介質埋藏平面蝶形天線的設計*

倪國旗，韓非凡，張昱凱

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

介質埋藏平面蝶形天線的設計*

倪國旗**1,2，韓非凡1，張昱凱1

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

采用了介質埋藏的形式將平面蝶形天線埋藏于介質中，并設計了漸變的平面微帶巴倫給平面蝶形天線饋電，實現了不平衡到平衡的轉換；還設計了三角形微帶巴倫和微帶傳輸線一起的結構形式，進行阻抗匹配。使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對該天線進行了優化設計和仿真實驗，與制作的實物天線性能進行對比。仿真和實測結果表明，該天線S11≤-10 dB仿真的相對帶寬達到88.7%而實測的相對帶寬為79.3%，具有超寬帶特性；在工作頻率處，仿真增益為 6.9 dB，實測增益為5.8 dB。該天線滿足某工程項目的需要，可作為探地雷達系統的收發天線。

探地雷達；超寬帶天線；介質埋藏平面蝶形天線；三角形微帶巴倫

1 引 言

天線正沿著寬頻帶、高增益、小型化方向發展[1]。平面蝶形天線具有寬頻帶、結構簡潔、易于加工和小型化、方便與電路集成等特點而被越來越多的國內外學者關注[2-6]。目前，它也是探地雷達系統中收發天線的主要形式之一，并且得到了廣泛的應用[1-2]。但是在實際應用中，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，特別是在惡劣的環境中對天線的損傷會更大，從而使天線性能發生改變?？梢?，很有必要在天線的外表面加覆蓋層用以保護天線的金屬部分，例如：涂上油漆，可是油漆對天線的性能影響很大?；诒Ｗo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中，形成一種新型的天線形式——介質埋藏天線[7]，該天線可減小天線的尺寸同時還增強天線的隱蔽性,比油漆的作用效果要好，具有較高的工程應用價值[7]。

2 介質埋藏平面蝶形天線的設計

2.1 介質埋藏平面蝶形天線結構的設計

本設計所提出的介質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板的兩側。如圖1所示，介質板采用FR4，其相對介電常數εr=4.4，厚度為h=1.6 mm,介質板上下兩個表面銅箔厚度為0.018 mm,天線的長度為L，寬度為W。使用了漸變的微帶三角形巴倫實現了天線的平衡饋電。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；巴倫三角形側邊長為L2，底邊長為L1；平行雙線長為L3；漸變傳輸線長為最L4。最后，用介質把平面蝶形天線的上下表面和饋電巴倫全部埋藏起來，即構成介質埋藏平面蝶形天線。

圖1 介質埋藏平面蝶形天線的結構圖

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

2.2 天線各主要參數的計算與優化

本文要設計的天線工作頻率是f0=3 GHz，工作頻段是1.42～4.08 GHz，介質基板采用的是h=1.6 mm的FR4的雙面覆銅板，其相對介電常數εr是4.4。

2.2.1 天線參數的計算與優化

根據介質基板的相關參數，厚度不平衡端SMA接頭處微帶線寬度為W2=3.08 mm,由文獻[3]和文獻[8]可知，其有效的介電常數為

(1)

由文獻[2]可知，天線的有效電長度約等于天線諧振時對應工作波長的一半,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,一般由工程經驗可以取為60°[2]。最后，由HFSS的參數掃描和優化分析給出L=34.46 mm，W=27.5 mm。

2.2.2 饋電結構的設計以及參數的計算與優化

(3)

經過多次仿真優化計算，最終確定了天線的相關參數和饋電結構的相關參數，如表1所示。

表1 天線的相關參數值

Tab.1 The relative parameter values of the antenna

mm

2.3 天線埋藏介質的選擇

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和天線粘成一個整體。若粘膠選擇不合適，電磁波就會經過介質板和粘膠的交界面時會產生反射或者折射，進而影響天線的性能。為了最大程度減小粘接膠對天線的影響，常采用與介質基板相同的材質的膠粘接?？紤]到市面上比較常見的、價格適中的環氧樹脂AB膠與FR4介質板的基本材料相同，并且相對其他板材來說，FR4板材價格比較便宜，綜合考慮設計的需要、設計成本等因素，本設計選擇環氧樹脂FR4作為埋藏介質的選擇。

3 實驗與天線性能分析

3.1 仿真實驗與分析

根據優化得到的參數，利用電磁仿真軟件HFSS進行建模仿真分析，仿真了介質埋藏平面蝶形天線，并把平面蝶形天線的S11曲線和其對比，如圖2所示。

圖2 S11曲線圖

Fig.2 The curve ofS11

圖2中，由實線可知，介質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，絕對帶寬為2.66 GHz,相對帶寬為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，絕對帶寬為2.88 GHz，相對帶寬為96%。雖然介質埋藏平面蝶形天線的帶寬比平面蝶形天線的要窄一些，但是所設計的天線仍然具有超寬帶特性。

介質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，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。由電磁場理論可知，從光密向光疏媒質傳播的電磁波，在兩種媒質交界面的入射角大于臨界角時，就會發生全反射。本文采用的介質介電常數εr=4.4大于ε0，是光密媒質，只要滿足入射角大于臨界角的電磁波都被反射回。

介質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兩點的角度差)，H面半功率波束寬度為93°(見圖4(b)C和D兩點的角度差)。圖5中，在中心頻率3 GHz處，輸入阻抗的實部為47.7 Ω，虛部為-3.6,相對接近50 Ω，這說明介質埋藏平面蝶形天線和饋線匹配得較好。圖6中，介質埋藏平面蝶形天線的駐波比為1.09，所設計的介質埋藏平面蝶形天線的駐波性能較好，可以滿足系統的需要。介質埋藏平面蝶形天線的仿真性能參數如表2所示。

表2 天線的仿真性能參數

Tab.2 The simulation parameters of antenna

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

3.2 天線實物制作與性能測試

3.2.1 天線實物制作

綜合考慮天線的設計成本和天線的性能，利用上述仿真優化得到的天線參數，制作了實物，如圖7所示。

圖7 介質埋藏平面蝶形天線的實物圖

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

天線包括正反兩個面，印刷在介電常數為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，有效地實現了不平衡到平衡的轉換和阻抗匹配。 在上述基礎上使用環氧樹脂AB膠把介質和天線的金屬部分粘成一個整體，為了方便粘接，不留過多的縫隙，防止對天線的性能造成影響，這里特意裁剪了一個SMA接頭的位置，以方便埋藏介質和天線的金屬部分很好地粘接。

3.2.2 性能測試與分析

使用Agilent N5230A矢量網絡分析儀對介質埋藏平面蝶形天線實物的阻抗帶寬進行了調試測量,結果如圖8所示。

圖8 實測介質埋藏平面蝶形天線S11曲線圖

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

圖8中，天線測試的S11最低值諧振點和仿真的吻合較好。仿真數據顯示,S11≤-10 dB的帶寬為1.42～4.08 GHz，絕對帶寬為2.66 GHz,相對帶寬為88.7%。由實測結果可知,S11≤-10 dB的帶寬為2.2～4.58 GHz,絕對帶寬為2.38 GHz，相對帶寬為79.3%。實測結果比仿真結果差，這可能與加工誤差和焊接等因素的影響有關，但是都在可接受的范圍內。

在微波暗室使用NSI2000近場測試系統進行了測量。把天線主波束方向對準發射喇叭天線的饋源，為了固定待測天線，這里使用在一個泡沫開縫的方法，把天線夾在縫中，然后用透明膠把泡沫牢牢地圈在轉軸上。由于測試條件的客觀性，微波暗室空間有限，轉臺太大，不能測試到后瓣，只能測試到180°的范圍。但是,由于所設計天線是單向輻射的，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 實測的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 仿真和實測歸一化的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，實測3D方向圖沒有出現裂瓣。圖10中，實測E面和H面半功率波束寬度要比仿真的要窄，這可能是和測量過程中無可避免引入的測量誤差有關。此外，通過比較法測試了天線的增益，實測增益只有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量誤差有關，但是天線的整體性能是可以被接受的。實測和仿真性能參數比較如表3所示。

表3 實測和仿真性能參數比較

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

結果f0/GHzB/GHzG/dBθ0.5E/(°)θ0.5H/(°)實測32.355.838.3978.84仿真32.666.955.0093.00

4 結 論

本文通過采用介質埋藏方式，設計了一種新型的介質埋藏平面蝶形天線。通過仿真實驗和實物測試可以看出,所設計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計打下了一定的基礎。通過比較埋藏介質和沒有埋藏介質的兩種類型的天線可以知道,介質埋藏天線具有隱蔽性好、集成度高、性能不容易受環境影響等優點，因此，該天線具有良好的應用價值和廣闊的發展前景，但是，其增益相對較低，可以在后續的設計中進行組陣。

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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年于電子科技大學中山學院獲學士學位，現為桂林電子科技大學碩士研究生，主要研究方向為天線技術;

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獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為微帶天線。

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

倪國旗，韓非凡，張昱凱.介質埋藏平面蝶形天線的設計[J].電訊技術，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

倪國旗(1964—)，男，湖北人，2008年于北京理工大學獲博士學位，現為教授、碩士生導師，主要研究方向為微波技術與天線、微波器件與材料；

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