開槽領(lǐng)結(jié)天線

今天，小型化設(shè)備需要使用小于其波長(zhǎng)的天線。寬帶寬微帶天線因其靈活性和簡(jiǎn)單的調(diào)整選項(xiàng)而引起了設(shè)計(jì)人員的極大興趣。已經(jīng)研究了不同形狀的天線以獲得小型化和帶寬，而蝶形天線或領(lǐng)帶天線是最有效的天線之一。小型天線有一些特定的特性，這些特性與波長(zhǎng)相當(dāng)大小的天線不同：

輸入阻抗是高容性或感性的，而其電阻分量非常低。完美適應(yīng) 50 歐姆負(fù)載通常有很大的困難；輻射圖，隨著其尺寸的減小，在水平面上趨向于接近經(jīng)典的全向垂直偶極子，在垂直面上呈八字形；它們需要特定的設(shè)計(jì)技術(shù)，有時(shí)甚至是非常復(fù)雜的技術(shù)。

如果天線尺寸減小，增益、效率和帶寬也將趨于減小。如果它與負(fù)載完美匹配，這個(gè)問(wèn)題幾乎可以消除。不幸的是，當(dāng)天線變得非常小時(shí)，完美的耦合是不可能的，因?yàn)闉榇嗽黾恿穗y度。減小天線的尺寸也會(huì)影響 Q 因子。

領(lǐng)結(jié)天線

讓我們從普通的蝶形天線（蝴蝶結(jié)天線）開始分析。數(shù)字電信的影響已導(dǎo)致電視圖像質(zhì)量的顯著提高。領(lǐng)帶或蝶形天線的概念并不是很復(fù)雜。蝶形天線是一種常見的寬帶天線，類似于二維錐形偶極子。這些是由折疊導(dǎo)線形成的蝴蝶形天線，最近還采用微帶線。增益略高于偶極子。其最低頻率取決于耀斑長(zhǎng)度和角度。輸入阻抗取決于頻率和角度，實(shí)部在 70 到 500 歐姆之間。一般而言，天線的操作和特性取決于其長(zhǎng)度。它的大小與信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)。例如，如果我們想用半波偶極子接收27 MHz頻率，它的長(zhǎng)度應(yīng)該是5.5米，而用半波偶極子接收500 MHz頻率，它的長(zhǎng)度應(yīng)該是30厘米。這些計(jì)算出的長(zhǎng)度僅適用于所需的接收頻率，但在稍微不同的頻率下效果較差?？梢栽O(shè)計(jì)出不僅取決于其長(zhǎng)度而且取決于其角度范圍的天線。這樣，角度既不依賴于距離，也不依賴于波長(zhǎng)。這種天線的接收和發(fā)射特性完全取決于兩塊金屬之間的角度，如圖1所示。天線電源位于中心。5米，而用半波偶極子接收500 MHz頻率，其長(zhǎng)度應(yīng)為30厘米。這些計(jì)算出的長(zhǎng)度僅適用于所需的接收頻率，但在稍微不同的頻率下效果較差。可以設(shè)計(jì)出不僅取決于其長(zhǎng)度而且取決于其角度范圍的天線。這樣，角度既不依賴于距離，也不依賴于波長(zhǎng)。這種天線的接收和發(fā)射特性完全取決于兩塊金屬之間的角度，如圖1所示。天線電源位于中心。5米，而用半波偶極子接收500 MHz頻率，其長(zhǎng)度應(yīng)為30厘米。這些計(jì)算出的長(zhǎng)度僅適用于所需的接收頻率，但在稍微不同的頻率下效果較差。可以設(shè)計(jì)出不僅取決于其長(zhǎng)度而且取決于其角度范圍的天線。這樣，角度既不依賴于距離，也不依賴于波長(zhǎng)。這種天線的接收和發(fā)射特性完全取決于兩塊金屬之間的角度，如圖1所示。天線電源位于中心?？梢栽O(shè)計(jì)出不僅取決于其長(zhǎng)度而且取決于其角度范圍的天線。這樣，角度既不依賴于距離，也不依賴于波長(zhǎng)。這種天線的接收和發(fā)射特性完全取決于兩塊金屬之間的角度，如圖1所示。天線電源位于中心。可以設(shè)計(jì)出不僅取決于其長(zhǎng)度而且取決于其角度范圍的天線。這樣，角度既不依賴于距離，也不依賴于波長(zhǎng)。這種天線的接收和發(fā)射特性完全取決于兩塊金屬之間的角度，如圖1所示。天線電源位于中心。

圖1：蝶形天線的一些例子

領(lǐng)結(jié)天線有多種類型：

寬帶印刷蝴蝶結(jié)天線；

領(lǐng)結(jié)槽天線；

雙面三角領(lǐng)結(jié)天線；

蝴蝶結(jié)微帶饋電天線；

開槽蝴蝶結(jié)貼片天線；

CPW 饋電弧形領(lǐng)結(jié)槽天線。

區(qū)分 Bowtie 天線的一些主要變量是 L（arm）、alpha、L（load）、R（load） 和 Z（0）。它們可能在天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面有所不同。圖2示出了天線的示意結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)對(duì)稱三角形的電線，通過(guò)電源線連接。當(dāng)然，電線是電導(dǎo)體。該圖還顯示了優(yōu)化天線的適應(yīng)度函數(shù)。

圖 2：線空心蝴蝶結(jié)天線的結(jié)構(gòu)示意圖

材料的選擇至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)仔細(xì)研究。材料的厚度也會(huì)對(duì)微帶天線的性能產(chǎn)生決定性影響。甚至偶極子也可以轉(zhuǎn)換成寬帶天線，使用兩個(gè)相同的偶極子，由同一條傳輸線供電，并排列成一個(gè)“蝴蝶結(jié)”。使用兩個(gè)相同的偶極子具有增加導(dǎo)體橫截面積的效果，從而使天線具有更好的長(zhǎng)徑比。提高這種天線效率的一個(gè)好策略是使用長(zhǎng)度略有不同的元件。總體結(jié)果是在所選范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)略微平坦。電流通過(guò)不同長(zhǎng)度的路徑傳播到三角形表面的邊緣，因此共振不僅發(fā)生在一個(gè)頻率上，而且發(fā)生在兩個(gè)或更多頻率上。這些天線表面的電流如圖 3 所示。

圖 3：電流的流動(dòng)

由于其高增益（約 3-4 dB）和寬帶寬，這種類型的天線廣泛用于 UHF 范圍。兩個(gè)半偶極子由兩個(gè)小的三角形金屬板制成，增加了接收或發(fā)射表面。一般來(lái)說(shuō)，如果天線是為頻率 F 設(shè)計(jì)的，它將能夠在 F/2 和 2F 之間的頻帶上工作，具有相同的增益，但在較高頻率下會(huì)稍大一些。有不同的形式，精確的或經(jīng)驗(yàn)的，來(lái)計(jì)算三角形的尺寸。其中之一（參見圖 4 中的圖表）提供以下等式：

寬度 （cm） = 7200 / Mhz;

高度 （cm） = 2900 / Mhz。

兩個(gè)三角形之間的距離可以在 5 毫米到 2 厘米之間，這也與工作頻率有關(guān)。另一個(gè)更精確的公式提供以下計(jì)算：

寬度 （mm） = 0.375 * Lambda * 1000；

高度 （mm） = 0.25 * Lambda * 1000；

距離 （mm） = 0.02066 * Lambda * 1000。

圖 4：開槽蝴蝶結(jié)天線的通用尺寸與工作頻率的關(guān)系圖

圖 5 中可以看到一個(gè)簡(jiǎn)單的蝴蝶結(jié)線天線（未滿），尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化，其基本工作頻率為 433.92 MHz，其參數(shù)如下：

基頻：433.92 MHz；

波長(zhǎng)：0.69137米；

總寬度：21.278 厘米；

兩個(gè)三角形之間的距離：16.5 mm；

三角形的最大高度：10 厘米；

中頻阻抗：42.9 + J 1.04；

駐波比（50 歐姆）：1.17；

使用高度：1米；

每個(gè)元素 11 個(gè)段；

最大增益：7.45 dBi。

圖 5 顯示了七個(gè)插圖：

第一個(gè)插圖代表天線的物理結(jié)構(gòu)。它由 7 個(gè)行元素組成；

第二幅圖顯示了 3D 輻照?qǐng)D；

第三幅圖顯示了水平面上的二維輻照?qǐng)D；

第四幅圖為垂直平面上的二維輻照?qǐng)D；

第五幅圖顯示了具有 3D 輻射圖的真實(shí)天線結(jié)構(gòu)；

第六幅圖顯示了負(fù)載為 50 歐姆、頻率在 300 MHz 和 600 MHz 之間的駐波 （SWR） 曲線圖；

第七幅圖顯示了天線在 300 MHz 和 600 MHz 頻率之間的增益曲線。顯然，它在頻段的中心（即設(shè)計(jì)頻率）表現(xiàn)得更好。

圖 5：一個(gè)簡(jiǎn)單的蝴蝶結(jié)線天線

圖 6 中的圖表顯示了調(diào)諧到相同頻率的兩個(gè)天線（Bowtie 和偶極子）的駐波 （SWR） 比較。可以看出，在很長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)，正是第一個(gè)天線受到較少反射波，這一事實(shí)證實(shí)了所討論天線的良好寬帶操作。

圖 6：Bowtie 天線和偶極子的 SWR，范圍在 300 MHz 和 600 MHz 之間

狹縫和狹縫

寬帶天線的特征在于幾何形狀的修改，以便改變電流沿不同路徑的表面積。以這種方式，共振發(fā)生在不同的頻率，允許寬帶或多共振操作。有幾種方法可以獲得出色的寬帶性能。他們之中有一些是：

增加輻射模式；

增加共振頻率；

修改天線幾何形狀；

適當(dāng)塑造兩個(gè)翅膀;

修改天線結(jié)構(gòu)的基板參數(shù)。

在天線上提供一個(gè)或多個(gè)槽（見圖 7）具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S創(chuàng)建具有出色性能（例如，高增益、圓極化、等（見圖 8）。設(shè)計(jì)這樣的天線非常困難。物理形狀、槽數(shù)及其位置是關(guān)鍵參數(shù)，必須極其小心和精確地設(shè)計(jì)。

圖 7：由于槽的存在，電流遵循不同的路徑

這些槽允許創(chuàng)建一個(gè)非常小的天線，旨在增加帶寬或工作頻帶的數(shù)量，而不需要擴(kuò)大天線的尺寸。

圖 8：開槽蝴蝶結(jié)天線示例

平面天線表面是否存在缺口和裂紋非常重要。通過(guò)它們，電流沿著交替和曲折的路徑流動(dòng)，也在寬帶上運(yùn)行。

在圖 10 中，可以將 VSWR 比視為反射系數(shù)。它代表反射到發(fā)射器的總功率，可能對(duì)電路造成危險(xiǎn)，并且會(huì)大大降低輻射功率。在示例中，在 2.45 GHz 頻率下，VSWR 值非常低，證實(shí)了出色的操作。然而，在其他頻率下，天線的諧振很差，發(fā)射器發(fā)射的大部分功率被反射。

圖 10：計(jì)算 1 GHz 至 7.5 GHz 反射功率的示例

結(jié)論

開槽蝴蝶結(jié)天線現(xiàn)在已成為現(xiàn)實(shí)，也用于太赫茲頻段。其中一些是基于石墨烯設(shè)計(jì)的，可在超寬帶 （UWB） 中運(yùn)行，用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。石墨烯具有優(yōu)異的電磁和機(jī)械性能，是此類天線的理想材料之一。通過(guò)使用它，我們可以構(gòu)建具有非常高增益和非常高方向性的天線。

審核編輯：郭婷