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使用新技术改善U型槽微带天线的带宽（Trough slot patch）
M. Mahmoud
摘要-微带天线由于其众多优点，在过去十年中引起了许多设计师的关注。另一方面，窄带宽是微带天线在实际应用中的主要缺点。目前仍然有许多研究来增加这些天线的带宽。本文提出了增加有限地平面对探针馈电U型槽微带天线的影响。然后一种新技术（Trough slot patch）被用于增加U型槽补丁的带宽。新技术得到了良好的结果，因为在大多数情况下，带宽至少增加了3％。
1）简介：
微带天线通常在接地的微波基板上具有辐射导电片[1]，[2]。在过去十年中，微带天线引起了许多设计者的注意，因为它们具有许多吸引人的特征，如低轮廓，重量轻，易于制造，并允许线性偏振和圆偏振。但是另一方面，微带天线也具有许多缺点，例如窄带宽，低增益和低功率处理能力。窄带宽是微带天线在实际应用中的主要缺点[3，ch.7]。
最近对U型槽贴片进行了研究，结果显示产生的带宽百分比约为30％。在本文中，使用[5]和[6]的工作中讨论的经验方法讨论了U型槽微带天线的设计。在第一部分中，研究了增加地平面尺寸的效果。使用具有不同介电常数（εr）的几个基板，并记录每个基板的带宽，增益和辐射。
由于没有解析U型槽设计问题的分析模型，因此使用仿真CAD工具（IE3D）来解决本文中的所有情况[7]。IE3D使用矩量法（MoM）来解决分配给它的问题。MoM是一种求解频域积分方程的数值方法，[4 ch.10]，[9]。
在第二部分中，为每个衬底设计了一个槽（不同的介电常数），这是一种增加u槽贴片带宽的新技术。很明显，所有基板的带宽至少增加3％。本文中的公式用于单接地基板上的探针馈电设计。首先使用无限地平面，然后在有限地平面上研究几个案例，以使设计更实用。最后总结了所有观察结果，并且包含了最少的参考文献。
2）U型槽贴片的设计：
选择U型槽贴片是因为与常规矩形贴片相比，它能产生非常大的带宽。 通常对于微带天线的任何设计，使用遗传算法[6]，因此我们可以获得方程来计算天线参数的尺寸。
图1显示了探针馈电矩形贴片天线的几何形状。 在矩形贴片天线中进行了几次修改后，设计了一个探针馈电U槽微带贴片天线，如图2所示。
图1：探针馈电矩形贴片天线
图2：探针馈电U型槽微带天线
根据经验公式[6，p.196]计算天线的尺寸。 表1显示了不同介电常数（rε）的槽的尺寸
表1：U形槽的尺寸不变性
在U型槽贴片的设计过程中，阻抗特性起着重要作用[6，p.192]，图3显示了四个不同阻抗轨迹的史密斯圆图。4号轨迹是宽带设计的理想轨迹。
VSWR（电压驻波比）特性对于确定任何贴片天线的带宽百分比也非常重要，图4显示了U形槽贴片的典型VSWR特性，其中截止频率和带宽在清楚的显示在图形中。
图3：典型阻抗特性。 需要任何宽带设计（或修改）的性能，使得阻抗轨迹1,2和3的环路围绕史密斯圆图的中心（VSWR = 1），如轨迹4中所示
图4：U型槽贴片的典型VSWR特性，显示了谐振频率和带宽
2.1）U型槽贴片的设计（εr）= 2.33：
在该部分中，选择具有不同介电常数的四个衬底，记录每个衬底的带宽和增益，并与具有有限接地平面的衬底进行比较。
我们对这四个案例采取了以下步骤。
1.模拟无限地平面并绘制VSWR特性和天线增益。
2.模拟非常小的有限地平面，并将VSWR和增益与无限地平面进行比较。
3.增加地平面，直到从有限地平面获得的结果接近无限地平面。
在这种情况下使用的天线的尺寸在表2中给出。无限接地平面的VSWR特性和有限接地平面的两个结果如图6所示。
图6：说明使用尺寸为（72times;52）的有限地平面的VSWR的差异。
表2：U型槽贴片的尺寸
图7：说明使用有限地平面和尺寸的增益差异
从VSWR特性的结果可以看出，使用有限的接地平面会降低天线的带宽，但对天线的增益没有显著影响（图7）。
比例和值fc（共振频率）在设计U型槽贴片时非常重要; 它显示了从之前的工作可以得知，这个比例的最佳值应该是不到2[5]。在这种情况下我们使用= 0.1825和共振频率（f c= 3.585 GHz）。
最好的有限地平面结果是具有尺寸（72times;52）的结果，其中带宽为29.5％并且无限接地面带宽为30％（即：仅比理想情况少0.5％）。
2.2）U型槽贴片的设计（εr）= 2.93：
在这种情况下，使用相同的步骤作为2.1节中的步骤。图8显示了VSWR特性，图9显示了天线的增益。所有尺寸如表3所示。
图8：说明使用具有尺寸的有限地平面的VSWR的差异
表3：U型槽贴片的尺寸
图9：说明使用有限地平面和尺寸的增益差异
结果类似于先前的基板，其中在使用有限地平面并且带宽减小之后天线的增益没有减小。对于这种基材的比例假设是在附近精确到0.2，共振频率（c f）等于3.2875GHz。
最好的有限地平面结果是尺寸为（72times;52），带宽为21.6％，无限接地面带宽为22％（即：比理想情况下仅少0.4％）。
2.3）U型槽贴片的设计（εr）= 3.27：
本节解释了最后两节中讨论的相同模拟，但基板（εr）= 3.27。 图10显示了VSWR特性，图11显示了增益，表4解释了天线使用的尺寸。
图10：说明使用尺寸有限地平面的VSWR差异
表4：U型槽贴片的尺寸
图11：说明使用有限地平面和尺寸的增益差异
对于这种基材的比例被计算为精确到约0.19，共振频率（fc）等于3.1725GHz。最佳有限地平面结果是尺寸为（108times;78）的带宽为21％且无限接地面带宽为22％（即：比理想情况减少1％）。
3）Trough slot patch的设计：
一种新设计用于尝试增加微带天线的带宽。这种技术与U型槽非常相似，但是经过一些小的修改后，通过增加U型槽臂的角度（theta;）来改变贴片的蚀刻部分（U型槽），图14和15描述显然是新设计（Trough slot patch）
图14：新设计的俯视图和仰视图
图15：Trough slot设计的更准确视图
在接下来的部分中，模拟是在第1部分中使用的相同基板上进行的，但是使用了Trough slot而不是U型槽贴片
3.1）Trough slot patch的设计（εr）= 2.33：
对用于Trough slot的四个基板进行以下步骤：
1.使用有限地平面代替无限。对于每种情况，有限接地平面的尺寸从部分1获得，例如情况（εr）= 2.33，最佳结果是基板（72times;52）。
2. Trough slot的角度略微增加，并且记录了所有VSWR和增益（注意，当角度等于零时，我们有一个正常的U形槽贴片）。
3.研究获得的结果以检查天气，带宽或增益有明显的变化。在这种情况下使用的天线的尺寸表6中清楚地显示了（εr= 2.33）。图16显示了VSWR特性，天线的增益如图17所示。
图16; 说明使用不同角度的有限地平面的VSWR的差异
表6：Trough slot贴片的尺寸
图17：说明使用不同角度的有限地平面的增益差异
随着角度增加，带宽增加，直到截止频率上升到高于2的点，在这种情况下无需设计。 所以我们增加了角度，直到我们有更宽的带宽和VSWR小于2的点。在这种情况下获得了最佳角度theta;如果它满足我们的条件（theta;）= 7.5，则该角度处的带宽百分比等于34％，其比原始（theta;= 0）大4％。
3.2）Trough slot贴片的设计（εr）= 2.93：
3.1节中讨论的相同步骤用于该基材。 图18显示了VSWR特性，图19显示了天线的增益，所有尺寸在表7中提到。
图18：说明使用不同角度的有限地平面的VSWR的差异
表7：Trough slot贴片的尺寸
图19：说明使用不同角度的有限地平面的增益差异
对增益的微小变化没有明显的评论，但是随着角度的增加而减小，但没有任何减小会使天线失效。
在这种情况下获得了最佳角度theta;= 8.5满足我们的条件，此角度的带宽百分比等于25.5％，大于原始（theta;= 0）3.5％。
3.3）槽缝补片的设计（εr）= 3.27：
这种情况下的基板的介电常数等于3.27，VSWR特性如图20所示，增益如图21所示，表8显示了用于设计天线的尺寸。
图20：说明使用不同角度的有限地平面的VSWR的差异
表8：Trough slot贴片的尺寸
图21：说明使用不同角度的有限地平面的增益差异
在这种情况下获得了最佳角度（theta;）如果它满足我们的条件theta;= 7，则该角度的带宽百分比等于25％，其比原始（theta;= 0）大3％。
4）结论：
本文主要分为两部分;第一部分描述了测试增加有限地平面尺寸对U型槽微带天线的影响。第二部分描述了一种增加天线带宽的新技术。在第2节中，注意到对于使用有限地平面，带宽比理想情况（无限地平面）减小，但增益有很大的视觉变化。随着有限地平面的尺寸增加，带宽百分比增加。值得注意的是，随着介电常数（εr）的增加，带宽接近理想情况的有限地平面增加，这意味着当εr= 2.33时，有限地平面小于使用εr= 3.27。
在Trough slot设计的第3部分（有限地平面的所有模拟）中，带宽随着角度（theta;）的增加而增加，直到达到它仍在增加但VSWR比率超过2的点（即：持续增加角度没有价值）。在所有情况下，带宽至少增加3％。而且很明显，随着介电常数（εr）的增加，带宽百分比的增加也会更小（即：εr= 2.33带宽增加4％，而εr =3.27仅增加2.5％）。
5）参考文献：
[1] R. Garg，P.Bhartia，I.Bahl和A. Ittipiboon，微带天线设计手册。Norwood，MA，USA：Artech House，Inc.，2001。
[2] K.-L. Wong，紧凑型和宽带微带天线。 NY，USA：John-Wiley＆Sons，Inc.，2002。
[3] Warren L. Stutzman，Gary A. Theiele，天线理论与设计。 NY，USA：John-Wiley＆Sons，Inc.，2002。
[4] CABalanis，“天线理论与设计”NY，USA：John Wiley＆Sons，Inc.，2000。
[5] V. Natarajan和D. Chatterjee ，“宽带U型槽微带天线CAD优化的一些经验设计技术的比较评估”，ACES JOURNAL，VOL.20，NO.1，2005年3月。
[6] V. Natarajan和D. Chatterjee，“在单层，无限，接地基板上设计宽带，探针馈电，U型槽微带贴片天线的经验方法”，ACES JOURNAL，VOL。 18，NO.3，2003年11月。
[7] Zeland Software，Inc.，IE3D用户手册，发行版12.0.Fremont，CA，USA。
[8] IE3D第12版，Zeland Corp.，Fremont，CA，USA。
[9] Matthew N. O. Sadiko，“电磁学中的数值技术”。纽约，美国，CRC出版社，2001年。
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