s波应用的微带天线的分析和设计外文翻译资料

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s波应用的微带天线的分析和设计

A.Anisha*, SharminiEnoch

电子与通信工程系

NoorulIslam高等教育中心，Kumaracoil629180，印度

电子邮件ID：anishasree14@gmail.com

摘要:本研究分析了2.4GHz应用中微带馈电矩形贴片天线的辐射特性。微带天线由一对由1.5毫米电介质材料隔开的导电层组成。RTDuroid5880用作电介质基片，介电常数为2.2。低介电常数基片对于获得所需方向的最大电磁辐射至关重要。对这一领域的研究表明，难以实现高增益（gt;2dB），宽阻抗带宽和高辐射效率。所提出的天线在2.386-2.414GHz频带内产生了大于7.7dB的增益。使用基于有限元法（FEM）的电磁求解器HFSS进行仿真。

关键词:微带天线，贴片天线，高增益，窄阻抗带宽，微带馈电

Ⅰ简介

微带天线一直是天线理论和设计中最为引人注目的技术之一，近年来，它在微波系统，如雷达，移动通信，室内通信等广泛领域的应用受到了越来越多的关注。[1]由于其重量轻，制造成本低和外形小等优点而被广泛使用。而且，微带天线的另一个主要优点是它们可以符合任意曲面。然而，它的主要缺点是窄带宽（lt;5％）和低增益（le;2dB）[2]在微带天线中，边缘磁场是电磁辐射的主要来源。边缘的量是贴片的尺寸和介质基片高度的函数。考虑到边缘和波的传播，引入了有效的介电常数和有效长度[3]电磁带隙（EBG）结构及其在天线中的应用已成为天线工程中的一个新的研究方向。有人建议抑制天线接地层中的表面波，并在矩形波导中实现均匀的场分布[4]I形左手材料加载贴片天线用于抑制表面波[5]完全匹配层（PML）通常用作损耗介质层。这种效应极大地增强了波的共振强度，并且改善了这种结构中电磁能的局部强度[6]光子带隙（PBG）的产生主要用于减少介质基片中磁场的堆积，提高了边缘场的强度。这反过来又降低了介电常数和介电材料的折射率[7]较低的介电常数基片对于最大的辐射是必要的。微带的贴片天线可用于设计低频率到光学频率。微带天线的设计中使用的基板数量范围在2.2到20之间。由于电场密集，高介电材料通常用于设计微波集成的基板。

在本论文中，针对s波段应用，研究了微带天线的性能。以下部分内容如下。在第2节中，微带天线的设计及其方程。在第3节中，对设计的贴片天线的结果进行了研究和讨论。最后在第4节中作出结论。

Ⅱ微带天线

微带贴片天线设计在RTDuroid5880电介质基片材料上，如图1所示。RTDuroid5880基板的相对介电常数为2.2。基板尺寸为101.37mmtimes;109.41mm，厚度为1.57mm。贴片的尺寸为41.37mmtimes;49.41mm，厚度为0.07mm。微带馈线长度和宽度（L1times;L2times;W1times;W2）为14.35mmtimes;15.65mmtimes;3.75mmtimes;13mm。基于有限元法（FEM）的电磁求解器Ansys-HFSS被用来模拟这两种微带天线。高频率结构模拟器（HFSS）用于设计微波应用的天线、微波集成电路、滤波器、电磁超材料和光子带隙（PBG）结构。通过使用这种电磁模拟器，所提出的贴片天线被设计为在S带区域共振。在2.386-2.414GHz频带内分析了天线的阻抗和辐射性能，如阻抗带宽（-10dB），辐射效率，方向性和增益。所提出的天线设计的AnsysHFSS布局如图2所示。天线设计的AnsysHFSS布局仿真设置如图3所示。

图1微带天线

图2所提出的天线设计的AnsysHFSS

矩形微带贴片天线的谐振频率由下式给出

fr是谐振频率，L是贴片的长度，c是光速，εeff是有效介电常数，Delta;L是贴片长度的延伸。

矩形贴片的宽度（W），长度（L），长度延伸（Delta;L）和有效介电常数（εeff）

其中εr是基片材料的相对介电常数。

（其中εr是衬底的相对介电常数）

图3Ansys针对天线设计的仿真设置HFSS布局

Ⅲ结果与讨论

通过使用HFSS，微带馈电矩形贴片天线被设计为在2.4GHz频率上产生共振。在2.386-2.414GHz频带内分析了天线的阻抗带宽（-10dB）、辐射效率和增益等阻抗和辐射性能。

回波损耗与驻波比（SWR）和反射系数（Gamma;）都有关。降低回波损耗对应于较低的SWR，回波损耗是衡量设备或线路匹配程度的一个指标。如果回波损耗很低，那么匹配是很好。低回波损耗是可取的，它会降低插入损耗。

从图4可以看出，在f=2.4GHz时，微带天线的回波损耗为-34.21dB，阻抗带宽为1.17％。

从图5可以看出，天线的辐射效率在2.386-2.414GH频带内大于91％，在2.414GHz时达到了91.79％的峰值。

图4回波损耗(S11)

图5辐射效率

图6天线增益

微带天线的增益如图6所示。天线的峰值增益在2.386GHz时为7.86dB，在工作频段内天线增益大于7.7dB。图7显示了天线的三维辐射模式图。

图7天线的三维辐射模式图

Ⅳ结论

微带天线是为在s波段区域操作而设计的，所提出的天线的辐射性能在工作频带中分析了辐射效率、方向性和增益。通过HFSS模拟器模拟了天线的辐射特性。天线在2.386GHz达到了1.17％的阻抗带宽和7.86dB的增益，在2.414GHz处实现了91.79％的辐射效率。这种设计在2.386-2.414GHz频段实现了更好的辐射特性。

参考文献

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