新型超宽带蝶形槽天线的设计

新型超宽带蝶形槽天线的设计
作者：袁娜李铁军吴军军李航
来源：《科学家》2016年第04期
摘要本文设计了一种新型超宽带蝶形槽天线，采用共面波导馈电，可以覆盖3.1GHz～10.6GHz的超宽带频带。

利用HFSS软件对影响天线带宽的几个参数进行仿真对比后，确定天线结构尺寸。

该天线结构简单紧凑、体积小、易制作、易集成，有良好的应用前景。

关键词超宽带；共面波导；蝶形天线；槽天线
中图分类号TN8 文献标识码A 文章编号2095—6363（2016）04—0020—02
2002年美国联邦通讯委员会（FCC）将原本用于军事的3.1GHz～10.6GHz超宽带（UWB）扩展到民用，使得UWB技术的研究进入新阶段。

超宽带天线是超宽带无线电系统必不可少的部分，在辐射和接收无线电波中发挥着重要作用。

目前，超宽带天线在卫星通信、探雷、救援定位、无线通信等军民方面都有广泛应用，常见的UWB天线有单极子天线、缝隙天线、锥形天线、喇叭天线以及螺旋天线等。

随着现代电子器件的微型化和模块化发展，对天线提出更高要求。

频带宽、体积小、重量轻、制造简单、易于集成的平面天线是新型超宽带天线的发展趋势，常见的超宽带平面天线有槽线天线、宽槽天线和蝴蝶结天线等。

1天线结构设计
蝴蝶结天线因极化稳定、容易加工而被广泛应用，但一般用金属板制成，重量和体积无法满足小型化要求，采用微带或槽天线形式可以克服其缺点。

共面波导（CPW）由一个中心金属导带和2个共面接地板构成，3部分在同一平面上，具有易加工，易集成、低辐射损耗等优点。

通过改变金属导带的宽度和缝隙的比值调节共面波导的特性阻抗，使得设计具有灵活性。

将蝶形槽结构和共面波导结合起来，发挥两者优势，就组成了CPW馈电的蝴蝶结槽天线。

文章在传统CPW馈电的蝶形槽天线结构的基础上进行改进，扩展了带宽，使天线在回波损耗S11≤-10dB条件下能够覆盖UWB频段，并在工作频带内具有良好的增益特性，其结构如图1所示。

天线直接印制在单面FR4基板上，尺寸为60ram×30mm，厚度为2mm，相对介电常数
εr=4.4。

采用阻抗为50 Ω的共面波导进行馈电，蝶形槽长度L=56mm，宽度W=25mm，金属导带的宽度t=1.4mm，两侧缝宽s=0.5mm，天线相对于中心线左右对称。

2天线参数优化
传统蝶形槽天线频带比较窄，文章研究了部分参数对天线带宽的影响，利用HFSS软件仿真优化得出最
将蝶形槽的上端用细长的矩形槽连接，将辐射体与地面连接断开，改变天线表面电流的分布进而改变频带宽度。

矩形槽对天线带宽的影响如图2所示，加槽后频带展宽，并且在9G周围增加了一个谐振点，随着槽宽的增大天线带宽也展宽，但是当槽宽增大到1.5mm时，5G～6G频段的回波损耗变差，均衡后选择h=1mm。

传统蝶形槽的边缘都为尖锐的顶点，将这些顶点倒圆角，可以减少顶点处电流的突变或反射，降低高频段的回波损耗，扩展了带宽。

经过仿真优化，取R1=R2=R3=R4=2mm，
R5=R6=3mm。

最后在蝶形槽的两个边上增加半圆形槽，通过增长表面电流路径实现阻抗匹配，展宽频带，经过仿真对比取R=1.5mm，如图3所示，该天线在S11≤-10dB时低频端的最低频率为
2.5G，高频端的最高频率大于12G，相对阻抗带宽大于131%，频宽完全覆盖并超过了UWB 频段。

新设计天线的方向图仿真结果如图4所示，具有良好的辐射特性。

3实测结果
为了验证仿真结果的正确性，将设计的天线制作出实物，如图5所示。

用50 Q的同轴线对其馈电，所测天线电压驻波比如图6所示，阻抗匹配很好。

4结论
本文研究了一种新型超宽带蝶形槽天线，利用HFSS软件仿真，得出部分参数对天线带宽的影响。

该天线结构简单、重量轻、易于平面印刷、便于集成，具有稳定的增益和良好的辐射特性，满足小型化要求，具有良好的应用前景。