一种分齿蝶形超宽带天线的设计与研究

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。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。
    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。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。
    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、电容加载的条带状结构等。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，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。结构参数中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，即天线长与分齿位置间的距离的比。

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。
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。

    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，两者性能基本一致。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)，如图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。

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，设计一款分齿蝶形超宽带天线，要求频段内其驻波比VSWR<2，曲线平坦，相对原天线重量减轻率大于40％。
    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=172mm，D=10mm，n=9，p=3，E=10.12mm。如图4所示，仿真得到参数优化后的天线在300～496MHz频段内，VSWR< 2，且波形平坦。

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<2，波形平坦。其带宽范围与原仿真曲线相比(300～496MHz)，频段基本一致。实际波形抖动出现在525～705 MHz波段，低于仿真曲线(577～754 MHz)，但因处于工作频段外，对天线性能无实质影响。分析实测频段结果与理论值间的差异，认为主要来自于实际加工误差。
    综上所述，试制的分尺蝶形天线的-10 dB(VSWR<2)频率范围为294．O～488．6 MHz，带宽为194 MHz，中心频率为391 MHz，相对带宽达49．6％，大于超宽带天线相对带宽25％的下限，重量减轻比率达41．8％，符合设计需求。

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．O～488．6 MHz的频率范围内，天线馈电端VSWR<2，波形平坦。其-10 dB带宽达194 MHz，相对带宽49.6％，带内VSWR波形平坦，符合超宽带天线的要求，并且相对同尺寸普通蝶形天线理论重量减轻比率达41．8％，满足了设计需要。