摘 ?要： 微帶天線工作頻帶較窄，若能同時激勵多個諧振點，可以變相拓展帶寬，因此設計一種多頻蝶形微帶天線。3塊介質基板構成“U”型半封閉腔體，天線的輻射臂采用[14]周期正弦輪廓結構，在輻射臂上開取3對“工”字型縫隙，同時在饋電端口處加載枝節(jié)。實驗結果表明，蝶形微帶天線在5個雷達波段（S，C，X，Ku，K）各有1個諧振頻點，分別為2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz。通過對比分析可知：在不改變天線整體尺寸的情況下，正弦邊結構可調節(jié)諧振頻點位置;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。

關鍵詞： 蝶形天線; 諧振頻點調節(jié); “U”型腔體設計; 回波損耗; 對比分析; 雷達波段

中圖分類號： TN821+.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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，廣泛應用于雷達等軍事領域和射頻識別等民用通信領域。目前關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行調節(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;采用微帶準八木天線陣列[2]，其頻帶范圍限于S波段，最大增益達到10 dBi;通過雙蟻群算法對微帶天線進行開窗設計[3]，以及由雙G型和U型陷波結構設計的低剖面天線[4]能夠覆蓋3個頻段，增益可達4 dB左右;關于蝶形天線實現(xiàn)寬帶的研究文獻也不少，例如，通過加載環(huán)縫高次模[5]能夠覆蓋2個頻段，對應的增益分別為2.9 dB和7.2 dB;改變末端集中加載的屏蔽型探地雷達蝶形天線的張角可調節(jié)帶寬[6];應用于超寬帶探地雷達系統(tǒng)的蝶形天線采用吸波材料填充式背腔結構[7]，實現(xiàn)了中心頻率為400 MHz的超寬帶;采用人工磁導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。

本文對傳統(tǒng)的蝶形微帶天線結構進行了改進，其整體結構為“U”型半封閉腔體形式，天線的正弦形輻射臂上開取了3對“工”字型縫隙，其主要目的是延長電流流經(jīng)的電長度，同時改變電荷的分布結構，激勵起多個諧振頻點。仿真實驗結果表明：天線在2～18.6 GHz頻帶范圍內共產生5個諧振頻點（2.6 GHz，6.8 GHz，11.7 GHz，16.5 GHz，18.45 GHz）;天線在各個諧振頻點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的偶極子，其原始結構是在中心饋電點的兩邊分布對稱的一對三角形輻射臂，這種平衡結構也要求平衡饋電，能實現(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“U”型腔體結構，它是由3塊FR4介質基板合圍而成，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)是同軸饋電的內芯。左右兩邊“翅膀”狀輻射面的外圍輪廓包含4條相互對稱的曲線，這4條曲線被設計成[14]周期正弦曲線;3對尺寸漸增式的“工”字型結構是開挖的縫隙。

圖1 ?正弦蝶形天線結構

由于蝶形天線是由偶極子天線演變而來，那么尺寸的計算方法也可以大致參考偶極子天線的[14]波長計算方法[10]。該正弦蝶形天線選取厚度為2 mm的FR4介質基板，其相對介電常數(shù)為4.4。天線擬覆蓋的雷達波段為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頻點對應的工作波長約為150 mm，那么蝶形天線的半臂為[14]波長，即約為38 mm。這個計算尺寸存在誤差的主要原因有：天線輻射臂大致呈錐狀，并非標準偶極子結構;其次是FR4介質板的存在，信號傳播會產生折射（其中介質板厚度會影響折射率），其對應的工作波長也會相應變化。所以最后要在這個計算尺寸的基礎上利用Ansoft HFSS軟件的參數(shù)優(yōu)化功能進行尺寸校正。

2 ?正弦蝶形天線的新型結構分析

本文在采用Ansoft HFSS軟件進行仿真實驗對比分析時，軟件的參數(shù)設置為：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個波段，故進行分段掃頻;自適應網(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]平面坐標系下，根據(jù)各點坐標可知，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”字型縫隙結構及其尺寸在后文敘述。

圖2 ?輻射臂的單邊結構

現(xiàn)在討論圖2中[BC]，[DA]這兩個關于[y]軸對稱的邊結構，一種情況是如圖2所示的正弦狀結構，以線段[DA]為例，從點[A（-3，-4）]開始，正弦線段各點坐標[（x，y）]取值為[y=53.4?sin（x20）]，[x]從-3～-31.4均勻取30個離散值，將線段[DA]圍繞[y]軸對折就是線段[BC]。另一種情況是以線段[BC]，[DA]為直邊，即線段[AB]，[BC]，[CD]，[DA]構成1個等腰梯形輻射面。以上兩種邊結構構成的天線對應的回波損耗曲線[S11]如圖3所示。

圖3中的虛線是正弦邊天線對應的回波損耗曲線，實線是梯形直邊天線對應的回波損耗曲線。可以看出：這兩種邊結構構成的天線有4個相似的諧振頻點：[m1]（2.6 GHz），[m3]（11.7 GHz），[m4]（16.5 GHz），[m5]（18.45 GHz），對應的波段是S，X，Ku，K波段。不同的諧振頻點在于C波段（4～8 GHz），正弦邊天線在該波段有6.8 GHz這個諧振點，而梯形直邊天線在該波段沒有諧振點（回波損耗[S11]超過了10 dB），諧振點[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種結構的差異性，導致電長度不一樣，諧振頻點的分布自然會不同。

圖3 ?兩種邊結構對應的回波損耗

2.2 ?“工”字型縫隙的多頻激勵

要讓天線產生多個諧振頻點，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要相應地周期性變化多次。在圖2中看出天線的輻射臂上開取了3對尺寸漸增的“工”字型縫隙，改變電流流經(jīng)路徑，調節(jié)電荷分布區(qū)間，從而激勵起多次模。圖4中的虛線是其對應的回波損耗曲線，可看出在2.00～19.00 GHz范圍內共有5個諧振頻點;實線是天線只有1對“工”字型縫隙所對應的回波損耗曲線，可看出只在9.50～19.00 GHz范圍內有3個諧振頻點。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（以下簡稱“x縫”），垂直于[x]軸的有3條縫隙（以下簡稱“y縫”），這9條縫隙均關于[y]軸對稱。最短“x縫”的長度是[W3=]11.28 mm，其他5條“x縫”的長度沿著[y]軸負方向逐級遞增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 ?不同縫隙對應的回波損耗曲線

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，其內芯射頻端口阻抗設計為50 Ω。加載的這個枝節(jié)就是用于調節(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頻帶為例進行阻抗匹配分析，圖5是加載了枝節(jié)對應的歸一化阻抗曲線，3個匹配點[m1]（11.7 GHz）、[m2]（16.5 GHz）和[m3]（18.45 GHz）之間的頻差相對較大，各個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，3個雷達波段各有1個頻點實現(xiàn)了良好的阻抗匹配度。其實，阻抗匹配的越好，頻點的回波損耗越小，圖5中最接近于理想化匹配點1.0+0.0i的是點[m2]（16.5 GHz），其對應的回波損耗值也應該是最小的，此結論可得到佐證。從圖3能看出諧振點16.5 GHz的回波損耗值為-29.399 2 dB，該損耗值在各個諧振點中是最小的。

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備的有效識別距離，如果采用天線陣列結構[2]，雖然可以提高增益，但是其體積較大，制作的成本和復雜度相應增加。

本文將天線設計成半封閉“U”型腔體結構（圖1中左右兩塊直立的介質基板高10 mm），使得輻射的電磁波能量相對集中于某一空間范圍，有利于提高增益值。將“U”型腔體結構與非“U”型腔體結構各自對應的增益方向圖進行比較，結果如圖6所示。圖6中列出了具有代表性的4個諧振頻點所對應的增益方向圖，實線是“U”型腔體結構所對應的增益方向圖，虛線是非“U”型腔體結構所對應的增益方向圖?！癠”型與非“U”型兩種天線結構對應的增益方向圖都有H面（Phi=0°）和E面（Phi=90°），這里選取各自增益最高的1個面進行對比。

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

圖6 ?增益方向圖

3 ?結 ?語

本文設計了一種新型的正弦蝶形微帶天線，通過“工”字型縫隙激勵起了5個諧振頻點，在不改變天線整體尺寸的情況下，正弦邊結構將這些諧振頻點調節(jié)到5個雷達波段：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）。通過實驗對比分析可知，饋電端口處加載的枝節(jié)可以有效改善諧振頻點的阻抗匹配度，半封閉“U”型腔體結構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6.731 3 dB。該正弦蝶形微帶天線可應用于探地雷達及其他寬帶通信領域。

參考文獻

[1] 藺占中，孫良.一種新型高增益寬頻帶微帶天線[J].河北省科學院學報，2017，34（1）：40?43.

LIN Zhanzhong， SUN Liang. A novel high gain and wideband microstrip antenna [J]. Journal of the Hebei Academy of Scien?ces， 2017， 34（1）： 40? 43.

[2] 李玄玄，劉貴亞，張宇，等.S波段寬帶高增益微帶準八木天線陣列設計[J].無線電通信技術，2017，43（2）：64?66.

LI Xuanxuan， LIU Guiya， ZHANG Yu， et al. Design on S?band wideband high?gain microstrip quasi?yagi antenna array [J]. Radio communications technology， 2017， 43（2）： 64?66.

[3] 柯騰龍，趙小瑩，丁憶涵，等.基于蟻群算法設計的多頻微帶天線[J].微波學報，2013，29（1）：46?50.

KE Tenglong， ZHAO Xiaoying， DING Yihan， et al. Design of multiband microstrip antennas by using ant colony algorithm [J]. Journal of microwaves， 2013， 29（1）： 46?50.

[4] 楊克榮，楊明武，張青春，等.新型低剖面三頻微帶天線設計[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2017，40（1）：63?66.

YANG Kerong， YANG Mingwu， ZHANG Qingchun， et al. Design of novel low?profile microstrip antenna with tri?band [J]. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science）， 2017， 40（1）： 63?66.

[5] 張祖存，鄧小喬，吳素云.一種基于環(huán)縫高次模的雙頻段大頻差天線[J].微波學報，2016，32（4）：6?9.

ZHANG Zucun， DENG Xiaoqiao， WU Suyun. A novel dual?band antenna operating at two very different frequencies based on high?order mode of ring slots [J]. Journal of microwaves， 2016， 32（4）： 6?9.

[6] 郭士禮，王雯璐，范永亮，等.商用探地雷達蝶形天線三維數(shù)值模擬[J].工程地球物理學報，2015，12（3）：406?413.

GUO Shili， WANG Wenlu， FAN Yongliang， et al. Three dimensional numerical simulation of commercial ground penetra?ting radar bow?ties antenna [J]. Chinese journal of engineering geophysics， 2015， 12（3）： 406?413.

[7] 郭晨，劉策，張安學.探地雷達超寬帶背腔蝶形天線設計與實現(xiàn)[J].電波科學學報，2010，25（2）：221?226.

GUO Chen， LIU Ce， ZHANG Anxue. Design and implement of an UWB bow?tie antenna with back?cavity for ground penetrating radar [J]. Chinese journal of radio science， 2010， 25（2）： 221?226.

[8] 楊奮華，湯煒.一種新型的高增益低剖面天線[J].通信技術，2013，46（1）：29?31.

YANG Fenhua， TANG Wei. A novel low?profile high?gain antenna [J]. Communications technology， 2013， 46（1）： 29?31.

[9] 宋立眾，方慶園，聶玉明，等.異面帶狀線饋電的寬帶雙極化蝶形天線[J].強激光與粒子束，2014，26（2）：1?7.

SONG Lizhong， FANG Qingyuan， NIE Yuming， et al. Non?coplanar strip line?fed wideband dual polarized bowtie antenna [J]. High power laser and particle beams， 2014， 26（2）： 1?7.

[10] 李勇，鄒傳云，姚捃，等.應用于無芯片電子標簽的雙頻天線[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2014，26（4）：455?459.

LI Yong， ZOU Chuanyun， YAO Jun， et al. Dual?band antenna applied in chip?free RFID [J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications （Natural Science Edition）， 2014， 26（4）： 455?459.