用于双波段工作的孔径耦合矩形微带天线的设计与开发

Dr.B。Suryakanth¹,博士。n Mulgi²

Bheemanna Khandre理工学院电子与通信工程系，印度卡纳塔克邦巴尔基585328
古尔巴加大学应用电子学P.G.研究与研究系，印度卡纳塔克邦古尔巴加585 106

摘要

本文介绍了采用孔径耦合馈电技术实现矩形微带天线双频工作的实验研究。该天线在11.36 GHz和14.26 GHz两个谐振频率下谐振，最小回波损耗分别为-22.97 dB和-22.24 dB。天线工作在BW2和BW3两个波段。这两个波段是由于贴片和双u槽通过h耦合孔径激发而产生的独立共振。矩形贴片的基共振频率f1较低。第二共振频率f2是由孔径耦合双u槽矩形微带天线(ADUSRMSA)的双u槽边缘电流产生的。BW2和BW3的阻抗带宽分别为23.87%和21.68%。该技术还将增益提高到6.31 dB，是传统矩形微带天线(CRMA)增益的1.19倍，并将交叉极功率水平降低到共极功率水平的-10.14 dB。带宽的提高、增益的提高和跨极功率水平的降低并不影响横向辐射的性质

关键字

微带，双带，孔径耦合，插槽

介绍

微带天线由于其具有重量轻、体积小、易于制造和成本低等优点，近年来得到了广泛的应用。然而，msa的两个主要缺点是低增益和窄带宽。传统的msa的典型带宽接近2 - 5%[1-2]，这限制了它们的许多实用应用。文献中报道了大量关于提高带宽[3- 6]和增益[7-8]的研究。进一步在现代通信系统中，如卫星链路或雷达通信，双波段msa更引人注目，因为它们避免使用两个单独的天线进行发射/接收应用。双波段天线的实现方法主要有:在贴片[9]上使用短引脚、孔径耦合并联谐振器[10]、被动加载贴片[11]等。本文利用孔径耦合馈电技术实现了增强型双频天线。此外，该天线还通过在贴片上设置双u型槽并通过孔径耦合技术馈电，实现了增益的增强和交叉极功率的降低。带宽的提高、增益的增加和跨极功率电平的降低并不影响横向辐射特性的性质

天线几何形状的描述

天线的设计采用AutoCAD软件，采用低成本的环氧玻璃基板材料制作，厚度h=1.6 mm，介电常数r=4.2。CRMA是利用文献[1]中提供的方程设计的。图1显示了CRMA的几何结构，它是为9.4 GHz的谐振频率而设计的。天线采用微带线馈电。之所以选择这种馈电，是因为它简单，而且可以与天线元件同时制造。图1为一个长度为L，宽度为W的辐射贴片，贴片与长度为Lf，宽度为Wf的50微带线馈电之间使用长度为Lt，宽度为Wt的四分之一波变压器。在微带线馈电的尖端，一个50同轴SMA连接器用于馈电微波功率。

图2显示了ADUSRMSA的几何结构。辐射元件蚀刻在衬底S1的上表面，如图2 (a)所示，外u槽的长度Lu1为λ0/5.26，宽度Wu1为λ0/21.27。内u槽的长度Lu2和宽度Wu2分别为λ0/11.02和λ0/15.45。外u槽放置在与贴片非辐射边缘的距离d1 (λ0/31.91)处。将内u型槽放置在距贴片下水平侧d2为λ0/15.49的位置。内u槽的伸出臂为EU。两臂之间的间隙为g，去除S1底面的铜层。h -耦合孔蚀刻在衬底S2的上表面，即接地面，如图2 (b)所示。

耦合h槽的几何形状如图3所示。选择该孔径是因为与任何其他孔径[12]相比，它更有效地将功率耦合到S1上表面蚀刻的贴片上。h槽内各水平臂长度为L1，宽度为W1。如图3所示，该槽垂直臂的长度为L2，宽度为W2。表1和表2给出了天线的设计参数，单位为mm。

实验结果

CRMA的设计和制造频率为9.4 GHz，这是x波段的标准或测试频率。在8到12 GHz频率范围内测量的阻抗带宽/回波损耗小于−10 dB。CRMA回波损失随频率的变化如图4所示。

从图中可以看出，天线谐振频率为9.11 GHz，最小回波损耗为−16.79 dB。由式(1)计算CRMA的阻抗带宽(BW1)为4.40%。

式中fH、fL分别为回波损耗为-10dB时波段的上、下截止频率，fc为fH与fL之间的中心频率。图2中ADUSRMSA的回波损失随频率的变化如图5所示。从图中可以看出，天线在f1=11.36 GHz和f2=14.26 GHz两种频率模式下谐振，回波损耗最小分别为-22.97 dB和-22.24 dB。天线工作于BW2和BW3两个波段。这两个波段是由于贴片和双u槽通过h耦合孔径[12]激发而产生的独立共振。矩形贴片的基共振频率f1较低。第二谐振频率f2是由于电流沿ADUSRMSA的双u槽的边缘。阻抗带宽BW2和BW3分别为23.87%和21.68%。

测量了CRMA在其工作波段的共极辐射和跨极辐射图。在9.11 GHz测得的典型辐射图如图6所示。从图中可以看出，图案是宽边的，并且是线性偏振的。由图6测得的半功率束宽度(HPBW)为760。跨极功率电平比共极功率电平降低−10.14 dB。相对于共极功率水平，交叉极功率水平通常低10分贝或更低，通常表明辐射的侧面性质。CRMA的增益为5.26 dB。

在11.36 GHz测得的ADUSRMSA的典型共极和跨极辐射图如图7所示。从图中可以看出，图案是宽边的，并且是线性偏振的。

由图7测得的HPBW为68.760。跨极功率电平比共极功率电平降低−10.14 dB。ADUSRMSA的增益为6.31 dB，是CRMA增益的1.19倍。该天线在VNA上测量的输入阻抗变化如图8所示。从图中可以看出，在f1和f2两个谐振频率下，输入阻抗非常接近50 Ω的特性阻抗。这显示了一个优秀的阻抗匹配。围绕史密斯图中心的环表示天线的宽带性质。

结论

通过详细的实验研究表明，采用孔径耦合技术可以有效地实现双波段工作，提高CRMA的阻抗带宽。BW2和BW3的阻抗带宽分别为23.87%和21.68%。该技术还将增益提高到6.31 dB，是CRMA增益的1.19倍，并将跨极功率电平降低到与共极功率电平相比的-10.14 dB。带宽的提高、增益的增加和跨极功率电平的降低并不影响横向辐射特性的性质。所提出的天线设计和制造简单，采用低成本的基板材料。这些天线可应用于X和Ku波段的通信系统。

确认

作者要感谢新德里印度政府科技部(DST)在拳头项目下批准该部门使用矢量网络分析仪。

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