隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使得天線(xiàn)技術(shù)日益快速的發(fā)展。各種新型通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)于天線(xiàn)的尺寸帶寬都有較為嚴(yán)格的要求。平面偶極子天線(xiàn)具有重量輕、體積小、成本低、便于集成和組成陣列等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)通信的天線(xiàn)中。這類(lèi)天線(xiàn)應(yīng)用Balun結(jié)構(gòu)饋電方式，不但克服了平面天線(xiàn)帶寬窄的缺點(diǎn)，在相對(duì)帶寬40％的頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的駐波比小于2，同時(shí)也具有良好的全向特性。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以使這種天線(xiàn)應(yīng)用于各種場(chǎng)合。

以往的印刷偶極子天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)一般都采用經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，這種方法先利用該天線(xiàn)的等效電路選擇初始設(shè)計(jì)參數(shù)，再利用實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)節(jié)，直到調(diào)試出滿(mǎn)足要求的天線(xiàn)單元。這樣設(shè)計(jì)出的天線(xiàn)單元，不僅研制成本高，周期長(zhǎng)，而且天線(xiàn)的電性能往往不能很好地滿(mǎn)足要求。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，沒(méi)有一個(gè)很好的方法準(zhǔn)確計(jì)算這種類(lèi)型天線(xiàn)的性能。隨著近年來(lái)，時(shí)域全波分析方法--時(shí)域有限差分法在電磁領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，他可以直接獲得時(shí)域解，并且通過(guò)傅氏變換，可以得到所需頻率范圍的頻響特性。這種方法可以靈活處理不規(guī)則形狀的平面微帶電路和天線(xiàn)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電磁問(wèn)題具有非常大的靈活性。

FDTD方法的基本原理是采用時(shí)間和空間的中心差分對(duì)Maxwell方程直接離散化，用Guass脈沖激勵(lì)，通過(guò)FFT，計(jì)算就可以得到天線(xiàn)的寬頻帶特性。在平面Balun偶極子天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)直接影響到天線(xiàn)的電性能。本文將應(yīng)用這種方法，對(duì)平面Balun偶極子天線(xiàn)的電性能如駐波、方向圖進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果對(duì)于天線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

2 分析方法

2．1 印刷偶極子天線(xiàn)單元的工作原理

印刷偶極子天線(xiàn)單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，他是一個(gè)帶有Balun饋電結(jié)構(gòu)的印刷偶極子，其等效電路如圖2所示。根據(jù)圖2，由傳輸線(xiàn)理論，有：

Zin＝-jZbcotθb＋

其中，Za是將Zin變換為50Ω的1／4波長(zhǎng)阻抗變換器的特性阻抗；Zb是開(kāi)路枝節(jié)的特性阻抗；Zab是振子兩臂之間開(kāi)縫處的等效共面波導(dǎo)的特性阻抗。θa，θb和θab分別為對(duì)應(yīng)微帶線(xiàn)的電長(zhǎng)度。在初的設(shè)計(jì)中，一般地θa＝90°，θb＝90°和θab＝90°。

2．2 計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置

印刷偶極子天線(xiàn)的計(jì)算空間設(shè)置如圖3所示，天線(xiàn)完全處于計(jì)算空間中，在計(jì)算空間的吸收邊界采用理想匹配層吸收邊界(PML)，計(jì)算分為4層，設(shè)定反射系數(shù)R＝0．01，介質(zhì)基片和微帶饋線(xiàn)深入到PML中，以保證介質(zhì)基片和微帶饋線(xiàn)在截?cái)嗵師o(wú)反射。

2．3 介質(zhì)層中PML的處理

完全匹配層(PML)是通過(guò)在FDTD區(qū)域截?cái)噙吔缭O(shè)置一種特殊的介質(zhì)層，該層介質(zhì)的波阻抗與相鄰介質(zhì)的波阻抗完全匹配，入射波將無(wú)反射地穿過(guò)分解面而進(jìn)入PML。PML介質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)足阻抗匹配條件，即對(duì)于自由空間中的PML中的電導(dǎo)率為σ，磁導(dǎo)率為σm，則σ和σm滿(mǎn)足下列關(guān)系：

σ/ε0=σm/μ0

而在相對(duì)介電常數(shù)為εr。的介質(zhì)中的PML，若要滿(mǎn)足與自由空間同樣的反射系數(shù)，其電導(dǎo)率應(yīng)為εrσ，則磁導(dǎo)率可由下式求出：

σm=μ0 =μ0

由此，在計(jì)算過(guò)程中，介質(zhì)中的PML的電導(dǎo)率是自由空間中的εr倍，磁導(dǎo)率將保持不變。在FDTD的迭代公式中，用εrσ代替σ，用εrε0代替ε0，就可以得到介質(zhì)中的PML迭代公式。

2．4 微帶線(xiàn)激勵(lì)源設(shè)置

應(yīng)用FDTD方法分析微帶線(xiàn)，微帶線(xiàn)激勵(lì)源的設(shè)置一般是將激勵(lì)平面設(shè)在邊界面上，并且將激勵(lì)源平面設(shè)置為電壁，在微帶線(xiàn)與接地面之間強(qiáng)迫加入激勵(lì)的Guass脈沖，而激勵(lì)面的其余部分的切向電場(chǎng)設(shè)為0。本文的激勵(lì)源設(shè)置采用另一種方法，將激勵(lì)設(shè)置劃分出來(lái)成為一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格空間(激勵(lì)空間)，將研究的微帶結(jié)構(gòu)處于另一個(gè)網(wǎng)格空間(微帶結(jié)構(gòu)空間)，激勵(lì)空間的作用是迭代產(chǎn)生出微帶線(xiàn)入射波的場(chǎng)，然后將這一入射波的場(chǎng)通過(guò)迭加到微帶結(jié)構(gòu)網(wǎng)格空間中。為使激勵(lì)空間僅有入射波，空間兩端用PML吸收層端接，并將微帶線(xiàn)延伸人PML中。對(duì)于微帶空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，連接面就是總場(chǎng)與反射場(chǎng)的分界面，他的反射區(qū)域終端連接著PML，與饋電無(wú)關(guān)，不存在二次反射。這種方法克服了由于微帶不連續(xù)性或微帶天線(xiàn)處產(chǎn)生的反射在源平面要產(chǎn)生二次反射。這種源既可以用于脈沖波激勵(lì)，也可以用于正弦波激勵(lì)。計(jì)算過(guò)程中，源平面無(wú)需切換成吸收邊界。

計(jì)算天線(xiàn)的諧振頻率，采用高斯脈沖激勵(lì)，通過(guò)FFT，計(jì)算就可以得到上述參數(shù)的寬頻特性。在計(jì)算天線(xiàn)的方向圖時(shí)，為減少對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間和計(jì)算量，一般采用正弦波激勵(lì)。在這里，計(jì)算時(shí)采用強(qiáng)迫的正弦調(diào)制高斯激勵(lì)脈沖為：

Ex=e－(t－t)2/T2sin2πf0 (t-t0)
式中：t0＝30ps，T＝10ps。

3 計(jì)算結(jié)果

本文研究的寬帶Balun偶極子天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，微帶基片選用聚四氟乙烯玻璃纖維，相對(duì)介電常數(shù)εr＝2．65，厚度H＝1．0mm，偶極子天線(xiàn)振子長(zhǎng)度L＝30．2mm，振子寬度D＝4mm，振子兩臂中間的中縫的間距S＝0．2mm，長(zhǎng)度ι＝13．8mm。Balun饋電結(jié)構(gòu)的參數(shù)值Za＝65 Ω，Wa＝1．8 mm，ιa＝12．6 mm；Zb＝75Ω，Wb＝1．4mm，ιb＝14．2mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以調(diào)節(jié)ι和ιb，使得Balun偶極子天線(xiàn)獲得更好的寬帶特性。計(jì)算時(shí)，當(dāng)厶在13．0～15．4mm，每隔0．4mm選擇一點(diǎn)分別計(jì)算出天線(xiàn)的回波損耗和駐波比的頻率特性。計(jì)算時(shí)，當(dāng)ιb在13．0～15．4mm，每隔0．4mm選擇一點(diǎn)分別計(jì)算出天線(xiàn)的回波損耗和駐波比的頻率特性。所采用的FDTD網(wǎng)格空間為30△x×200△y×l20△z，空間步長(zhǎng)△x＝△y＝△z＝0．2mm，計(jì)算需要5000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中的數(shù)據(jù)可以得到在ιb＝14．2mm時(shí)，天線(xiàn)的駐波較小，頻帶較寬。這時(shí)天線(xiàn)在工作頻率為fo＝5GHz時(shí)，E-面和H-面方向圖如圖5所示。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，當(dāng)ιb在1／4波長(zhǎng)附近選擇適當(dāng)?shù)闹?，可以獲得很好的頻率特性；從方向圖可以看出，用Balun饋電的平面偶極子天線(xiàn)的方向圖與普通偶極子天線(xiàn)具有同樣的輻射特性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述的計(jì)算結(jié)果，在一塊50mm×70mm×1mm的εr＝2．65的介質(zhì)板上設(shè)計(jì)制作了一個(gè)Balun平面偶極子天線(xiàn)，其中ιb＝14．2mm。

圖6為天線(xiàn)實(shí)測(cè)的駐波頻率特性，可以看出，從4．3～6GHz的頻帶內(nèi)，天線(xiàn)的駐波比都小于2。但是由于基片的特性不夠理想，加工的不夠和測(cè)試誤差的影響，由于頻率較高，也增加了測(cè)試的難度。使得測(cè)量值與計(jì)算值相差比較大。

圖7所示為天線(xiàn)E-面和H-面實(shí)測(cè)方向圖。由于Balun饋電結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性和饋電接頭的影響，在測(cè)試中，引起天線(xiàn)H-面方向圖的不圓度加大，E-面方向圖發(fā)生略微的畸變，但仍為一個(gè)偶極子天線(xiàn)，與計(jì)算結(jié)果相近。

5 結(jié) 論

Balun偶極子天線(xiàn)是一種寬帶全向的平面天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信和WLAN中得到廣泛的應(yīng)用。這種天線(xiàn)以前的設(shè)計(jì)與分析，僅僅是用等效電路粗略的計(jì)算，在利用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)試，直到滿(mǎn)足要求為止。而應(yīng)用FDTD方法設(shè)計(jì)分析這種天線(xiàn)，研究不平衡饋電結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)天線(xiàn)寬頻特性的影響，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上選擇合理的參數(shù)，試制Balun偶極子天線(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合得較好，說(shuō)明用FDTD方法計(jì)算Balun平面偶極子天線(xiàn)的計(jì)算結(jié)果是可靠的，同時(shí)也給設(shè)計(jì)分析Balun偶極子天線(xiàn)提供了一種較為準(zhǔn)確的方法。