一种双面印刷偶极子天线解析

1 引言

偶极子天线是一种最基本的单元形式，既可独立使用，也可作为大型天线阵的辐射单元。采用微带平衡巴伦馈电的印刷偶极子天线具有剖面薄、重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点而得到广泛的应用。而一般的印刷偶极子天线存在带宽较窄、交叉极化电平过高等缺点。

本文提出了一种双面印刷偶极子天线，在传统微带巴伦馈电的单面偶极子基础上，多加了层介质在巴伦两侧双面印刷偶极臂，改变了巴伦馈电的电场分布，使得横向交叉极化电场分量相互抵消降低了天线的交叉极化特性。并通过调整巴伦结构，获得了良好的双谐振匹配，达到了展宽带宽的效果。

2 天线结构与设计

印刷偶极子天线由两部分组成：在一块介质板上一面印刷平衡巴伦馈电结构，另一面印刷偶极子臂。

传统单面印刷偶极子天线结构如图1所示；双面印刷偶极子天线结构如图2所示。从两张图比较来看，前者一层介质，一面是偶极子臂，另一面是微带巴伦；后者双层介质，两面都为偶极子臂，中间相当于带状线的巴伦。从图1右侧可以看出，单面偶极子天线的巴伦会带来横向交叉极化电场分量；而图2中，双面偶极子天线巴伦的横向电场分量相互抵消，这样大大降低了天线的交叉极化电平。

图1 单面印刷偶极子天线

微带巴伦在这里起到了平衡-不平衡转换和阻抗匹配的作用。它的等效电路模型如图3所示：

图2 双面印刷偶极子天线

图3 平衡巴伦结构等效电路图

印刷振子一般都具有双谐特性即在带宽内有两个谐振点，当两个谐振点相距较远时，每个谐振点附近的驻波曲线较尖锐，谐振点之问的频率点上驻波较大，只有在两个谐振区部分重合时，才有可能在满足驻波要求的条件下获得较大的带宽。通过调节参数s、hs、hm、Wm和lm（即开路线宽度长度和开槽的宽度长度及匹配段的宽度长度），可以使其阻抗在很宽的频带内匹配。

本文提出的双面印刷偶极子天线由两层Er=2.55，每层厚度t=0.7mm的介质双面印刷偶极子臂，中间印刷巴伦结构组成。为了使天线单向辐射，天线底部加有金属底板。天线的尺寸参数如图4所示：w1、w2、h1、h2、L决定偶极臂的尺寸；s、hs、hm、Wm、lm决定巴伦的尺寸。

图4 天线尺寸参数图

3 天线优化仿真与结果

本文天线经过仿真计算，尺寸参数基本确定为：w1=35mm，w2=25mm，h1=60mm， h2=25mm，L=40mm；s=1.5mm，hs=1mm， wm=1mm，lm=20mm，hm=25mm。通过不断的优化这些参数变量，得到了以1.25GHz为中心频率回波损耗小于-10dB的1-1.51GHz（约40%）的带宽，如图5所示：

图5 天线回波损耗图

在此频率范围内天线的增益为5-9dBi，如图6所示：

图6 天线增益图

天线在1GHz、1.25GHz和1.5GHz的方向图分别为图7、图8和图9。

图7 1GHz时的方向图

图8 1.25GHz时的方向图

图9 1.5GHz时的方向图

本文设计的双面印刷偶极子天线与传统单面偶极子相比，在中心频率1.25GHz上的交叉极化电平由-30dB降低到了-50dB，如图10和11所示：

图10 传统单面印刷偶极子的交叉极化

图11 双面印刷偶极子的交叉极化

5 结论

本文设计了一种双面印刷偶极子天线，采用双层平面偶极子结构降低了交叉极化电平，利用平衡巴伦匹配获得双谐振点拓展带宽。最后达到了40%的回波损耗小于-10dB的阻抗带宽，带内增益5-9dBi，交叉极化电平小于-50dB的结果。为印刷天线的宽带与低交叉极化设计提供了有效的方法与途径。