基于印刷工藝的小型化超寬帶平面對數(shù)周期天線設(shè)計

1 引言

對數(shù)周期天線稱為LPDA (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。將對數(shù)周期天線通過現(xiàn)代光刻工藝制作在微帶基板上,構(gòu)成所謂的印刷對數(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。

80年代國外出現(xiàn)了雙層印刷對數(shù)周期天線的設(shè)計^[3],將印刷振子分別印刷在兩塊基板上,通過兩板中間的微帶線饋電；另有研究提出了單層印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了實驗研究^[4-5]。通過上述研究的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，雙層印刷對數(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)計的雙層印刷對數(shù)周期天線可以以60mm×60mm×2.054mm的尺寸實現(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。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計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，具有較好的實現(xiàn)價值。

2 對數(shù)周期天線原理

如圖1所示，LPDA是由N個平行偶極子按一定的比例關(guān)系排列而成，由一對雙線傳輸線饋電。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/短振子相接的集合線終端有時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個振子的長度，Rn是第n個振子到天線頂點O的距離。當(dāng)天線由長振子端或短振子端饋電后，信號源供給的能量沿集合線傳輸，并依次對各振子激勵。只有長度接近諧振波長的振子部分才能激勵起較大的電流，向空間形成有效輻射，通常稱這部分振子為有效區(qū)或輻射區(qū)，從饋電點到輻射區(qū)之間的這一段振子區(qū)域稱為傳輸區(qū)。而長度稍大于或很大于諧振長度的那部分振子及其集合線部分則稱為未激勵區(qū)。

圖1 對數(shù)周期偶極天線結(jié)構(gòu)示意

3 小型化印刷對數(shù)周期天線設(shè)計

3.1 雙層介質(zhì)基板的對數(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度。

(3)

選擇高介電常數(shù)的介質(zhì)基板使振子的長度大大減小，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)比例因子實現(xiàn)緊湊的振子排布結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步實現(xiàn)小型化。選擇，；通過式(1)-(3)計算出各貼片單元的長度、寬度以及間距，并計算出饋電帶線的寬度w。

按照計算尺寸，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)；最短振子長度，寬度；饋電帶線寬度 ，匹配段長度為1.5mm，寬度分別為3.2mm、2.8mm、2.4mm。