基于分齿蝶形的超宽带天线设计

2011-04-15 11:09:20来源: 互联网
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。

关键字:宽带  天线  设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0415/article_7006.html
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