（无线电物理专业论文）新型平面槽天线的宽带化研究.pdf

摘要 摘要 天线是任何无线电系统必不可少的组件。随着电子器件朝着小型化、微型化 的方向发展，以及扩频、跳频技术的应用，对天线的宽带化和小型化也提出了越 来越高的要求。超宽带天线与常规的窄带天线在辐射原理上并没有本质的区别。 超宽带天线是在常规的窄带天线的基础上发展起来的，其主要研究内容是探索频 带宽度极大地扩展之后给天线带来的新理论、新技术和新方法。本文主要研究的 内容是平面槽天线的宽带化问题。文中提出了三种与主题相关的天线形式，并采 用理论分析、数值仿真和实验验证的方式对它们进行了研究。 第一种天线是变形的平面蝴蝶结槽天线。我们将蝴蝶结槽天线的两个槽用环 形槽连接，在尖锐的槽角进行倒角。通过这些方法，蝴蝶结槽天线的阻抗带宽可 以达到8 1 5 ，工作频率为5 1 8 一- 1 2 3 1 g h z 。同时，相对于普通的蝴蝶结槽天线， 这种天线的方向图随频率的变化也更加稳定。 第二种天线是在第一种天线的变形方法上继续进行改进得来的，我们在扇形 的金属辐射面上加入了一些对称的环形槽，但第二种天线的某些部分的尺寸与第 一种天线不同。通过这些方法，这种变形的蝴蝶结槽天线以1 0 d b 回波损耗为标准 的阻抗带宽为5 7 6 ，工作频率为6 8 g h z 到1 2 3 g h z 。 第三种天线是一种新型的宽槽天线。通过在天线与馈线的连接处倒圆角，并 在馈线上加入渐变段，使得这种宽槽天线的带宽进一步加宽，工作频率3 - 2 0 g h z ， 阻抗带宽1 4 8 。测试结果与仿真结果吻合程度较好。 本文的研究结果表明，平面槽天线是一种比较适合宽频带工作的天线。它们 都可以通过优化天线的几何尺寸来达到较大的带宽。 关键词：超宽带天线，平面天线，蝴蝶结槽天线，共面波导馈电，扩展带宽 a b s t r a c t a b s t r a c t a n t e n n a sa r et h en e c e s s a r yc o m p o n e n t si nt h em o d e mw i r e l e s ss y s t e m s t h e m i n i a t u r ea n dw i d eb a n do ft h ea n t e n n a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt h a nb e f o r e a st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e r ea r en o ta n yd i f f e r e n c e si nt h e r a d i a t i o nt h e o r i e sb e t w e e nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n aa n dt h eo r d i n a r yn a r r o wb a n d o n e ，b u tt h ef o r m e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h el a t t e r ，n l em a i nc o n t e n to ft h es u b j e c to n t h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n ai st oe x p l o r et h en o v e lt h e o r i e s ，t e c h n i q u e s ，a n dm e t h o d st o r e s e a r c ht h e mi nv e r yb r o a db a n d t l l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h eu l t r a - w i d e b a n dp l a n a rs l o ta n t e n n a s t h r e en o v e lp l a n a rs l o ta n t e n n a sa r ep r o p o s e d m a n y t e c h n o l o g i e so ft h e ma r ed i s c u s s e di nt h e o r y , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef i r s tn o v e lp l a n a rs l o ta n t e n n ai sm o d i f i e df r o mac o n v e n t i o n a lb o w t i es l o t a n t e n n a c o n n e c t i n gt h et w ob o w - t i es l o t sw i t ha na n n u l a rs l o ta n da d d i n gr o u n d c o m e r st ot h em o d i f i e ds l o t ，w eg a i na10 d br e t u r nl o s sb a n d w i d t ho f81 5 ，f r o m5 18 t 012 31g h z m o r e o v e r , t h er a d i a t i o np a t t e r no ft h ep r o p o s e da n t e n n ag e t sm o r es t a b l e a n di t sm a i nb e a mi sk e p ta l m o s tu n c h a n g e da st h ef r e q u e n c i e si n e a s e t h es e c o n dn e wp l a n a rs l o ta n t e n n ai sm o d i f i e do nt h eb a s i so ft h ef i r s ta n t e n n a w ei n t r o d u c es o m ea n n u l a rs l o t st ot h em e n t a ls t u b ，w h i c hs i z ei sd i f f e r e n tf r o mt h e f o r m e ra n t e n n a b yt h e s em e a n s ，w eg a i na10 d br e t u r nl o s sb a n d w i d t ho f5 7 6 ，f r o m 6 8t 01 2 3g h z 1 1 1 et h i r da n t e n n ai sap l a n a rw i d es l o ta n t e n n a w ei n t r o d u c et w or o u n dc o m e r st o t h es q u a r es l o t ，a n da d dag r a d u a lc h a n g e dp a r tt ot h ef e e dl i n e b yt h e s em e a n s ，t h e 10 d br e t u r n1 0 s sb a n d w i d t hr e a c h e s14 8 ，f r o m3t o2 0 g h z a n dt h em e a s u r e dd a t a a g r e ew e l l 谢mt h es i m u l a t e do n e s i ti sc o n c l u d e df r o mt h er e s u l t so ft h i st h e s i st h a t ，p l a n a rs l o ta n t e n n a sa r ef i tf o r b r o a d b a n dw o r k i n g a n dm o s to ft h e s ea n t e n n a sc a i lb ew o r k e do u tb yo p t i m i z i n gt h e i r g e o m e t r yp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n da n t e n n a , p l a n a ra n t e n n a , b o w - t i es l o ta n t e n n a , c o p l a n a r w a v e g u i d ef e d ，b r o a d e nb a n d w i d t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：加7 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：摩础 日期：叩年月歹日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 “天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要 素 【l 】。天线是无线通信、广播电视、导航等工程系统中辐射或接收无线电波的部 件。它的作用是将发射机送来的高频电流( 或导波) 变换为无线电波并传送到空间； 将空间传来的无线电波转变为接收机能够传送的高频电流。因此，天线是导波和 辐射波的变换装置，即能量转换器件。它是电路与空间的界面器件。 多年来，随着军事应用的要求和无线通信业务的发展，数字、基带电路模块， 甚至是射频模块也已经成功地实现了微型化、芯片化的设计和生产。正是无线通 信模块的小型化、微型化的发展，使得天线作为无线通信中最笨重的部件凸显出 来。人们不但要求天线小型化，而且要效率高、频带宽、内置化、智能化，这已 经成为未来天线发展的趋势。平面天线以其低轮廓、一维小型化及易集成的特点 满足了现代无线通信系统发展的趋势和要求，因此得到了广泛的应用。已应用平 面天线的系统如：卫星通信、雷达、遥感、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信、 飞机高度表、环境检测仪表、医用微波辐射计等，其频率范围大约为i o o m h z i o o g h z 的宽广频域上。 与此同时，随着人们对通信系统带宽的要求越来越宽，宽带化也逐渐成为了 研究的热点。从1 8 8 9 年至今的一百多年里，有大量的超宽带天线研究成果发表， 最早的超宽带天线是双锥天线和蝴蝶结天线( 1 8 9 8 ) ，后来又研究了包括t e m 喇 叭天线、对数周期天线、螺旋天线、v 一锥天线等各种类型的超宽带天线。 虽然这 些超宽带天线在实际工程中广泛应用，但他们的自身结构具有很多的限制，如尺 寸过大、结构复杂、安装不便等等。在这种情况下，人们越来越倾向于使用尺寸 更小、加工和安装更方便的新型超宽带平面天线。 近年来，多年的努力带来了多种新型的超宽带平面天线及多种增加天线带宽 的方法。新型的超宽带平面天线主要包括由v 锥天线发展而来的蝴蝶结天线及其 多种变形，用于不同目的的各种槽天线，近年来发展起来的宽槽天线等等，这些 天线比早期的宽带天线不但在阻抗带宽上大大提高，而且天线方向图的稳定性也 有不同程度的改善。在超宽带技术方面，除原有的加载方法、加袖技术和折合方 电子科技大学硕士学位论文 法等单纯的方法外，目前还发展了多种技术结合的增加天线带宽的方法以及基于 计算机技术的优化方法，取得了很好的性能【2 1 。 1 2 国内外对平面槽天线宽带化的研究 1 2 1 渐变槽天线 j q b s o n 【3 】提出了一种新型天线渐变式槽天线，也称为维瓦尔第( v i v a l d i ) 天线( 如图1 1 所示) 。作为槽天线的一种，它是在介质基片上覆两片金属板构成 的，槽线按指数式张开而成。p r a s a d 和m a h a p a t r a t i 4 】提出了一种采用直线式张开的 线性渐变式槽天线( l t s a l i n e a r l y t a p e r e ds l o t a n t e n n a ) ，基片为2 5 m i l 厚的鸽q ， 他们制出的天线长度比较短，三九；y n g v e s s o n 5 】等提出了另一种在口径部分采 用固定宽度，称为固定宽度槽天线( c w s a c o n s t a n tw i d t hs l o ta n t e n n a ) ，并给出 了有关实验曲线。在一个很宽的频段内具有很好的阻抗带宽，而且辐射方向图在 工作频段内并没有太大的变化。其优异的性能对于未来无线通信系统应用来说是 一个很好的选择。由于渐变槽天线并不是我们研究的重点，故在此只对它进行简 要的介绍。 图1 1 三种不同类型的渐变槽天线 1 2 2 蝴蝶结槽天线的发展过程 蝴蝶结天线是由双锥或v 锥天线发展而来的，是由此演变来的平面化结构。 它继承了双锥或v 锥天线的诸多优点，如稳定的极化、无高频截止的带宽等等。 对于传统的蝶形天线来说，如图卜2 所示，它的电流沿金属面径向分布，所以如 果将金属面改为若干条金属棒，在馈电点处并联呈平面扇状，则可以具有同样的 2 第一章绪论 电流分布及辐射特性。蝶形天线具有恒定阻抗，具有宽频带特性，特别是当张角 为9 0 。时，它属于自补天线。自补的金属平板天线的金属面积恰好可填补其敞开 的面积。自补天线在所有的频率上都有恒定阻抗z o 2 ，即空间本征阻抗之半。但 由于它是由金属板制成，重量比较重，体积也不够小，很难实现现代科技所要求 的特点。采用微带天线、槽天线等形式就可以克服这些问题。下面将主要介绍蝴 蝶结形平面天线的发展状况。 图1 2 蝴蝶结天线结构 1 9 9 4 年，文献【6 】中报道的电阻加载的蝴蝶结天线用作脉冲天线的例子便是基 于蝴蝶结天线的超宽带特性。如图1 3 所示，为得到约5 0 q 的输入电阻，文中的 蝴蝶结天线的扇面角取1 5 8 。，天线用5 0 q 的同轴线馈电。 1 9 9 8 年，文献【7 】中采用由微带经名4 阻抗变换器对蝴蝶结天线馈电，如图1 4 所示。实际测试得到v s w r i 5 - 1 的带宽为1 9 ，v s w r 2 0 - 1 的带宽为4 0 ， 但2 , 4 阻抗变换器的带宽大大限制了天线最终的带宽。 图1 3 文献【6 1 中报道的电阻加载蝴蝶结天线 用作脉冲天线 3 0 图1 4 文献 7 】中c p w 馈电蝴蝶结天线 电子科技大学硕士学位论文 图1 5 文献 8 】中c p w 馈电的蝴蝶结形槽天线图1 - 6 文献【9 】中用于探地雷达的蝴蝶结天线 1 9 9 9 年，文献【8 l 中给出了蝴蝶结天线用于集成电路天线的一个例子，如图1 5 所示。这种由c p w 馈电的蝴蝶结形槽天线在阻抗带宽方面并没有特别的优越性， v s w r 2 的阻抗带宽为3 4 6 ，和文献 7 】中报道的蝴蝶结天线相比没有明显改善， 可见共面波导馈电并不能充分发挥出理想蝴蝶结天线的最佳性能。 2 0 0 2 年，如图1 6 所示，文献【9 】中报道的蝴蝶结天线用于探地雷达，且对不 同张角的三角形蝴蝶结天线和圆弧形蝴蝶结天线的阻抗特性进行了深入的研究。 这是对蝴蝶结天线本身阻抗特性进行比较深入研究的一个详细报道。 图1 7 文献【1 0 1 共面波导馈电蝴蝶结槽天线图1 8 文献共面波导馈电蝴蝶结槽天线 基于蝴蝶结天线本身的优点，对蝴蝶结形槽天线的研究在2 0 0 4 年有不少报 道，其中典型的有文献和文献【1 1 1 。如图1 7 、1 8 所示，二者均采用共面波导馈 电，得到的阻抗带宽相对于1 9 9 9 年的文献【8 1 有很大改善，前者1 0 d b ( 9 d b ) 反射 4 第一章绪论 损耗的阻抗带宽4 0 ( 8 7 ) ，后者的1 0 d b 反射损耗的阻抗带宽8 8 。但明显地， 共面波导的馈电方法并没有发挥出蝴蝶结天线无高频截止的阻抗带宽特性。 2 0 0 5 年，文献【1 2 】中共面波导馈电的蝴蝶结形槽天线由图1 - 9 ( a ) 中的双频带 ( 1 0 d b 反射损耗阻抗带宽2 5 4 - - 6 3 5 g h z 、8 6 4 - - 一1 0 6 5 g h z ) 附加一个小的相似 的蝴蝶结形槽得到图1 - 9 ( b ) 中的天线，附属的小槽天线通过磁耦合影响共面波 导和天线的匹配，得到1 0 d b 反射损耗阻抗带宽1 2 3 ，工作频带2 4 7 - - 1 0 4 1 g h z ， 这对蝴蝶结形槽天线的性能是一个很大的提高。 图1 - 9 文酬1 2 1 中共面波导馈电蝴蝶结形槽天线 1 2 3 宽槽天线的发展过程 ( b ) 槽天线的研究初始阶段主要是普通的窄槽天线( s l o ta n t e n n a ) ，宽槽天线的研 究开始于上个世纪9 0 年代中期。对于宽槽天线来说，槽越大越有利于增加天线的 阻抗带宽。目前，对于宽槽天线的研究， 枝节，通过调整调谐枝节在槽内的位置， 抗带宽。 人们大部分是采用在槽内加入宽带调谐 及调谐枝节的尺寸大小来增加天线的阻 宽槽天线的研究始于上个世纪9 0 年代中期。如图1 1 0 所示，1 9 9 8 年文献【1 3 】 中反射损耗小于1 0 d b 的阻抗带宽5 0 ，交叉极化电平2 0 d b 。 2 0 0 0 年文献【1 4 】中反射损耗小于1 0 d b 阻抗带宽5 8 。文中仔细研究了如图 1 1 1 中所示的槽的大小对天线阻抗带宽的影响，得到槽越大越有利于增加带宽的 结论。从此，宽槽天线受到广泛关注。 2 0 0 0 年，如图1 1 2 所示，在文献【”】中该天线使用微带十字结构的馈电形式， 反射损耗小于1 0 d b 阻抗带宽9 8 5 9 ( 1 7 6 5 - - 4 9 1 2 g h z ) ，但是文中只给出了一 电子科技大学硕士学位论文 个频点的方向图，没有明确说明方向图的畸变。 m i e m s t r t pf e e dl i n e 图1 1 0 文献 1 3 】报道的宽槽天线 图1 - 11 文献报道的宽槽天线 图1 1 2 文献【1 5 】报道的微带馈电的宽槽天线 2 0 0 1 年，文献 1 6 中的宽槽天线如图1 1 3 ( a ) 所示，采用叉形结构的馈电形 式，选取驻波小于1 5 的带宽为研究对象，并和图1 1 3 ( b ) 做了比较，得到阻抗 带宽5 0 ，1 0 倍于图1 1 3 ( b ) 所示的天线。文中讨论了稳定的方向图带宽约是 所示天线的5 倍。 2 0 0 2 年，如图1 1 4 所示，文献中的宽槽天线继承了文献 1 6 】中的馈电结构， 并在槽的结构上做了改进。文中仔细分析了倒角的半径对天线阻抗带宽的影响， 得到1 0 d b 回波损失带宽1 1 9 ，同时也给出了倒角方法可以改善平面天线性能的 一个很好的实例。 2 0 0 3 年文献 1 8 】中采用共面波导馈电，如图1 1 5 所示，为了得到更好的阻抗 带宽，在槽的四个角上增加了四个小枝节，文中仔细研究了高频下天线方向图的 畸变并分析畸变的原因，最后得到回波损失大于1 0 d b 阻抗带宽6 0 ，这一结果对 共面波导馈电的宽槽天线来说相当好。 第一章绪论 图1 1 3 文献1 6 峙艮道的宽槽天线 e “一 恨哟固i 靴 l i 悻 掣 k 搴， 翁黼燮一 i _ _ ”i 嘲目撒玳船 稻蒯酾 图l 。1 4 文献1 7 峙艮道的宽槽天线 露露磊添磊蚕露荔磊荔囊露蠹蚕 图1 1 5 文献1 8 峙艮道的宽槽天线图1 1 6 文献1 9 】丰艮道的宽槽天线 2 0 0 3 年，文献文中采用共面波导馈电，如图1 1 6 所示，槽和位于槽内的 调谐枝节均为方形。文中指出馈电线和天线的匹配严格依赖于调谐枝节在槽内的 电子科技大学硕士学位论文 位置，天线的阻抗带宽主要由调谐枝节的长度和宽度决定，并对这两个量进行了 深入的讨论。文中给出了天线面上的电流和槽内电场，指出天线面上的水平方向 电流和槽内电场的水平分量主要贡献于天线的交叉极化分量，它们的垂直极化分 量主要贡献于天线的主极化分量，最后得到大于1 0 d b 回波损失阻抗带宽6 0 。 同年，文献【2 0 】采用共面波导馈电，如图1 1 7 所示，通过在馈线上加电磁带隙 结构( e b g ) ，得到大于1 0 d b 回波损失阻抗带宽7 0 ( 图1 1 7 ( a ) ) 和6 0 ( 图 1 1 7 ( b ) 。 2 0 0 4 年，文献【2 l 】中二者均采用微带馈电，如图1 1 8 所示，得到大于1 0 d b 回 波损失阻抗带宽1 2 0 ( 图1 1 8 ( a ) 1 1 0 ( 图1 1 8 ( b ) 。但图( a ) 所示 天线的方向图不如图( b ) 的方向图稳定。 下w ， 厂t 丽焉6 烹_ _ 一= 墨4 玉、i ：h 叫i ，m 椭fx 4 1 孽。x 厂了两篇6 m _ m _ 。_ 苫嚣4 4 矗xlh m l= 1 移一 ( b ) 图1 1 7 文献【2 0 报道的宽槽天线 图1 1 8 文献【2 1 】报道的宽槽天线 卜列。州n t b ) 一犁t栅|上 ，；扣。 阁 段一 岷一 产 刊誊誊黔嚣 第一章绪论 2 0 0 5 年，文献 2 2 1 采用共面波导馈电，如图1 1 9 所示，它在方形槽天线里面 加入叉形的调谐枝节，采用2 m i l 厚的极薄的泡沫介质，s 1 1 _ 銮 否是 得到各参数和场分布结果 图2 - 6a n s o f th f s s 的自适应迭代算法 第二章平面槽天线与宽频带天线的相关理论 对于文中每个天线的仿真模型的最优结果，都在基于有限积分技术( f i t ) 的 c s tm i c r o w a v es t u d i o ( c s ts d ) 软件中重新建模进行了验证，并对每种天线 都制作了实物模型进行测试，结果表明通过数值方法对天线进行建模分析是一种 十分方便有效的方法。 电子科技大学硕士学位论文 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 本章主要介绍了两种新型的蝴蝶结槽天线，它们都是对普通的蝴蝶结槽天线 改进得到的。它们具有很宽的阻抗带宽、低剖面结构及较稳定的方向图等特点。 得到的新型天线的电性能证明了它们在宽频带天线领域的应用价值。 3 1 蝴蝶结槽天线的改进方法 ( a ) y x ( c ) 图3 - 1 ( a ) 普通的蝴蝶结形槽天线；( b ) 将( a ) 中蝴蝶结形槽天线的两个槽连接起来形成的天 线；( c ) 新型的宽带槽天线( l = 1 2 0 m m ，w = 1 0 0 m m ，r = 6 m m ，r l = 3 5 m m ，r 2 = 1 5 m m ，r 3 = l m m , a = b = 9 0 0 ，h = 0 8 m m ，尸4 4 ) 首先，我们来看一个普通的共面波导馈电的蝴蝶结槽天线，如图3 1 ( a ) 所 示。我们在蝴蝶结槽天线与共面波导馈线连接处做了一个小倒角r 3 ，用以减小连 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 接处的反射。将图3 1 ( a ) 天线的两个扇形槽用一个圆弧状的环形槽连接起来， 它的外半径是r 1 ，内半径为r ，形成图3 1 ( b ) 天线。同时我们在蝶形槽的两个 尖角a 、b 上做倒角，倒角半径为r 2 。这样就在蝶形槽中形成了一个扇形的金属 辐射区。此扇形辐射面的半径即为r 。图3 1 中三个天线具有相同的外形尺寸及馈 电线大小，只是做了改善的部位尺寸有所不同。 天线参数如图3 1 ( c ) 所示。其中l = 1 2 0 r a m ，w = 1 0 0 m m ，r = 6 m m ，r 1 = 3 5 r a m ，r 2 = 1 5 r a m ，r 3 = l m m ，a = 9 0 0 ，b = 9 0 0 。共面波导中心金属带宽g = 3 m m ，金属带两侧槽宽s = 0 3 m m ，特性阻抗为5 0 q 。天线整体为一对称结构，除 此之外，该天线使用的介质材料为f r 4 ，厚度h = 0 8 m m ，相对介电常数为4 4 。 该种材料价格低廉，性能较稳定，在很多微波电路和印制版天线中大量使用。在 这里，我们使用5 0 q 的同轴馈线通过一个s m a 阴性连接器对天线进行馈电。 由图3 1 ( c ) 可以看出，天线以y z 面左右对称，电场在此面上只有平行于 y z 面的分量，故为磁壁。在使用有限元技术的电磁场仿真软件h f s s 进行模型仿 真的过程中，我们可以利用天线的磁壁设置对称面，从而只需要计算1 2 区域，大 大节约计算量，降低计算时间及计算机所耗资源。 上文我们已经说到，槽天线和它的互补天线具有相同的辐射特性和频带特性， 所以槽天线可以从它的互补天线来分析它的性能，这里我们就采用这种方式来分 析此种槽天线的两种工作模式。图3 1 ( b ) 的输入阻抗与频率的关系如图3 2 所示， 其互补天线如图3 3 所示。互补天线相当于将蝴蝶结天线的两臂做了一次折合。互 补天线的主要工作模式有两种，一种是环天线的工作模式，对应于槽天线阻抗特 性图3 2 所示的频率硒；另一种则是类似于蝴蝶结天线的工作模式，对应于槽天 线阻抗特性图3 2 所示的频率。 互补天线在第一种工作模式下，天线的直径加上折合臂的长度约等于工作波 长，天线在此频率下呈现出强烈的谐振特性，此时天线可以近似等效成一个环天 线。 在第二种工作模式下，因互补天线的上下对称面为电壁，故在天线折合臂的 中点即折合臂和电壁的交点上电流始终处于最大值。可以想象，如果天线折合臂 的长度为力2 时，折合臂和天线扇形部分的两个连接点c 、d 处于电流的开路点， 此时，天线在硒处谐振，此时天线就可以看成时一个无折合臂的蝴蝶结天线，它 的谐振点与蝴蝶结天线的谐振点基本相同。 对图3 1 ( b ) 中的a 、b 两个尖锐的槽角倒角，仅减小了天线表面电流的反 射，改善了天线的驻波特性，其谐振频率点大体不变。 电子科技大学硕士学位论文 图3 2 图3 1 ( b ) 所示天线的输入阻抗 图3 3 图3 1 ( b ) 槽天线的互补天线 对比图3 1 所示的三种天线的s 参数，如图3 4 所示。从图中我们可以看出， 将蝴蝶结形槽天线的两个槽用环形槽连接后，以s l l 1 0 d b 为标准的阻抗带宽的 低端频率有所上升，从而使得低端的两个谐振点相互靠近，降低了两谐振点间的 峰值部分。同时，这种改进还使这两个谐振点的谐振深度加深。产生这种变化的 原因是，在图3 1 ( a ) 天线的最低的谐振频率处，图3 1 ( b ) 所示天线的互补天 线折合臂的长度为五，从上面的分析可知，图3 3 天线的折合臂和扇形部分的两个 连接点c 、d 处于电流的短路点，并非开路点，所以在这一谐振频率处，图3 1 ( b ) 天线不能产生谐振，故从图3 4 中看到的结果就是阻抗带宽的低端频率有所上升。 对图3 1 ( b ) 天线a 、b 两个尖锐顶点倒角，使得各谐振点之间的距离更加靠近， 2 6 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 且反射系数曲线的峰值部分的反射系数进一步降低，从5 1 8 g h z 到1 2 1 3 g h z 的 s l l 均降低到1 0 d b 以下，相互连通成为一较宽的频带，得到了8 1 5 的阻抗阻抗 带宽。 一5 0 q 弋) 1 、- ( ，) 1 0 - 1 5 图3 - 4 图3 1 所示三种天线的回波损耗 蕊 。i l l ；| i ：譬f i 、v i _ ，i il 三三雷飘 餐艨一 24681 01 21 4 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 - 5 参数r 变化对s 参数的影响 在接下来的讨论中，我们将主要研究如下几个参数。首先是槽中的扇形金属 辐射面的半径r 。基于仿真结果，我们在图3 5 中画出了半径r 的变化对于天线s 参数的影响。从图中可以看出，半径r 的变化对天线的回波损失影响非常大，当我 们逐渐将r 的数值从1 2 m m 减小到6 m m 时，以s l l 1 0 d b 定义的天线的阻抗带宽 电子科技大学硕士学位论文 逐渐增加。天线的槽越宽，那么阻抗带宽也就越宽。这也印证了文献【4 5 】中的结论。 然而，过宽的槽会导致天线方向图的畸变。 田 弋) 1 c ，) 弋3 、 弋一 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 - 6 参数i 匕变化对s 参数的影响 f r e q u e n c y ( gh z ) 图3 7 图3 - 1 ( c ) 所示天线反射系数的测试值与仿真值比较 我们研究的另外一个参数就是槽尖角处的倒角半径r 2 。基于仿真结果，我们 在图3 - 6 中画出了半径r 2 的变化对天线s 参数的影响。r 2 从1 5 m m 逐渐减小到 9 r a m 。在这里，1 5 m m 是我们对此角所能做出的最大倒角半径。从图中我们可以发 现，s n 1 0 d b 阻抗带宽定义的低端频率f l 几乎都在相同的频率点上，但高端频 率f h 却有明显增大的趋势。i 也越小，槽的尖角也就越尖锐，那么此处的反射电流 也就越强，同时s l l 1 0 d b 的阻抗带宽也就变得越窄。这也就说明了，如果我们 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 想要改善天线的阻抗带宽，在槽的尖角处倒圆角，使电流分布在此处的连续性变 好，是一个可行的方法。但与此同时，天线辐射表面的电流分布也就改变了，天 线的各个性能参数也有可能随之改变。 图3 7 将此种天线反射系数的仿真数据与测试数据做了比较。从图中可以看 出，仿真数据与测试数据吻合得较好。测量得到的最小反射系数是8 7 9 g h z 处的 1 7 7 7 d b ，以s l l 1 0 d b 为标准的阻抗带宽为8 1 5 ，从5 1 8 到1 2 3 1 g h z ，以 8 7 5 g h z 为中心频率。仿真值与测试值之间的差异主要是由平板天线印刷精度问题 及介质厚度和相对介电常数的不确定性所引起的。而且，s m a 同轴连接器及波的 散射也会影响到天线的回波损失。 天线的仿真方向图如图3 8 所示，( a ) 、( b ) 、( c ) 分别给出了3 1 ( c ) 天线 在5 5 g h z 、7 5g h z 、9 5g h z 时的方向图。普通的蝴蝶结槽天线在这些频点的e 面和h 面的方向图也对应地列在右侧。由图3 1 ( c ) 可以看出，由于改善过的蝴 蝶结槽天线关于x z 面不对称，故天线e 面不对称。而普通的蝴蝶结槽天线虽然 关于x z 面对称，但由于采用共面波导的馈电形式，故其e 面也呈现了也一定的 不对称性，但较改善过的蝴蝶结槽天线小。普通的蝴蝶结槽天线随着频率的升高， 其e 面主瓣方向发生偏移，方向图在9 5 g h z 左右开始发生畸变。普通的蝴蝶结槽 天线经过改善以后，e 面的方向图形状并未发生较大的变化，h 面虽随着频率升高 有所畸变，但较普通的蝴蝶结槽天线也有所改善。故其方向图随频率变化较普通 的蝴蝶结槽天线更加稳定，也即天线的方向图带宽也得到了一定程度地改善。 天线的增益如图3 - 9 所示。增益在阻抗带宽内随着频率的逐渐升高而降低，这 主要是由方向图随频率升高产生畸变所引起的。 。， l 一 戆荔 ，| | 1 | 颤_ 7 淤，j 心、厂 一。 j ? 1 ( a ) 5 5 g h 乙 - 一一。_ 一 ， ， ，x ：7 - 、，岁二 、 蕊麟! 弋涿辩? 。 。汽。 1 m 电子科技大学硕士学位论文 x 9 0 ( j o z 一一 ，气 、 ，一一。一二善、 工黛懒，多j矧j ， ， 。，_ h 。 - 一，。 1 o z 一一 7 一一 矗是、 厂。 ：蕊稳 i ：诼 斡措? 一，鼍、，j n 0 5， 、。 一一。 一，- ， 1 8 0 x ( x 9 0 ( y ) ( b ) 7 5 g h z o z 、 ， 愆 式取。 认八 。眵礁| | 骥渊 广一一 。： e c 夕 一 一、， - 1 o z ”一。 _ - - 、逶 弓哆g 翰 嵫渺i i 。 一- x 9 0 ( x ( y ) ( c ) 9 5 g h z 图3 8 改善过的蝴蝶结槽天线和普通的蝴蝶结槽天线在不同频点的方向图( a ) 5 5 g h z c o ) 7 5 g h z ( c ) 9 5 g h z f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 - 9 图3 - 1 ( c ) 所示天线的增益 3 0 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 3 2 蝴蝶结槽天线的另外一种改进方法 对图3 - 1 ( c ) 所示的蝶形槽天线形式进行进一步的改进。我们在槽中的扇形 金属面上引入宽度不等的环形槽，如图3 - 1 0 所示。这些环形槽对称放置，且槽宽 向着远离馈电端的方向逐渐变小。不同的槽宽分别为r 1 至r 5 。其中，扇形金属辐 射面的半径，= 2 率( r l + r 2 + r 3 + r 4 ) + r 5 。天线参数如下：l = 1 2 0 m m ，w = 1 0 0 m m ， r = 2 6 m m ，r 1 = 3 5 r m n ，r 2 - - 1 5 m m ，r 3 = l m m ，a = 9 0 0 ，b = 5 6 2 5 0 ，r l = l m m ，r 2 = 2 m m ， r 3 = 3 m m ，r 4 = 4 m m ，r 5 = 6 m m 。注意，图中所示的天线参数r 的数值不同于上面讲述 的天线参数r 。共面波导中心金属带宽g = 3 m m ，金属带两侧槽宽s = 0 3 m m ，特 性阻抗为5 0q 。天线整体为一对称结构，除此之外，该天线使用的介质材料为f r 4 ， 厚度0 8 m m ，相对介电常数为4 4 。在这里，我们使用5 0q 的同轴馈线通过一个 s m a 阴性连接器进行馈电。 t y 占一卜x 图3 1 0 在图3 1 ( c ) 所示天线形式上进一步改进得到的蝴蝶结槽天线( l = 1 2 0 m m ，w = 1 0 0 m m ， r = 2 6 m m ，r l = 3 5 m m ，r 2 = 1 5 m m ，r 3 = l m m ，a = 9 0 0 ，h = 0 8 m m ，i 芦4 4 ) 图3 1 l 天线的扇形金属辐射面( b = 5 6 2 5 0 ，r l = l m m ，r 2 = 2 m m ，r 3 = 3 m m ，r 4 = 4 m m ，r 5 = 6 m m ) 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 2 扇形金属辐射面上带环形槽和不带环形槽的两种天线的s 参数比较 黝一。 图3 - 1 31 0 7 5 g h z 时环形槽上的电流分布 在扇形金属辐射面上加环形槽是增加天线阻抗带宽的主要因素。图3 1 2 比较 了两个天线的阻抗带宽，其中两天线的参数r 均等于2 6 m m ，但一个的扇形金属辐 射面上带环形槽，另外一个则不带。很明显地，我们可以看出，以s 1 1 1 0 d b 为 标准的阻抗带宽，带环形槽的明显大于不带环形槽的。因为这一结构上的变化增 长了扇形金属辐射面的边缘长度，也即增长了表面电流的路径。从图3 1 3 中可以 看出这一点。沿v 轴方向的电流由于这些环形槽的存在，天线的工作频带内增加 了若干谐振点。这些谐振点相互靠近，就形成了反射系数小于1 0 d b 的阻抗带宽。 这些环形槽的宽度从与共面波导的连接处到扇形辐射面的边缘逐渐变窄。这种宽 度的缓慢变化，比起同样宽度的环来说，能获得更宽的阻抗带宽。这也是通过仿 3 2 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 真软件对模型进行优化而得来的。从以上论述可以看出，这些环形槽对天线的谐 振和阻抗带宽都有着很好的调控作用。 同时，由于这些环形槽的存在，电流在沿着环形金属面流动的过程中使得垂 直方向的电流增大，从而使得此种天线的交叉极化增大。但从其极化方向来看， 它仍然是一个沿x 轴方向的线极化天线。 ，、 刁 、_ 一 p 1 一 ( ，) ，、 1 3 、- 一 ，一 1 一 c ，) 图3 1 4 改变r 2 得到的s 参数比较 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 1 5 图3 1 0 所示天线反射系数的测试值与仿真值比较 r 2 的变化对天线的反射系数影响较大。如图3 1 4 所示，r 2 从1 5 r a m 逐渐减 小到l l m m ，在这里，1 5 r a m 是我们对此角所能做出的最大倒角半径。从图中我们 可以发现，s l l 1 0 d b 阻抗带宽定义的低端频率f l 几乎都在相同的频率点上，但 高端频率f h 却有明显增大的趋势。尖锐顶点倒角对天线性能的改善上文已经介绍 3 3 电子科技大学硕士学位论文 过了，在此就不再赘述。 图3 1 5 比较了天线阻抗带宽的仿真数值和测试数值。根据测试数据可知，天 线的最低反射系数为8 7 g h z 处的2 4 7 d b 。以大于1 0 d b 回波损耗为标准的阻抗带 宽为5 7 6 ，从6 8 g h z 到1 2 3 g h z ，中心频率为9 5 5 g h z 。仿真值与测试值之间 的差异产生的原因前面已经讨论过了，这里就不另行叙述。天线在各频点的仿真 方向图则列在图3 1 6 中。 1 们 ，j-。 ，f 、 j ， 惑 莎嗲- 。珍 l 掰 - 恭t 医k 、，-一一 、 1 1 9g h z ( c ) 1 1g h z 图3 1 6 图3 1 0 所示天线在各个频点的方向图。( a ) 7g h z ( b ) 9g h z ( c ) 1 1g h z 3 3 小结 蝴蝶结天线的发展过程及分析已在上文中进行了详细的介绍。此处我们以圆 圈 。； 面业 嘉m 宦：、： 第三章新型蝴蝶结槽天线的研究 形蝴蝶结槽天线( r o u n d e d g eb o w t i es l o ta n t e n n a ) 为重点研究对象，在第一种改进 方法中，我们用弧形槽将两蝶形槽连通，并采用在尖锐顶点倒圆角的方法，改善 天线性能。文中的第二种蝴蝶结槽天线的改进方法，在第一种改进方法的基础上， 通过在扇形金属辐射面上对称地添加环形槽，从而改善了天线性能，增加天线阻 抗带宽。文中还对这两种天线的工作原理进行了定性的分析，包括未进行改进前 的天线的谐振点的性质和各谐振点产生的原因及在特殊谐振点处的电流分布。 通过对圆形蝴蝶结槽天线的分析可以证实，在平面天线尖锐顶点加圆角的方 法确实起到了改进天线性能的作用。其原理就是通过在尖锐顶点加圆角减小此顶 点处的电流突变或反射，进而改变天线上的电流分布，改善天线的输入阻抗，减 小电阻和电抗部分的波动幅度，使得天线更加容易匹配。 电子科技大学硕士学位论文 第四章一种新型超宽带宽槽天线的设计 本章主要介绍了一种新型超宽带宽槽天线，其结构为在方形槽内加入一扇形 金属调谐枝节，并通过阶梯渐变的共面波导馈线进行馈电。采用a n s o f th f s s 软件 进行了较全面的分析，并制作了实物模型天线进行了测试。测试结果表明，此天 线具有大带宽、低剖面等诸多优点，是一种极具应用价值的新型超宽带天线。 4 1 一种新型宽槽天线的设计 y x 图4 1 平面宽槽天线( l = 1 2 0 m m ，w = 7 6 m m ，r = 7 m m ，r = 3 m m ，a = 1 0 0 0 ，b = 2 8 m m ，g = - 3 m m ， s = 0 3 m m ，h = 0 8 m m ，r 1 - = 4 4 ) 如图4 1 所示为一共面波导馈电的宽槽天线，天线参数如下：l = 1 2 0 m m ，w - - 7 6 r a m ，r = 7 m m ，r = 3 m m ，a = 1 0 0 0 ，b = 2 8 m m 。共面波导中心金属带宽g = 3 m m ，金属带两侧槽宽s = 0 3 m m ，特性阻抗为5 0 f 2 。在共面波导馈线与扇形金属 辐射面相连接的一段，我们对共面波导的中心金属带做了阶梯过渡。其中金属带 宽g 1 = 2 6 m m ，槽宽s 1 = o 5 m m ，过渡段长( 从阶梯变化段开始到共面波导馈线 与天线的连接处为止) l = 7 m m 。由于图形大小的问题，无法在图中标注，特此说 明。天线整体为一对称结构，除此之外，该天线使用的介质材料为f r - 4 ，厚度h - 0 8 m m ，相对介电常数为4 4 。对于支撑天线面的介质，当其介电常数较大时， 天线的工作频带常常出现高端截止的现象