蝴蝶仿生超寬帶天線

摘 要： 基于仿生學原理，仿生天線能夠在獲得良好天線性能的同時，兼顧天線外形美觀或隱蔽性。模仿蝴蝶外形，設計了一款具有超寬帶特性的印刷微帶單極子天線，并加工制作。該天線外觀酷似蝴蝶，測試表明該天線的[S11<-10] dB的阻抗帶寬達到了107%（3.2～10.6 GHz），天線具有全向輻射特性，天線尺寸僅為26 mm×27.8 mm×1 mm。

關鍵詞： 仿生天線； 蝴蝶； 超寬帶天線； 小型化寬帶天線

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0094?03

0 引 言

自然界一直都是人類各種技術思想、工程應用以及重大發明的源泉，在長期的觀察和實踐當中，人類不斷模仿生物的行為和形態并從中受益。仿生學是研究生物系統的結構、功能等來改進工程技術系統的科學。仿生天線是根據仿生學原理運用到天線中，通過模仿生物的模型運用于天線的幾何外形達到某種特定的性能。例如：仿生向日葵和動物觸角設計的，具有RCS（Radar Cross?Section，雷達散射截面）減縮效果的天線[1?2]；模擬蝴蝶翅膀在陽光下呈現的深色區域設計天線開槽形狀的仿生天線，該天線能有效地降低天線RCS[3]；仿生章魚外形設計的L波段單極子天線[4]；仿生銀杏樹葉外形設計的小型化寬帶天線[5]。

隨著無線通信技術的迅猛發展，越來越多的天線被應用于各類通信設備中。但在當前許多通信系統中，人們出于美觀或軍事上保密等原因，往往盡可能地將天線隱藏，典型例子就是絕大多數移動手機天線采用了隱藏式天線。若設計為仿生天線，天線不僅不會影響通信設備外觀，還可以提升設備的美觀度，軍事上仿生天線能夠有效地隱藏和偽裝天線。

為滿足高速數據通信和無線通信應用日益擴展的需求，UWB（Ultra?wideband，超寬帶） 天線已成為現代天線發展的熱點和潮流。傳統的寬帶天線主要有行波天線、非頻變天線、喇叭天線等多種類型。微帶單極子天線是一類應用非常廣泛的超寬帶天線[6?10]，它能夠實現非常寬的工作頻帶，同時天線制作可以應用加工簡便、精度高和成本低廉的微帶印刷技術，有利于天線批量化生產。

本文探討利用仿生學原理，設計具有UWB特性的微帶單極子天線。蝴蝶是自然界中一種非常美麗的生物，其對稱、較為寬闊和圓滑流暢的外形曲線也正好和UWB單極子天線要求相吻合，因此本文借鑒蝴蝶外形實現UWB仿生天線的設計。

1 天線結構

蝴蝶的身體結構包括頭部、紡錘形身體和一對分布有花斑的翅膀，頭部有一對棒狀或錘狀觸角。借鑒蝴蝶外形，本文設計的蝴蝶仿生天線如圖1所示。整只天線制作在一片相對介電常數[εr=2.65]，厚度為[h=1] mm的聚四氟乙烯微波介質基板上，基板長[L=27.8] mm，寬[W=26] mm。在該天線基板正面，蝴蝶外形被用于設計天線輻射單元，蝴蝶身體連接一條寬度為[W1=]2.8 mm，特性阻抗為50 Ω的微帶線，用于對該天線饋電。天線基板背面印制有寬和長分別為[W=26] mm和[L1=10.8] mm，倒角為[e=]11.5 mm的金屬地。其仿真天線的其他結構參數。

天線結構示意圖

仿生天線的結構參數表

[參數＼數值 /mm＼參數＼數值 /mm＼參數＼數值 /mm＼R1＼0.78＼R6＼6.77＼L6＼7.8＼R2＼1.04＼L2＼9＼L7＼3.25＼R3＼0.52＼L3＼5.8＼W2＼10.4＼R4＼0.16＼L4＼8.5＼W3＼1.2＼R5＼0.42＼L5＼5＼＼＼]

2 主要結構參數分析

本節將采用CST MICROWAVE STUDIO軟件進行數值仿真的手段，分析天線主要結構參數對天線性能的影響，為天線設計提供指導。

2.1 花斑和條紋

對本文的蝴蝶仿生天線，其翅膀上的花斑和條紋很大程度上提升了天線外形美觀，但花斑和條紋結構復雜，是該仿生天線設計的主要難點之一。圖2給出了有和無花斑和條紋時的天線S11仿真數據，可以看出，花斑和條紋對該天線的阻抗帶寬影響很小。該蝴蝶仿生天線的超寬帶特性主要來自于天線的蝴蝶外形，因此設計者可以在設計花斑和條紋時可基本上只考慮天線外形美觀，在一定程度上減輕了該仿生天線的設計難度。

2.2 金屬地倒角

對比了金屬地倒角對天線S11值的影響。隨著金屬地倒角增大，金屬地逐漸從矩形變化為半圓形，由于金屬地的寬度和長度分別為W=16 m和[L1]=10.8 mm，倒角的最大值為e=11.5 mm。從圖3中可看出，隨著倒角e增大，天線的阻抗帶寬相應地增大。因此本文中倒角大小選擇為e=11.5 mm。

2.3 輻射貼片與金屬地之間縫隙

圖4分析了天線輻射貼片與金屬地之間的縫隙寬度[g]對天線[S11]的影響。可以清楚地看出，縫隙寬度[g]對天線[S11]影響顯著，需要在設計中對該參數仔細地調節。當縫隙寬度[g]變大時，低頻段[S11]值增大而高頻段[S11]值減少，而縫隙寬度[g]減小對[S11]的影響正好相反。因此設計中對縫隙寬度[g]的取值需要適當，本文選擇為[g=0.5] mm。

有無花斑和條紋情況下的蝴蝶仿生天線的[S11]曲線

金屬地倒角[e]對[S11]的影響

縫隙[g]取不同值時[S11]變化情況

基板介電常數和厚度變化對[S11]的影響

2.4 介質板厚度和介電常數

本文設計的仿生天線為微帶天線，基板介電常數和厚度的誤差常常是影響微帶天線性能的主要因素之一。在圖5中，仿真計算了不同程度基板介電常數和厚度變化時的天線[S11]，可以看出，本文仿生天線的性能穩定，基板介電常數和厚度的較小不會對天線性能產生顯著的不良影響，這對天線批量化生產和工程應用十分重要。

3 天線仿真測試結果分析

加工制作的天線實物如圖6所示，該天線的尺寸為26 mm×27.8 mm×1 mm。

仿生天線照片

對比了該天線的仿真和測試[S11]曲線，可看出仿真和實測結果吻合較好，在低頻處仿真和測試結果差異稍明顯，根據分析主要來源于加工和焊接誤差。測試得到的[S11<-10] dB的阻抗帶寬達到107%（3.2～10.6 GHz），這表明該天線具備了良好的超寬帶特性。

天線[S11]的測試和仿真對比

給出了該天線在3.5 GHz，6.8 GHz，9 GHz下的輻射方向圖。可以看出，該天線在各頻點的輻射方向圖為典型單極子天線方向圖，有較良好的準全向輻射特性。天線增益為2.2～5.6 dBi。

天線輻射方向圖

4 結 論

本文根據仿生學原理，模擬蝴蝶外形設計了一種具有超寬帶特性的微帶單極子天線。該天線外形美觀，酷似蝴蝶。仿真和測試表明，該仿生天線的[S11<-10] dB的阻抗帶寬達到107%（3.2～10.6 GHz），而該天線尺寸僅為26 mm×27.8 mm×1 mm。該天線的仿生外形和良好超寬帶特性使其在軍用和民用無線通信等領域有廣泛的應用前景。

參考文獻

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