一种宽带高增益引向天线的仿真与实验

1、一种宽带高增益引向天线的仿真与实验郭兰图1,林澍2,刘冠君2(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东青岛266107； 2.哈尔滨工业大学电 子与信息工程学院，哈尔滨150080)基金项目：国家重大科学仪器开发专项(2012YQ0037)作者简介：郭兰图(1982)，男，高级工程师，主要从事频谱管理及复杂电磁环境研究。本文引用格式：郭兰图，林澍，刘冠君.一种宽带高增益引向天线的仿真与实验J.兵器装 备工程学报，2017(5):99-101.Citation： format:GUO Lan-tu，LIN Shu， LIU Guan-Jun.Experiment and Simulation

2、 of a Wideband and High-Gain Directional AntennaJ.Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):99-101.摘要：提出了一种具有40%相对带宽和较高增益的印刷型引向天线，天线采用微带线馈电， 加载较长的介质板改善口径场的幅相分布，仿真和实验表明：该天线与传统加载多个寄生 振子的方法相比，不影响天线的阻抗带宽，增益也能有较大的提高；通过CST Microwave Studio的电流密度与口面场的仿真结果证明了上述结论，该天线亦可组阵使用。关键词：宽带；高增益；引向天线；印刷天线引向天线具有结

3、构简单，增益较高的特点。在通信与电子系统中获得了广泛的应用。印刷电路技术的发展使印刷型引向天线受到了广泛的关注IE。但是，引向天线增益的提 高与带宽是相互矛盾的，传统的增加引向器的方法虽然能提高增益，但会使天线带宽显 著降低，因此一般情况下采用组阵的方法提高系统增益4-5。在此提出了一种加载介质板 提高引向天线增益的技术，可以不改变天线单元的带宽却能提高增益。采用CST软件进 行仿真，对天线的表面电流和口面场进行了定量分析解释了天线的带宽特性和高增益特 性。1天线结构天线外形如图1所示，该天线印刷在一块厚度为1.6 mm的FR-4型环氧板两面。馈 源为半波振子，馈线为微带线转直线渐变形式的平衡

4、微带线。天线具有一个引向器，引 向器前端的介质长度为天线金属段长度的2倍。具体尺寸：a=25 mm, b=35 mm, 2l18 mm,2l =13.9 mm, 2l =6.4 mm, d =5 mm, d =4 mm, d =4.25 mm, d =3 mm,w =3.4 mm,w =1 mm, D=0.523123412mm。酎正面(h) it图1天线结构2仿真结果分析2.1辐射特性分析通过CST软件可以获得天线引向器、有源振子和反射器(微带线地板)表面的电流相 位分布如图2所示。从仿真结果可知，3个辐射器上电流均为驻波电流，且相位依次滞后， 从而使天线产生了定向辐射特性。10214频率F

5、GHh图2振子表面电流相位分布2.2工作带宽分析图3给出了 3个辐射器上电流与频率关系曲线，可以看出3个电流都有各自的谐振 点，因此天线的工作带宽由这3个频率决定。|S“|的仿真结果证明了这一点。天线的工 作带宽达到了 812 GHz,相对带宽为40%。la./ JSCjIE?(c) f t2 GHz图3振子电流分布2.3增益提高机理通过仿真获得了具有和没有介质板加载情况下的天线口面处电场的幅相分布，如图 4(a)和图4(b)所示。两者相比，口面场的幅度分布相差不大，但是相位分布却有较大差 异，不具有介质板的天线的口面场的相差很大，因此会导致天线口面利用系数下降，从 而增益小于具有介质板的天线

6、。这里，较大的介质板是导致口径相差变化较小的原因。通过图4(c)可以对该天线的口面相位分布改善的原因给出物理上的解释，介质板加 长后，会有较多的电波在介质板两侧与空气的分界面发生反射，这种反射以全反射居多。 电磁波能量从而较多地聚集到了介质板内部，这相当于使口面场的分布得到了优化，这 种优化主要体现在相位分布上。改善了相位分布的口径，相当于提高了口径的有效面积， 因此天线的增益也会增加。仿真结果表明，加载后天线的增益达到了 79 dBi，而通常 三元引向天线的增益一般在57 dBi，两者相比会有2 dB的增益提高。另外，加载的介质板与印刷天线本身的介质基板的材料是一致的，因此电磁波在加载介质板内传播时，在水平方向的介质-空气界面上的反射与不加载介质板类似，因此加载后的天线的反射系数不会发生显著变化天线的阻抗带宽也不会发生较大变化。，图4天线口面处电场幅相分布3实验结果对所设计的天线制作实物，实物见图5所示，并进行测试，所得到的|S 方向图曲线见图6、图7、图8,可以看出仿真结果与实验结果吻合得很好。 接的非理想性导致了他们的少量差异。11,增益和介质板与焊LJj 1E T三=三一=二-=_=言三-_一三11_ ;- 心 3 鼻图5天线实物图图