开槽领结天线

今天，小型化设备需要使用小于其波长的天线。宽带宽微带天线因其灵活性和简单的调整选项而引起了设计人员的极大兴趣。已经研究了不同形状的天线以获得小型化和带宽，而蝶形天线或领带天线是最有效的天线之一。小型天线有一些特定的特性，这些特性与波长相当大小的天线不同：

输入阻抗是高容性或感性的，而其电阻分量非常低。完美适应 50 欧姆负载通常有很大的困难；辐射图，随着其尺寸的减小，在水平面上趋向于接近经典的全向垂直偶极子，在垂直面上呈八字形；它们需要特定的设计技术，有时甚至是非常复杂的技术。

如果天线尺寸减小，增益、效率和带宽也将趋于减小。如果它与负载完美匹配，这个问题几乎可以消除。不幸的是，当天线变得非常小时，完美的耦合是不可能的，因为为此增加了难度。减小天线的尺寸也会影响 Q 因子。

领结天线

让我们从普通的蝶形天线（蝴蝶结天线）开始分析。数字电信的影响已导致电视图像质量的显着提高。领带或蝶形天线的概念并不是很复杂。蝶形天线是一种常见的宽带天线，类似于二维锥形偶极子。这些是由折叠导线形成的蝴蝶形天线，最近还采用微带线。增益略高于偶极子。其最低频率取决于耀斑长度和角度。输入阻抗取决于频率和角度，实部在 70 到 500 欧姆之间。一般而言，天线的操作和特性取决于其长度。它的大小与信号的波长有关。例如，如果我们想用半波偶极子接收27 MHz频率，它的长度应该是5.5米，而用半波偶极子接收500 MHz频率，它的长度应该是30厘米。这些计算出的长度仅适用于所需的接收频率，但在稍微不同的频率下效果较差。可以设计出不仅取决于其长度而且取决于其角度范围的天线。这样，角度既不依赖于距离，也不依赖于波长。这种天线的接收和发射特性完全取决于两块金属之间的角度，如图1所示。天线电源位于中心。5米，而用半波偶极子接收500 MHz频率，其长度应为30厘米。这些计算出的长度仅适用于所需的接收频率，但在稍微不同的频率下效果较差。可以设计出不仅取决于其长度而且取决于其角度范围的天线。这样，角度既不依赖于距离，也不依赖于波长。这种天线的接收和发射特性完全取决于两块金属之间的角度，如图1所示。天线电源位于中心。5米，而用半波偶极子接收500 MHz频率，其长度应为30厘米。这些计算出的长度仅适用于所需的接收频率，但在稍微不同的频率下效果较差。可以设计出不仅取决于其长度而且取决于其角度范围的天线。这样，角度既不依赖于距离，也不依赖于波长。这种天线的接收和发射特性完全取决于两块金属之间的角度，如图1所示。天线电源位于中心。可以设计出不仅取决于其长度而且取决于其角度范围的天线。这样，角度既不依赖于距离，也不依赖于波长。这种天线的接收和发射特性完全取决于两块金属之间的角度，如图1所示。天线电源位于中心。可以设计出不仅取决于其长度而且取决于其角度范围的天线。这样，角度既不依赖于距离，也不依赖于波长。这种天线的接收和发射特性完全取决于两块金属之间的角度，如图1所示。天线电源位于中心。

图1：蝶形天线的一些例子

领结天线有多种类型：

宽带印刷蝴蝶结天线；

领结槽天线；

双面三角领结天线；

蝴蝶结微带馈电天线；

开槽蝴蝶结贴片天线；

CPW 馈电弧形领结槽天线。

区分 Bowtie 天线的一些主要变量是 L（arm）、alpha、L（load）、R（load） 和 Z（0）。它们可能在天线的设计和优化方面有所不同。图2示出了天线的示意结构，包括两个对称三角形的电线，通过电源线连接。当然，电线是电导体。该图还显示了优化天线的适应度函数。

图 2：线空心蝴蝶结天线的结构示意图

材料的选择至关重要，在设计阶段应仔细研究。材料的厚度也会对微带天线的性能产生决定性影响。甚至偶极子也可以转换成宽带天线，使用两个相同的偶极子，由同一条传输线供电，并排列成一个“蝴蝶结”。使用两个相同的偶极子具有增加导体横截面积的效果，从而使天线具有更好的长径比。提高这种天线效率的一个好策略是使用长度略有不同的元件。总体结果是在所选范围内的频率响应略微平坦。电流通过不同长度的路径传播到三角形表面的边缘，因此共振不仅发生在一个频率上，而且发生在两个或更多频率上。这些天线表面的电流如图 3 所示。

图 3：电流的流动

由于其高增益（约 3-4 dB）和宽带宽，这种类型的天线广泛用于 UHF 范围。两个半偶极子由两个小的三角形金属板制成，增加了接收或发射表面。一般来说，如果天线是为频率 F 设计的，它将能够在 F/2 和 2F 之间的频带上工作，具有相同的增益，但在较高频率下会稍大一些。有不同的形式，精确的或经验的，来计算三角形的尺寸。其中之一（参见图 4 中的图表）提供以下等式：

宽度 （cm） = 7200 / Mhz;

高度 （cm） = 2900 / Mhz。

两个三角形之间的距离可以在 5 毫米到 2 厘米之间，这也与工作频率有关。另一个更精确的公式提供以下计算：

宽度 （mm） = 0.375 * Lambda * 1000；

高度 （mm） = 0.25 * Lambda * 1000；

距离 （mm） = 0.02066 * Lambda * 1000。

图 4：开槽蝴蝶结天线的通用尺寸与工作频率的关系图

图 5 中可以看到一个简单的蝴蝶结线天线（未满），尺寸经过优化，其基本工作频率为 433.92 MHz，其参数如下：

基频：433.92 MHz；

波长：0.69137米；

总宽度：21.278 厘米；

两个三角形之间的距离：16.5 mm；

三角形的最大高度：10 厘米；

中频阻抗：42.9 + J 1.04；

驻波比（50 欧姆）：1.17；

使用高度：1米；

每个元素 11 个段；

最大增益：7.45 dBi。

图 5 显示了七个插图：

第一个插图代表天线的物理结构。它由 7 个行元素组成；

第二幅图显示了 3D 辐照图；

第三幅图显示了水平面上的二维辐照图；

第四幅图为垂直平面上的二维辐照图；

第五幅图显示了具有 3D 辐射图的真实天线结构；

第六幅图显示了负载为 50 欧姆、频率在 300 MHz 和 600 MHz 之间的驻波 （SWR） 曲线图；

第七幅图显示了天线在 300 MHz 和 600 MHz 频率之间的增益曲线。显然，它在频段的中心（即设计频率）表现得更好。

图 5：一个简单的蝴蝶结线天线

图 6 中的图表显示了调谐到相同频率的两个天线（Bowtie 和偶极子）的驻波 （SWR） 比较。可以看出，在很长的时间间隔内，正是第一个天线受到较少反射波，这一事实证实了所讨论天线的良好宽带操作。

图 6：Bowtie 天线和偶极子的 SWR，范围在 300 MHz 和 600 MHz 之间

狭缝和狭缝

宽带天线的特征在于几何形状的修改，以便改变电流沿不同路径的表面积。以这种方式，共振发生在不同的频率，允许宽带或多共振操作。有几种方法可以获得出色的宽带性能。他们之中有一些是：

增加辐射模式；

增加共振频率；

修改天线几何形状；

适当塑造两个翅膀;

修改天线结构的基板参数。

在天线上提供一个或多个槽（见图 7）具有巨大的优势，因为它允许创建具有出色性能（例如，高增益、圆极化、等（见图 8）。设计这样的天线非常困难。物理形状、槽数及其位置是关键参数，必须极其小心和精确地设计。

图 7：由于槽的存在，电流遵循不同的路径

这些槽允许创建一个非常小的天线，旨在增加带宽或工作频带的数量，而不需要扩大天线的尺寸。

图 8：开槽蝴蝶结天线示例

平面天线表面是否存在缺口和裂纹非常重要。通过它们，电流沿着交替和曲折的路径流动，也在宽带上运行。

在图 10 中，可以将 VSWR 比视为反射系数。它代表反射到发射器的总功率，可能对电路造成危险，并且会大大降低辐射功率。在示例中，在 2.45 GHz 频率下，VSWR 值非常低，证实了出色的操作。然而，在其他频率下，天线的谐振很差，发射器发射的大部分功率被反射。

图 10：计算 1 GHz 至 7.5 GHz 反射功率的示例

结论

开槽蝴蝶结天线现在已成为现实，也用于太赫兹频段。其中一些是基于石墨烯设计的，可在超宽带 （UWB） 中运行，用于现代无线通信系统。石墨烯具有优异的电磁和机械性能，是此类天线的理想材料之一。通过使用它，我们可以构建具有非常高增益和非常高方向性的天线。

审核编辑：郭婷