关键字 |
| 同轴探头馈电，缺陷接地结构，微带天线，u槽天线，宽带。 |
介绍 |
| 如今，通信在全球社会中扮演着重要的角色，通信系统正迅速从有线向无线转变。通信可以广义地定义为信息从一点到另一点的传递。当信息要远距离传递时，通常需要通信系统。通信系统内的信息传递通常是通过将信息信号叠加到高频载波上形成电磁波来实现的。在需要的目的地接收调制后的信号，通过解调恢复原始信息信号。多年来，利用在无线电频率和微波频率下工作的电磁载波，已经开发出了这一过程的技术。点对点通信给天线带来了至关重要的责任，因为它们有望在这些设备之间提供无线传输，除了能够表明良好的信噪比和抗噪声能力外，微波链路中的天线将具有紧凑的结构和易于安装在各种设备上的结构。在高性能点对点应用中，尺寸、重量、成本、性能和易安装性都是非常需要的，微带天线是首选。它们是目前电信行业中增长最快的部分之一。从早期开始，世界范围内就开展了大量旨在开发高效天线的活动。 The patch antennas have been used in various fields such as mobile communication, radar, GPS system, Bluetooth, space technology, aircraft, missiles, satellite communication etc. Narrow bandwidth and low gain are two major disadvantages that limit the applications of microstrip antennas. Thus, the size reduction with gain and bandwidth enhancement has become a major consideration in the microstrip patch antennas. Several techniques have been suggested to improve the bandwidth and gain of microstrip antenna, which include cutting slot in patch, making use of Defected Ground Structure (DGS).In literature survey Kakkar S. In 2013 designed a u slot Antenna with Fractal Shaped DGS for Emergency Management Application in which various characteristics and antenna parameters were observed using HFSS simulator problem formulated here as a low gain and small bandwidth which is improved by this designed microstrip patch antenna. |
天线设计 |
| 由于微带贴片天线有几个缺点，因此可以使用分形几何、DGS和贴片槽切割等不同的技术来克服它们。在贴片侧面开槽，以获得更好的特性;在(9、11、0)处采用同轴馈电对长度为30 mm的初始贴片进行分析。采用FR-4作为衬底，介电常数为4.4，损耗正切为0.02。修改设计，制作u型槽，使其与参考天线相似。由于微带天线有一定的缺点，因此将使用这种技术。天线尺寸如表1所示。 |
| 在此设计配置中，采用尺寸为30毫米的方形贴片。接地面尺寸为50mm。第0次迭代的设计如图1所示。馈电也可用微带线但同轴;为了获得更好的阻抗匹配，采用了馈电。 |
| 在设计基本配置后，还可以得到简单的u槽，以获得更好的特性。在参考天线的情况下，有一个尺寸为32x30 mm2的补丁。代替设计与天线相同尺寸的天线，在30mm大小的贴片上开一个u型槽。U型槽位贴片切割长度为6mm，宽度为2mm。两个直臂围绕着它，尺寸为1x8mm2。这种组合形成u槽补丁。通过u槽对贴片特性进行改进。该天线在馈电点(13,0,0)采用同轴馈电。与之对应的几何图形如图2所示。 |
| 接地面尺寸为50mm, FR-4厚度为2mm。四肢尺寸不变，如图2所示，不同的是u槽数量从1个增加到4个，如图3所示。 |
| 除了同轴馈电技术外，还可以采用微带线馈电技术。研究发现，通过增加天线的DGS性能，可以在地平面上切割任意形状的DGS。通过对天线施加不同的DGS，提高了天线的性能。本文应用了不同分形几何迭代的效果，但可以通过改变进给点、基材厚度、DGS和进给技术进行参数化分析。本文采用了加型DGS。加号天线由两根杆组成，一根在水平方向，另一根在垂直方向。这两个尺寸是长20mm，宽1mm，长1mm，宽20mm。天线的馈电在(13,0,0)处。根据上述尺寸，微带贴片天线的上下视图如图4(a)和图4(b)所示。 |
| 除此之外，还可以应用两种不同的DGS配置。一种可以应用的配置是利用哑铃形状的DGS来设计天线。哑铃形DGS的几何形状如图4所示。 |
结果与讨论 |
| 形成四个U形结构的环形几何形状。图5显示了不同设计的回波损耗与频率的关系。从这些特性可以看出，随着切割次数的增加，天线的特性得到改善。第0次迭代显示方形贴片天线。在第一次迭代中，天线采用u形槽切成贴片，4个u形槽切成贴片时，天线性能最佳。这些u槽引起电感和电容的变化，从而引起特性的变化。 |
| 天线的不同特性用不同颜色的线表示，如图4所示。同轴馈电的方形贴片谐振频率为5.3 GHz，回波损耗为-16.5 dB，增益为1.77 dBi，带宽为30 MHz。单u槽贴片使天线回波损耗增加，但其余特性略有改善。启动天线谐振频率为5.3 Ghz，回波损耗为-11.20，增益为3.23 dBi，带宽为50 MHz。通过应用几何结构，其中四个u槽被切断，天线在四个波段共振。结果表明，通过减少槽数，天线的特性得到改善，该天线的谐振频率分别为4.6 GHz、6.7 GHz和8.6 GHz，回波损耗分别为-13.7 dB、-30.7 dB和-14.30 dB。该天线具有1.38 dBi、3.32 dBi和2.34 dBi的良好增益。随着切割次数的增加，天线的带宽有所提高，该天线在4.6 GHz, 6.7 GHz和8.6 GHz的带宽分别为150 MHz, 1200 MHz和250 MHz。 |
| 该天线为高指向性天线，方向性大。图6(a)、6(b)和6(c)显示了天线在4.6 GHz、6.7 GHz和8.6 GHz不同频率下的辐射方向图。 |
| 表2为图1、图2、图3所示矩形贴片上不同u型槽切割设计形成4个u型槽天线的对比结果。当发射机通过馈线连接到天线时，馈线和天线的阻抗必须完全匹配，以便从馈线到天线的最大能量传输。但是，当天线和馈线阻抗不匹配时，部分电能不能从馈线传递到天线。结果按天线参数进行分析，如表3所示。 |
| 从回波损耗、增益、指向性和带宽等方面对结果进行了分析。将DGS应用于天线后，天线在回波损耗、增益和带宽方面的特性得到改善，如图7所示。 |
| 在不应用DGS天线的情况下，该天线谐振频率分别为4.6 GHz、6.7 GHz和8.6 GHz，回波损耗分别为-13.7 dB、-30.7 dB和-14.30 dB。该天线具有1.38 dBi、3.32 dBi和2.34 dBi的良好增益。随着切割次数的增加，天线的带宽有所提高，该天线的带宽为150 MHz, 1200 MHz和250 MHz。通过比较三种不同的DGS配置来分析结果，如表3所示。通过改变馈电点，可以比较其特性，也可以采用微带线馈电，得到较好的效果。 |
| 图8 (a)、8 (b)和8 (c)显示了对应于4.6 GHz、6.7 GHz和8.9 GHz不同谐振频率的进一步辐射图。 |
结论 |
| 4u槽位天线是通过贴片制作4个U槽得到的。首先取简单的贴片天线，并逐一切割4个u槽进行效果分析。初步设计了单u形天线，并取得了效果。本设计通过切割4个u型槽进行修改，形成u型槽环形结构。进行了参数分析。发现不加DGS时，天线带宽较小，通过切割4个u型槽形成u型槽环形结构，对设计进行了改进。将DGS应用于天线，进一步改善了天线的特性。采用正形DGS，天线谐振频率分别为4.6 GHz、6.7 GHz和8.9 GHz，回波损耗分别为-23.66、-30.80和-12.80 dB，增益分别为1.37 dBi、3.37 dBi和1.78 dBi，带宽分别为300 MHz、1300 MHz和300 MHz。该天线可用于C波段，WLAN，国防和安全通信以及IMT波段的不同应用。 |
表格一览 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- Kakkar S.， Priyadarshini和RaniS。，“New Antenna with Fractal Shaped DGS for Emergency Management Applications”, International Journalof Advanced Research in Computer Science and Software Engineering,Vol. 3, Issue 3, pp 721-724, 2013.
- 李建军，李建军，“不同进料方式下的性能分析”，中国机械工程学报，第3卷，第3期，pp 884-890, 2013。
- 李建军，张建军，张建军，“基于多波段天线的无线通信技术研究”，通信学报，Vol. 11, pp 1096-1099, 2012。
- 曹茂勇，郝建军，郭银静，孙旭宝，“改进带宽的矩形缝隙天线”，国际电子与通信学报，Vol. 66, pp 465-466, 2012。
- 王朝富，陈一凯，“基于特性模式的圆极化u型槽和e型贴片天线的改进”，天线与无线传播，Vol. 11, pp. 1474-1477,2012。
- 陈志强，陈志强，“WiMAX应用中双u槽微带贴片天线阵列的增益增强”，通信与信号处理国际会议论文集，2012,pp. 141- 144,2012。
- 王志强，王志强，“一种新型频率响应可控的双宽带单极微带贴片天线”，《天线与无线通信》，Vol.11, pp. 289-292, 2012。
- 戴阳，刘文忠，吴朝明，“基于缺陷接地结构的三频微带馈电单极天线的设计”，天线与传播学报，Vol. 59, No. 7, pp . 2457-2463, 2011。
- 杨建军，杨建军，张建军，“基于双频段工作的微带贴片天线”，电磁学报，Vol. 19, pp 147-160, 2011。
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- 张建军，张建军，张建军，张建军，“微带天线天线结构的研究进展”，电子工程学报，第1期，第4 -6页，2010。
- 王志强，“u型微带贴片天线在超宽带应用中的应用”，微波学报，Vol. 4,pp。938 - 946年,2010年。
- 李启芳，陆桂民，杨淑玲，“u型槽贴片天线”，《天线与传播》，第52卷，第71- 88,2010。
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