新型多頻蝶形微帶天線

摘 ?要： 微帶天線工作頻帶較窄，若能同時(shí)激勵(lì)多個(gè)諧振點(diǎn)，可以變相拓展帶寬，因此設(shè)計(jì)一種多頻蝶形微帶天線。3塊介質(zhì)基板構(gòu)成“U”型半封閉腔體，天線的輻射臂采用[14]周期正弦輪廓結(jié)構(gòu)，在輻射臂上開取3對(duì)“工”字型縫隙，同時(shí)在饋電端口處加載枝節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蝶形微帶天線在5個(gè)雷達(dá)波段（S，C，X，Ku，K）各有1個(gè)諧振頻點(diǎn)，分別為2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz。通過對(duì)比分析可知：在不改變天線整體尺寸的情況下，正弦邊結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)諧振頻點(diǎn)位置;加載的矩形枝節(jié)有利于改善天線的阻抗匹配度，降低回波損耗;“U”型半封閉腔體可有效提高增益，其中C波段的增益由0.71 dB可提升到4.30 dB。

關(guān)鍵詞： 蝶形天線; 諧振頻點(diǎn)調(diào)節(jié); “U”型腔體設(shè)計(jì); 回波損耗; 對(duì)比分析; 雷達(dá)波段

中圖分類號(hào)： TN821+.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）11?0028?04

Abstract： The working band of microstrip antenna is narrow， which can be extended if multiple resonant points are excited simultaneously. Therefore， a multi?frequency butterfly microstrip antenna is designed， in which a U?shaped semi?closed cavity is constructed with three pieces of dielectric substrates， the structure with a quarter of cycle sine contour is used for the radiation arm of the antenna， three pairs of ??shaped apertures are slotted on the radiation arm， and the dendritic matter is loaded at the feed port. The experimental result shows that the butterfly microstrip antenna has five resonant frequency points （2.6 GHz， 6.8 GHz， 11.7 GHz， 16.5 GHz and 18.45 GHz） at five radar bands （S?band， C?band， X?band， Ku?band and K?band） respectively. The contrastive analysis results show that the sine side structure can regulate the location of resonant frequency point while maintaining the overall size of the antenna; the loaded rectangular dendritic matter is conducive to improving the impedance matching degree of the antenna， and reducing the return loss; the U?shaped semi?closed cavity can improve the gain effectively， especially the gain of C?band is increased from 0.71 dB to 4.30 dB.

Keywords： butterfly antenna; resonant frequency point regulation; U?shaped cavity design; return loss; contrastive analysis; radar band

0 ?引 ?言

微帶天線因其具有體積小、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)等軍事領(lǐng)域和射頻識(shí)別等民用通信領(lǐng)域。目前關(guān)于多頻寬帶高增益微帶天線的研究主要有以下方法：通過增加寄生貼片進(jìn)行調(diào)節(jié)阻抗匹配[1]，帶寬能覆蓋5.85～7.18 GHz的頻帶范圍，增益不小于10.5 dB;采用微帶準(zhǔn)八木天線陣列[2]，其頻帶范圍限于S波段，最大增益達(dá)到10 dBi;通過雙蟻群算法對(duì)微帶天線進(jìn)行開窗設(shè)計(jì)[3]，以及由雙G型和U型陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的低剖面天線[4]能夠覆蓋3個(gè)頻段，增益可達(dá)4 dB左右;關(guān)于蝶形天線實(shí)現(xiàn)寬帶的研究文獻(xiàn)也不少，例如，通過加載環(huán)縫高次模[5]能夠覆蓋2個(gè)頻段，對(duì)應(yīng)的增益分別為2.9 dB和7.2 dB;改變末端集中加載的屏蔽型探地雷達(dá)蝶形天線的張角可調(diào)節(jié)帶寬[6];應(yīng)用于超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)的蝶形天線采用吸波材料填充式背腔結(jié)構(gòu)[7]，實(shí)現(xiàn)了中心頻率為400 MHz的超寬帶;采用人工磁導(dǎo)體作為反射面的雙面印刷蝶形天線[8]的帶寬覆蓋了2 500～2 690 MHz頻段，最大增益為9.7 dB。

本文對(duì)傳統(tǒng)的蝶形微帶天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其整體結(jié)構(gòu)為“U”型半封閉腔體形式，天線的正弦形輻射臂上開取了3對(duì)“工”字型縫隙，其主要目的是延長電流流經(jīng)的電長度，同時(shí)改變電荷的分布結(jié)構(gòu)，激勵(lì)起多個(gè)諧振頻點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天線在2～18.6 GHz頻帶范圍內(nèi)共產(chǎn)生5個(gè)諧振頻點(diǎn)（2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz）;天線在各個(gè)諧振頻點(diǎn)的歸一化阻抗值趨近于1;最大增益約為6.73 dB，最小增益約為4.03 dB。

1 ?蝶形天線理論與建模

蝶形天線可以看作是具有無限多組公共饋電點(diǎn)的偶極子，其原始結(jié)構(gòu)是在中心饋電點(diǎn)的兩邊分布對(duì)稱的一對(duì)三角形輻射臂，這種平衡結(jié)構(gòu)也要求平衡饋電，能實(shí)現(xiàn)平衡饋電的方式除了平行雙線、槽線外，還有共面帶狀線等[9]。

如圖1所示，正弦蝶形微帶天線呈一個(gè)“U”型腔體結(jié)構(gòu)，它是由3塊FR4介質(zhì)基板合圍而成，其表面的黑色部分是覆銅面。圖1中，中心位置的矩形覆銅面是延伸的枝節(jié)，其中心的白色圓環(huán)是同軸饋電的內(nèi)芯。左右兩邊“翅膀”狀輻射面的外圍輪廓包含4條相互對(duì)稱的曲線，這4條曲線被設(shè)計(jì)成[14]周期正弦曲線;3對(duì)尺寸漸增式的“工”字型結(jié)構(gòu)是開挖的縫隙。

圖1 ?正弦蝶形天線結(jié)構(gòu)

由于蝶形天線是由偶極子天線演變而來，那么尺寸的計(jì)算方法也可以大致參考偶極子天線的[14]波長計(jì)算方法[10]。該正弦蝶形天線選取厚度為2 mm的FR4介質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4。天線擬覆蓋的雷達(dá)波段為S，C，X，Ku，K波段，波長最長的是S波段，選取該波段的2.0 GHz作為諧振頻率，由于自由空間中波長與頻率之積為光速，則2.0 GHz頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作波長約為150 mm，那么蝶形天線的半臂為[14]波長，即約為38 mm。這個(gè)計(jì)算尺寸存在誤差的主要原因有：天線輻射臂大致呈錐狀，并非標(biāo)準(zhǔn)偶極子結(jié)構(gòu);其次是FR4介質(zhì)板的存在，信號(hào)傳播會(huì)產(chǎn)生折射（其中介質(zhì)板厚度會(huì)影響折射率），其對(duì)應(yīng)的工作波長也會(huì)相應(yīng)變化。所以最后要在這個(gè)計(jì)算尺寸的基礎(chǔ)上利用Ansoft HFSS軟件的參數(shù)優(yōu)化功能進(jìn)行尺寸校正。

2 ?正弦蝶形天線的新型結(jié)構(gòu)分析

本文在采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析時(shí)，軟件的參數(shù)設(shè)置為：尺寸優(yōu)化采用擬牛頓法;掃頻類型為插值掃頻，而且由于掃頻范圍涉及到5個(gè)波段，故進(jìn)行分段掃頻;自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)為30，收斂誤差為0.02。

2.1 ?正弦曲邊與梯形直邊的比較

圖2是圖1中左半邊輻射面的俯視圖，它是由[AB]，[BC]，[CD]，[DA]這幾條線段合圍而成。在[xOy]平面坐標(biāo)系下，根據(jù)各點(diǎn)坐標(biāo)可知，線段[AB]，[CD]的長度分別為6 mm和62.8 mm，天線單臂在[y]軸方向的總長度為53.4 mm。以上這些尺寸是利用Ansoft HFSS軟件優(yōu)化所取的最佳數(shù)值，圖2中的“工”字型縫隙結(jié)構(gòu)及其尺寸在后文敘述。

圖2 ?輻射臂的單邊結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在討論圖2中[BC]，[DA]這兩個(gè)關(guān)于[y]軸對(duì)稱的邊結(jié)構(gòu)，一種情況是如圖2所示的正弦狀結(jié)構(gòu)，以線段[DA]為例，從點(diǎn)[A（-3，-4）]開始，正弦線段各點(diǎn)坐標(biāo)[（x，y）]取值為[y=53.4?sin（x20）]，[x]從-3～-31.4均勻取30個(gè)離散值，將線段[DA]圍繞[y]軸對(duì)折就是線段[BC]。另一種情況是以線段[BC]，[DA]為直邊，即線段[AB]，[BC]，[CD]，[DA]構(gòu)成1個(gè)等腰梯形輻射面。以上兩種邊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的天線對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線[S11]如圖3所示。

圖3中的虛線是正弦邊天線對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線，實(shí)線是梯形直邊天線對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線。可以看出：這兩種邊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的天線有4個(gè)相似的諧振頻點(diǎn)：[m1]（2.6 GHz），[m3]（11.7 GHz），[m4]（16.5 GHz），[m5]（18.45 GHz），對(duì)應(yīng)的波段是S，X，Ku，K波段。不同的諧振頻點(diǎn)在于C波段（4～8 GHz），正弦邊天線在該波段有6.8 GHz這個(gè)諧振點(diǎn)，而梯形直邊天線在該波段沒有諧振點(diǎn)（回波損耗[S11]超過了10 dB），諧振點(diǎn)[s2]（9.95 GHz）和[m3]（11.7 GHz）均集中在X波段（8～12 GHz）。由此可知，雖然天線整體尺寸不變，但由于天線輻射面的正弦邊與梯形直邊2種結(jié)構(gòu)的差異性，導(dǎo)致電長度不一樣，諧振頻點(diǎn)的分布自然會(huì)不同。

圖3 ?兩種邊結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的回波損耗

2.2 ?“工”字型縫隙的多頻激勵(lì)

要讓天線產(chǎn)生多個(gè)諧振頻點(diǎn)，就需要天線工作在高階?；蚨嚯A模上，饋送給天線的電流信號(hào)要相應(yīng)地周期性變化多次。在圖2中看出天線的輻射臂上開取了3對(duì)尺寸漸增的“工”字型縫隙，改變電流流經(jīng)路徑，調(diào)節(jié)電荷分布區(qū)間，從而激勵(lì)起多次模。圖4中的虛線是其對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線，可看出在2.00～19.00 GHz范圍內(nèi)共有5個(gè)諧振頻點(diǎn);實(shí)線是天線只有1對(duì)“工”字型縫隙所對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線，可看出只在9.50～19.00 GHz范圍內(nèi)有3個(gè)諧振頻點(diǎn)。經(jīng)過優(yōu)化，圖2中“工”字型縫隙寬度均為2 mm，其中平行于[x]軸的有6條縫隙（以下簡(jiǎn)稱“x縫”），垂直于[x]軸的有3條縫隙（以下簡(jiǎn)稱“y縫”），這9條縫隙均關(guān)于[y]軸對(duì)稱。最短“x縫”的長度是[W3=]11.28 mm，其他5條“x縫”的長度沿著[y]軸負(fù)方向逐級(jí)遞增2.5 mm，而這6條縫隙之間的水平間距均為[L4=]6 mm，也即是“y縫”的長度。最短的“x縫”到線段[AB]的水平距離為[L3=]19.3 mm。

圖4 ?不同縫隙對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線

2.3 ?枝節(jié)加載提升阻抗匹配度

圖1中中心位置的矩形覆銅面是加載的枝節(jié)，其中心的白色圓環(huán)是同軸探針饋電端口，其內(nèi)芯射頻端口阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。加載的這個(gè)枝節(jié)就是用于調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，使其盡可能地趨近于同軸探針的50 Ω阻抗。以10～20 GHz頻帶為例進(jìn)行阻抗匹配分析，圖5是加載了枝節(jié)對(duì)應(yīng)的歸一化阻抗曲線，3個(gè)匹配點(diǎn)[m1]（11.7 GHz）、[m2]（16.5 GHz）和[m3]（18.45 GHz）之間的頻差相對(duì)較大，各個(gè)歸一化阻抗值趨近于理想化匹配值1.0+0.0i，這樣在10～20 GHz頻帶內(nèi)，3個(gè)雷達(dá)波段各有1個(gè)頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配度。其實(shí)，阻抗匹配的越好，頻點(diǎn)的回波損耗越小，圖5中最接近于理想化匹配點(diǎn)1.0+0.0i的是點(diǎn)[m2]（16.5 GHz），其對(duì)應(yīng)的回波損耗值也應(yīng)該是最小的，此結(jié)論可得到佐證。從圖3能看出諧振點(diǎn)16.5 GHz的回波損耗值為-29.399 2 dB，該損耗值在各個(gè)諧振點(diǎn)中是最小的。

圖5 ?歸一化阻抗

2.4 ?“U”型腔體提高增益

天線的增益直接影響射頻設(shè)備的有效識(shí)別距離，如果采用天線陣列結(jié)構(gòu)[2]，雖然可以提高增益，但是其體積較大，制作的成本和復(fù)雜度相應(yīng)增加。

本文將天線設(shè)計(jì)成半封閉“U”型腔體結(jié)構(gòu)（圖1中左右兩塊直立的介質(zhì)基板高10 mm），使得輻射的電磁波能量相對(duì)集中于某一空間范圍，有利于提高增益值。將“U”型腔體結(jié)構(gòu)與非“U”型腔體結(jié)構(gòu)各自對(duì)應(yīng)的增益方向圖進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。圖6中列出了具有代表性的4個(gè)諧振頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的增益方向圖，實(shí)線是“U”型腔體結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的增益方向圖，虛線是非“U”型腔體結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的增益方向圖?！癠”型與非“U”型兩種天線結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的增益方向圖都有H面（Phi=0°）和E面（Phi=90°），這里選取各自增益最高的1個(gè)面進(jìn)行對(duì)比。

從圖6中可以看出：“U”型腔體結(jié)構(gòu)的增益明顯高于非“U”型腔體結(jié)構(gòu)的增益，正弦蝶形天線的最大增益值在諧振頻點(diǎn)18.45 GHz處，其增益值為6.731 3 dB;“U”型腔體結(jié)構(gòu)提升增益效果最顯著的是在較小的兩個(gè)諧振頻點(diǎn)（6.8 GHz和11.7 GHz），其中6.8 GHz對(duì)應(yīng)的增益由0.71 dB提升到4.30 dB。

圖6 ?增益方向圖

3 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的正弦蝶形微帶天線，通過“工”字型縫隙激勵(lì)起了5個(gè)諧振頻點(diǎn)，在不改變天線整體尺寸的情況下，正弦邊結(jié)構(gòu)將這些諧振頻點(diǎn)調(diào)節(jié)到5個(gè)雷達(dá)波段：2.6 GHz（S波段）、6.8 GHz（C波段）、11.7 GHz（X波段）、16.5 GHz（Ku波段）、18.45 GHz（K波段）。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知，饋電端口處加載的枝節(jié)可以有效改善諧振頻點(diǎn)的阻抗匹配度，半封閉“U”型腔體結(jié)構(gòu)可以有效提高天線的增益，其中C波段的增益變化最為明顯，由0.71 dB可提升到4.30 dB。最大增益值在K波段可達(dá)6.731 3 dB。該正弦蝶形微帶天線可應(yīng)用于探地雷達(dá)及其他寬帶通信領(lǐng)域。

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