1 引言

偶極子天線是一種最基本的單元形式，既可獨立使用，也可作為大型天線陣的輻射單元。采用微帶平衡巴倫饋電的印刷偶極子天線具有剖面薄、重量輕、體積小、成本低、便于集成和組成陣列等優點而得到廣泛的應用。而一般的印刷偶極子天線存在帶寬較窄、交叉極化電平過高等缺點。

本文提出了一種雙面印刷偶極子天線，在傳統微帶巴倫饋電的單面偶極子基礎上，多加了層介質在巴倫兩側雙面印刷偶極臂，改變了巴倫饋電的電場分布，使得橫向交叉極化電場分量相互抵消降低了天線的交叉極化特性。并通過調整巴倫結構，獲得了良好的雙諧振匹配，達到了展寬帶寬的效果。

2 天線結構與設計

印刷偶極子天線由兩部分組成：在一塊介質板上一面印刷平衡巴倫饋電結構，另一面印刷偶極子臂。

傳統單面印刷偶極子天線結構如圖1所示；雙面印刷偶極子天線結構如圖2所示。從兩張圖比較來看，前者一層介質，一面是偶極子臂，另一面是微帶巴倫；后者雙層介質，兩面都為偶極子臂，中間相當于帶狀線的巴倫。從圖1右側可以看出，單面偶極子天線的巴倫會帶來橫向交叉極化電場分量；而圖2中，雙面偶極子天線巴倫的橫向電場分量相互抵消，這樣大大降低了天線的交叉極化電平。

圖1 單面印刷偶極子天線

微帶巴倫在這里起到了平衡-不平衡轉換和阻抗匹配的作用。它的等效電路模型如圖3所示：

圖2 雙面印刷偶極子天線

圖3 平衡巴倫結構等效電路圖

印刷振子一般都具有雙諧特性即在帶寬內有兩個諧振點，當兩個諧振點相距較遠時，每個諧振點附近的駐波曲線較尖銳，諧振點之問的頻率點上駐波較大，只有在兩個諧振區部分重合時，才有可能在滿足駐波要求的條件下獲得較大的帶寬。通過調節參數s、hs、hm、Wm和lm（即開路線寬度長度和開槽的寬度長度及匹配段的寬度長度），可以使其阻抗在很寬的頻帶內匹配。

本文提出的雙面印刷偶極子天線由兩層Er=2.55，每層厚度t=0.7mm的介質雙面印刷偶極子臂，中間印刷巴倫結構組成。為了使天線單向輻射，天線底部加有金屬底板。天線的尺寸參數如圖4所示：w1、w2、h1、h2、L決定偶極臂的尺寸；s、hs、hm、Wm、lm決定巴倫的尺寸。

圖4 天線尺寸參數圖

3 天線優化仿真與結果

本文天線經過仿真計算，尺寸參數基本確定為：w1=35mm，w2=25mm，h1=60mm， h2=25mm，L=40mm；s=1.5mm，hs=1mm， wm=1mm，lm=20mm，hm=25mm。通過不斷的優化這些參數變量，得到了以1.25GHz為中心頻率回波損耗小于-10dB的1-1.51GHz（約40%）的帶寬，如圖5所示：

圖5 天線回波損耗圖

在此頻率范圍內天線的增益為5-9dBi，如圖6所示：

圖6 天線增益圖

天線在1GHz、1.25GHz和1.5GHz的方向圖分別為圖7、圖8和圖9。

圖7 1GHz時的方向圖

圖8 1.25GHz時的方向圖

圖9 1.5GHz時的方向圖

本文設計的雙面印刷偶極子天線與傳統單面偶極子相比，在中心頻率1.25GHz上的交叉極化電平由-30dB降低到了-50dB，如圖10和11所示：

圖10 傳統單面印刷偶極子的交叉極化

圖11 雙面印刷偶極子的交叉極化

5 結論

本文設計了一種雙面印刷偶極子天線，采用雙層平面偶極子結構降低了交叉極化電平，利用平衡巴倫匹配獲得雙諧振點拓展帶寬。最后達到了40%的回波損耗小于-10dB的阻抗帶寬，帶內增益5-9dBi，交叉極化電平小于-50dB的結果。為印刷天線的寬帶與低交叉極化設計提供了有效的方法與途徑。