带有U型寄生单元的宽带微带贴片天线外文翻译资料

Wideband Microstrip Patch Antenna With U-Shaped Parasitic Elements

Sang-Hyuk Wi, Yong-Shik Lee, and Jong-Gwan Yook

Abstract A wideband U-shaped parasitic patch antenna is proposed. Two parasitic elements are incorporated into the radiating edges of a rectangular patch whose length and width are /2 and/4, respectively, in order to achieve wide bandwidth with relatively small size. Coupling between the main patch and U-shaped parasitic patches is realized by either horizontal or vertical gaps. These gaps are found to be the main factors of the wideband impedance matching. The proposed antenna is designed and fabricated on a small size ground plane (25 mmtimes;30 mm) for application of compact transceivers. The fabricated antenna on a FR4 substrate shows an impedance bandwidth of 27.3% (1.5 GHz) at 5.5 GHz center frequency. The measured radiation patterns are similar to those of a conventional patch antenna with slightly higher gains of 6.4 dB and 5.2 dB at each resonant frequency.

Index Terms—Parasitic patch antenna, U-shaped parasitic patches, wide bandwidth.

1 INTRODUCTION

Demand for compact and multifunctional wireless communication systems has spurred the development of multiband and wideband antennas with small size. Microstrip patch antennas are widely used in this regard as they offer compactness, a low profile, light weight, and economical efficiency. However, the microstrip patch antenna is limited by its narrow operating bandwidth.

There are numerous and well-known methods to increase the bandwidth of antennas, including increase of the substrate thickness [1], the use of a low dielectric substrate [1], the use of various impedance matching and feeding techniques [2], the use of multiple resonators[3]–[7], and the use of slot antenna geometry [8]. However, the bandwidth and the size of an antenna are generally mutually conflicting properties, that is, improvement of one of the characteristics normally results in degradation of the other.

Recently, several techniques have been proposed to enhance the bandwidth. In [9]–[11], utilizing the shorting pins or shorting walls on the unequal arms of a U-shaped patch, U-slot patch, or L-probe feed patch antennas, wideband and dual-band impedance bandwidth have been achieved with electrically small size.

In this work, a wideband microstrip patch antenna employing parasitic elements is investigated. Two U-shaped parasitic elements are incorporated along the radiating edges of a probe fed rectangular patch antenna so as to obtain wideband operating frequency. In addition, the antenna is relatively small in comparison with the conventional parasitic patch antenna described in [4], [5]. Performance of the proposed antenna is calculated and measured. The proposed antenna geometry is described in Section II. The fabricated antenna and experimental validations are presented in Section III.

Manuscript received August 2, 2006; revised October 11, 2006. This work was supported by the Ministry of Information and Communication (MIC), Korea, under the Information Technology Research Center (ITRC) support program supervised by the Institute of Information Technology Assessment (IITA-2005-C1090-0502-0012).

The authors are with the Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea (e-mail: wshnury@yonsei.ac.kr; jgyook@yonsei.ac.kr).

Digital Object Identifier 10.1109/TAP.2007.893427

Fig. 1. Geometry of the proposed microstrip patch antenna with U-shaped parasitic

elements.

2 ANTENNA DESIGN

Fig. 1 depicts the top and side views of the proposed antenna. The proposed antenna consists of a probe fed half-wavelength rectangular patch and two U-shaped parasitic elements incorporated around the radiating edges of the rectangular patch. In general, the length and width of the rectangular patch antenna are close to half-wavelength. However, the length (LR) and width (WR) of the main patch vary from the proposed design. In order to maintain the inherent resonant length with smaller size, WR is reduced to /2 and LR is defined as about /2, where is the guided wavelength. Probe feeding is accomplished by a vertical via hole through the substrate material.

The proposed antenna has two parasitic elements to obtain wide impedance bandwidth. Using the geometrical feature of the U-shaped patch, the size of the antenna can be miniaturized. Notable, although two parasitic patches are positioned in the proximity of the radiating edges of the main patch, all of the radiating and nonradiating edges of the main patch are surrounded by U-shaped parasitic elements. Electromagnetic coupling between the main patch and parasitic patches is realized across either horizontal (GH) or vertical gaps (GV ). In addition, the resonant length of the U-shaped patches can be controlled by adjusting its length (LU) and width (WU).

The proposed antenna is designed to operate in the 5 to 6 GHz region. The length and width of main patch are close to /2 and /2 at a center frequency of 5.5 GHz. The distance between bottom radiating edge of main patch and center of feed via is 0.084 _g and the total length of the U-shaped parasitic patch (d) is 1.05The geometrical parameters of the proposed antennas are WR = 5:8 mm, LR = 13:1 mm, WG = 25mm, LG = 30mm, WU = 18mm, LU = 8mm, GH = 0:7 mm, GV = 1:2 mm, and GU = 1:5 mm. An FR4 substrate, whose permittivity is 4.3 with a thickness (h) of 4mm, has been used in this work. The radius of the feed via is 0.4 mm and the length is same as the substrate thickness. The ground and substrate size of the proposed antenna is defi

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

带有U型寄生单元的宽带微带贴片天线

Sang-Hyuk Wi, Yong-Shik Lee, and Jong-Gwan Yook

摘要：本文提出一种含U型寄生单元的宽带微带贴片天线。两个寄生单元都分别合并进了长宽分别为lambda;g/2和lambda;g/4的长方形贴片的边缘，这样是为了获得宽频的同时实现小型化。主贴片和U型贴片之间相互耦合，是通过水平或垂直的缝隙实现的。而这些缝隙是实现宽带阻抗匹配的主要影响因素。提出的的天线设计制造组装在一块小尺寸的接地面上（25mmtimes;30mm），应用在小型无线电发射装置之中。这种安装在FR4介质基片的组装天线的阻抗频宽能达到中心频率5.5GHz赫兹的27.3%(1.5GHz)。测试的辐射方向图同传统贴片天线的类似，在两个谐振频率上的增益仅高出6.4dB和5.2dB。

关键词： 寄生贴片天线， U型寄生贴片， 宽频带。

一 前言

由于对体积紧凑和多功能的无线通信系统的需要，促使在制造多频和宽频的天线方面更倾向于尺寸更加小巧。微带贴片天线如今得到了广泛的应用，这是因为其紧凑，低剖面，高性价比并且重量更轻的特点。然而，这种微带贴片天线的应用却会因为其窄频特点有所限制。

存在很多众所周之的方法来提高天线的频带宽度，例如增加基层厚度［1］，使用较小介电常数的基片［1］，用各种不同的阻抗匹配和馈电技术［2］，使用多重谐振［3-7］，使用槽天线结构等等［8］。但是，天线的带宽和尺寸通常是相互矛盾的，也就是说，其中一个的改进往往将导致另一个的性能的变坏。

近来，不同的技术被提出来增加带宽。文献［9］-［11］中，使用短路针形成短路壁于U型贴片、U型槽贴片或L型探针馈电贴片天线的不等臂上，可以获得电小尺寸下的宽频和双频的阻抗带宽。

在这篇文章中，将对宽频微带贴片天线采用寄生单元进行分析。两个U型寄生单元安装在探针馈电的长方形贴片天线的辐射边缘，可以获得一个宽频的工作频率。另外，同文献［4，5］中描述的传统的寄生贴片相比，这种天线更加小巧。这种天线的特性给出了测量与计算结果。而这种天线的几何尺寸在第二部分有所描述。天线的制作和试验验证将在第三部分阐述。

二 天线设计

图1描绘了这种带有U型寄生单元的贴片宽带微带天线的俯视图和侧面图。该天线由一个半波长探针馈电的矩形贴片和嵌入在矩形贴片辐射边缘的两个U型寄生单元组成。一般来说，矩形贴片天线的长和宽都近似于半波长。然而，主贴片的长(LR)和宽(WR)不同于这种设计。为了保持和体积小相匹配的固有谐振长度，WR被削减至lambda;g/4以及LR被定义为lambda;g/2,此处lambda;g表示导波的波长。探针馈电由垂直通孔穿过基底材料完成。

图1.带有U型寄生单元的宽带微带贴片天线几何尺寸

该天线为了获得较宽的阻抗带宽具有两个U型寄生单元。利用U型贴片的几何特性，天线的尺寸得以小型化。明显的，尽管两个寄生的贴片被放在了主贴片辐射边缘的附近，主贴片的所有辐射和非辐射边缘都被U型寄生贴片包围着。我们可以观察到主贴片和寄生贴片间的电磁耦合存在于水平的(GH)或者垂直的(GV )间隙中。另外，U型贴片的谐振长度可以通过调整长度(LU)和宽度(WU)来进行控制。

该天线的设计是为了应用于5 到 6 GHz的频域范围。主贴片的长和宽在5.5GHZ中心频率附近接近lambda;g/2和lambda;g/4。主贴片的底部辐射边界和中心馈电点之间的距离是0.084lambda;g，与此同时U型寄生贴片的总长度为1.05lambda;g .于是该天线的几何参数为WR = 5.8 mm,LR = 13.1 mm, WG = 25mm, LG = 30mm, WU = 18mm, LU = 8mm, GH = 0.7 mm, GV = 1.2 mm, and GU = 1.5 mm。这次设计用到的一个FR4介质基底，它的介电常数为4.3，厚度为4mm。馈电通孔的半径为0.4mm,长度则和基底的厚度一样。为了小型无线电装置应用，天线地板和基底的大小为25 mmtimes;30 mm。

三 计算和测量

这种具有U型型寄生单元微带贴片天线的谐振特性通过Ansoft HFSS频域全波三维电磁仿真软件的预测和优化，并且利用向量网格分析和远场测量系统对加工的天线进行了测量。

图2 加工的天线的三维立体图

图2显示了基于FR4基底的加工天线的照片。图3比较了该天线计算和测量的回波损耗特性。谐波频率和相对带宽的具体值在表一中列出，这里fl和fh分别代表一次和二次谐波频率。计算的结果显示了相邻的谐波频率(5.32GHz和 6.11 GHz)，以及从4.84 GHz到 6.28 GHz(1.44 Ghz)的频带范围。在5.5GHz的带宽为26.2%。测量的带宽为1.5 GHz (4.78–6.28 GHz)，具有两个分别的谐振频率5.12GHz 和6.08 Ghz。测量的结果和预测的结果很好的吻合。图4表示了在不同谐振频率上电流的分布图。如图4（a)中表示的那样，主贴片非辐射边缘周围的电流振幅较强，在5.32GHz时寄生贴片的影响不明显。因此，主贴片的长度(LR)决定了低谐振频率。另外，图4（b)表示了主贴片和U型寄生单元在6.11GHz时间隙间强烈的电流漂移。它说明在高谐振频率的辐射主要取决于三块贴片间较强的电磁耦合。因此，水平和垂直间隙的宽度以及总的U型寄生单元的长度与宽带阻抗匹配直接相关。这说明了U型寄生贴片能够拓展带宽的原因。在一次和二次谐振频率归一化的辐射方向图的计算和测量数据在图5中绘制出来。这里“Co (C),” “Co (M),” “Cross (C),” 和 “Cross (M)”分别表示计算的共极化、测量的共极化、计算交叉极化和测量的交叉极化。如图5所示，这个设计的天线展示了在各自的谐振频率上E平面和H平面很好的宽面辐射方向图。由于主贴片上馈电位置的原因，我们可以看到E面的波峰向右轻微的移动，这表明它们在主贴片各辐射边缘的相位不同。

图3 计算和测量结果的比较

图4计算电流的分布：（a)5.32GHz;(b)6.11GHz

图5 计算和测量的辐射方向图：(a)在fl的E面，(b)在fl的H面, (c)在fh的E面, (d) 在fh的面

.

被测量的共极化方向图和计算的辐射方向图几乎一致，与此同时，由于测量中各种误差，例如，腔体的多路径问题，标准增益喇叭天线和测试天线间的位置误差，交叉极化的结果有一点高于计算结果。另外，正如图4（b)所示在fh点H面更高的交叉极化水平是由于U型寄生贴片上Y方向的电流漂移引起的。显而易见，这种天线的辐射特性和传统的贴片的辐射特性天线几乎一致。加工的天线测量的最大增益分别是在5.12GHz时对应6.4dB和在6.08GHz对应5.2dB.

四 结论

在这篇文章中，主要探讨的是一种新型的宽频带寄生贴片微带天线，为了达到宽频带的特性，U型寄生单元被嵌入到一个小型化主贴片的辐射边缘，同时通过两个寄生贴片与主贴片间的耦合而得到激励。我们可以通过调整主贴片与寄生贴片间水平或者垂直的间隙来达到阻抗带宽匹配的目的。包括寄生单元在内的辐射单元大小为18mm*17.6mm,设计的这个天线包括地板和基底在内的整体尺寸为25mm*30mm*4mm.测量的谐振频为5.12GHz和6.08GHz，带宽为1.5GHz（是中心频率5.5GHz的27.3%）。此外，加工的天线的辐射方向图在各自谐振频率上5dB增益时和那些传统的微带贴片天线几乎一样。通过这些结果，我们可以得出结论：加载到小型化主贴片辐射边缘的U型寄生贴片是实现一个具有有限基底和地板的宽频微带天线的有效方法。

新的双频双极化开槽微带天线的设计方法

WU Di, OH ISH I BA SH I H idekazu, SEO Kazuyuk i, I NA GA K IN aok i

摘要：提出了一种同时具有圆极化和线极化的双频新型开槽微带天线的设计方法。天线双频工作是通过分别在靠近方形微带天线的两个辐射边处各开一个平行的窄槽来实现的。在较低的谐振频率处圆极化的可以通过在天线辐射单元上适当地设置摄动元素，并将馈电点移到辐射单元的对角线上。一个设计天线的测试结果给出了该天线在两个谐振频率上具有很好的圆极化和线极化的天线性能。

关键词：双频；开槽微带天线；线性极化；圆极化

在雷达和通信系统中，经常需要双频工作。特别是在现代的移动全球定位系统中，通常要求双频之一为圆极化。因为平面天线在低成本、重量轻和稳定性方面的优点，已经被广泛研究并较好的应用于多频带系统中。早期的双频平面天线是多层栈式贴片结构，它的辐射单元习惯上为圆形、环形、矩形和三角形。最近，提出了一种双频天线，这种天线的结构是单层贴片，且有两个槽靠近辐射边缘，并且在两个谐振频率上既实现阻抗匹配又具有好的增益性能。然而，常规的研究仅仅针对线性极化的天线，拥有圆极化的双频天线却还没有被实现。

本文中，在双频线极化天线传统研究的基础上，我们提出一种设计双频天线的方法，可设计出同时具有圆极化和线性极化特性的双频天线。两个谐振频率取决于调节贴片单元、槽的大小以、及槽在天线单元上的位置。一个天线获得圆形极化的关键是满足激励圆形极化的条件，例如通过设置摄动元素⊿在贴片单元合适的位置上，并将馈点设置于对角轴线上，这样圆极化就可以被激励。我们已经用实验的方法在高低频率上获得了圆极化和线极化，并且将会展示一些关于天线输入端反射损失和辐射形式的实验性结果。

一 传统双频微带贴片天线的结构

图1显示了传统线极化双频天线的结构。通过在辐射边缘蚀刻两个紧密平行的槽，两个谐振频率就被表现了出来，并且较低的谐振频率取决于贴片单元轮廓的大小，而较高的谐振频率取决于在贴片单元内的两个槽的大小和位置。因为两个槽设计在辐射边缘很近，所以在TM10模式下，应该得到较小的摄动单元。对于无摄动单元的TM30模式来说，由于两个槽位于对电流很重要的位置，所以电流将会发生很大的变化，而且将会得到一个与TM10相似的有干扰的TM30辐射图。

我们的研究目的是获得一个具有圆极化和线极化的双频微带天线，这个天线具有如下特点：对于低频来说是圆极化的，对于高频来说是线极化的。对于一个端口反馈面积为S的正方形贴片天线来说，一种激励圆极化的方法就是：延长贴片单元平行边的长度，设置一个摄动单元⊿s，并且将馈点设置在对角线上。当选择了一个合适的摄动单元时，将会获得一个具有很好轴比的圆极化天线。

二 双频双极化开槽贴片天线的设计

在双频线极化天线的传统研究中，为确保在双频上都具有好的辐射效率，贴片两边的纵横比取值范围是

（1）

并且低频取决于

（2）

其中c为自由空间的光速，为有效的介电常数，通常

（3）

（4）

（5）

（6）

高频取决于

（7）

上述表达式中，参数W，L，t，w，d，l参阅图2，是基底的介电常数。然而，在本文研究中，为在低频端获得一个圆极化，贴片轮廓的纵横比将会改变，因此，上述公式将不会完全得到满足。

图2 双频天线的结构

我们提出了一种双频开槽双极化天线的设计方法，如下所述：

第一步 用传统方法设计符合要求的低频的方形贴片天线。

第二步 应用方程（7），刻蚀两个与辐射边缘很近的平行槽来实现双频工作。然而，由于两槽改变了TM10的电流分布，较低的谐振频率f10将会改变。

第三步 校正天线单元的大小来获得所想要的低频。

第四步 校正两槽的长宽来获得较高的谐振频率f30。

第五步 设置天线的摄动单元和馈点来获得在低谐振频率下的圆极化。

三 实验结果与讨论

我们用实验的方法设计了一个双频双极化贴片天线。图2展示了天线的结构，天线的详细说明如表1所示。在这个天线结构中，我们延长贴片天线的L边来来调节摄动元素，而将馈点设置在对角线上以便获得圆极化特性。

表1 具有双极化的双皮贴片天线的详细说明