降低回波损耗的超宽带微带贴片天线

Niranjan Ravi, Vishal Sundarrajan, Vetrivel DSB
印度泰米尔纳德邦丁迪古市PSNA工程技术学院ECE系学生

摘要

在本文中，我们介绍了一种简单的微带贴片天线，在超宽带(UWB)频率范围为3-10.26 GHZ，回波损耗降低至-26 dB。采用ADS (Advanced Design System)对所提出的天线进行模拟，ADS是一种用于射频、微波和高速数字应用的电子设计自动化软件，并进行了该软件的硬件制造。仿真结果表明，天线的回波损耗为- 30 dB，与预制天线的回波损耗基本一致。对硬件制作结果和软件仿真结果进行了比较，并对功率辐射、有效角、方向性、增益等仿真结果进行了分析。

关键字

微带，超宽带(UWB)，回波损耗，ADS(高级设计系统)

介绍

超宽带(UWB)无线电是一种新兴技术，它具有一些独特的、有吸引力的特点，并与无线通信、雷达、医疗工程等其他领域的研究相结合。在2001年之前，超宽带的正式应用主要局限于军事领域。然而，自2002年以来，FCC(联邦通信委员会)逐渐允许这些带宽的商业使用，这使得每个普通人都可以受益于超宽带功能。美国联邦通信委员会(FCC)规定，超宽带技术的频率在3.1GHz到10.6GHz之间。然而，在欧洲，频率包括两部分:3.4 GHz至4.8 GHz和6 GHz至8.5 GHz。

可用于商业应用的超宽带(UWB)频谱为我们提供了实现高速无线通信和高精度定位应用的机会。作为超宽带技术的重点研究领域之一，多年来超宽带天线的宽频化和小型化技术得到了大量的创新发明和发展。[3]。在现有的论文中，提出了一种微带超宽带(UWB)天线的紧凑设计和结构。该天线具有在4.1 GHz到10 GHz之间工作的能力。对天线的频域参数进行了分析，以证明其作为有效辐射元件的能力。此外，还演示了超宽带系统中的时域高斯脉冲激励分析。[2]。提出了一种提高平面三角形单极子天线带宽的新技术。两个对称的波纹从平坦的地平面延伸，阻抗带宽的显著改善达到4:1。 [5]. Then, a new circular ultra-wideband fractal monopole antenna based on descartes circle theorem (DCT) with elliptical iterations is presented. The proposed fractal design is optimized for return loss of -15dB. Moreover, the proposed system has less weight and wind loading effect due to the fractal shape.SN khan 2008.The VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) and radiation pattern proved that antenna is a good candidate for UWB applications. However, in the existing paper the return loss is about -15 dB. For better transmission, the return loss should be less than -14 dB. So, in this paper we have reduced the return loss further to -26 dB in simulation and was verified using the Network analyzer in the hardware fabrication.

文献综述

介绍了一种具有四带缺口特性的紧凑型超宽带单极子天线。所提出的天线仅使用嵌套互补裂环谐振器(CSRR)，即蚀刻在地平面内，即可实现3.4、5.7、8和11 GHz的四带抑制，并具有所需的带宽。该方法由[7]首次提出，用于获取四波段缺口特性。天线的尺寸很小，为35×27mm2。给出了所设计天线的驻波比和辐射谱图，证明所设计的天线是各种超宽带应用的良好候选天线。

建议天线配置

A.微带贴片天线的设计:

最简单的贴片天线由介电基板一侧的矩形金属贴片和介电基板另一侧的接地面组成。与波长(t<< λ)相比，贴片和接地面的金属厚度t非常小。但是，金属厚度t必须至少比蒙皮深度大几倍。如果金属厚度小于蒙皮深度，贴片和接地面的欧姆损耗将大大降低天线的辐射效率。衬底厚度h及其介电常数εr对天线的辐射参数有重要影响。衬底厚度通常在0.002λ0 < h < 0.1λ0范围内，其中λ0为自由空间波长。衬底介电常数通常在2.2 <εr< 12之间。[4]

基本的长度和宽度在下面的方程中给出。

B.衬底介电常数(εr):

微带贴片天线设计中使用的介电材料是FR4， εr= 4.4，因为为了减小天线的尺寸，已经采用了介电衬底的这一值。补丁的工作频率选择在3 ~ 10.26 GHZ之间。微带贴片天线被广泛应用于微带贴片天线，以取代传统的贴片天线。因此天线的高度被确定为1.6mm。一种矩形贴片天线正在设计中;该方法便于加工分析和性能预测。天线的设计正在进行中，频率为3-10.26 GHz，采用εr= 4.4，介电损耗正切(tan δ) = 0.019，高度为1.6 mm的介电材料。

C.进给点的确定:

由于已经指定了进给类型，并计算了参数。匹配阻抗为50Ω。为了匹配阻抗，连接器必须放置在与50Ω匹配的边缘有一定距离的地方。本文采用试错法来确定退货损失的最小值。

天线采用FR4环氧基板制作。天线尺寸为34mm * 36mm (L * W)，采用相对介电常数为4.4的FR-4环氧介质制成。所设计的天线能够工作在3 GHz至10.26 GHz之间，带宽为7.26 GHz (fh-fl)。

结果和讨论

A.微带贴片天线的设计:

图2给出了模拟和实测的回波损耗随天线频率的变化情况。基于仿真结果，该天线显示谐振频率为7.840 GHz, S11(回波损耗)为-30.430 dB。对于上述频率，天线显示的回波损耗(S11)低于-26 dB。

B.天线参数:

利用ADS从仿真软件中得到天线参数，设计的天线与现有微带贴片天线的参数基本一致，增益降低80%。随着超宽带定向性的增加，回波损失减少，可以实现最大输出。

C.测量结果:

下图为Network Analyzer测量的Return Loss。

制作以下规格的天线，并使用网络分析仪验证其回波损耗。计算结果与仿真结果吻合较好，如下表所示。

因此，从下列结果中得出了一个对照表

结论

因此，从上述结果可以明显看出，以下规格的回流损失大大降低。然而，重点主要集中在增加UWB频率范围内的带宽，本文提供了减少回波损耗以实现最大输出。为了增加带宽，在天线中引入了许多插槽。未来的工作将由阵列系统扩展。

参考文献

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