关于蝶形宽带微带天线的设计

1、关于蝶形宽带微带天线的设计索引：蝶形宽带微带天线. 设计方案 排列效率 摘要：现在提出一种基于绝缘体衬底的有限长度的宽带微带天线的设计方法。这种方法快速、对计算精度要求较低，是建立在一蝶形天线进行二等分而形成的两个梯形天线的 。首先设计出单边的梯形部分，然后制作出相同的另一部分并在其顶点处将其连接。与理论计算相比在X波段上实验测量表现得很好。其有效带宽达到10.6。1 介绍微带天线的主要限制是其带宽的狭窄。依照频率定义带宽其范围SWR为2:1或更少，贴片微带天线的带宽为1到5。现在的努力已经集中到适当的提高天线的带宽上。其中一种便是蝶形天线，众所周知它设计简单，阻抗带宽宽。用严密的解决方案来分

2、析蝶形天线将花费很长的时间才能得到完整的答案。写这篇文章的目的就是要介绍一种快速、相对准确而高效设计蝶形天线的新方法。研究宽带天线的新结构已经成为学术刊物的一个主要热点并以更大的努力持续研究。与频率有关的相对快速变化的阻抗是决定带宽的主要因素。这篇论文包涵了在频率选定上采用并联阻抗使之最大限度的和输入阻抗形成共振，并且与输入阻抗的平均幅值匹配。在这篇论文中，在X波段上一个宽带蝶形天线（以后把它称为天线1）被安放在一个121.8×111mm（2.2，h=0.787mm）的衬底上。天线做了如下改进：把两个相同的天线通过一个互联导体连在一起，从而代替了天线两个顶点之间的连接。2 设计方案通

3、过的模拟可以看出，改进后的蝶形天线的性能是来自每一个单边天线组成的天线阵列效应。因此，首先要设计蝶形天线的一个单边。蝶形天线和及其参数由如图1所示，一个三角形构成蝶形天线的一半，从而简化了设计步骤，这一部分被设计成等边三角形，它的频率比要求的工作频率的一半稍微高一点，补偿了互联宽度c，而互联宽度c能增加天线覆盖 面积因而降低了谐振频率。两个相同的部分在顶点连接起来并且与第二谐振频率相匹配。这个设计方案分为以下三个步骤。图12.1步骤1：设计单一对称振子不像矩形天线和圆形天线研究得那么广泛，关于三角形天线仅仅进行了少量的研究。应用等边形是因为关于这方面研究得比较多。刚开始解决方案是根据Schel

4、kunoff，随后结果就可以得到。在裂缝模型理论中， 完全满足电磁场边界条件的TE模的谐振频率的计算公式是 （1） 其中m，n不同决定不同的谐振频率。在通常情况下一般选择m1，n0或m0，n1。为了说明电磁波边界效应的不定性，Helszajn和James提出并由Dahele和Lee发表了在等式1中边带长度a由等效长度ae代替。如公式 （2） 式中t式微带天线的厚度，由a×sin(60°)得到短臂长度l。用一台交互式计算机就可以运行公式1和公式2算出任意谐振频率下的边带长度a。在Antenna 1中，令f5.5GHz，算得a23.97mm，l20.76mm。22步骤2：运用制

5、作标准文件微带天线有不同的馈电方式，常用的有微带线馈电和同轴线馈电。而二等分的设计方案如图1所示连接，但后者要与第二谐振频率相匹配。在这里，微带线馈电将被用作匹配天线1。这种馈电方法促进了阵列天线的构造。为了加速设计进程，如图1所示，通过直接在天线底部接入50欧姆的微带线源在X波段用模拟Antenna 1中S11的特征曲线。短臂的长度v等于(20.76×2)-2.4/2=19.56mm，通过可以估算出50欧姆微带线的宽度为2.4mm。u则保持在20.76mm以尽可能使天线保持蝶形。由ENSEMBLE提供的模拟S11文件将作为标准文件，在后面的MDS中用到。图2图3表123步骤3：设计

6、系统与HP微波相匹配得到。 因为没有提供天线和馈线之间的电磁效应的模型，因而允许有4dB的范围以实现等于或小余2：1SWR的要求。设计Antenna1各种参数由以上三个步骤决定，并在图1和表2举例、概括出来。表2图43讨论结果3.1模拟计算S11特征曲线失去Antenna1所测量的结果与在图4中用模拟出来的结果有区别。模拟结果是从213GHz的频带得出而测量结果是从020GHz的频带得出。但二者都反应了宽带天线的特点。测量的S11的值与模拟的结果一致，在第一谐振频率点5.0GHz上测得频偏为7dB,这与在32模拟计算辐射图Antenna1的辐射图可由在f9.951GHz、分别等于0°

7、、90°、180°和270°的平面上模拟出，而测量出来的辐射图也与模拟出来的相似。在等于0°/180°和90°/270°时模拟和测量的辐射值分别表示在图5图8中。图6图7图8 在0°和180°的平面中，电场E的分量和分量都存在并且其两部分的辐射图关于0°和正负180°成轴对称。对于E的分量，在0°的边带方向上时主模而在正负40°处模值觉小。对于E的分量测量其最大功率比在正负13°一个非常狭小的带宽内。来自对二等分阵列效应的期望，在相同的平面内，E的分量和分

8、量两部分的辐射图的形状应与等效单一微带天线的各部分相似。在90°/270°平面里，只有电场E的分量关于0°和正负180°成轴对称，虽然如此，它仍然与在相同平面内的单一微带天线的E的分量部分相似。可是，模拟和测量的结果显示不对称的电场E的分量在等效单一微带天线的第五个TM模上并不存在。蝶形天线的宽度很窄因此天线在中心部分最灵敏。为了匹配和馈电的目的在蝶形天线的一端连接的微带线在其中心有很强的电磁效应，能够增加天线的有效宽度。这是天线辐射图不对称的主要原因。为了除去微带线在同一表面的噪声影响，天线可与同轴电缆相连达到匹配，为了做一个微带匹配网络 ，可在另一块基片上进