s型多波段微带贴片天线的比较分析

吉格尔·m·帕特尔¹苏比特·k·帕特尔²，法尔根·n·塔卡尔^3.

印度纳加尔理工学院欧洲经委会系讲师¹
印度昌阿CHUSAT CSPIT欧洲经委会系副教授²
帕特尔工程学院欧洲经济学系副教授。& Tech, V. V. Nagar，印度^3.

摘要

天线是任何无线通信中最重要的部件。本文重点研究了微带贴片天线的多波段应用。第一阶段对S型多波段微带贴片天线进行了仿真分析。本文对普通S型多波段微带贴片天线、采用互补分裂环谐振腔的缺陷地面结构S型多波段微带贴片天线和采用超材料的S型多波段微带贴片天线进行了对比分析。所提出的天线设计用于各种多种应用，如蓝牙、L和S波段应用，这些应用用于医疗应用和ISM应用，工作范围为1-5 GHz。本文分析了尺寸为50×50 mm2的s形弯曲斑块。文中给出了驻波比、回波损耗S11、总增益图和总方向性图的设计结果。利用高频结构模拟器(HFSS)对微波无源器件进行仿真，得到了设计结果。

关键字

微带，多带，s形，DGS, CSRR。

介绍

微带天线由于其重量轻、体积小、易于复制和与电路集成等优点，近年来得到了非常广泛的应用[1-10]。电子和无线通信的快速发展导致了对可以在不同标准下运行的无线设备的巨大需求，如通用移动通信系统UMTS、蓝牙、无线局域网(WLAN)和卫星通信。但是，频率转向能力表明，在不改变[11]的情况下，很难保持频率不变。此外，紧凑的小尺寸是一些应用如移动设备的需求因素。这两个需求引发了对紧凑和单波段或多波段天线[12]工作设计的研究。微带贴片天线以其外形小巧、重量轻、结构紧凑等优点得到了广泛的应用。然而，贴片天线有一个主要的缺点:带宽狭窄。研究人员已经做了很多努力来克服这个问题，并提出了许多配置来扩展带宽[13]。

微带贴片天线广泛应用于具有多波段天线操作的小型无线设备中。缩小微带贴片天线尺寸的技术被广泛报道，包括电容加载[1]，LC谐振器[2]，曲流配置[9,10];然而，这些技术通常以牺牲天线带宽或天线效率为代价来实现天线尺寸的减小。利用超材料制作多波段微带贴片天线的不同技术已经被发表，例如在衬底[15]中加入SRR元件以减小贴片天线的尺寸。在工作频带的数量和天线尺寸之间有一个权衡。可重构天线代表了天线设计的最新创新，它从经典的固定形式、固定功能天线转变为可调整结构，以适应时变系统的要求。微波半导体技术的进步使得紧凑、超高质量的射频和微波开关在天线设计的新方面得以使用。

设计并仿真了s形贴片天线[16]，该天线只提供三个频段。为了增强频段，本设计采用了带互补裂环谐振器的缺陷接地结构(CSRR)。

最近有一种缺陷地结构(DGS)[17]被介绍，DGS是通过在地平面上蚀刻一个简单的形状来实现的，根据缺陷的形状和尺寸，干扰地平面中的屏蔽电流分布，从而产生可控的电磁波激励和传播通过衬底层。缺陷的形状可以由简单形状改变为复杂形状，以获得更好的性能。

互补型裂环谐振腔(CSRR)，即裂环谐振腔(SRR)[16]的负像，已被一些作者报道。研究表明，在平面传输介质的接地面或导体带中蚀刻的CSRR对结构具有负的有效介电常数。该方法已成功应用于窄带滤波器和尺寸紧凑的双工器中。

超材料是近年来作为基板的人工材料之一。它有两个参数:介电常数和渗透率。当材料参数均为负实部时，双负(DNG)介质可以支持波的传播，并表现出负折射的特殊现象，而单负(SNG)参数的介质，如等离子体介质支持倏逝波。

天线设计

本节，我们将介绍我们的天线的设计。首先设计了常规的贴片长度和宽度。在设计完补丁后，我们从补丁上取下了两个狭缝，使其成为s型补丁。基本长度和宽度是用下列公式设计的。

贴片宽度可由式(1)设计，其中f0为中心频率，εr为相对介电常数，c为光速。

贴片长度可由式(1-5)设计。这里是衬底的厚度。利用这些方程设计了常规补片的长度和宽度。

在这里，我们设计了正方形补丁，长度和宽度相同，它是50毫米，所以一个正方形补丁是50×50 mm2，如图1所示。我们从补片上取下两条缝，使补片呈s形，改善效果如图所示。取出的狭缝尺寸为30×10mm2。设计的俯视图和侧视图分别如图1(a)和1(b)所示。

表1显示了材料的详细信息。贴片为铜质材料。基材为FR4环氧材料，ε=4.4。基材也是铜。

仿真结果与讨论

我们使用Ansoft的HFSS 11进行仿真，这是一个非常好的射频天线模拟器。经过仿真设计，得到的结果如下。

图2为设计的Return Loss (S11)图，表2为不同频带及频率下的Return Loss (S11)值，单位为dB。对于以2.47 GHz为中心的第二频段，我们得到的最小回波损耗为-38 dB。

图3为设计的电压驻波比(VSWR)图，表3为不同频带随频率的驻波比值。整个频段的驻波比小于2，设计中以2.47 GHz为中心的第二频段的驻波比最低为1.02。

简单S型多带微带贴片天线、采用互补分裂环谐振腔的缺陷地面结构S型多带微带贴片天线和采用超材料的S型多带微带贴片天线的对比分析如表4所示。

结论

微带天线已经成为一个快速发展的研究领域。由于重量轻、体积小、易于制造，它们的潜在应用是无限的。通过对比分析，采用CSRR的DGS s型微带贴片天线和采用超材料的s型微带贴片天线比提出的简单s型微带贴片天线提供了更多的频带。在2.5 GHz的中心频率下进行建模和迭代仿真。结果表明该天线具有多波段特性，可用于L波段和S波段。进一步的设计可以修改为具有多波段的其他应用在C波段，X波段和其他波段。它还可用于L和S波段应用，如医疗应用、蓝牙应用和ISM应用。与迄今为止为类似应用设计的其他天线相比，该结果与行业和标准公布的天线要求在易于制造、紧凑和体积小型化方面非常一致。

表格一览


表1	表2	表3	表4

数字一览


图1一个	图1 b	图2	图3

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