介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的設(shè)計(jì)*

倪國(guó)旗，韓非凡，張昱凱

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.空軍空降兵學(xué)院 二系，廣西 桂林 541003)

介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的設(shè)計(jì)*

倪國(guó)旗**1,2，韓非凡1，張昱凱1

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.空軍空降兵學(xué)院 二系，廣西 桂林 541003)

采用了介質(zhì)埋藏的形式將平面蝶形天線埋藏于介質(zhì)中，并設(shè)計(jì)了漸變的平面微帶巴倫給平面蝶形天線饋電，實(shí)現(xiàn)了不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換；還設(shè)計(jì)了三角形微帶巴倫和微帶傳輸線一起的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行阻抗匹配。使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，與制作的實(shí)物天線性能進(jìn)行對(duì)比。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線S11≤-10 dB仿真的相對(duì)帶寬達(dá)到88.7%而實(shí)測(cè)的相對(duì)帶寬為79.3%，具有超寬帶特性；在工作頻率處，仿真增益為 6.9 dB，實(shí)測(cè)增益為5.8 dB。該天線滿足某工程項(xiàng)目的需要，可作為探地雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)天線。

探地雷達(dá)；超寬帶天線；介質(zhì)埋藏平面蝶形天線；三角形微帶巴倫

1 引 言

天線正沿著寬頻帶、高增益、小型化方向發(fā)展[1]。平面蝶形天線具有寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易于加工和小型化、方便與電路集成等特點(diǎn)而被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[2-6]。目前，它也是探地雷達(dá)系統(tǒng)中收發(fā)天線的主要形式之一，并且得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，天線的金屬部分不可避免地裸露在空氣中，很容易受到空氣的氧化腐蝕，特別是在惡劣的環(huán)境中對(duì)天線的損傷會(huì)更大，從而使天線性能發(fā)生改變?？梢?，很有必要在天線的外表面加覆蓋層用以保護(hù)天線的金屬部分，例如：涂上油漆，可是油漆對(duì)天線的性能影響很大。基于保護(hù)天線和某種性能的需要，本文將天線的金屬部分埋藏在介質(zhì)中，形成一種新型的天線形式——介質(zhì)埋藏天線[7]，該天線可減小天線的尺寸同時(shí)還增強(qiáng)天線的隱蔽性,比油漆的作用效果要好，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值[7]。

2 介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的設(shè)計(jì)

2.1 介質(zhì)埋藏平面蝶形天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所提出的介質(zhì)埋藏平面蝶形天線采用印刷電路工藝，天線的兩振子分別印刷在介質(zhì)板的兩側(cè)。如圖1所示，介質(zhì)板采用FR4，其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度為h=1.6 mm,介質(zhì)板上下兩個(gè)表面銅箔厚度為0.018 mm,天線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W。使用了漸變的微帶三角形巴倫實(shí)現(xiàn)了天線的平衡饋電。不平衡端的微帶線寬為W2，不平衡端接地面寬W1；平衡端的微帶線寬W3；巴倫三角形側(cè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2，底邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1；平行雙線長(zhǎng)為L(zhǎng)3；漸變傳輸線長(zhǎng)為最L4。最后，用介質(zhì)把平面蝶形天線的上下表面和饋電巴倫全部埋藏起來(lái)，即構(gòu)成介質(zhì)埋藏平面蝶形天線。

圖1 介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 The structure of dielectric embedded planar bow-tie antenna

2.2 天線各主要參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化

本文要設(shè)計(jì)的天線工作頻率是f0=3 GHz，工作頻段是1.42～4.08 GHz，介質(zhì)基板采用的是h=1.6 mm的FR4的雙面覆銅板，其相對(duì)介電常數(shù)εr是4.4。

2.2.1 天線參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化

根據(jù)介質(zhì)基板的相關(guān)參數(shù)，厚度不平衡端SMA接頭處微帶線寬度為W2=3.08 mm,由文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]可知，其有效的介電常數(shù)為

(1)

由文獻(xiàn)[2]可知，天線的有效電長(zhǎng)度約等于天線諧振時(shí)對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的一半,即

(2)

而天線的寬度W則由天線每邊的張角θ決定，天線的寬度隨著θ的變化而變化，而θ的選取必須考慮天線的小型化和天線的阻抗帶寬,一般由工程經(jīng)驗(yàn)可以取為60°[2]。最后，由HFSS的參數(shù)掃描和優(yōu)化分析給出L=34.46 mm，W=27.5 mm。

2.2.2 饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化

(3)

經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化計(jì)算，最終確定了天線的相關(guān)參數(shù)和饋電結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 天線的相關(guān)參數(shù)值

Tab.1 The relative parameter values of the antenna

mm

2.3 天線埋藏介質(zhì)的選擇

天線各層之間采用膠合劑粘接，也就是用黏合劑把埋藏的介質(zhì)和天線粘成一個(gè)整體。若粘膠選擇不合適，電磁波就會(huì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)板和粘膠的交界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射或者折射，進(jìn)而影響天線的性能。為了最大程度減小粘接膠對(duì)天線的影響，常采用與介質(zhì)基板相同的材質(zhì)的膠粘接?？紤]到市面上比較常見的、價(jià)格適中的環(huán)氧樹脂AB膠與FR4介質(zhì)板的基本材料相同，并且相對(duì)其他板材來(lái)說(shuō)，F(xiàn)R4板材價(jià)格比較便宜，綜合考慮設(shè)計(jì)的需要、設(shè)計(jì)成本等因素，本設(shè)計(jì)選擇環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4作為埋藏介質(zhì)的選擇。

3 實(shí)驗(yàn)與天線性能分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)，利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真分析，仿真了介質(zhì)埋藏平面蝶形天線，并把平面蝶形天線的S11曲線和其對(duì)比，如圖2所示。

圖2 S11曲線圖

Fig.2 The curve ofS11

圖2中，由實(shí)線可知，介質(zhì)埋藏平面蝶形天線在f0=3 GHz處，S11=-27.15 dB，S11≤-10 dB的帶寬為1.42～4.08 GHz，絕對(duì)帶寬為2.66 GHz,相對(duì)帶寬為88.7%。由虛線可知，平面蝶形天線在f0=3 GHz處，S11=-25.90 dB,S11≤-10 dB的頻率范圍是1.54～4.42 GHz，絕對(duì)帶寬為2.88 GHz，相對(duì)帶寬為96%。雖然介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的帶寬比平面蝶形天線的要窄一些，但是所設(shè)計(jì)的天線仍然具有超寬帶特性。

介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的3D方向圖如圖3所示,為了方便比較它和平面蝶形天線增益值的差距，這里也給出了平面蝶形天線的三維方向圖。

(a) 介質(zhì)埋藏平面蝶形天線

(b) 平面蝶形天線

圖3 3D方向圖

Fig.3 3D radiation pattern

圖3中，介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的增益為6.9 dB而平面蝶形天線的增益只有5.1 dB,前者的增益比后者高1.8 dB。這是由于引入了介質(zhì)，起到了壓制波束的作用，使得天線的方向性變好，從而有利于提高天線的增益。由電磁場(chǎng)理論可知，從光密向光疏媒質(zhì)傳播的電磁波，在兩種媒質(zhì)交界面的入射角大于臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射。本文采用的介質(zhì)介電常數(shù)εr=4.4大于ε0，是光密媒質(zhì)，只要滿足入射角大于臨界角的電磁波都被反射回。

介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的E面方向圖和H面方向圖、輸入阻抗曲線圖、駐波比曲線圖如圖4～6所示。

(a)E面方向圖

(b) H面方向圖

圖4 E面和H面方向圖

Fig.4 E plane and H plane radiation patterns

圖5 輸入阻抗曲線圖

Fig.5 The curve of input impedance

圖6 駐波比曲線圖

Fig.6 The curve of VSWR

圖4中，E面半功率波束寬度為55°(見圖4(a)中A和B兩點(diǎn)的角度差)，H面半功率波束寬度為93°(見圖4(b)C和D兩點(diǎn)的角度差)。圖5中，在中心頻率3 GHz處，輸入阻抗的實(shí)部為47.7 Ω，虛部為-3.6,相對(duì)接近50 Ω，這說(shuō)明介質(zhì)埋藏平面蝶形天線和饋線匹配得較好。圖6中，介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的駐波比為1.09，所設(shè)計(jì)的介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的駐波性能較好，可以滿足系統(tǒng)的需要。介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的仿真性能參數(shù)如表2所示。

表2 天線的仿真性能參數(shù)

Tab.2 The simulation parameters of antenna

f0/GHzB/GHzG/dBVSWRθ0.5E/(°)θ0.5H/(°)Re/ΩIm32.666.91.09559347.7-3.6

3.2 天線實(shí)物制作與性能測(cè)試

3.2.1 天線實(shí)物制作

綜合考慮天線的設(shè)計(jì)成本和天線的性能，利用上述仿真優(yōu)化得到的天線參數(shù)，制作了實(shí)物，如圖7所示。

圖7 介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的實(shí)物圖

Fig.7 The physical object of dielectric embeddedplanar bow-tie antenna

天線包括正反兩個(gè)面，印刷在介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm的FR4雙面敷銅板上。天線使用微帶的三角形巴倫饋電，有效地實(shí)現(xiàn)了不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配。 在上述基礎(chǔ)上使用環(huán)氧樹脂AB膠把介質(zhì)和天線的金屬部分粘成一個(gè)整體，為了方便粘接，不留過(guò)多的縫隙，防止對(duì)天線的性能造成影響，這里特意裁剪了一個(gè)SMA接頭的位置，以方便埋藏介質(zhì)和天線的金屬部分很好地粘接。

3.2.2 性能測(cè)試與分析

使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)介質(zhì)埋藏平面蝶形天線實(shí)物的阻抗帶寬進(jìn)行了調(diào)試測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)介質(zhì)埋藏平面蝶形天線S11曲線圖

Fig.8 The measured curve ofS11on dielectric embedded planar bow-tie antenna

圖8中，天線測(cè)試的S11最低值諧振點(diǎn)和仿真的吻合較好。仿真數(shù)據(jù)顯示,S11≤-10 dB的帶寬為1.42～4.08 GHz，絕對(duì)帶寬為2.66 GHz,相對(duì)帶寬為88.7%。由實(shí)測(cè)結(jié)果可知,S11≤-10 dB的帶寬為2.2～4.58 GHz,絕對(duì)帶寬為2.38 GHz，相對(duì)帶寬為79.3%。實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真結(jié)果差，這可能與加工誤差和焊接等因素的影響有關(guān)，但是都在可接受的范圍內(nèi)。

在微波暗室使用NSI2000近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量。把天線主波束方向?qū)?zhǔn)發(fā)射喇叭天線的饋源，為了固定待測(cè)天線，這里使用在一個(gè)泡沫開縫的方法，把天線夾在縫中，然后用透明膠把泡沫牢牢地圈在轉(zhuǎn)軸上。由于測(cè)試條件的客觀性，微波暗室空間有限，轉(zhuǎn)臺(tái)太大，不能測(cè)試到后瓣，只能測(cè)試到180°的范圍。但是,由于所設(shè)計(jì)天線是單向輻射的，天線主要朝主波束方向輻射,而主波束方向是可以被測(cè)量到的。天線3D方向圖、歸一化的E面方向圖和H面方向圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 實(shí)測(cè)的3D方向圖

Fig.9 The measured 3D radiation pattern

(a)E面方向圖

(b)H面方向圖

圖10 仿真和實(shí)測(cè)歸一化的E面方向圖和H面方向圖

Fig.10 The simulated and measured normalized E and H plane radiation patterns

圖9中，實(shí)測(cè)3D方向圖沒(méi)有出現(xiàn)裂瓣。圖10中，實(shí)測(cè)E面和H面半功率波束寬度要比仿真的要窄，這可能是和測(cè)量過(guò)程中無(wú)可避免引入的測(cè)量誤差有關(guān)。此外，通過(guò)比較法測(cè)試了天線的增益，實(shí)測(cè)增益只有5.8 dB,比仿真值低1.1 dB。這可能與固定天線的金屬架影響以及測(cè)量誤差有關(guān)，但是天線的整體性能是可以被接受的。實(shí)測(cè)和仿真性能參數(shù)比較如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)和仿真性能參數(shù)比較

Tab.3 The contrast of the performances between simulation and measurement

結(jié)果f0/GHzB/GHzG/dBθ0.5E/(°)θ0.5H/(°)實(shí)測(cè)32.355.838.3978.84仿真32.666.955.0093.00

4 結(jié) 論

本文通過(guò)采用介質(zhì)埋藏方式，設(shè)計(jì)了一種新型的介質(zhì)埋藏平面蝶形天線。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物測(cè)試可以看出,所設(shè)計(jì)的天線具有寬頻帶特性，駐波比較低，天線的性能較好。這也為其他特型天線的埋藏設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)。通過(guò)比較埋藏介質(zhì)和沒(méi)有埋藏介質(zhì)的兩種類型的天線可以知道,介質(zhì)埋藏天線具有隱蔽性好、集成度高、性能不容易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，因此，該天線具有良好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，但是，其增益相對(duì)較低，可以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中進(jìn)行組陣。

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NI Guoqi was born in Hubei Province,in 1964.He received the Ph.D. degree from Beijing Institute of Technology in 2008.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research concerns microwave technology and antenna, microwave devices and material.

Email:ngq157@163.com

韓非凡(1988—)，男，廣東人，2013年于電子科技大學(xué)中山學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為桂林電子科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘炀€技術(shù);

HAN Feifan was born in Guangdong Province,in 1988.He received the B.S. degree from Zhongshan Institute,University of Electronic Science and Technology of China,in 2013.He is now a graduate student.His research concerns antenna technology.

Email:1302202008@mails.guet.edu.cn

張昱凱(1991—)，男，山西人，2014年于桂林電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲炀€。

ZHANG Yukai was born in Shanxi Province,in 1991.He received the B.S. degree from Guilin University of Electronic Technology in 2014.He is now a graduate student.His research concerns microstrip antenna.

Email:646945467@qq.com

Design of a Dielectric Embedded Planar Bow-Tie Antenna

NI Guoqi1,2,HAN Feifan1,ZHANG Yukai1

(1.School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.The 2nd Department，Air Force Airborne Academy,Guilin 541003,China)

The planar bow-tie antenna employing the form of dielectric embedded is buried in the substrate.A tapered planar microstrip balun is designed so as to achieve transforming unbalance to balance.In order to realize impedance matching,the structure of triangular microstrip balun with microstrip transmission line is designed.The designed antenna is simulated and optimized by Ansoft HFSS and compared with fabricated physical object.Simulated and measured results show that the relative bandwidth reaches 88.7%,while the measurement is 79.3%,which has the ultra-wideband(UWB) characteristics.At the working central frequency,the gain is up to 6.9 dB,while the measurement is 5.8 dB,which meets the need of a certain project and can be applied in the receiving and transmitting antenna of ground penetrating radar system.

ground penetrating radar;ultra-wideband(UWB) antenna;dielectric embedded planar bow-tie antenna；triangle microstrip balun

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.014

倪國(guó)旗，韓非凡，張昱凱.介質(zhì)埋藏平面蝶形天線的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1381-1386.[NI Guoqi,HAN Feifan,ZHANG Yuka.Design of a dielectric embedded planar bow-tie antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1381-1386.]

2016-02-29；

2016-06-08 Received date:2016-02-29；Revised date：2016-06-08

TN822

A

1001-893X(2016)12-1381-06

倪國(guó)旗(1964—)，男，湖北人，2008年于北京理工大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)與天線、微波器件與材料；

**通信作者：ngq157@163.com Corresponding author：ngq157@163.com