接地面对改进矩形微带天线提高带宽和减小虚拟尺寸的影响

SyedaRafath Ara¹以及S. N. Mulgi博士²

印度卡纳塔克邦古尔巴加古尔巴加大学应用电子系研究生
印度卡纳塔克邦古尔巴加古尔巴加大学应用电子系教授

摘要

本文介绍了一种简单的矩形微带天线(RMSA)的设计，以实现宽频带和大幅度减小虚拟尺寸的目的。采用减小衬底面积的微带线进料对传统的RMSA进行了改进。改进后的RMSA提供3.71%的带宽，谐振频率为4.59 GHz。通过使用比改进的RMSA中使用的地平面小64.50%的地平面，该带宽增强到90.70%，虚拟尺寸减小了33.33%。如果地平面减小到74.50%，天线的最大虚拟尺寸减小了50%。在不改变矩形贴片的大小和宽带辐射特性的情况下，实现了带宽的增强和虚拟尺寸的减小。所提出的天线设计简单，可应用于无线局域网。

关键字

改进的矩形微带天线，单微带线馈电，带宽，虚拟尺寸减小，无线局域网。

介绍

当今的无线通信系统要求天线不仅带宽宽，而且结构简单、体积紧凑、易于与系统电路集成、增益稳定、辐射模式合适，以覆盖多种应用[1-6]。微带贴片天线是一种外形小、重量轻、成本低、易于安装和平面配置的器件。但主要缺点是带宽太窄。许多研究者都在努力克服带宽过窄的问题。文献中有多种技术可用于增加带宽，包括使用不同的补丁配置，在补丁上引入插槽，使用各种馈送技术，使用堆叠补丁[7-16]等。在目前的情况下，要求天线应该有宽的带宽和紧凑的尺寸。因为宽带天线对无线通信应用更有吸引力。传统印刷天线使用的大接地平面是主要的限制之一。在改进天线参数方面，地平面的变化是近年来倍受关注的问题。报道了改进的RMSA的几何结构和改变其接地面的效果，以实现带宽大、虚拟尺寸减小的目的。 This kind of study is found to be rare in the literature.

天线结构与设计

常规矩形微带天线(CRMSA)、改进矩形微带天线(MRMSA)和天线-1的几何形状分别如图1 - 3所示。这些天线位于X-Y平面。如图1所示，CRMSA由长度为“L”、宽度为“W”的矩形几何斑块组成，采用长度为“Lf”、宽度为“Wf”的微带线馈电。长度' Lt '和宽度' Wt '的四分之一波变压器用于贴片和50Ω微带线馈电之间匹配它们的阻抗。底部表面是全铜，这是一个接地平面。在图2中，通过使用单个微带线进料对CRMSA进行了改性，其衬底面积比用于构建CRMSA的衬底面积小25%。天线1的几何结构如图3所示。在这种情况下，图3(a)所示天线的顶面保持与图2相同，而图3(b)所示天线底面的铜层是变化的。

CRMSA总面积为8 × 8 cm²，MRMSA和antena -1为6 × 6厘米²．CRMSA设计用于3ghz，使用的是易于获得的改性玻璃环氧基板材料，厚度为0.16 cm，介电常数为4.2。图1、图2、图3各天线参数如表1所示。

结果与讨论

采用Ansoft高频结构仿真软件(HFSS)进行仿真。拟议的天线工作在1-5 GHz之间。图4和图5分别显示了CRMSA和MRMSA的回波损失随频率的变化。从图4可以看出，CRMSA的谐振频率为2.66 GHz，与设计频率3GHz非常接近。天线的谐振频率在2.60 ~ 2.71 GHz之间，带宽为3.67%。该天线的峰值增益为3.66 dB。从图5可以清楚地看出，MRMSA在4.59 GHz共振，提供了3.71%的带宽。谐振频率fr从设计频率3 GHz移到4.59 GHz是由于微带线馈电和贴片的耦合效应。

图6给出了Lg=2.13、1.93、1.73、1.53 cm时天线-1的回波损耗随频率的变化情况。从图中可以看出，当lg = 2.13 cm时，图5所示的MRMSA带宽增强到90.70%。将该天线回波损耗达到-10 dB时的最低截止频率与CRMSA天线的最低截止频率进行比较，发现该天线的虚拟尺寸减小了33.33%。这表明地平面的变化对提高天线带宽和实现天线的虚拟尺寸减小是非常有效的。该天线在工作波段的峰值增益为2.17 dB。

当地平面的尺寸变化为1.93、1.73和1.53 cm时，得到的虚拟尺寸减小、带宽和增益如表2所示。从表中可以看出，当地平面尺寸保持在1.53 cm时，最大虚拟尺寸减小了50%。然而，当Lg为1.73cm时，天线的增益最大(3.56 dB)，但在这种情况下，天线的带宽略小，为34.5%。因此，Lg是参数，可以改变来控制带宽、虚拟尺寸减小和天线增益。图7 (a)和(b)显示了带宽和虚拟尺寸减小随Lg值变化的变化情况。

研究了CRMSA、MRMSA和antena -1的辐射特性。图8 - 10所示为所设计天线在谐振频率下的典型E面和h面辐射图。从图8到13可以清楚地看到，图案是侧面的，并且是线性极化的。

因为当Lg=2.13 cm时，天线1的最大带宽为90.70%，虚拟尺寸减小了33.33%。其电流分布如图14所示。当Lg=1.53 cm时，天线-1的虚拟尺寸缩小了50%。其电流分布如图15所示。从这两幅图可以看出，电流主要集中在贴片的顶部和底部，中心密度很低，沿贴片边缘分布，表明带宽工作

结论

通过详细的研究发现，不需要对矩形贴片进行任何修改，就可以提高带宽和减小虚拟尺寸的效果。采用单微带线馈电对CRMSA进行了简化。本研究中使用的技术被发现更加简单和容易。与CRMSA相比，MRMSA的衬底面积减小了25%，具有3.71%的带宽。通过使用比MRMSA使用的地平面小64.5%的地平面，带宽增强到90.70%，虚拟尺寸减小了33.33%。使用比MRMSA地平面小74.5%的接地平面，可以获得50%的最大虚拟尺寸缩小。接地面的减小也使CRMSA的增益由2.17 dB提高到3.56 dB。带宽的增强、虚拟尺寸的减小和增益对宽带特性的性质影响不大。所提出的天线可在无线局域网中应用。

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