郭蘭圖,林 澍,劉冠君

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

【信息科學(xué)與控制工程】

一種寬帶高增益引向天線的仿真與實(shí)驗(yàn)

郭蘭圖1,林 澍2,劉冠君2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

提出了一種具有40%相對(duì)帶寬和較高增益的印刷型引向天線，天線采用微帶線饋電，加載較長(zhǎng)的介質(zhì)板改善口徑場(chǎng)的幅相分布，仿真和實(shí)驗(yàn)表明：該天線與傳統(tǒng)加載多個(gè)寄生振子的方法相比，不影響天線的阻抗帶寬，增益也能有較大的提高；通過(guò)CST Microwave Studio的電流密度與口面場(chǎng)的仿真結(jié)果證明了上述結(jié)論，該天線亦可組陣使用。

寬帶；高增益；引向天線；印刷天線

引向天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益較高的特點(diǎn)。在通信與電子系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。印刷電路技術(shù)的發(fā)展使印刷型引向天線受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。但是，引向天線增益的提高與帶寬是相互矛盾的，傳統(tǒng)的增加引向器的方法雖然能提高增益，但會(huì)使天線帶寬顯著降低，因此一般情況下采用組陣的方法提高系統(tǒng)增益[4-5]。在此提出了一種加載介質(zhì)板提高引向天線增益的技術(shù)，可以不改變天線單元的帶寬卻能提高增益。采用CST軟件進(jìn)行仿真，對(duì)天線的表面電流和口面場(chǎng)進(jìn)行了定量分析解釋了天線的帶寬特性和高增益特性。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線外形如圖1所示，該天線印刷在一塊厚度為1.6 mm 的FR-4型環(huán)氧板兩面。饋源為半波振子，饋線為微帶線轉(zhuǎn)直線漸變形式的平衡微帶線。天線具有一個(gè)引向器，引向器前端的介質(zhì)長(zhǎng)度為天線金屬段長(zhǎng)度的2倍。具體尺寸：a=25 mm,b=35 mm, 2l1=18 mm, 2l2=13.9 mm, 2l3=6.4 mm,d1=5 mm,d2=4 mm,d3=4.25 mm,d4=3 mm,w1=3.4 mm,w2=1 mm,D=0.5 mm。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 輻射特性分析

通過(guò)CST軟件可以獲得天線引向器、有源振子和反射器(微帶線地板)表面的電流相位分布如圖2所示。從仿真結(jié)果可知，3個(gè)輻射器上電流均為駐波電流，且相位依次滯后，從而使天線產(chǎn)生了定向輻射特性。

圖2 振子表面電流相位分布

2.2 工作帶寬分析

圖3給出了3個(gè)輻射器上電流與頻率關(guān)系曲線，可以看出3個(gè)電流都有各自的諧振點(diǎn)，因此天線的工作帶寬由這3個(gè)頻率決定。|S11|的仿真結(jié)果證明了這一點(diǎn)。天線的工作帶寬達(dá)到了8～12 GHz，相對(duì)帶寬為40%。

圖3 振子電流分布

2.3 增益提高機(jī)理

通過(guò)仿真獲得了具有和沒(méi)有介質(zhì)板加載情況下的天線口面處電場(chǎng)的幅相分布，如圖4(a)和圖4(b)所示。兩者相比，口面場(chǎng)的幅度分布相差不大，但是相位分布卻有較大差異，不具有介質(zhì)板的天線的口面場(chǎng)的相差很大，因此會(huì)導(dǎo)致天線口面利用系數(shù)下降，從而增益小于具有介質(zhì)板的天線。這里，較大的介質(zhì)板是導(dǎo)致口徑相差變化較小的原因。

通過(guò)圖4(c)可以對(duì)該天線的口面相位分布改善的原因給出物理上的解釋，介質(zhì)板加長(zhǎng)后，會(huì)有較多的電波在介質(zhì)板兩側(cè)與空氣的分界面發(fā)生反射，這種反射以全反射居多。電磁波能量從而較多地聚集到了介質(zhì)板內(nèi)部，這相當(dāng)于使口面場(chǎng)的分布得到了優(yōu)化，這種優(yōu)化主要體現(xiàn)在相位分布上。改善了相位分布的口徑，相當(dāng)于提高了口徑的有效面積，因此天線的增益也會(huì)增加。仿真結(jié)果表明，加載后天線的增益達(dá)到了7～9 dBi，而通常三元引向天線的增益一般在5～7 dBi，兩者相比會(huì)有2 dB的增益提高。

另外，加載的介質(zhì)板與印刷天線本身的介質(zhì)基板的材料是一致的，因此電磁波在加載介質(zhì)板內(nèi)傳播時(shí)，在水平方向的介質(zhì)-空氣界面上的反射與不加載介質(zhì)板類似，因此加載后的天線的反射系數(shù)不會(huì)發(fā)生顯著變化，天線的阻抗帶寬也不會(huì)發(fā)生較大變化。

圖4 天線口面處電場(chǎng)幅相分布

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所設(shè)計(jì)的天線制作實(shí)物，實(shí)物見(jiàn)圖5所示，并進(jìn)行測(cè)試，所得到的|S11|，增益和方向圖曲線見(jiàn)圖6、圖7、圖8，可以看出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。介質(zhì)板與焊接的非理想性導(dǎo)致了他們的少量差異。

圖5 天線實(shí)物圖

圖6 反射系數(shù)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

圖8 方向圖實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種具有40%帶寬，增益達(dá)到8 dBi的引向天線，實(shí)現(xiàn)了在提高增益的情況下阻抗帶寬卻沒(méi)受影響，天線可以單獨(dú)使用，也可以組成陣列。

[1] WANG H,LIU L,ZHANG Z,et al.A Wideband Compact WLAN/WiMAX MIMO Antenna Based on Dipole With V-shaped Ground Branch[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2015,63(5):2290-2295.

[2] ZOU X,TONG C M,BAO J S,et al.SIW-Fed Yagi Antenna and Its Application on Monopulse Antenna[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2014(13):1035-1038.

[3] ZHANG W H,TAM K W.A compact wideband planar quasi-Yagi antenna[C]//Wireless Symposium (IWS),2015 IEEE International.IEEE,2015:1-4.

[4] KANG C Y.A Wideband Printed Directional Antenna Array with Impedance Regulating Load[J].International Journal of Antennas and Propagation,2014(6):1-10.

[5] 何林濤.機(jī)載毫米波有源相控陣天線熱設(shè)計(jì)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):115-119.

(責(zé)任編輯 楊繼森)

Experiment and Simulation of a Wideband and High-Gain Directional Antenna

GUO Lan-tu1， LIN Shu2， LIU Guan-Jun2

(1.The 22ndResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao 266107, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

A 40% relative bandwidth high gain directional printed antenna was proposed, which was fed by micro-strip line. By loading longer substrate, the distribution of amplitude and phase of aperture field can be improved. Simulation and experiment show that the antenna does not affect the bandwidth of the antenna and the gain can be greatly improved compared with the conventional Yagi-Uda antenna. The above results were proved by the simulation results of current density and aperture field distribution of CST Microwave Studio. The proposed antenna can also be used to form antenna array.

wide-band; high-gain; directional antenna; printed antenna

2016-12-22；

2017-01-25 基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2012YQ0037)

郭蘭圖(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要從事頻譜管理及復(fù)雜電磁環(huán)境研究。

10.11809/scbgxb2017.05.022

format:GUO Lan-tu，LIN Shu，LIU Guan-Jun.Experiment and Simulation of a Wideband and High-Gain Directional Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):99-101.

TN82

A

2096-2304(2017)05-0099-03

本文引用格式：郭蘭圖,林澍,劉冠君.一種寬帶高增益引向天線的仿真與實(shí)驗(yàn)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):99-101.