今天，小型化設備需要使用小于其波長的天線。寬帶寬微帶天線因其靈活性和簡單的調整選項而引起了設計人員的極大興趣。已經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，這些特性與波長相當大小的天線不同：

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 50 歐姆負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；它們需要特定的設計技術，有時甚至是非常復雜的技術。

如果天線尺寸減小，增益、效率和帶寬也將趨于減小。如果它與負載完美匹配，這個問題幾乎可以消除。不幸的是，當天線變得非常小時，完美的耦合是不可能的，因為為此增加了難度。減小天線的尺寸也會影響 Q 因子。

領結天線

讓我們從普通的蝶形天線（蝴蝶結天線）開始分析。數字電信的影響已導致電視圖像質量的顯著提高。領帶或蝶形天線的概念并不是很復雜。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度和角度。輸入阻抗取決于頻率和角度，實部在 70 到 500 歐姆之間。一般而言，天線的操作和特性取決于其長度。它的大小與信號的波長有關。例如，如果我們想用半波偶極子接收27 MHz頻率，它的長度應該是5.5米，而用半波偶極子接收500 MHz頻率，它的長度應該是30厘米。這些計算出的長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。可以設計出不僅取決于其長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。這種天線的接收和發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，其長度應為30厘米。這些計算出的長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。可以設計出不僅取決于其長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。這種天線的接收和發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，其長度應為30厘米。這些計算出的長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。可以設計出不僅取決于其長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。這種天線的接收和發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。可以設計出不僅取決于其長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。這種天線的接收和發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。可以設計出不僅取決于其長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。這種天線的接收和發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

領結天線有多種類型：

寬帶印刷蝴蝶結天線；

領結槽天線；

雙面三角領結天線；

蝴蝶結微帶饋電天線；

開槽蝴蝶結貼片天線；

CPW 饋電弧形領結槽天線。

區分 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計和優化方面有所不同。圖2示出了天線的示意結構，包括兩個對稱三角形的電線，通過電源線連接。當然，電線是電導體。該圖還顯示了優化天線的適應度函數。

圖 2：線空心蝴蝶結天線的結構示意圖

材料的選擇至關重要，在設計階段應仔細研究。材料的厚度也會對微帶天線的性能產生決定性影響。甚至偶極子也可以轉換成寬帶天線，使用兩個相同的偶極子，由同一條傳輸線供電，并排列成一個“蝴蝶結”。使用兩個相同的偶極子具有增加導體橫截面積的效果，從而使天線具有更好的長徑比。提高這種天線效率的一個好策略是使用長度略有不同的元件。總體結果是在所選范圍內的頻率響應略微平坦。電流通過不同長度的路徑傳播到三角形表面的邊緣，因此共振不僅發生在一個頻率上，而且發生在兩個或更多頻率上。這些天線表面的電流如圖 3 所示。

圖 3：電流的流動

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。兩個半偶極子由兩個小的三角形金屬板制成，增加了接收或發射表面。一般來說，如果天線是為頻率 F 設計的，它將能夠在 F/2 和 2F 之間的頻帶上工作，具有相同的增益，但在較高頻率下會稍大一些。有不同的形式，精確的或經驗的，來計算三角形的尺寸。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。另一個更精確的公式提供以下計算：

寬度 （mm） = 0.375 * Lambda * 1000；

高度 （mm） = 0.25 * Lambda * 1000；

距離 （mm） = 0.02066 * Lambda * 1000。

圖 4：開槽蝴蝶結天線的通用尺寸與工作頻率的關系圖

圖 5 中可以看到一個簡單的蝴蝶結線天線（未滿），尺寸經過優化，其基本工作頻率為 433.92 MHz，其參數如下：

基頻：433.92 MHz；

波長：0.69137米；

總寬度：21.278 厘米；

兩個三角形之間的距離：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；

每個元素 11 個段；

最大增益：7.45 dBi。

圖 5 顯示了七個插圖：

第一個插圖代表天線的物理結構。它由 7 個行元素組成；

第二幅圖顯示了 3D 輻照圖；

第三幅圖顯示了水平面上的二維輻照圖；

第四幅圖為垂直平面上的二維輻照圖；

第五幅圖顯示了具有 3D 輻射圖的真實天線結構；

第六幅圖顯示了負載為 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（即設計頻率）表現得更好。

圖 5：一個簡單的蝴蝶結線天線

圖 6 中的圖表顯示了調諧到相同頻率的兩個天線（Bowtie 和偶極子）的駐波 （SWR） 比較。可以看出，在很長的時間間隔內，正是第一個天線受到較少反射波，這一事實證實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；

適當塑造兩個翅膀;

修改天線結構的基板參數。

在天線上提供一個或多個槽（見圖 7）具有巨大的優勢，因為它允許創建具有出色性能（例如，高增益、圓極化、等（見圖 8）。設計這樣的天線非常困難。物理形狀、槽數及其位置是關鍵參數，必須極其小心和精確地設計。

圖 7：由于槽的存在，電流遵循不同的路徑

這些槽允許創建一個非常小的天線，旨在增加帶寬或工作頻帶的數量，而不需要擴大天線的尺寸。

圖 8：開槽蝴蝶結天線示例

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

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

圖 10：計算 1 GHz 至 7.5 GHz 反射功率的示例

結論

開槽蝴蝶結天線現在已成為現實，也用于太赫茲頻段。其中一些是基于石墨烯設計的，可在超寬帶 （UWB） 中運行，用于現代無線通信系統。石墨烯具有優異的電磁和機械性能，是此類天線的理想材料之一。通過使用它，我們可以構建具有非常高增益和非常高方向性的天線。

審核編輯：郭婷