一種分齒蝶形超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與研究

摘 要:對(duì)一種分齒結(jié)構(gòu)的蝶形平面天線(xiàn)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。通過(guò)仿真將該結(jié)構(gòu)天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，分析了分齒比例參數(shù)對(duì)其性能產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，該類(lèi)天線(xiàn)可以在保證特定頻段駐波比性能的同時(shí)，減輕天線(xiàn)的重量。優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作了工作在300~480 MHz頻段的一款天線(xiàn)，測(cè)量結(jié)果顯示，在工作頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)饋入端駐波比小于2，相對(duì)帶寬大于40%，符合超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:超寬帶; 蝶形天線(xiàn); 分齒結(jié)構(gòu); 駐波比

中圖分類(lèi)號(hào):TN820-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0066-03

Design and Analysis of Teeth-like Bowtie UWB Antenna

ZHENG Kuang-yu， WU Qing， LI Qiao， XIONG Hua-gang

(School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China)

Abstract: A kind of teeth-like bowtie antenna is analyzed and tested. Compared with the conventional Bowtie antenna by simulation， the impact of the teeth proportion parameters on its performance is analyzed. The performance of VSWR of the teeth-like antenna can remain the same in certain frequency range while its weight can be reduced. A prototype antenna implemented with the VSWR is less than 2 between the operating band of 300~480 MHz and has a relative bandwidth above 40%， which fulfills the requirement of UWB antenna.

Keywords: UWB; bowtie antenna; teeth structure; SWR

0 引 言

超寬帶(Ultrawide-band)信號(hào)是指-10 dB相對(duì)帶寬大于20%或者絕對(duì)帶寬大于500 MHz的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)[1]。基于該類(lèi)信號(hào)的超寬帶技術(shù)，目前已應(yīng)用于短距離高速無(wú)線(xiàn)通信、穿障探測(cè)、探地雷達(dá)、災(zāi)難搜救、非接觸醫(yī)療檢測(cè)、汽車(chē)防撞等領(lǐng)域[2]。

超寬帶天線(xiàn)作為信號(hào)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(xiàn)形式主要包括TEM喇叭天線(xiàn)、雙錐天線(xiàn)、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)、Vivaldi天線(xiàn)和蝶形天線(xiàn)等[3-5]。其中平面結(jié)構(gòu)的蝶形天線(xiàn)(也稱(chēng)領(lǐng)結(jié)形天線(xiàn))，由立體的雙錐形天線(xiàn)演化而來(lái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于設(shè)計(jì)安裝、利于低頻輻射等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用在超寬帶通信與探測(cè)領(lǐng)域[6-7]。

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(jié)構(gòu)。如雙蝶形結(jié)構(gòu)[6]、電容加載的條帶狀結(jié)構(gòu)[7]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(jié)構(gòu)[8-9]，但對(duì)于分齒帶來(lái)的性能影響，未查閱到具體研究報(bào)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(xiàn)該種結(jié)構(gòu)可以在保證一定頻段內(nèi)天線(xiàn)性能的同時(shí)，減輕天線(xiàn)重量。相對(duì)于基本蝶形天線(xiàn)，分齒結(jié)構(gòu)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(duì)300~480 MHz的頻率范圍，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作了一款分齒蝶形天線(xiàn)，實(shí)測(cè)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(duì)帶寬達(dá)49.6%。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖1為分齒蝶形天線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)參數(shù)中A，B為蝶形天線(xiàn)的寬與長(zhǎng);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(shè)計(jì)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(xiàn)長(zhǎng)與分齒位置間的距離的比。

2 參數(shù)對(duì)天線(xiàn)性能的影響

對(duì)于本天線(xiàn)，影響其性能的參數(shù)主要包括蝶形張角大小、長(zhǎng)寬大小、分齒位置等。可由文獻(xiàn)[10]知，蝶形天線(xiàn)張角為90°時(shí)相對(duì)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(shè)計(jì)天線(xiàn)長(zhǎng)寬尺寸相等(A=B)，張角為直角。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)后針對(duì)所需頻段進(jìn)行尺寸的等比例調(diào)整。同時(shí)，針對(duì)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(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(guò)分齒天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)的對(duì)比，及不同分齒比例下天線(xiàn)性能的變化進(jìn)行分析。

圖1 分齒蝶形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

2.1 分齒蝶形天線(xiàn)與普通蝶形天線(xiàn)的性能對(duì)比

對(duì)兩類(lèi)天線(xiàn)進(jìn)行建模仿真，其尺寸數(shù)據(jù)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(shù)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。

圖2 普通蝶形天線(xiàn)與分齒蝶形天線(xiàn)VSWR曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸下，分齒天線(xiàn)重量相對(duì)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(shì)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(duì)于普通天線(xiàn)駐波比產(chǎn)生抖動(dòng)。因此，當(dāng)針對(duì)低頻頻段需求時(shí)，完全可以使用分齒結(jié)構(gòu)代替普通結(jié)構(gòu)、降低天線(xiàn)重量。

2.2 不同分齒位置對(duì)天線(xiàn)性能的影響

針對(duì)分齒蝶形天線(xiàn)，在上述基本參數(shù)的基礎(chǔ)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(duì)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(duì)比不同分齒比例的駐波比曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)出現(xiàn)的波段與分齒比例p直接相關(guān)。當(dāng)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(duì)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。

圖3 在不同分齒比例下的VSWR曲線(xiàn)

3 實(shí)物設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為驗(yàn)證分齒結(jié)構(gòu)天線(xiàn)的超寬帶性能，下文針對(duì)特定頻段，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)物測(cè)試。

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真優(yōu)化

設(shè)計(jì)目標(biāo)為在300~480 MHz頻段范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一款分齒蝶形超寬帶天線(xiàn)，要求頻段內(nèi)其駐波比VSWR<2，曲線(xiàn)平坦，相對(duì)原天線(xiàn)重量減輕率大于40%。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求，依據(jù)關(guān)于分齒位置的仿真分析，對(duì)分尺蝶形天線(xiàn)進(jìn)行了進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改進(jìn)、參數(shù)優(yōu)化，得到如圖4所示的天線(xiàn)駐波比曲線(xiàn)。其基本設(shè)計(jì)參數(shù)為A=B=172 mm，D=10mm，n=9，p=3，E=1012 mm。如圖4所示，仿真得到參數(shù)優(yōu)化后的天線(xiàn)在300~496 MHz頻段內(nèi)，VSWR<2，且波形平坦。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后分齒天線(xiàn)的VSWR曲線(xiàn)

3.2 實(shí)物天線(xiàn)測(cè)試

對(duì)上述設(shè)計(jì)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(duì)天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，得到其VSWR曲線(xiàn)如圖5所示。

結(jié)果表明，該天線(xiàn)在294.0~488.6 MHz的頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)饋電端VSWR<2，波形平坦。其帶寬范圍與原仿真曲線(xiàn)相比(300~496 MHz)，頻段基本一致。實(shí)際波形抖動(dòng)出現(xiàn)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(duì)天線(xiàn)性能無(wú)實(shí)質(zhì)影響。分析實(shí)測(cè)頻段結(jié)果與理論值間的差異，認(rèn)為主要來(lái)自于實(shí)際加工誤差。

圖5 分齒蝶形天線(xiàn)實(shí)測(cè)VSWR

綜上所述，試制的分尺蝶形天線(xiàn)的-10 dB(VSWR<2)頻率范圍為294.0~488.6 MHz，帶寬為194 MHz，中心頻率為391 MHz，相對(duì)帶寬達(dá)49.6%，大于超寬帶天線(xiàn)相對(duì)帶寬25%的下限，重量減輕比率達(dá)41.8%，符合設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié) 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(xiàn)，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(shì)相同。在一定頻段，分齒結(jié)構(gòu)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(shù)。隨著分齒比例變小(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(biāo)的同時(shí)，減輕天線(xiàn)重量。針對(duì)300~480 MHz的頻段要求，設(shè)計(jì)試制了一款分齒蝶形天線(xiàn)。實(shí)測(cè)顯示，天線(xiàn)在294.0~488.6 MHz的頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)饋電端VSWR<2，波形平坦。其-10 dB帶寬達(dá)194 MHz，相對(duì)帶寬49.6%，帶內(nèi)VSWR波形平坦，符合超寬帶天線(xiàn)的要求，并且相對(duì)同尺寸普通蝶形天線(xiàn)理論重量減輕比率達(dá)41.8%，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)

[1]BENDEDETTO Maria-Gabriella Di， GIANCOLA Guerino. Understanding ultra wide band radio fundamentals[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[2]FONTANA R J， FOSTER L A， FAIR B， et al. Recent advances in ultrawideband radar and ranging systems[C]//IEEE Int. Ultra-Wideband Conf. Washington， DC: IUWC， 2007: 19-25.

[3]POWELL J. Antenna design for ultra wideband radio[D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology， 2004.

[4]李長(zhǎng)勇，楊士中，張承暢.超寬帶脈沖天線(xiàn)研究綜述[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(5):1003-1008.

[5]呂文俊，程崇虎，朱洪波.小型平面超寬帶天線(xiàn)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007(6):3-6.

[6]LESTARI A A， YAROVOY A G， LIGTHART L P. An Efficient Ultra-Wideband Bow-Tie Antenna[C]//31st European Microwave Conference. [S.l.]: [s.n.]， 2001.

[7]魯飛，馮全源.5.8 GHz RFID標(biāo)簽用共面波導(dǎo)蝶形縫隙天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2008，23(Z1):123-126.

[8]RAHARDJO E T. A UWB antenna for impulse radio[C]//Vehicular Technology Conference. [S.l.]: VTC， 2006: 2630-2634.

[9]YA Immoreev I， SAMKOV S V. Ultrawideband radar for remote detection and measurement of parameters of the moving objects on small range[C]//2004 Second International Workshop， on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals. [S.l.]: International Workshop， 2004.

[10]KRAUS John D， MARHEFKA Ronald J. Antennas: for all applications[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.