一种分齿蝶形超宽带天线的设计与研究

摘 要:对一种分齿结构的蝶形平面天线进行了研究设计与验证。通过仿真将该结构天线与普通蝶形天线进行对比,分析了分齿比例参数对其性能产生的影响。结果表明,该类天线可以在保证特定频段驻波比性能的同时,减轻天线的重量。优化设计并制作了工作在300~480 MHz频段的一款天线,测量结果显示,在工作频率范围内,天线馈入端驻波比小于2,相对带宽大于40%,符合超宽带天线设计要求。

关键词:超宽带; 蝶形天线; 分齿结构; 驻波比

中图分类号:TN820-34文献标识码:A

文章编号: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

超宽带(Ultrawide-band)信号是指-10 dB相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500 MHz的无线电信号[1]。基于该类信号的超宽带技术,目前已应用于短距离高速无线通信、穿障探测、探地雷达、灾难搜救、非接触医疗检测、汽车防撞等领域[2]。

超宽带天线作为信号的收发装置,直接影响系统的性能。目前常用的超宽带天线形式主要包括TEM喇叭天线、双锥天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi天线和蝶形天线等[3-5]。其中平面结构的蝶形天线(也称领结形天线),由立体的双锥形天线演化而来,具有结构简单、便于设计安装、利于低频辐射等优点,已应用在超宽带通信与探测领域[6-7]。

为改善天线宽带性能,目前基于基本蝶形发展出了多种衍生结构。如双蝶形结构[6]、电容加载的条带状结构[7]等。其中荷兰Delft大学的A.A. Lestari与莫斯科航空学院Immoreev, I.Ya均提到了不同形式的分齿蝶形天线结构[8-9],但对于分齿带来的性能影响,未查阅到具体研究报道。本文以9齿蝶形为例,通过建模仿真,分析了辐射状分齿的蝶形天线,并研究了不同分齿位置下天线驻波比的变化。研究发现该种结构可以在保证一定频段内天线性能的同时,减轻天线重量。相对于基本蝶形天线,分齿结构会使天线输入VSWR在中间频段产生抖动,且抖动频段直接与分齿位置相关。针对300~480 MHz的频率范围,进一步优化设计并制作了一款分齿蝶形天线,实测显示该天线在294~488 MHz驻波比小于2,其-10 dB带宽194 MHz,相对带宽达49.6%。

1 天线结构

图1为分齿蝶形天线的实验原型结构图。Ы峁共问中A,B为蝶形天线的宽与长;C为两页分齿位置间的距离;D为馈电端的宽度;分齿槽设计为从馈电端至末端的辐射形状,各分齿等宽等距分布,齿宽齿距均为E,有E=A/(2n-1),分齿数目n=9。定义分齿比例参数为p,有p=B/C,Ъ刺煜叱び敕殖菸恢眉涞木嗬氲谋取

2 参数对天线性能的影响

对于本天线,影响其性能的参数主要包括蝶形张角大小、长宽大小、分齿位置等。可由文献[10]知,蝶形天线张角为90°时相对其他角度,输入阻抗随频率变化更为平坦,具有更好的宽带特性,因此设计天线长宽尺寸相等(A=B),张角为直角。通过仿真发现,天线在尺寸的等比例放大的情况下,输入端驻波比波形基本保持不变,曲线整体向低频段移动。因此可以在确定天线结构后针对所需频段进行尺寸的等比例调整。同时,针对1 GHz以下的频段范围,分齿位置的变化时,天线输入端驻波比波形变化明显,而其他参数变化的影响有限。据此,确定分齿比例p为关键仿真参数。以下通过分齿天线与普通蝶形天线的对比,及不同分齿比例下天线性能的变化进行分析。

图1 分齿蝶形天线结构图

2.1 分齿蝶形天线与普通蝶形天线的性能对比

对两类天线进行建模仿真,其尺寸数据如下:普通蝶形天线A=B=200 mm,D=10 mm;分齿蝶形天线p=2,其他参数与普通蝶形天线相同。仿真得到两者的输入驻波比曲线(VSWR)如图2所示。

图2 普通蝶形天线与分齿蝶形天线VSWR曲线

通过对比可以发现,在相同尺寸下,分齿天线重量相对普通天线减少35.2%。同时,两者的驻波比随频率变化趋势相同,在600 MHz以下,两者性能基本┮恢陋。而在670~770 MHz部分,分齿天线相对于普通天线驻波比产生抖动。因此,当针对低频频段需求时,完全可以使用分齿结构代替普通结构、降低天线重量。

2.2 不同分齿位置对天线性能的影响

针对分齿蝶形天线,在上述基本参数的基础上(即A=B=200 mm,D=10 mm,n=9,E=A/17),改变分齿比例,研究分齿位置对天线性能的影响。经过多组仿真,选取具有代表性的三条曲线(p=2,3,8),如┩3所示。对比不同分齿比例的驻波比曲线,可以发现抖动出现的波段与分齿比例p直接相关。当p增大时(即分齿位置向馈电端靠近时),抖动部分向低频段移动,并且抖动幅度逐渐变小。其相对原普通蝶形天线重量分别减少35.3%,41.8%和46.3%,重量减轻比率逐渐增加。

图3 在不同分齿比例下的VSWR曲线

3 实物设计与验证

为验证分齿结构天线的超宽带性能,下文针对特定频段,进行了设计优化与实物测试。

3.1 设计目标与仿真优化

设计目标为在300~480 MHz频段范围内,设计┮豢瞠分齿蝶形超宽带天线,要求频段内其驻波比VSWR

针对上述设计要求,依据关于分齿位置的仿真分析,对分尺蝶形天线进行了进一步结构改进、参数优化,得到如图4所示的天线驻波比曲线。其基本设计参数为A=B=172 mm,D=10mm,n=9,p=3,E=1012 mm。如图4所示,仿真得到参数优化后的天线在300~496 MHz频段内,VSWR

图4 优化设计后分齿天线的VSWR曲线

3.2 实物天线测试

对上述设计方案的天线进行了加工,并使用安捷伦8363B型网络分析仪对天线实物进行测量,得到其VSWR曲线如图5所示。

结果表明,该天线在294.0~488.6 MHz的频率范围内,天线馈电端VSWR

图5 分齿蝶形天线实测VSWR

综上所述,试制的分尺蝶形天线的-10 dB(VSWR

4 结 语

研究了一种辐射状分齿蝶形天线。通过仿真发现,在相同尺寸下,分齿蝶形天线与普通蝶形天线的驻波比随频率变化趋势相同。在一定频段,分齿结构会使天线VSWR曲线产生部分频段的抖动。其次,仿真得出分齿比例p是影响天线性能的关键参数。随着分齿比例变小(分齿位置靠近馈电端),分齿天线VSWR抖动幅度变小、抖动频段向低频范围移动,而在其他频段,分齿蝶形天线与普通碟型天线性能基本一致。因而该类分齿蝶形天线与普通蝶形天线相比,可在保证一定频段驻波比性能指标的同时,减轻天线重量。针对300~480 MHz的频段要求,设计试制了一款分齿蝶形天线。实测显示,天线在294.0~488.6 MHz的频率范围内,天线馈电端VSWR

参考文献

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