新型多频蝶形微带天线

摘  要： 微带天线工作频带较窄，若能同时激励多个谐振点，可以变相拓展带宽，因此设计一种多频蝶形微带天线。3块介质基板构成“U”型半封闭腔体，天线的辐射臂采用[14]周期正弦轮廓结构，在辐射臂上开取3对“工”字型缝隙，同时在馈电端口处加载枝节。实验结果表明，蝶形微带天线在5个雷达波段（S，C，X，Ku，K）各有1个谐振频点，分别为2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz。通过对比分析可知：在不改变天线整体尺寸的情况下，正弦边结构可调节谐振频点位置;加载的矩形枝节有利于改善天线的阻抗匹配度，降低回波损耗;“U”型半封闭腔体可有效提高增益，其中C波段的增益由0.71 dB可提升到4.30 dB。

关键词： 蝶形天线; 谐振频点调节; “U”型腔体设计; 回波损耗; 对比分析; 雷达波段

中图分类号： TN821+.4?34                       文献标识码： A                         文章编号： 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

微带天线因其具有体积小、加工成本低等优点，广泛应用于雷达等军事领域和射频识别等民用通信领域。目前关于多频宽带高增益微带天线的研究主要有以下方法：通过增加寄生贴片进行调节阻抗匹配[1]，带宽能覆盖5.85～7.18 GHz的频带范围，增益不小于10.5 dB;采用微带准八木天线阵列[2]，其频带范围限于S波段，最大增益达到10 dBi;通过双蚁群算法对微带天线进行开窗设计[3]，以及由双G型和U型陷波结构设计的低剖面天线[4]能够覆盖3个频段，增益可达4 dB左右;关于蝶形天线实现宽带的研究文献也不少，例如，通过加载环缝高次模[5]能够覆盖2个频段，对应的增益分别为2.9 dB和7.2 dB;改变末端集中加载的屏蔽型探地雷达蝶形天线的张角可调节带宽[6];应用于超宽带探地雷达系统的蝶形天线采用吸波材料填充式背腔结构[7]，实现了中心频率为400 MHz的超宽带;采用人工磁导体作为反射面的双面印刷蝶形天线[8]的带宽覆盖了2 500～2 690 MHz频段，最大增益为9.7 dB。

本文对传统的蝶形微带天线结构进行了改进，其整体结构为“U”型半封闭腔体形式，天线的正弦形辐射臂上开取了3对“工”字型缝隙，其主要目的是延长电流流经的电长度，同时改变电荷的分布结构，激励起多个谐振频点。仿真实验结果表明：天线在2～18.6 GHz频带范围内共产生5个谐振频点（2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz）;天线在各个谐振频点的归一化阻抗值趋近于1;最大增益约为6.73 dB，最小增益约为4.03 dB。

1  蝶形天线理论与建模

蝶形天线可以看作是具有无限多组公共馈电点的偶极子，其原始结构是在中心馈电点的两边分布对称的一对三角形辐射臂，这种平衡结构也要求平衡馈电，能实现平衡馈电的方式除了平行双线、槽线外，还有共面带状线等[9]。

如图1所示，正弦蝶形微带天线呈一个“U”型腔体结构，它是由3块FR4介质基板合围而成，其表面的黑色部分是覆铜面。图1中，中心位置的矩形覆铜面是延伸的枝节，其中心的白色圆环是同轴馈电的内芯。左右两边“翅膀”状辐射面的外围轮廓包含4条相互对称的曲线，这4条曲线被设计成[14]周期正弦曲线;3对尺寸渐增式的“工”字型结构是开挖的缝隙。

图1  正弦蝶形天线结构

由于蝶形天线是由偶极子天线演变而来，那么尺寸的计算方法也可以大致参考偶极子天线的[14]波长计算方法[10]。该正弦蝶形天线选取厚度为2 mm的FR4介质基板，其相对介电常数为4.4。天线拟覆盖的雷达波段为S，C，X，Ku，K波段，波长最长的是S波段，选取该波段的2.0 GHz作为谐振频率，由于自由空间中波长与频率之积为光速，则2.0 GHz频点对应的工作波长约为150 mm，那么蝶形天线的半臂为[14]波长，即约为38 mm。这个计算尺寸存在误差的主要原因有：天线辐射臂大致呈锥状，并非标准偶极子结构;其次是FR4介质板的存在，信号传播会产生折射（其中介质板厚度会影响折射率），其对应的工作波长也会相应变化。所以最后要在这个计算尺寸的基础上利用Ansoft HFSS软件的参数优化功能进行尺寸校正。

2  正弦蝶形天线的新型结构分析

本文在采用Ansoft HFSS软件进行仿真实验对比分析时，软件的参数设置为：尺寸优化采用拟牛顿法;扫频类型为插值扫频，而且由于扫频范围涉及到5个波段，故进行分段扫频;自适应网格剖分的最大迭代次数为30，收敛误差为0.02。

2.1  正弦曲边与梯形直边的比较

图2是图1中左半边辐射面的俯视图，它是由[AB]，[BC]，[CD]，[DA]这几条线段合围而成。在[xOy]平面坐标系下，根据各点坐标可知，线段[AB]，[CD]的长度分别为6 mm和62.8 mm，天线单臂在[y]轴方向的总长度为53.4 mm。以上这些尺寸是利用Ansoft HFSS软件优化所取的最佳数值，图2中的“工”字型缝隙结构及其尺寸在后文叙述。

图2  辐射臂的单边结构

现在讨论图2中[BC]，[DA]这两个关于[y]轴对称的边结构，一种情况是如图2所示的正弦状结构，以线段[DA]为例，从点[A（-3，-4）]开始，正弦线段各点坐标[（x，y）]取值为[y=53.4?sin（x20）]，[x]从-3～-31.4均匀取30个离散值，将线段[DA]围绕[y]轴对折就是线段[BC]。另一种情况是以线段[BC]，[DA]为直边，即线段[AB]，[BC]，[CD]，[DA]构成1个等腰梯形輻射面。以上两种边结构构成的天线对应的回波损耗曲线[S11]如图3所示。

图3中的虚线是正弦边天线对应的回波损耗曲线，实线是梯形直边天线对应的回波损耗曲线。可以看出：这两种边结构构成的天线有4个相似的谐振频点：[m1]（2.6 GHz），[m3]（11.7 GHz），[m4]（16.5 GHz），[m5]（18.45 GHz），对应的波段是S，X，Ku，K波段。不同的谐振频点在于C波段（4～8 GHz），正弦边天线在该波段有6.8 GHz这个谐振点，而梯形直边天线在该波段没有谐振点（回波损耗[S11]超过了10 dB），谐振点[s2]（9.95 GHz）和[m3]（11.7 GHz）均集中在X波段（8～12 GHz）。由此可知，虽然天线整体尺寸不变，但由于天线辐射面的正弦边与梯形直边2种结构的差异性，导致电长度不一样，谐振频点的分布自然会不同。

图3  两种边结构对应的回波损耗

2.2  “工”字型缝隙的多频激励

要让天线产生多个谐振频点，就需要天线工作在高阶模或多阶模上，馈送给天线的电流信号要相应地周期性变化多次。在图2中看出天线的辐射臂上开取了3对尺寸渐增的“工”字型缝隙，改变电流流经路径，调节电荷分布区间，从而激励起多次模。图4中的虚线是其对应的回波损耗曲线，可看出在2.00～19.00 GHz范围内共有5个谐振频点;实线是天线只有1对“工”字型缝隙所对应的回波损耗曲线，可看出只在9.50～19.00 GHz范围内有3个谐振频点。经过优化，图2中“工”字型缝隙宽度均为2 mm，其中平行于[x]轴的有6条缝隙（以下简称“x缝”），垂直于[x]轴的有3条缝隙（以下简称“y缝”），这9条缝隙均关于[y]轴对称。最短“x缝”的长度是[W3=]11.28 mm，其他5条“x缝”的长度沿着[y]轴负方向逐级递增2.5 mm，而这6条缝隙之间的水平间距均为[L4=]6 mm，也即是“y缝”的长度。最短的“x缝”到线段[AB]的水平距离为[L3=]19.3 mm。

图4  不同缝隙对应的回波损耗曲线

2.3  枝节加载提升阻抗匹配度

图1中中心位置的矩形覆铜面是加载的枝节，其中心的白色圆环是同轴探针馈电端口，其内芯射频端口阻抗设计为50 Ω。加载的这个枝节就是用于调节天线的输入阻抗，使其尽可能地趋近于同轴探针的50 Ω阻抗。以10～20 GHz频带为例进行阻抗匹配分析，图5是加载了枝节对应的归一化阻抗曲线，3个匹配点[m1]（11.7 GHz）、[m2]（16.5 GHz）和[m3]（18.45 GHz）之间的频差相对较大，各个归一化阻抗值趋近于理想化匹配值1.0+0.0i，这样在10～20 GHz频带内，3个雷达波段各有1个频点实现了良好的阻抗匹配度。其实，阻抗匹配的越好，频点的回波损耗越小，图5中最接近于理想化匹配点1.0+0.0i的是点[m2]（16.5 GHz），其对应的回波损耗值也应该是最小的，此结论可得到佐证。从图3能看出谐振点16.5 GHz的回波损耗值为-29.399 2 dB，该损耗值在各个谐振点中是最小的。

图5  归一化阻抗

2.4  “U”型腔體提高增益

天线的增益直接影响射频设备的有效识别距离，如果采用天线阵列结构[2]，虽然可以提高增益，但是其体积较大，制作的成本和复杂度相应增加。

本文将天线设计成半封闭“U”型腔体结构（图1中左右两块直立的介质基板高10 mm），使得辐射的电磁波能量相对集中于某一空间范围，有利于提高增益值。将“U”型腔体结构与非“U”型腔体结构各自对应的增益方向图进行比较，结果如图6所示。图6中列出了具有代表性的4个谐振频点所对应的增益方向图，实线是“U”型腔体结构所对应的增益方向图，虚线是非“U”型腔体结构所对应的增益方向图。“U”型与非“U”型两种天线结构对应的增益方向图都有H面（Phi=0°）和E面（Phi=90°），这里选取各自增益最高的1个面进行对比。

从图6中可以看出：“U”型腔体结构的增益明显高于非“U”型腔体结构的增益，正弦蝶形天线的最大增益值在谐振频点18.45 GHz处，其增益值为6.731 3 dB;“U”型腔体结构提升增益效果最显著的是在较小的两个谐振频点（6.8 GHz和11.7 GHz），其中6.8 GHz对应的增益由0.71 dB提升到4.30 dB。

图6  增益方向图

3  结  语

本文设计了一种新型的正弦蝶形微带天线，通过“工”字型缝隙激励起了5个谐振频点，在不改变天线整体尺寸的情况下，正弦边结构将这些谐振频点调节到5个雷达波段：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）。通过实验对比分析可知，馈电端口处加载的枝节可以有效改善谐振频点的阻抗匹配度，半封闭“U”型腔体结构可以有效提高天线的增益，其中C波段的增益变化最为明显，由0.71 dB可提升到4.30 dB。最大增益值在K波段可达6.731 3 dB。该正弦蝶形微带天线可应用于探地雷达及其他宽带通信领域。

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