分齒蝶形超寬帶天線的設計

0 引言

超寬帶(Ultrawide-band)信號是指-10 dB相對帶寬大于20％或者絕對帶寬大于500 MHz的無線電信號。基于該類信號的超寬帶技術(shù)，目前已應用于短距離高速無線通信、穿障探測、探地雷達、災難搜救、非接觸醫(yī)療檢測、汽車防撞等領域。

超寬帶天線作為信號的收發(fā)裝置，直接影響系統(tǒng)的性能。目前常用的超寬帶天線形式主要包括TEM喇叭天線、雙錐天線、對數(shù)周期天線、螺旋天線、Vivaldi天線和蝶形天線等。其中平面結(jié)構(gòu)的蝶形天線(也稱領結(jié)形天線)，由立體的雙錐形天線演化而來，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于設計安裝、利于低頻輻射等優(yōu)點，已應用在超寬帶通信與探測領域。

為改善天線寬帶性能，目前基于基本蝶形發(fā)展出了多種衍生結(jié)構(gòu)。如雙蝶形結(jié)構(gòu)、電容加載的條帶狀結(jié)構(gòu)等。其中荷蘭Delft大學的A.A. Lestari與莫斯科航空學院Immoreev，I．Ya均提到了不同形式的分齒蝶形天線結(jié)構(gòu)，但對于分齒帶來的性能影響，未查閱到具體研究報道。本文以9齒蝶形為例，通過建模仿真，分析了輻射狀分齒的蝶形天線，并研究了不同分齒位置下天線駐波比的變化。研究發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)可以在保證一定頻段內(nèi)天線性能的同時，減輕天線重量。相對于基本蝶形天線，分齒結(jié)構(gòu)會使天線輸入VSWR在中間頻段產(chǎn)生抖動，且抖動頻段直接與分齒位置相關(guān)。針對300～480 MHz的頻率范圍，進一步優(yōu)化設計并制作了一款分齒蝶形天線，實測顯示該天線在294～488 MHz駐波比小于2，其-10 dB帶寬194 MHz，相對帶寬達49．6％。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1為分齒蝶形天線的實驗原型結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)參數(shù)中A，B為蝶形天線的寬與長；C為兩頁分齒位置間的距離；D為饋電端的寬度；分齒槽設計為從饋電端至末端的輻射形狀，各分齒等寬等距分布，齒寬齒距均為E，有E=A／(2n-1)，分齒數(shù)目，n=9。定義分齒比例參數(shù)為p，有p=B／C，即天線長與分齒位置間的距離的比。

2 參數(shù)對天線性能的影響

對于本天線，影響其性能的參數(shù)主要包括蝶形張角大小、長寬大小、分齒位置等?？捎晌墨I知，蝶形天線張角為90°時相對其他角度，輸入阻抗隨頻率變化更為平坦，具有更好的寬帶特性，因此設計天線長寬尺寸相等(A=B)，張角為直角。通過仿真發(fā)現(xiàn)，天線在尺寸的等比例放大的情況下，輸入端駐波比波形基本保持不變，曲線整體向低頻段移動。因此可以在確定天線結(jié)構(gòu)后針對所需頻段進行尺寸的等比例調(diào)整。同時，針對1 GHz以下的頻段范圍，分齒位置的變化時，天線輸入端駐波比波形變化明顯，而其他參數(shù)變化的影響有限。據(jù)此，確定分齒比例p為關(guān)鍵仿真參數(shù)。以下通過分齒天線與普通蝶形天線的對比，及不同分齒比例下天線性能的變化進行分析。

2．1 分齒蝶形天線與普通蝶形天線的性能對比

對兩類天線進行建模仿真，其尺寸數(shù)據(jù)如下：普通蝶形天線A=B=200 mm，D=10 mm；分齒蝶形天線p=2，其他參數(shù)與普通蝶形天線相同。仿真得到兩者的輸入駐波比曲線(VSWR)如圖2所示。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸下，分齒天線重量相對普通天線減少35．2％。同時，兩者的駐波比隨頻率變化趨勢相同，在600 MHz以下，兩者性能基本一致。而在670～770 MHz部分，分齒天線相對于普通天線駐波比產(chǎn)生抖動。因此，當針對低頻頻段需求時，完全可以使用分齒結(jié)構(gòu)代替普通結(jié)構(gòu)、降低天線重量。

2．2 不同分齒位置對天線性能的影響

針對分齒蝶形天線，在上述基本參數(shù)的基礎上(即A=B=200 mm，D=10 mm，n=9，E=A／17)，改變分齒比例，研究分齒位置對天線性能的影響。經(jīng)過多組仿真，選取具有代表性的三條曲線(p=2，3，8)，如圖3所示。對比不同分齒比例的駐波比曲線，可以發(fā)現(xiàn)抖動出現(xiàn)的波段與分齒比例p直接相關(guān)。當p增大時(即分齒位置向饋電端靠近時)，抖動部分向低頻段移動，并且抖動幅度逐漸變小。其相對原普通蝶形天線重量分別減少35．3％，41．8％和46．3％，重量減輕比率逐漸增加。

3 實物設計與驗證

為驗證分齒結(jié)構(gòu)天線的超寬帶性能，下文針對特定頻段，進行了設計優(yōu)化與實物測試。

3．1 設計目標與仿真優(yōu)化

設計目標為在300～480 MHz頻段范圍內(nèi)，設計一款分齒蝶形超寬帶天線，要求頻段內(nèi)其駐波比VSWR2，曲線平坦，相對原天線重量減輕率大于40％。

針對上述設計要求，依據(jù)關(guān)于分齒位置的仿真分析，對分尺蝶形天線進行了進一步結(jié)構(gòu)改進、參數(shù)優(yōu)化，得到如圖4所示的天線駐波比曲線。其基本設計參數(shù)為A=B=172mm，D=10mm，n=9，p=3，E=10.12mm。如圖4所示，仿真得到參數(shù)優(yōu)化后的天線在300～496MHz頻段內(nèi)，VSWR 2，且波形平坦。

3．2 實物天線測試

對上述設計方案的天線進行了加工，并使用安捷倫8363B型網(wǎng)絡分析儀對天線實物進行測量，得到其VSWR曲線如圖5所示。

結(jié)果表明，該天線在294．0～488．6 MHz的頻率范圍內(nèi)，天線饋電端VSWR2，波形平坦。其帶寬范圍與原仿真曲線相比(300～496MHz)，頻段基本一致。實際波形抖動出現(xiàn)在 525～705 MHz波段，低于仿真曲線(577～754 MHz)，但因處于工作頻段外，對天線性能無實質(zhì)影響。分析實測頻段結(jié)果與理論值間的差異，認為主要來自于實際加工誤差。

綜上所述，試制的分尺蝶形天線的-10 dB(VSWR2)頻率范圍為294．O～488．6 MHz，帶寬為194 MHz，中心頻率為391 MHz，相對帶寬達49．6％，大于超寬帶天線相對帶寬25％的下限，重量減輕比率達41．8％，符合設計需求。

4 結(jié)語

研究了一種輻射狀分齒蝶形天線。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸下，分齒蝶形天線與普通蝶形天線的駐波比隨頻率變化趨勢相同。在一定頻段，分齒結(jié)構(gòu)會使天線VSWR曲線產(chǎn)生部分頻段的抖動。其次，仿真得出分齒比例p是影響天線性能的關(guān)鍵參數(shù)。隨著分齒比例變小(分齒位置靠近饋電端)，分齒天線VSWR抖動幅度變小、抖動頻段向低頻范圍移動，而在其他頻段，分齒蝶形天線與普通碟型天線性能基本一致。因而該類分齒蝶形天線與普通蝶形天線相比，可在保證一定頻段駐波比性能指標的同時，減輕天線重量。針對300～480 MHz的頻段要求，設計試制了一款分齒蝶形天線。實測顯示，天線在294．O～488．6 MHz的頻率范圍內(nèi)，天線饋電端VSWR2，波形平坦。其-10 dB帶寬達194 MHz，相對帶寬49.6％，帶內(nèi)VSWR波形平坦，符合超寬帶天線的要求，并且相對同尺寸普通蝶形天線理論重量減輕比率達41．8％，滿足了設計需要。