昇1，周涛2

（1江南电子通信研究所，浙江嘉兴 314033）

（2中科院上海微系统所，上海 200050）

摘要：本文设计了一种小型化宽频带的对周天线。采用对数周期天线设计的基本原理和电磁计算方法，结合末端振子加载的方式，达到缩减尺寸的目的。设计工作频段在200MHz～3000MHz的宽带对周天线，并利用Ansys 公司的HFSS电磁仿真软件进行建模、仿真、分析和优化。仿真结果显示，设计的对数周期天线在工作带宽内具有理想的增益和驻波比。

关键词：对数周期天线；小型化；宽频带；

A Miniaturization Broadband Log-Periodic Dipole Antenna

ZHOU Jiang-sheng1,ZHOU Tao2

（1Jiangnan electronic and communications research institute, Jiaxing Zhejiang, 314033）

（2Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Shanghai, 200050）

Abstract: A miniaturization broadband log-periodic dipole antenna is presented in this paper. The basic principle and electromagnetic calculation method and the terminal loaded dipole method are used to minimize the dimension of antenna. The operation frequency of the proposed antenna varies from 200MHz to 3000MHz, the full-wave electromagnetic simulation software Ansys HFSS is used to model, simulate, analysis and optimize the antenna. The simulation results show that the proposed antenna presents good characteristics as gain and VSWR. Key words: log-periodic dipole antenna;broadband;miniaturization;

1引言

现代通信系统中跳频、扩频技术的广泛应用，使得通信前端设备—天线，沿着宽带化、共用化的方向发展。同时，通信系统所追求的方便灵活性使得对天线小型化的要求也日益明显。而天线的性能很大程度上取决于天线的结构尺寸与波长的比值。也就是说，天线的尺寸相对于波长保持电小尺寸，才能得到较好的性能指标，一般为波长的四分之一左右，在应用上受到限制[1-2]。本文设计的末端加载对数周期天线要求工作频段在200MHz-3000MHz范围内，驻波比小于2.5，增益大于6dBi，纵向尺寸小于1.2m。

2 基本原理

对数周期偶极子天线和偶极子天线的基本参数及工作原理是相同的。对数周期天线(Log-Periodic dipole antenna，LP-DA)是基于缩比原理设计的天线，其特性是随频率的对数做周期性变化。所有振子尺寸以及振子之间的距离都有确定的比例关系，r为比例因子，表示各振子之间的比例关系；σ为间隔因子，表示相邻振子间的距离；另外天线的顶角为2α。3个参数是相互独立的，任意2参数即可决定天线的结构[3-4]，如图1所示。

图1 对数周期偶极子天线示意图

LPDA具有极宽的工作带宽，采用交叉馈电，这种方式可以起到从不平衡到平衡的转换作用，使辐射区的振子电流有相适宜的相位关系。天线馈电后，电磁能量将由馈线点沿集合线传输，依次对各振子激励，馈线点附近的振子长度远小于波长，输入阻抗很高，电流很小，辐射很微弱，故称之为传输区；电磁波能量会在振子长度接近λ／2处发生谐振，辐射达到峰值，该区域成为辐射区；剩余的很小一部分能量继续向前传播，在天线末端的反射已经十分微弱，称为未激励区。对数周期天线的工作原理保证了有很大的频带宽度[5-7 ]。

3 天线设计

在LPDA的基础上，将低端谐振振子按照一定比例进行加载，来提高天线低端的电尺寸，采用交叉馈电，如图2所示。基本参数与对数周期偶极子天线类似，每个相邻振子的长度之比为τ，间隔常数为σ。当τ和σ以及对周振子的长度L确定之后，整个天线的结构也就基本确定了。最大辐射方向为沿馈线由较长的振子指向较小的振子。

图2 对数周期天线模型图

4 仿真与优化

利用HFSS仿真软件，以VSWR≤2.5的宽频带为目标函数，对图2模型中的各参数进行优化设计，得到如图3所示的驻波曲线。

图3 天线仿真驻波曲线

由图3可以比较明显地看出天线在200MHz～3000MHz频带内VSWR≤2.5，得到了15倍频的阻抗带宽。

图4～图7给出天线在200MHz、1000MHz、2000MHz和3000MHz四个频点的仿真辐射方向图。从四个方向图可以看到，所设计的天线在200MHz、1000MHz、2000MHz和3000MHz均具

图6 天线水平面仿真方向图

图7 天线3000MHz 水平面仿真方向图

图8给出了天线在200MHz ～3000MHz 阻抗带宽内的仿真增益曲线。在整个带宽内，天线的增益

均大于6dBi ，最高增益达到8dBi 。

图8 对周天线天线仿真增益曲线

同时，本文设计的对数周期天线具有较小的辐射尺寸。相对于相同工作频段普通的对数周期天线，本文的天线仅具有其70%的尺寸，有效实现了天线的小型化。

结 论

本文设计了一种后端加载的对数周期天线。通过电磁仿真软件HFSS 对设计的天线进行仿真优化，得到适合200MHz~3000MHz 频段的超短带接收天线，适合应用于无线通信等领域的应用。且具有相对较小的尺寸，在实际工程应用中具有一定的参考价值。

参考文献

[1]张小林 高火涛 对数周期曲线振子天线的分析与设计电波科学学报 2009年05期；

[2]后骥 魏福显 宽频带小型对数周期天线的设计 现代电

子技术 2012年07期；

[3] 张凤林 丁晓磊 超宽频带双极化对数周期单脉冲天线电波科学学报2007年05期；

[4] 李黎 李睿 超宽频带小尺寸对数周期偶极子天线设计

分析 电子技术2011年10期；

[5] 闫丕贤 刘埇 基于印刷工艺的小型化超宽带平面对数

周期天线设计 2011年全国微波毫米波会议；

[6] R.-X. Liang , P.-F. Zhang , S.-X. Gong A novel method for RCS reduction of the printed log-periodic dipole array Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2012, V ol.26 (11-12), pp.1631-1640;