狭缝矩形微带天线的设计与开发

M. Veereshappa博士
印度卡纳塔克邦莱彻尔L.V.D.学院电子系副教授

摘要

提出了一种具有缺口带特性的狭缝矩形微带天线的设计与开发。在辐射贴片的垂直边缘上放置两个矩形槽，提供不同的表面电流路径，从而产生六种谐振模式。两个槽与补片的非辐射边缘保持0.2 cm的距离。天线的增益为2.77 dB，带宽提高了4.81%。进一步对天线进行了改进，通过增加狭缝宽度，给出了7种谐振模式，使BW7频段带宽提高了11.58%，峰值增益为3.56 dB。该天线还可以抑制BW7和BW8之间的WLAN频率干扰。两种天线均表现出宽侧辐射特性。该天线可应用于微波通信系统。

关键字

微带天线，插槽，hepta波段，宽边。

介绍

微带天线以其外形小、重量轻、体积小、设计简单、成本低、平面结构、易于制造和可操作多个频带的优点在现代微波通信系统中得到越来越多的应用，因为每个频带都可以独立地用于发射接收应用。带缺口带的多波段操作是一个额外的优势，msa是满足这些要求的更好选择。报道了双、三四、多波段微带天线[3-8]、缺口波段天线的设计与开发[9-12]等。本研究通过在辐射贴片上加载矩形槽，设计并研制了常规矩形微带天线。这种改进不影响宽边辐射特性。

天线几何设计

该天线采用文献[2]中传统矩形微带天线的设计公式，设计频率为3ghz。利用计算机软件Auto-CAD绘制了天线的工艺图，采用光刻工艺在低成本的厚度h = 0.16 cm、介电常数r = 4.4的fr4 -环氧基材料上制作而成。图1为常规矩形微带天线(CRMSA)。图1中衬底面积为L * W cm。矩形斑块的长度为Lp，宽度为Wp。馈电装置由长Lt、宽Wt的四分之一波变压器组成，在贴片馈电和长Lf、宽Wf的微带线馈电之间形成匹配网络。在微带线馈电的尖端使用半微型A (SMA)连接器，用于馈电微波功率。所述辐射片的底面上设置有与所述衬底相同面积的接地面。

在图2中，在贴片的垂直边缘(SRMSA)上放置矩形槽，提供不同的表面电流路径，从而产生五种谐振模式。槽位的长度为Ls，宽度为w，矩形槽位与辐射片边缘保持0.2 cm的距离。图2的其他几何形状与图1相同。在保持其他几何形状不变的情况下，通过将槽宽度从0.41 cm增加到0.65 cm，进一步对SRMSA进行了修改。拟天线的设计参数如表1所示。

实验结果与讨论

在矢量网络分析仪(德国罗德与施瓦茨公司ZVK型号1127.8651)上对天线带宽超过回波损耗小于- 10db进行了实验测试。CRMSA的回波损耗随频率的变化如图3所示。从图中可以看出，天线的谐振频率为2.92 GHz，非常接近设计频率3 GHz。实验带宽(BW)用下列公式以百分比计算:

式中，f1和f2分别为回波损耗达到- 10 dB时频带频率的下切和上切，fc为工作频带的中心频率。CRMSA的阻抗带宽为2.40%。

SRMSA的回波损失随频率的变化如图4所示。从图中可以看出，天线工作在BW1和BW5频率的五个波段。BW1和BW5的工作频带分别为66 MHz(2.29%)、90 MHz(1.82%)、250 MHz(4.41%)、330 MHz(4.81%)和370 MHz(4.265%)。因此，通过在SRMSA中使用两个并行插槽，BW5的带宽提高了1.77%。这些增强是由于槽与贴片同时共振。该天线显示有用的单缺口频段，即BW2和BW3之间的4.97至5.54 GHz，这是WLAN频率范围的干扰。

图5为Ws = 0.65 cm时SRMSA回波损失随频率的变化情况。从图中可以看出，天线工作在BW6 t到BW12频率的7个波段，谐振模式分别为f6到f12。在BW5和BW7处测得的工作频带的幅值分别为120 MHz(4.22%)、130 MHz(2.70%)、710 MHz(12.55%)、240 MHz(3.53%)、300 MHz(4.12%)、830 MHz(9.20%)和1.32 GHz(11.58%)。因此，通过增加SRMSA中两个平行槽的宽度，天线谐振七个波段而不是五个波段，同时也增加了所有波段的带宽，在BW8中发现的最高带宽是CRMSA的5.23倍，是图2中SRMSA的2.61倍。天线还保留了有用的单缺口频段，即BW7和BW8之间的4.87 - 5.30 GHz，这是WLAN频率范围的干扰。

采用绝对增益法测量天线的增益。分别测量了锥角天线发射‘Pt’的功率和被测天线(AUT)接收‘Pr’的功率。利用这些实验数据，用公式计算AUT的增益(G) dB，

式中Gt为锥形喇叭天线的增益，R为发射天线与AUT之间的距离。由式(2)可知，在CRMSA、SRMSA、Ws = 0.41和Ws = 0.65的工作波段实测的峰值增益分别为0.90 dB、2.77 dB和3.56 dB。

在2.92 GHz、2.89 GHz和2.87 GHz测得的CRMSA、Ws = 0.41 GHz时的SRMSA和Ws = 0.65 GHz时的SRMSA的共极和跨极辐射图分别如图6至图8所示。所得到的图案本质上是宽边的。

结论

通过详细的实验研究可知，采用常规矩形微带天线实现Ws = 0.65时的SRMSA可实现hepta波段操作，阻抗带宽提高11.58%，较CRMSA提高4.825倍，较Ws = 0.41时的SRMSA提高2.4倍，峰值增益3.56 dB。该天线还能够抑制BW7和BW8之间的WLAN频率范围(即4.87至5.30 GHz)的干扰，并具有宽侧辐射特性。该天线结构简单，采用低成本的FR4衬底材料。这些天线可应用于微波通信系统。

确认

作者要感谢印度政府，教资会。新德里，批准了小型研究项目。作者也要感谢古尔巴加大学应用电子系主席，古尔巴加和航空发展机构(ADE)， DRDO班加罗尔当局提供他们的实验室设施，在矢量网络分析仪上进行天线测量。

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