一个简单和紧凑的共面波导馈电的超宽带印刷 单极子天线与缺陷地面结构外文翻译资料

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一个简单和紧凑的共面波导馈电的超宽带印刷

单极子天线与缺陷地面结构

Muuml;zeyyen Karamano_lu¹, Mehmet Abbak², and Serkan _im_ek³

^1,2,3Istanbul Technical University, Electronics amp; Communications Engineering Department,

34469 Maslak-Istanbul, Turkey

1muzeyyen.karamanoglu@marmara.edu.tr, 2abbak@itu.edu.tr, 3simsekser@itu.edu.tr

摘要

一个平面简单和紧凑的超宽带单极天线是通过共面波导馈电的。天线的辐射贴片由一个上切半圆和下部一个三角形组成。天线的地面包括一个矩形的缺陷接地平面和两个不同的对称斜角。通过削减这些接地面上的斜角,能覆盖除了5.4-7 GHz的整个超宽带频带范围。为了拓宽输入阻抗带宽特性5.4 GHz频段,可以优化下边的矩形和顶端的上切半圆部分的形状 。计划的天线总规模是22times;20times;1 mm³。仿真是使用基于有限元方法(FEM)的 商用ANSYS HFSS。结果显示,电压驻波比小于2、阻抗带宽3.6和12.2GHz之间的110%都能得到。此外,天线在XZ平面频带上有一个稳定的全向模式。同时,提出了天线是在FR4基板上制作测量的。

1.概述

超宽频技术(UWB)近年来无线通信领域扮演着重要的角色,得益于它吸引人的特性比如超短脉冲 、高速度数据速率和低功耗。3.1 -10.6 GHz是联邦通信委员会(FCC)在2002年为商业目的二特别规定的超宽带频带范围。宽带平面单极子天线因为其低价、易构造、大型阻抗带宽和全方位的辐射模式经常被应用于这些系统来实现超宽带系统 。近年来出现了许多新型的特别是小型的超宽带天线设计。文献[8 - 14]中有许多方法来拓宽天线频带和缩小天线尺寸。小型的平面超宽频单极天线和在WIFI/WLAN频段带有陷波特性的小型平面超宽频单极天线都有提及。在本文中,提出了一种应用于超宽带的新型平面简单和小型的共面波导馈电单极天线。这个天线设计是为了应用在整个超宽频系统其中包括电磁和生物医学成像系统,雷达的应用和GSM通信技术。它因为其吸引人的优点非常的适用于超宽带系统，比如它的小型化、全方位的辐射模式和它的低价平面结构。天线的整体大小是22times;20times;1 mm³ ，在接地面上的斜角和在辐射片下面的斜角给大于6.5GHz的主要高频带部分提供宽的输入阻抗带宽。另一方面，贴片的上切半圆形部分在低频部分提高天线的电压驻波比特性

Fig. 1.已设计天线的结构和参数

现在这个天线的完整的几何结构的详细设计如表fig所示。我们选了1mm厚度、介电常数4.4损耗正切角tan =0.02的FR4作为天线基质的材料。表1列出了天线的设计参数尺寸。微波传输带馈电线固定在wf=1.5mm，阻抗为50Omega;，馈电线的长度选择了Lg g=10.5mm 。天线的总体规模是L（22）times;W（20）mm²，包括缺陷接地平面结构，修改了的上切半圆辐射切片，和共面波导馈电线。接地平面和辐射平面之前的补丁在超宽带天线中扮演着重要的角色。槽调整了接地面和辐射天线之间的电磁耦合效应，并将其最佳值设置为g=0.5mm。

接地面由两个不同的三角形形状的狭槽实现的，这些三角形狭槽的尺寸分别是L1=4mm，w1=4.3mm，Lg-L1=6mm，w2=0.4mm。它们是基于y轴从矩形接地面上对称删除的。通过删除这些三角形，获得了除了5.7-7GHz的超宽带频带范围。三角形狭槽和一个长度L2=4.02mm的长条被对称地从下缘的贴片上被删除。通过删除这些狭槽，5.7-7GHz间的输入阻抗宽带特性得到提高。

获得该天线需要三个设计步骤。每个步骤都如图2所示并且在图3中比较了它们的驻波比。参数化分析对L1，L2，w1和w2进行了参数检查。

3.结果和讨论

A. 紧凑的超宽带单极子天线

我们可以通过改进地平面和辐射贴片天线放大输入阻抗带宽。在设计的第一步,天线1(见图2)包括一个矩形辐射贴片和地平面。在这种情况下,辐射贴片和地面之间的电磁耦合很强。地平面上的电流强度,和较低的一侧辐射贴片上的电流强度几乎是相同的,当上接地面

较低的一侧辐射补丁流在整个超宽频除5 - 6.4 GHz频段上是相反的位置。因此,产生的辐射场的频率相互抵消。

为了提高天线1的带宽,将上面矩形接地面上的负斜率三角形关于y轴移除、辐射贴片下面的三角形槽也关于y轴移除。天线2是天线1的进化版本,所示图2。在这种情况下,地平面和较低一边的辐射贴片上分布的电流的强度的大小几乎是相同的。然而,地平面和辐射片上的电流方向以不同的方式改变。因此,合成辐射领域并不相互抵消。因此,天线2和天线1有更多的相比电压驻波比特性。结果,这种方法在5.6 -7GHz频率范围内的电压驻波比超宽频系统的特性不符合要求。天线3如图2所示是将天线2的长方形的辐射贴片替换成上切半圆形状的辐射贴片得到的, 通过移除上面矩形地平面上关于Y轴对称的额外的三角形槽。通过这样配置,预防了地平面和辐射贴片之间的阻塞性电磁耦合。最终,天线3的配置工作完全在超宽带频率范围。三个版本的这些天线设计步骤图3所示。

天线1 天线2 天线3

图3.超宽带天线设计的三个步骤

图3.天线1,2,3的电压驻波比的比较

B．参数研究

L1的仿真电压驻波比的曲线不同的值图4所示。如图4所示,当L1的长度从2毫米到6毫米变化,共振频率从4.5 GHz降低到3 GHz,天线的的中间频段行为也不同。

图4.L1变量的电压驻波比特性的仿真

图5显示了L2变量的模拟电压驻波比不同的曲线。如图5所示，当L2 从 3.02毫米到5.02毫米的长度变化，低频的共振频率从4.5 GHz减少到4 GHz。

图5.L2模拟变量电压驻波比特征图

图6显示了w1变量的模拟电压驻波比不同的曲线。如图6所示,在5-8GHz频率范围内，当w1变化时，电压驻波比特性变化很明显。

图6.w1模拟变量电压驻波比特征图

图7.w2模拟变量电压驻波比特征图

图8.天线的实物图

图9.天线的预测和实测|S11|曲线

图7显示了w2变量的模拟电压驻波比不同的曲线。如图7所示,地面上的三角形狭槽的宽度直接影响天线在高频段的电压驻波比特性。给出的天线是利用表1给出的最佳的天线设计参数设计的。表8中是已实现的天线。图9标绘了模拟和实测结果的比较。模拟结果和实践结果比较一致。并且，两个切面上都能观察到非常低的交叉计划模式水平。

在表10中，我们研究了天线在XZ和YZ平面上的在4GHz，7 GHz，10 GHz频带范围的正向和横向偏振，我们可以从数据看出，天线在XZ面上的辐射模式是全方位的。

4.结论

我们设计了一个应用于超宽带领域的简单小型的缺陷接地结构共面波导馈电单极子天线。设计步骤包括给出天线和比较电压驻波比。我们是在FR4基板上模拟天线的。然后，测量天线的S11特性曲线，并且和仿真曲线进行比较。还测量了表面分布电流强度的各种几何参数。通过从辐射贴片和接地面上移除合适形状的三角形槽，可以得到一个宽的阻抗宽带。我们研究并展示了这些狭槽的尺寸的影响。

在XZ平面上超宽带频带范围有一个全方位的辐射模式。这个天线能应用于所有的超宽带系统。

为了未来的工作, 为了在无线频率范围5.1 - 5.8 GHz之内有频带阻断功能 ，将会重新设计这个天线。文献中提供了几种方法,如增加寄生贴片，删除各种形状的槽，插入各种形状的缝等。因此在超宽带系统无线频带范围内发生的干扰可以通过我们提过的方法来避免。

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