分齒蝶形超寬帶天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電信號?；谠擃?lèi)信號的超寬帶技術(shù)，目前已應用于短距離高速無(wú)線(xiàn)通信、穿障探測、探地雷達、災難搜救、非接觸醫療檢測、汽車(chē)防撞等領(lǐng)域。

超寬帶天線(xiàn)作為信號的收發(fā)裝置，直接影響系統的性能。目前常用的超寬帶天線(xiàn)形式主要包括TEM喇叭天線(xiàn)、雙錐天線(xiàn)、對數周期天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)、Vivaldi天線(xiàn)和蝶形天線(xiàn)等。其中平面結構的蝶形天線(xiàn)(也稱(chēng)領(lǐng)結形天線(xiàn))，由立體的雙錐形天線(xiàn)演化而來(lái)，具有結構簡(jiǎn)單、便于設計安裝、利于低頻輻射等優(yōu)點(diǎn)，已應用在超寬帶通信與探測領(lǐng)域。

為改善天線(xiàn)寬帶性能，目前基于基本蝶形發(fā)展出了多種衍生結構。如雙蝶形結構、電容加載的條帶狀結構等。其中荷蘭Delft大學(xué)的A.A. Lestari與莫斯科航空學(xué)院Immoreev，I．Ya均提到了不同形式的分齒蝶形天線(xiàn)結構，但對于分齒帶來(lái)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(guò)建模仿真，分析了輻射狀分齒的蝶形天線(xiàn)，并研究了不同分齒位置下天線(xiàn)駐波比的變化。研究發(fā)現該種結構可以在保證一定頻段內天線(xiàn)性能的同時(shí)，減輕天線(xiàn)重量。相對于基本蝶形天線(xiàn)，分齒結構會(huì )使天線(xiàn)輸入VSWR在中間頻段產(chǎn)生抖動(dòng)，且抖動(dòng)頻段直接與分齒位置相關(guān)。針對300～480 MHz的頻率范圍，進(jìn)一步優(yōu)化設計并制作了一款分齒蝶形天線(xiàn)，實(shí)測顯示該天線(xiàn)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(xiàn)結構

圖1為分齒蝶形天線(xiàn)的實(shí)驗原型結構圖。結構參數中A，B為蝶形天線(xiàn)的寬與長(cháng)；C為兩頁(yè)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)，分齒數目，n=9。定義分齒比例參數為p，有p=B／C，即天線(xiàn)長(cháng)與分齒位置間的距離的比。

2 參數對天線(xiàn)性能的影響

對于本天線(xiàn)，影響其性能的參數主要包括蝶形張角大小、長(cháng)寬大小、分齒位置等?？捎晌墨I知，蝶形天線(xiàn)張角為90°時(shí)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(xiàn)長(cháng)寬尺寸相等(A=B)，張角為直角。通過(guò)仿真發(fā)現，天線(xiàn)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(xiàn)整體向低頻段移動(dòng)。因此可以在確定天線(xiàn)結構后針對所需頻段進(jìn)行尺寸的等比例調整。同時(shí)，針對1 GHz以下的頻段范圍，分齒位置的變化時(shí)，天線(xiàn)輸入端駐波比波形變化明顯，而其他參數變化的影響有限。據此，確定分齒比例p為關(guān)鍵仿真參數。以下通過(guò)分齒天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)的對比，及不同分齒比例下天線(xiàn)性能的變化進(jìn)行分析。

2．1 分齒蝶形天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)的性能對比

對兩類(lèi)天線(xiàn)進(jìn)行建模仿真，其尺寸數據如下：普通蝶形天線(xiàn)A=B=200 mm，D=10 mm；分齒蝶形天線(xiàn)p=2，其他參數與普通蝶形天線(xiàn)相同。仿真得到兩者的輸入駐波比曲線(xiàn)(VSWR)如圖2所示。

通過(guò)對比可以發(fā)現，在相同尺寸下，分齒天線(xiàn)重量相對普通天線(xiàn)減少35．2％。同時(shí)，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(xiàn)相對于普通天線(xiàn)駐波比產(chǎn)生抖動(dòng)。因此，當針對低頻頻段需求時(shí)，完全可以使用分齒結構代替普通結構、降低天線(xiàn)重量。

2．2 不同分齒位置對天線(xiàn)性能的影響

針對分齒蝶形天線(xiàn)，在上述基本參數的基礎上(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(xiàn)性能的影響。經(jīng)過(guò)多組仿真，選取具有代表性的三條曲線(xiàn)(p=2，3，8)，如圖3所示。對比不同分齒比例的駐波比曲線(xiàn)，可以發(fā)現抖動(dòng)出現的波段與分齒比例p直接相關(guān)。當p增大時(shí)(即分齒位置向饋電端靠近時(shí))，抖動(dòng)部分向低頻段移動(dòng)，并且抖動(dòng)幅度逐漸變小。其相對原普通蝶形天線(xiàn)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(shí)物設計與驗證

為驗證分齒結構天線(xiàn)的超寬帶性能，下文針對特定頻段，進(jìn)行了設計優(yōu)化與實(shí)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，設計一款分齒蝶形超寬帶天線(xiàn)，要求頻段內其駐波比VSWR2，曲線(xiàn)平坦，相對原天線(xiàn)重量減輕率大于40％。

針對上述設計要求，依據關(guān)于分齒位置的仿真分析，對分尺蝶形天線(xiàn)進(jìn)行了進(jìn)一步結構改進(jìn)、參數優(yōu)化，得到如圖4所示的天線(xiàn)駐波比曲線(xiàn)。其基本設計參數為A=B=172mm，D=10mm，n=9，p=3，E=10.12mm。如圖4所示，仿真得到參數優(yōu)化后的天線(xiàn)在300～496MHz頻段內，VSWR 2，且波形平坦。

3．2 實(shí)物天線(xiàn)測試

對上述設計方案的天線(xiàn)進(jìn)行了加工，并使用安捷倫8363B型網(wǎng)絡(luò )分析儀對天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行測量，得到其VSWR曲線(xiàn)如圖5所示。

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

綜上所述，試制的分尺蝶形天線(xiàn)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(xiàn)相對帶寬25％的下限，重量減輕比率達41．8％，符合設計需求。

4 結語(yǔ)

研究了一種輻射狀分齒蝶形天線(xiàn)。通過(guò)仿真發(fā)現，在相同尺寸下，分齒蝶形天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)的駐波比隨頻率變化趨勢相同。在一定頻段，分齒結構會(huì )使天線(xiàn)VSWR曲線(xiàn)產(chǎn)生部分頻段的抖動(dòng)。其次，仿真得出分齒比例p是影響天線(xiàn)性能的關(guān)鍵參數。隨著(zhù)分齒比例變小(分齒位置靠近饋電端)，分齒天線(xiàn)VSWR抖動(dòng)幅度變小、抖動(dòng)頻段向低頻范圍移動(dòng)，而在其他頻段，分齒蝶形天線(xiàn)與普通碟型天線(xiàn)性能基本一致。因而該類(lèi)分齒蝶形天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)相比，可在保證一定頻段駐波比性能指標的同時(shí)，減輕天線(xiàn)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(xiàn)。實(shí)測顯示，天線(xiàn)在294．O～488．6 MHz的頻率范圍內，天線(xiàn)饋電端VSWR2，波形平坦。其-10 dB帶寬達194 MHz，相對帶寬49.6％，帶內VSWR波形平坦，符合超寬帶天線(xiàn)的要求，并且相對同尺寸普通蝶形天線(xiàn)理論重量減輕比率達41．8％，滿(mǎn)足了設計需要。