摘 要： 基于仿生学原理，仿生天线能够在获得良好天线性能的同时，兼顾天线外形美观或隐蔽性。模仿蝴蝶外形，设计了一款具有超宽带特性的印刷微带单极子天线，并加工制作。该天线外观酷似蝴蝶，测试表明该天线的[S11<-10] dB的阻抗带宽达到了107%（3.2～10.6 GHz），天线具有全向辐射特性，天线尺寸仅为26 mm×27.8 mm×1 mm。
关键词： 仿生天线； 蝴蝶； 超宽带天线； 小型化宽带天线
中图分类号： TN82⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）07⁃0094⁃03
0 引 言
自然界一直都是人类各种技术思想、工程应用以及重大发明的源泉，在长期的观察和实践当中，人类不断模仿生物的行为和形态并从中受益。仿生学是研究生物系统的结构、功能等来改进工程技术系统的科学。仿生天线是根据仿生学原理运用到天线中，通过模仿生物的模型运用于天线的几何外形达到某种特定的性能。例如：仿生向日葵和动物触角设计的，具有RCS（Radar Cross⁃Section，雷达散射截面）减缩效果的天线[1⁃2]；模拟蝴蝶翅膀在阳光下呈现的深色区域设计天线开槽形状的仿生天线，该天线能有效地降低天线RCS[3]；仿生章鱼外形设计的L波段单极子天线[4]；仿生银杏树叶外形设计的小型化宽带天线[5]。
随着无线通信技术的迅猛发展，越来越多的天线被应用于各类通信设备中。但在当前许多通信系统中，人们出于美观或军事上保密等原因，往往尽可能地将天线隐藏，典型例子就是绝大多数移动手机天线采用了隐藏式天线。若设计为仿生天线，天线不仅不会影响通信设备外观，还可以提升设备的美观度，军事上仿生天线能够有效地隐藏和伪装天线。
为满足高速数据通信和无线通信应用日益扩展的需求，UWB（Ultra⁃wideband，超宽带） 天线已成为现代天线发展的热点和潮流。传统的宽带天线主要有行波天线、非频变天线、喇叭天线等多种类型。微带单极子天线是一类应用非常广泛的超宽带天线[6⁃10]，它能够实现非常宽的工作频带，同时天线制作可以应用加工简便、精度高和成本低廉的微带印刷技术，有利于天线批量化生产。
本文探讨利用仿生学原理，设计具有UWB特性的微带单极子天线。蝴蝶是自然界中一种非常美丽的生物，其对称、较为宽阔和圆滑流畅的外形曲线也正好和UWB单极子天线要求相吻合，因此本文借鉴蝴蝶外形实现UWB仿生天线的设计。
1 天线结构
蝴蝶的身体结构包括头部、纺锤形身体和一对分布有花斑的翅膀，头部有一对棒状或锤状触角。借鉴蝴蝶外形，本文设计的蝴蝶仿生天线如图1所示。整只天线制作在一片相对介电常数[εr=2.65]，厚度为[h=1] mm的聚四氟乙烯微波介质基板上，基板长[L=27.8] mm，宽[W=26] mm。在该天线基板正面，蝴蝶外形被用于设计天线辐射单元，蝴蝶身体连接一条宽度为[W1=]2.8 mm，特性阻抗为50 Ω的微带线，用于对该天线馈电。天线基板背面印制有宽和长分别为[W=26] mm和[L1=10.8] mm，倒角为[e=]11.5 mm的金属地。其仿真天线的其他结构参数。
天线结构示意图
仿生天线的结构参数表
[参数＼&数值 /mm＼&参数＼&数值 /mm＼&参数＼&数值 /mm＼&R1＼&0.78＼&R6＼&6.77＼&L6＼&7.8＼&R2＼&1.04＼&L2＼&9＼&L7＼&3.25＼&R3＼&0.52＼&L3＼&5.8＼&W2＼&10.4＼&R4＼&0.16＼&L4＼&8.5＼&W3＼&1.2＼&R5＼&0.42＼&L5＼&5＼&＼&＼&]
2 主要结构参数分析
本节将采用CST MICROWAVE STUDIO软件进行数值仿真的手段，分析天线主要结构参数对天线性能的影响，为天线设计提供指导。
2.1 花斑和条纹
对本文的蝴蝶仿生天线，其翅膀上的花斑和条纹很大程度上提升了天线外形美观，但花斑和条纹结构复杂，是该仿生天线设计的主要难点之一。图2给出了有和无花斑和条纹时的天线S11仿真数据，可以看出，花斑和条纹对该天线的阻抗带宽影响很小。该蝴蝶仿生天线的超宽带特性主要来自于天线的蝴蝶外形，因此设计者可以在设计花斑和条纹时可基本上只考虑天线外形美观，在一定程度上减轻了该仿生天线的设计难度。
2.2 金属地倒角
对比了金属地倒角对天线S11值的影响。随着金属地倒角增大，金属地逐渐从矩形变化为半圆形，由于金属地的宽度和长度分别为W=16 m和[L1]=10.8 mm，倒角的最大值为e=11.5 mm。从图3中可看出，随着倒角e增大，天线的阻抗带宽相应地增大。因此本文中倒角大小选择为e=11.5 mm。
2.3 辐射贴片与金属地之间缝隙
图4分析了天线辐射贴片与金属地之间的缝隙宽度[g]对天线[S11]的影响。可以清楚地看出，缝隙宽度[g]对天线[S11]影响显著，需要在设计中对该参数仔细地调节。当缝隙宽度[g]变大时，低频段[S11]值增大而高频段[S11]值减少，而缝隙宽度[g]减小对[S11]的影响正好相反。因此设计中对缝隙宽度[g]的取值需要适当，本文选择为[g=0.5] mm。
有无花斑和条纹情况下的蝴蝶仿生天线的[S11]曲线
金属地倒角[e]对[S11]的影响
缝隙[g]取不同值时[S11]变化情况
基板介电常数和厚度变化对[S11]的影响
2.4 介质板厚度和介电常数
本文设计的仿生天线为微带天线，基板介电常数和厚度的误差常常是影响微带天线性能的主要因素之一。在图5中，仿真计算了不同程度基板介电常数和厚度变化时的天线[S11]，可以看出，本文仿生天线的性能稳定，基板介电常数和厚度的较小不会对天线性能产生显著的不良影响，这对天线批量化生产和工程应用十分重要。
3 天线仿真测试结果分析
加工制作的天线实物如图6所示，该天线的尺寸为26 mm×27.8 mm×1 mm。
仿生天线照片
对比了该天线的仿真和测试[S11]曲线，可看出仿真和实测结果吻合较好，在低频处仿真和测试结果差异稍明显，根据分析主要来源于加工和焊接误差。测试得到的[S11<-10] dB的阻抗带宽达到107%（3.2～10.6 GHz），这表明该天线具备了良好的超宽带特性。
天线[S11]的测试和仿真对比
给出了该天线在3.5 GHz，6.8 GHz，9 GHz下的辐射方向图。可以看出，该天线在各频点的辐射方向图为典型单极子天线方向图，有较良好的准全向辐射特性。天线增益为2.2～5.6 dBi。
天线辐射方向图
4 结 论
本文根据仿生学原理，模拟蝴蝶外形设计了一种具有超宽带特性的微带单极子天线。该天线外形美观，酷似蝴蝶。仿真和测试表明，该仿生天线的[S11<-10] dB的阻抗带宽达到107%（3.2～10.6 GHz），而该天线尺寸仅为26 mm×27.8 mm×1 mm。该天线的仿生外形和良好超宽带特性使其在军用和民用无线通信等领域有广泛的应用前景。
参考文献
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