关键字 |
| 微带天线，单极子，槽，全向，寄生带 |
介绍 |
| 在微波通信系统中，单极微带天线因其体积小、设计简单、成本低和能够工作多个频带而受到欢迎。单极微带天线具有外形薄、重量轻、成本低、平面结构、易于制造等优点，是满足这些要求的较好选择。文献中已经报道了许多单极微带天线的研究，如寄生平面单元用于带宽增强1至9 GHz[3]，带阻天线用于UWB[4]，带短寄生单元微带馈电单极天线用于宽带覆盖蓝牙/ISM, 2.5 GHz WiMAX, 3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WALAN[5]，三波段cpw馈电微带天线用于WLAN和WiMAX [6]，用于WLAN和WiMAX的新型三频带cpw馈电单极天线[7]、用于带宽增强的开槽矩形微针天线[8]、用于带宽增强的带旋转矩形贴片的开放l槽天线[9]等。但针对HIPERLAN/2和UWB操作的寄生单极微带天线的设计和开发，文献中很少见到。此外，文献中介绍的大多数天线要么结构复杂，要么体积较大，因此在实际应用中需要比常规微带天线更仔细的制造过程 |
天线几何设计 |
| 为达到较高的精度，采用计算机软件Auto-CAD绘制了天线的工艺图，并采用低成本的fr4 -环氧基材料制作，其厚度为h = 0.16 cm，介电常数εr = 4.4。图1显示了寄生条形矩形单极微带天线(PRMA)的俯视图几何结构。图1中衬底面积为L * W cm。在基片的上表面，在微带线的两侧用高度等于馈线Lf长度的接地面，间距为0.1 cm。在基片底部的微带线以下使用高度为Lf的连续接地铜层。利用文献[2]中传统矩形微带天线的设计公式，设计了频率为3ghz的PRMA。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。在图1中，辐射贴片周围采用寄生带，间距为0.2 cm。 |
 图1 PRMA俯视图几何结构 |
图2 SPRMA俯视图几何图 |
| 图2为开槽寄生条形矩形单极微带天线(SPRMA)的几何结构。在这个图中，矩形槽被加载在辐射补丁上，距离其垂直侧有Z(即0.25 cm)的间隙。槽位的长度为Ls，宽度为w。图2的其他几何形状与图1相同。拟天线的设计参数如表1所示 |
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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。回波损耗随PRMA频率的变化如图4所示。从这个图中，实验带宽(BW)是用下面的方程计算的， |
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| 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。从图中可以看出，天线工作在4 ~ 16 GHz之间，在f1 ~ f6给出了6种谐振模式，即4.74、6.30、8.92、12.97、14.07和15.27 GHz。由式(1)测得BW1 ~ BW6实验-10 dB带宽的幅度分别为90 MHz(1.47%)、1.11GHz(17.68%)、1.56 GHz(16.93%)、3.26 GHz(27.62%)、960 MHz(6.74%)和760 MHz GHz(4.80%)。从图2可以看出，工作频段BW2覆盖了HIPERLAN/2，即5.72 ~ 6.83 GHz。 |
| 4.78 GHz的谐振模式是由于贴片的基本谐振频率，其他模式是由于PRMA的新几何结构。得到的多模态响应是由于贴片上不同的表面电流。由于微带线馈电和顶地平面的耦合作用，谐振基频模从设计频率3 GHz漂移到4.78 GHz。 |
图3回波损失随PRMA频率的变化 |
| 图4显示了SPRMA的回波损失随频率的变化。从图中可以看出，天线工作在BW7到BW11五个频段。在BW7 ~ BW11测得的这些工作频带的震级分别为140 MHz(2.93%)、930 MHz(14.77%)、250 MHz(3.45%)、1.46 GHz(15.88)和5.59 GHz(42.33%)。从图4可以看出，图3的BW5和BW6将BW4的f4、f5和f6合并为一个BW11波段，如图4所示。从图4可以明显看出，与PRMA相比，SPRMA能够拓宽其工作频带。因此，通过控制贴片天线槽的位置和尺寸，可以使贴片天线在所需的频率范围内工作。 |
图4 SPRMA回波损失随频率的变化 |
| 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， |
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| 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，所提天线在工作频段实测的峰值增益分别为11.70 dB和9.54 dB。 |
| PRMA和SPRMA在4.74 GHz的共极和跨极辐射图分别如图5到图6所示。得到的图案本质上是全向的 |
图5 4.74 GHz测得的PRMA辐射谱图 |
图6在4.74 GHz测得的SPRMA辐射谱图 |
结论 |
| 从详细的实验研究中可以得出结论，带微带线馈电的PRMA适用于HIPERLAN/2 (BW2，即5.72 ~ 6.83 GHz)和超宽带应用。该天线结构简单，由2.34 X 3.04 cm2的矩形辐射贴片和寄生带组成，采用低成本的FR4衬底材料。该天线激发6种谐振模式，峰值增益为11.70 dB。此外，如果通过在贴片上加载矩形垂直槽来修改辐射贴片，并且天线工作于五个宽工作波段。在这两种情况下，天线工作在4到16 GHz的频率范围内，并提供全向辐射特性。该天线可应用于HIPERLAN/2和微波通信系统。 |
确认 |
| 作者要感谢科学技术部(DST)，印度政府。新德里，在拳头项目下批准该部门的矢量网络分析仪。作者也要感谢航空发展机构(ADE)， DRDO班加罗尔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 |
表格一览 |
参考文献 |
- Constantine A. Balanis，天线理论分析与设计，John Wiley，纽约，1997
- I.J. Bahl和P. Bharatia，微带天线，Dedham, MA: Artech House，新德里，1981年。
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- 张炳扬。曾,C.-L。黄,学术界。徐，“带短寄生单元的微带馈电单极天线的宽带应用”，电磁研究进展，卷。7, 115-125, 2009。
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- 王健禄，王家义，“一种基于狭缝矩形微针天线的宽带增强技术”，电子工程学报，第48卷，第1期。8，页1149-1152,2000。
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图1 PRMA俯视图几何结构
