新型超寬帶蝶形槽天線的設計

袁娜　李鐵軍　吳軍軍　李航

摘要 本文設計了一種新型超寬帶蝶形槽天線，采用共面波導饋電，可以覆蓋3.1GHz～10.6GHz的超寬帶頻帶。利用HFSS軟件對影響天線帶寬的幾個參數(shù)進行仿真對比后，確定天線結構尺寸。該天線結構簡單緊湊、體積小、易制作、易集成，有良好的應用前景。

關鍵詞 超寬帶；共面波導；蝶形天線；槽天線

中圖分類號TN8 文獻標識碼A 文章編號2095—6363（2016）04—0020—02

2002年美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）將原本用于軍事的3.1GHz～10.6GHz超寬帶（UWB）擴展到民用，使得UWB技術的研究進入新階段。超寬帶天線是超寬帶無線電系統(tǒng)必不可少的部分，在輻射和接收無線電波中發(fā)揮著重要作用。

目前，超寬帶天線在衛(wèi)星通信、探雷、救援定位、無線通信等軍民方面都有廣泛應用，常見的UWB天線有單極子天線、縫隙天線、錐形天線、喇叭天線以及螺旋天線等。隨著現(xiàn)代電子器件的微型化和模塊化發(fā)展，對天線提出更高要求。頻帶寬、體積小、重量輕、制造簡單、易于集成的平面天線是新型超寬帶天線的發(fā)展趨勢，常見的超寬帶平面天線有槽線天線、寬槽天線和蝴蝶結天線等。

1天線結構設計

蝴蝶結天線因極化穩(wěn)定、容易加工而被廣泛應用，但一般用金屬板制成，重量和體積無法滿足小型化要求，采用微帶或槽天線形式可以克服其缺點。

共面波導（CPW）由一個中心金屬導帶和2個共面接地板構成，3部分在同一平面上，具有易加工，易集成、低輻射損耗等優(yōu)點。通過改變金屬導帶的寬度和縫隙的比值調節(jié)共面波導的特性阻抗，使得設計具有靈活性。

將蝶形槽結構和共面波導結合起來，發(fā)揮兩者優(yōu)勢，就組成了CPW饋電的蝴蝶結槽天線。文章在傳統(tǒng)CPW饋電的蝶形槽天線結構的基礎上進行改進，擴展了帶寬，使天線在回波損耗S₁₁≤-10dB條件下能夠覆蓋UWB頻段，并在工作頻帶內具有良好的增益特性，其結構如圖1所示。

天線直接印制在單面FR4基板上，尺寸為60ram×30mm，厚度為2mm，相對介電常數(shù)ε_r=4.4。采用阻抗為50 Ω的共面波導進行饋電，蝶形槽長度L=56mm，寬度W=25mm，金屬導帶的寬度t=1.4mm，兩側縫寬s=0.5mm，天線相對于中心線左右對稱。

2天線參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)蝶形槽天線頻帶比較窄，文章研究了部分參數(shù)對天線帶寬的影響，利用HFSS軟件仿真優(yōu)化得出最

將蝶形槽的上端用細長的矩形槽連接，將輻射體與地面連接斷開，改變天線表面電流的分布進而改變頻帶寬度。矩形槽對天線帶寬的影響如圖2所示，加槽后頻帶展寬，并且在9G周圍增加了一個諧振點，隨著槽寬的增大天線帶寬也展寬，但是當槽寬增大到1.5mm時，5G～6G頻段的回波損耗變差，均衡后選擇h=1mm。

傳統(tǒng)蝶形槽的邊緣都為尖銳的頂點，將這些頂點倒圓角，可以減少頂點處電流的突變或反射，降低高頻段的回波損耗，擴展了帶寬。經(jīng)過仿真優(yōu)化，取R1=R2=R3=R4=2mm，R5=R6=3mm。

最后在蝶形槽的兩個邊上增加半圓形槽，通過增長表面電流路徑實現(xiàn)阻抗匹配，展寬頻帶，經(jīng)過仿真對比取R=1.5mm，如圖3所示，該天線在S₁₁≤-10dB時低頻端的最低頻率為2.5G，高頻端的最高頻率大于12G，相對阻抗帶寬大于131%，頻寬完全覆蓋并超過了UWB頻段。

新設計天線的方向圖仿真結果如圖4所示，具有良好的輻射特性。

3實測結果

為了驗證仿真結果的正確性，將設計的天線制作出實物，如圖5所示。用50 Q的同軸線對其饋電，所測天線電壓駐波比如圖6所示，阻抗匹配很好。

4結論

本文研究了一種新型超寬帶蝶形槽天線，利用HFSS軟件仿真，得出部分參數(shù)對天線帶寬的影響。該天線結構簡單、重量輕、易于平面印刷、便于集成，具有穩(wěn)定的增益和良好的輻射特性，滿足小型化要求，具有良好的應用前景。