基于印刷工藝的小型化超寬帶平面對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)

1 引言

對(duì)數(shù)周期天線稱(chēng)為L(zhǎng)PDA (Log Periodic Dipole Antennas)，是一種常用超寬帶天線，它由基本單元-偶極子構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)具有自相似性，其電性能可以在很寬的頻帶內(nèi)基本保持穩(wěn)定^[1-2]。一般的對(duì)數(shù)周期天線用圓柱振子做成,其體積大,重量重,制作難度大,精度有限。將對(duì)數(shù)周期天線通過(guò)現(xiàn)代光刻工藝制作在微帶基板上,構(gòu)成所謂的印刷對(duì)數(shù)周期天線(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(guó)外出現(xiàn)了雙層印刷對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)^[3],將印刷振子分別印刷在兩塊基板上,通過(guò)兩板中間的微帶線饋電；另有研究提出了單層印刷對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究^[4-5]。通過(guò)上述研究的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙層印刷對(duì)數(shù)周期天線的帶寬可以進(jìn)一步擴(kuò)展，而且尺寸也可以縮小。本文通過(guò)選擇高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，采用緊密排布振子的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的雙層印刷對(duì)數(shù)周期天線可以以60mm×60mm×2.054mm的尺寸實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的天線在工作頻帶內(nèi)駐波以及增益特性較穩(wěn)定,加工難度低、精度高，具有較好的實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

2 對(duì)數(shù)周期天線原理

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(duì)雙線傳輸線饋電。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(zhǎng)/短振子相接的集合線終端有時(shí)接一阻抗元件或支節(jié)，以減小終端反射。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如以下定義：

周期率或比例因子

(1)

張角或結(jié)構(gòu)角

(2)

式中l(wèi)n是第n個(gè)振子的長(zhǎng)度，Rn是第n個(gè)振子到天線頂點(diǎn)O的距離。當(dāng)天線由長(zhǎng)振子端或短振子端饋電后，信號(hào)源供給的能量沿集合線傳輸，并依次對(duì)各振子激勵(lì)。只有長(zhǎng)度接近諧振波長(zhǎng)的振子部分才能激勵(lì)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(qū)或輻射區(qū)，從饋電點(diǎn)到輻射區(qū)之間的這一段振子區(qū)域稱(chēng)為傳輸區(qū)。而長(zhǎng)度稍大于或很大于諧振長(zhǎng)度的那部分振子及其集合線部分則稱(chēng)為未激勵(lì)區(qū)。

圖1 對(duì)數(shù)周期偶極天線結(jié)構(gòu)示意

3 小型化印刷對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)

3.1 雙層介質(zhì)基板的對(duì)數(shù)周期天線原理

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

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

圖2 印刷對(duì)數(shù)周期偶極天線結(jié)構(gòu)

其中：

1-饋電端口

2-阻抗匹配段

3-饋電線

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(shù)計(jì)算

選擇天線工作頻段為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(zhǎng)度。

(3)

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

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

3.3 仿真結(jié)果及分析

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