印刷偶极子天线设计

宽带印刷偶极子天线设计何庆强何海丹(中国西南电子技术研究所，成都610036)摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。

采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。

给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。

关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带Design of a Broadband Printed Dipole AntennaHe Qingqiang He Haidan(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036)Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports.Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband1 引言印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。

最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。

一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线作者：刘鑫张帅来源：《现代信息科技》2022年第07期摘要：文章提出一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线，可同时工作在433 MHz和2 390 MHz，可广泛用于无线局域网、物联网通信领域。

该天线由一个工作在高频的二元双面印刷偶极子阵列和一个工作在低频的偶极子下臂组成。

一方面通过加载电容，将高频辐射体设计成为低频印刷偶极子的上臂，来构成低频对称阵子的完整结构。

另一方面通过加载电感，进一步缩短了低频阵子臂的长度。

关键词：共臂;双频;偶极子;天线中图分类号：TN92 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）07-0039-04A Dual-Band Printed Dipole Antenna Based on the Shared ArmsLIU Xin1， ZHANG Shuai2（1.BeiDou Academy， Wuhan Qingchuan University， WuHan 430204， China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， WuHan 430205， China）Abstract： This paper proposes a dual-band printed dipole antenna based on the shared arms structure， and it could work at 433 MHz and 2 390 MHz and it is widely used in fields of wireless local area networks， Internet of Things communication. The antenna is composed of a two-element double sided printed dipole array which works at high frequency and a dipole lower arm which works at low frequency. On the one hand， by loading capacitance， the high frequency radiation body is designed as the upper arm of the low frequency printed dipole to form the complete structure of thelow frequency symmetry array. On the other hand， by loading inductance， the length of the low frequency array arm is further shortened.Keywords： shared arm; dual-band; dipole; antenna0 引言全向天線作为一种基本的天线类型，有着广泛的应用，它被应用在形成无线扩频网络、点对点通信、数据传输等方面。

宽带印刷偶极子天线设计何庆强何海丹(中国西南电子技术研究所，成都610036)摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。

采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。

给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。

关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带Design of a Broadband Printed Dipole AntennaHe Qingqiang He Haidan(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036)Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports.Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband1 引言印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。

最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。

第三章 半波長印刷偶極天線設計3-1設計目的偶極天線結構簡單也是理論最容易了解與推導的天線，因此是做為入門學習的最佳例子。

半波長偶極天線是利用諧振原理達到在空間中輻射特定頻率的一種天線，半波長偶極理論已經很成熟，詳細理論可參考一般天線理論書籍。

在微波頻率波段中，基於成本、美觀及其他優點，通常將半波長偶極天線印製在PCB (Printed circuit board) 上，稱為微帶天線(Microstrip antenna)，微帶天線應用範圍非常廣泛，因此本章使用印刷電路微帶型結構(Microstrip and printed structure)進行偶極天線的設計與模擬。

3-2印刷偶極天線的原理一般微帶天線(Microstrip antenna)具有下列優點：(1)體積較小、輕量和平面組態。

(2)應用於印刷電路時容易製造，造價低廉。

(3)適合於小型結構體上，可與振盪器、放大器、可變衰減器、調變器、混波器，移相器等模組銜接並與積體電路在平面上可共存。

(4)可裝設於飛彈、火箭、人造衛星等超高速度飛翔體表面以供通信。

(5)RF訊號饋入線及週邊裝置與天線同時設計而製造於同一平面上。

(6)在同一平面板上可設計直線極化(垂直、水平)及圓極化(左、右旋轉)天線。

(7)容易配合單石微波積體電路(MMIC)(Monolithic microwave integratedcircuit)達到一體成形。

另外，微帶天線體積小，所以很容易裝進IC封裝結構蓋中(Package lid)裡，由於這種天線不需要很大的空間，通常是直接作成構裝(Package)的一部份。

但微帶天線也有下述缺點：(1)微帶天線之損失較大以致於天線增益較低，單元件天線之最大增益不容易超過20dB。

(2)大多數的微帶天線均保持單一面電波(Uni-directional)輻射。

(3)饋入RF訊號的傳輸線與天線輻射體之間隔離比較困難。

(4)天線之功率容量較低，換言之，高功率天線不能期待使用此種形式天線。

《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验二印刷偶极子天线设计专业通信工程年级2011 级姓名毛佳雯学号1116428042指导老师评分一、仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个中心频率为 2.45GHz的采用微带巴伦馈线的印刷偶极子天线，并通过HFSS软件Opitmetrics模块的参数扫描分析功能对印刷偶极子天线的一些重要结构参数进行参数扫描分析，分析这些参数对天线性能的影响。

二、设计模型简介整个天线分为5个部分，即介质层，偶极子天线臂，微带巴伦线，微带传输线，见图1。

天线各部分结构尺寸的初始值见表1。

图1印刷偶极子天线结构图（顶视图）。

表1印刷偶极子天线关键结构尺寸初始值。

批注[y1]:实际报告撰写中，表格应手动编制，不允许直接截图。

三、建模和仿真步骤1、新建 HFSS 工程，添加新设计，设置求解类型：Driven Modal。

2、创建介质层。

创建长方体，名称设为 Substrate，材质为 FR4_epoxy,颜色为深绿色，透明度为0.6。

3、创建上层金属部分1）创建上层金属片，建立矩形面，名称 Top_Patch,颜色铜黄色。

2）创建偶极子位于介质层上表面的一个臂。

画矩形面，名称 Dip_Patch,颜色铜黄色。

3）创建三角形斜切角，创建一个三角形面，把由矩形面 Top_Patch 和 Dip_Patch 组成的90 折线连接起来。

4）合并生成完整的金属片模型。

4、创建下表面金属片1）创建下表面传输线 Top_patch_1。

2）创建矩形面 Rectangle1。

3）创建三角形 polyline2。

4）镜像复制生成左侧的三角形和矩形面此步完成后得到即得到印刷偶极子天线三维仿真模型如图2所示。

5、设置边界条件1）分配理想导体。

2）设置辐射边界条件，材质设为 air。

6、设置激励方式：在天线的输入端口创建一个矩形面最为馈电面，设置该馈电面的激励方式为集总端口激励，端口阻抗为50欧姆。

7、求解设置：求解频率（Solution Frequency）为 2.45GHz，自适应网格最大迭代次数（Maximum Number of Passes）：20，收敛误差（Maximum Delta S）为 0.02。

印刷偶极子天线设计及振子长度对天线特性影响的研究温州大学 愚 公2012年10月20日一、 所用仪器1、装有windows XP系统的PC一台2、HFSS10.0仿真软件二、 操作步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。

定义对称偶极子天线的基本参数并初始化，如下表。

2、创建印刷偶极子天线模型如图。

其中另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

过程省略。

3、设置端口激励印刷偶极子天线由中心位置馈电。

4、设置辐射边界条件要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。

这里创建一个长方体设置为辐射边界条件。

5、外加激励求解设置设计的印刷偶极子天线的中心频率在2.45G Hz，同时添加2.0G Hz ~3.0G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

三、 实验结果1、回波损耗S11回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

HFSS10.0的设置方法与HSFF13有较大区别，具体步骤如下面三个图所示：其余各项结果的输出基本类似。

以下不再赘述。

图中所示是在2G Hz ~3 G Hz频段内的回波损耗，设计的印刷偶极子天线中心频率约为2.45G Hz。

2、电压驻波比VSWR电压驻波比VSWR,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在2.45GHz附近时，电压驻波比约为1.1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

3、smith圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。

采用双线性变换，将z复平面上。

实部 r=常数和虚部 x＝常数两族正交直线变化为正交圆并与：反射系数|G|=常数和虚部x＝常数套印而成。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率 2.45GHz时，归一化输入阻抗为0.998‐j04,折合49.9‐j2，呈弱电容性。

4、输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。

无线局域网的双频带印刷偶极子天线设计随着人们对通信质量和通信设备的集成要求不断增强。

作为通信设备子部件，天线也需要更高的性能以满足通信系统的需要。

截止目前，已有多种形式的天线被研发和应用。

Yi-Chieh Lee等人提出了一种开环形槽的贴片天线，它可以工作在2．4 GHz和5．2GHz两个频段。

Johanna M Steyn，Johan Joubert和Johann W Odendaal展示了一种工作在2．4 GHz和5．2 GHz频段的DBDP(Dual-Band Dual-Polarized)天线阵。

Zhang Q Y，Chu Q X，Wang Y提出了一种带有集成巴伦的贴片天线，覆盖了WLAN系统中的3个频段。

Li X，Yang L，Gong S X，Yang Y J提出了一种偶极子天线，偶极子的两个臂上有对称的开槽，使得天线可以在3个频段上工作。

另外还有一些其他形式的天线，比如对数天线，准八木天线等各种形式的天线。

而这些天线或因尺寸太大，不便集成和共形，或因结构复杂不便制作。

而采用耦合馈电的印刷偶极子天线是一种结构非常简单，而且易共形天线，适用于通信终端。

本文介绍了一种可用于WLAN的印刷偶极子天线，采用巴伦来耦合馈电40 nnn×50 mm的尺寸，结构非常简单，覆盖了WLAN的两个频段(2.4 GHz和5．8 GHz)，适用于WLAN系统。

1 天线结构由偶极子的工作原理可知，其谐振臂的长度约为谐振波长的1／4。

为了能够双频工作，必须要有能激起两个谐振的面电流，对于偶极子就需要有两对谐振臂。

为了缩小天线的尺寸，一般采取弯曲谐振臂使电流长度变长的方式达到减小天线谐振臂的长度。

对于WLAN的两个频段2 400～2484 MHz和5 725～5 825MHz。

由偶极子的工作原理可知，对应于低频段f0=2．4GHz的谐振电流长度约为31mm，而对应于高频段f0=5．8 GHz的谐振电流长度约为13 mm。

〈〈微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验二印刷偶极子天线设计一、仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个中心频率为2.45GHz的采用微带巴伦馈线的印刷偶极子天线, 并通过HFSS 软件Opitmetrics模块的参数扫描分析功能对印刷偶极子天线的一些3!要结构参数进行参数扫描分析，分析这些参数对天线性能的影响。

二、设计模型简介整个天线分为5个部分，即介质层，偶极于天线臂，微带巴伦线，微带传输线，见三、建模和仿真步骤1、新建HFSSC程，添加新设计，设置求解类型：Driven Modal。

2、创建介质层。

创建长方体，名称设为Substrate,材质为FR4_epoxy颜色为深绿色，透明度为0.6。

3、创建上层金属部分1）创建上层金属片，建立矩形面，名称Top_Patch颜色铜黄色。

2）创建偶极子位于介质层上表面的一个臂。

画矩形面，名称Dip_Patch,颜色铜黄色。

3）创建三角形斜切角，创建一个三角形面，把由矩形面Top_Patch和Dip_Patch组成的90折线连接起来。

4）合并生成完整的金属片模型。

4、创建下表面金属片■I批注[y1]:实际报告撰写中，表格应手动编制，不允许直接截图。

1）创建下表面传输线Top_patch_1。

2）创建矩形面Rectangle1。

3）创建三角形polyline2。

4）镜像复制生成左侧的三角形和矩形面此步完成后得到即得到印刷偶极子天线三维仿真模型如图2所示。

5、设置边界条件1）分配理想导体。

2）设置辐射边界条件，材质设为air。

6、设置激励方式：在天线的输入端口创建一个矩形面最为馈电面，设置该馈电面的激励方式为集总端口激励，端口阻抗为50欧姆。

7、求解设置：求解频率（Solution Frequency）为2.45GHz自适应网格最大迭代次数（Maximum Number of Passes） : 20,收敛误差（Maximum Delta S）为0.02。

方向图可重构印刷偶极子天线随着无线通信技术的发展,可重构天线已经成为天线领域研究的一个热点。

辐射方向图是天线的关键特性之一,因此方向图可重构天线必然成为可重构天线研究的一个重要方向。

方向图可重构天线可以避免噪声干扰,提高系统增益和安全性,定向辐射信号可以节约能量等。

目前,这一领域的研究尚处于发展阶段,仍然有许多难题需要解决。

本文简要介绍了可重构天线的发展背景及国内外研究现状,介绍了天线的基本知识及微带天线、可重构天线的相关知识。

重点包括微带天线的工作原理、分析方法、馈电方式及展宽频带技术,可重构天线的基本思想、工作机理及其特点。

在此基础上,对实现全向和定向两种辐射方向图的可重构天线做了初步的探索,设计了四种方向图可重构印刷偶极子天线。

提出的天线用高频仿真软件Ansoft HFSS进行了仿真。

通过控制开关状态,每个天线实现了定向和全向两种方向图,工作在2GHz-3GHz频段内,覆盖了很多重要的无线通信波段。

它们应用在无线通信系统中,通过选择适当的方向图可以提高系统性能。

首先,设计一中的天线尺寸更满足小型化、低剖面的要求,将原来天线的平面面积减小到69%,厚度也相应的减小。

谐波抑制器可以去除高次模对天线性能的影响,使天线的匹配效果更好,使谐振点处的回波损耗降得更低。

之后,在前两种设计的基础上引入谐波抑制器。

谐波抑制器的引入,使得天线性能得到了很大的改善。

天线在谐振点处的回波损耗可以降到-40dB左右,甚至更低。

最后,根据仿真尺寸对天线模型进行了制作和测试。

回波损耗和方向图的测试结果与仿真结果吻合较好。

同主题文章[1].杨雪松,王秉中. 可重构天线的研究进展' [J]. 系统工程与电子技术. 2003.(04)[2].肖绍球,王秉中. 微带可重构天线的初步探讨' [J]. 电波科学学报. 2002.(04)[3].王安国,张佳杰,王鹏,侯永宏. 可重构天线的研究现状与发展趋势' [J]. 电波科学学报. 2008.(05)[4].亓仲奇,张天桥,朱守正. MEMS在天线领域的应用进展' [J]. 中国无线电. 2005.(11)[5].陈华君,郭东辉. 基于MEMS开关的双频可重构天线设计' [J]. 仪器仪表学报. 2006.(S3)[6].魏文博,尹应增,刘其中. 可重构线天线的快速优化设计' [J]. 西安电子科技大学学报. 2007.(03)[7].李学识,胡斌杰,李瀚宇,周海京. 等离子体天线研究与应用进展' [J]. 现代电子技术. 2010.(05)[8].肖绍球,王秉中. 基于微遗传算法的微带可重构天线设计' [J]. 电子科技大学学报. 2004.(02)[9].李媛,许文静,李建兰,郭志雷. 一种新型的双频段圆极化可重构微带天线' [J]. 传感技术学报. 2010.(04)[10].牛燕炜,朱守正,陈燕仙,周蓓,张逸珺. MEMS开关可重构矩形缝隙环天线的设计' [J]. 通信技术. 2008.(12)【关键词相关文档搜索】：电磁场与微波技术; 可重构天线; 方向图可重构天线; 微带天线; 印刷偶极子【作者相关信息搜索】：天津大学;电磁场与微波技术;王安国;董加伟;。

印刷偶极子天线原理
印刷偶极子天线是一种用于发射和接收无线电信号的天线，具有宽带、低剖面和高增益等优点。

其原理如下：
1. 偶极子天线的基本结构：
印刷偶极子天线主要由两个平面金属贴片组成，形成一种对称结构。

这两个金属贴片之间存在一定的空气或介质介质（如树脂或陶瓷），
通过这个介质将能量从一个金属贴片传输到另一个金属贴片。

2. 偶极子天线的工作原理：
当无线电信号经过印刷偶极子天线时，由于存在介质贴在金属贴片之间，介质就会被激励并向另一头传输。

因此，偶极子天线就成为了一
个天线组件。

3. 偶极子天线的优点：
印刷偶极子天线的优点主要有以下几点：
- 宽带性：相较于传统的柱形天线，印刷偶极子天线具有更宽的频带。

这是因为其金属贴片的宽度非常窄，相对来说更适合高频信号的传输。

- 低剖面：印刷偶极子天线的剖面非常低，因此很容易被融入到PCB
或其他电路板中。

这使得它被广泛应用在无线通信设备中，如手机、
无线路由器等。

- 高增益：印刷偶极子天线的增益比传统柱形天线高很多。

这是因为由于介质的存在，它能捕捉到更多的能量，从而提供更好的接收和发送信号。

总结：
印刷偶极子天线是一种用于无线通信设备的新型天线。

它具有宽带、低剖面和高增益的优点，成为了电子工程师设计电路板时常用的天线组件。

随着技术的进步，印刷偶极子天线将会在更多的无线设备中得到应用。