基于印刷工藝的小型化超寬帶平面對數周期天線(xiàn)設計

1 引言

對數周期天線(xiàn)稱(chēng)為L(cháng)PDA (Log Periodic Dipole Antennas)，是一種常用超寬帶天線(xiàn)，它由基本單元-偶極子構成，其結構具有自相似性，其電性能可以在很寬的頻帶內基本保持穩定^[1-2]。一般的對數周期天線(xiàn)用圓柱振子做成,其體積大,重量重,制作難度大,精度有限。將對數周期天線(xiàn)通過(guò)現代光刻工藝制作在微帶基板上,構成所謂的印刷對數周期天線(xiàn)(PLPDA),具有重量輕、體積小、易于加載、制作精度高、一致性好的優(yōu)點(diǎn)。

80年代國外出現了雙層印刷對數周期天線(xiàn)的設計^[3],將印刷振子分別印刷在兩塊基板上,通過(guò)兩板中間的微帶線(xiàn)饋電；另有研究提出了單層印刷對數周期天線(xiàn)結構,并進(jìn)行了實(shí)驗研究^[4-5]。通過(guò)上述研究的經(jīng)驗發(fā)現，雙層印刷對數周期天線(xiàn)的帶寬可以進(jìn)一步擴展，而且尺寸也可以縮小。本文通過(guò)選擇高介電常數的介質(zhì)基板，采用緊密排布振子的結構，設計的雙層印刷對數周期天線(xiàn)可以以60mm×60mm×2.054mm的尺寸實(shí)現1.5GHz-18.5GHz的工作帶寬，具有很好的小型化以及超寬帶特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的天線(xiàn)在工作頻帶內駐波以及增益特性較穩定,加工難度低、精度高，具有較好的實(shí)現價(jià)值。

2 對數周期天線(xiàn)原理

如圖1所示，LPDA是由N個(gè)平行偶極子按一定的比例關(guān)系排列而成，由一對雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)饋電。為使方向圖指向短振子一端，相鄰的兩振子采用交叉饋電，與長(cháng)/短振子相接的集合線(xiàn)終端有時(shí)接一阻抗元件或支節，以減小終端反射。天線(xiàn)結構參數如以下定義：

周期率或比例因子

(1)

張角或結構角

(2)

式中ln是第n個(gè)振子的長(cháng)度，Rn是第n個(gè)振子到天線(xiàn)頂點(diǎn)O的距離。當天線(xiàn)由長(cháng)振子端或短振子端饋電后，信號源供給的能量沿集合線(xiàn)傳輸，并依次對各振子激勵。只有長(cháng)度接近諧振波長(cháng)的振子部分才能激勵起較大的電流，向空間形成有效輻射，通常稱(chēng)這部分振子為有效區或輻射區，從饋電點(diǎn)到輻射區之間的這一段振子區域稱(chēng)為傳輸區。而長(cháng)度稍大于或很大于諧振長(cháng)度的那部分振子及其集合線(xiàn)部分則稱(chēng)為未激勵區。

圖1 對數周期偶極天線(xiàn)結構示意

3 小型化印刷對數周期天線(xiàn)設計

3.1 雙層介質(zhì)基板的對數周期天線(xiàn)原理

雙層介質(zhì)基板的利用微帶印刷工藝，可以實(shí)現LPDA天線(xiàn)的高精度、小型化加工。其結構為雙層微帶板，其中間為帶狀饋電線(xiàn)，上下兩面分別為天線(xiàn)的基本振子單元以及饋線(xiàn)；中間饋電帶線(xiàn)末端與一側的天線(xiàn)短路。具體結構及組成部分如圖2所示。

為實(shí)現小型化，微帶板的材料選擇高介電常數的Rogers6010，介電常數為10.2；單層介質(zhì)板厚度為1mm，覆銅厚度0.018mm。

圖2 印刷對數周期偶極天線(xiàn)結構

其中：

1-饋電端口

2-阻抗匹配段

3-饋電線(xiàn)

4-上層微帶振子

5-下層微帶振子

6-介質(zhì)基板

7-短路端

3.2 參數計算

選擇天線(xiàn)工作頻段為1.5GHz-18.5GHz，由介質(zhì)基板的材料特性以及最高工作頻率得到最短振子的長(cháng)度。

(3)

選擇高介電常數的介質(zhì)基板使振子的長(cháng)度大大減小，另外為縮短軸向尺寸，本文中將天線(xiàn)張角設為較大角度，并選擇適當比例因子實(shí)現緊湊的振子排布結構來(lái)進(jìn)一步實(shí)現小型化。選擇，；通過(guò)式(1)-(3)計算出各貼片單元的長(cháng)度、寬度以及間距，并計算出饋電帶線(xiàn)的寬度w。

按照計算尺寸，利用仿真軟件HFSS建立天線(xiàn)模型，進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

3.3 仿真結果及分析

優(yōu)化得到的最終參數為：天線(xiàn)整體尺寸為(同軸接頭除外)；最短振子長(cháng)度，寬度；饋電帶線(xiàn)寬度 ，匹配段長(cháng)度為1.5mm，寬度分別為3.2mm、2.8mm、2.4mm。