间隙耦合提高修正正方形分形微带贴片天线的带宽

主办方：工程科学与技术，国际期刊18（2015）286e293全文利用间隙耦合提高修正正方形分形微带贴片天线带宽Anshika Khanna*，Dinesh Kumar Srivastava，Jai Prakash Saini印度Jhansi Bundelkhand工程技术学院电子和通信工程系我的天啊N F O文章历史记录：收到日期：2014年10月19日收到日期：2014年2014年12月26日接受2015年2月7日在线发布关键词：带宽分形天线间隙耦合IE3DA B S T R A C T窄带宽是微带天线的主要限制 本文阐述了间隙耦合调制正方形分形微带贴片天线的设计已被设计来克服这一限制。预期设计在谐振频率1.844 GHz附近具有85.42%的阻抗带宽。该天线可同时用于蓝牙、WLAN和WiMAX应用。IE3DZeland仿真软件已被用于所提出的设计的仿真。©2015 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍微带贴片天线由于其高度理想的特性，如低轮廓结构、重量轻、共形形状、成本效益、高效率、易于安装、体积小以及与微波集成电路（MIC）和单片微波集成电路（MMIC）的兼容性，一直是研究人员的吸引力来源[1，2]。这些特性使微带贴片天线在雷达、卫星和移动通信中得到了广泛的应用。然而，微带贴片天线遭受非常低的阻抗带宽的主要限制，通常相对于中心频率约5%的带宽。在过去的二、三十年里，人们进行了大量的研究，试图增加贴片天线的带宽这些带宽增强技术包括使用频率选择表面[3，4]、使用低介电基板、使用多个谐振器、使用较厚基板[5]、采用堆叠配置[6]和使用缝隙天线几何结构[7，8]。Singh等人[9]提出了一种T形槽矩形贴片天线，*通讯作者。电子邮件地址：anshika. gmail.com（A. Khanna），dks1_biet@rediffmail. com（D.K. Srivastava），jps_uptu@rediffmail.com（Jai Prakash Saini）.由Karabuk大学负责进行同行审查带宽为25.23%。Aneesh等人[10]证明了S形微带贴片天线可以实现21.62%的带宽。Mulgi等人[11]提出了一种阻抗带宽为26.72%的宽带间隙耦合缝隙矩形微带阵列天线。Khanna和Srivastava [12]设计了一种具有修改边缘和方形分形槽的方形贴片天线，带宽为30%。Tyagi和Vyas [13]设计了一种具有PBG结构的开槽U形微带天线，其阻抗带宽为35%。Kajla等人。[14]提出了一种结合Crown和Sierpinski分形槽的微带贴片天线，其带宽为44%。Gupta等人。[15]表明，使用两个、三个和六个缝隙缝隙圆形贴片天线可以分别实现63.3%、72.10%和37.5%的阻抗带宽。已经开发了许多其他几何形状来提高传统贴片天线的带宽，例如，方形环形缝隙天线[16]、倒置和非倒置V形缝隙梯形贴片天线[17]、等边三角形贴片天线中的U形缝隙[18]、具有菱形缝隙的圆形贴片天线[19]和传输线馈电新月形贴片天线[20]。研究人员在以前的工作中探索过的各种其他分形几何形状包括Koch Snow Schlake分形天线[21]，具有修改的Minkowski分形几何形状的菱形贴片天线[22]，新型宽带分形Sierpinski形微带天线[23]，宽带Sierpinski形缝隙天线[24]和Giu- seppe Peano分形天线[25]。朱塞佩·皮亚诺分形是http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2014.12.0012215-0986/©2015 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestchA. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293287--基本上是空间填充曲线，通常应用于贴片的边界或边缘，以实现天线小型化和多频带特性[26，27]。设计了一种工作频率为1.68~ 4.16 GHz的间隙耦合即在1.844 GHz的谐振频率附近为85.42%。该天线设计用于同时在蓝牙、WLAN和WiMAX应用中使用。2. 分形天线分形天线[28e 30]可以描述为使用分形的自相似设计来增加材料的周长（内部和外部）的天线，该材料能够在给定的总表面积或体积内发送或接收电磁辐射。分形这个词的意思是破碎或不规则的碎片。分形通常由不同尺度的多个副本组成。它们具有自相似性和空间填充特性的独特性质。分形天线具有带宽大、驻波比高、天线小型化、多频带和宽频带等优点。已经观察到，随着迭代次数的增加，分形天线的谐振频率降低。这样的天线受到某些限制，例如复杂的制造和设计以及在某些情况下的低增益。3. 间隙耦合间隙耦合[11，31e34]的概念用于提高贴片天线的带宽，并实现双频操作。 在间隙耦合结构中，如图所示。1，寄生贴片和馈电贴片彼此靠近放置。馈电贴片通过馈电技术来激励，其中寄生贴片通过两个贴片之间的间隙耦合来激励如果这两个贴片的谐振频率彼此接近，则可以实现宽带宽如果馈电贴片和寄生贴片的尺寸相同，则间隙耦合结构产生两个不同的谐振频率。4. 同轴或探针馈电这是一个非常常见的技术用于馈电微带贴片天线。如图2所示，同轴连接器的内导体延伸穿过电介质并焊接到辐射贴片，而外导体保持连接到接地平面。这种馈电技术的主要优点在于，可以在贴片内的任何期望位置处施加馈电，以实现适当的阻抗匹配。同轴馈电技术易于制造，并提供低杂散辐射。图1.一、 两个间隙耦合微带贴片天线。图二. 探针馈电微带贴片天线。5. 带宽改进以下两种技术已被用于改善传统微带贴片天线的阻抗：5.1. 分形几何分形天线具有独特的自相似性。自相似集合是包含其自身的缩小副本的集合。这一特性决定了分形天线的多频带和宽带特性。一个基本的正方形分形天线已被设计，以实现宽带特性（图。 3）。5.2.间隙耦合结构为了引入间隙耦合以进一步提高带宽，通过在每次迭代中引入寄生方形贴片来修改基本方形分形天线（图11）。 4）。6. 拟定天线设计的描述所提出的天线已被设计在FR4玻璃环氧树脂基板上，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0013，基板厚度为1.6 mm。建议的间隙耦合贴片天线的仿真性能已经通过使用IE3D仿真软件[35]进行了分析。设计规范如下（表1）：6.1. 基本正方形分形天线在基本形状中，边长为28 mm的正方形馈电贴片位于边长为50 mm的有限接地平面上。边长为14 mm（基本正方形贴片尺寸的一半）的正方形槽嵌入该正方形馈电贴片的中心。图5（a）示出了基本正方形分形天线的基本形状的结构。图5（b）表明，基座形状具有36.67%（1.67e2.42 GHz）和24.7%（3.82e 4.9 GHz）的双频带，在谐振频率1.864GHz和4.3 GHz处的回波损耗分别为22.63 dB和11.83 dB。在1.864GHz和4.3 GHz下，VSWR分别为2.4和1.689。6.2.基本正方形分形天线在简单正方形分形天线的第一次迭代中，四个正方形槽，每个边长为7mm（基本形状的正方形槽的边的一半）嵌入在天线的外侧的中心。288A. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293-----图三. 基本正方形分形天线的基本形状和前三次迭代。图四、带 寄 生 贴 片 的 修 正 正 方 形 分 形 天 线 的 基本形状和前三次迭代。表1天线设计规范。S. 号参数值1.介电常数εr4.42.基板高度1.6 mm3.损耗角正切0.00134.方形贴片长度28 mm5.地平面长度50 mm主方形插槽。第一次迭代的几何形状如图6（a）所示。图6（b）示出了第一次迭代的回波损耗与频率的关系曲线，其显示了在谐振频率1.844 GHz处80%的带宽（1.67 GHz 3.9 GHz）在谐振频率下，回波6.3.基本正方形分形天线的二次迭代在简单正方形分形天线的第二次迭代中，每个边长为3.5mm的正方形槽（第一次迭代）在第一次迭代的四个正方形槽 图 7（a）和图。图7（b）示出了基本正方形分形天线的第二迭代的设计和回波损耗v/s频率图。在谐振 频率为1.824 GHz时， 天线的 带宽为 73.9% （1.67 GHze3.63GHz）。在谐振频率下，回波损耗为31.87 dB，VSWR为1.052。6.4.带寄生贴片的修正正方形分形天线的基底形状如图8（a）所示，为了将间隙耦合的概念应用于带宽增强，在基本正方形分形天线的基本形状的正方形槽的中心引入了边长为7 mm的图8（b）表明，该天线具有从1.69到1.69的双频带。2.43在谐振频率1.864 GHz和4.29 GHz附近，分别有3.78GHz和4.86GHz（35.92%和25%）的峰值。在谐振频率为1.864 GHz和4.296GHz时，回波损耗分别为22.7 dB和11.78 dB，驻波比分别为1.158和1.695。图五、（ a）基本正方形分形天线的基本形状的几何形状（b）基本正方形分形天线的基本形状的回波损耗v/s频率曲线。A. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293289图第六章（ a）基本正方形分形天线的第一次迭代的几何形状（b）基本正方形分形天线的第一次迭代的回波损耗v/s频率图。图第七章（a）基本正方形分形天线的第二迭代的几何形状（b）基本正方形分形天线的第二迭代的回波损耗v/s频率曲线。6.5.带寄生贴片的修正正方形分形天线的首次迭代在改进的正方形分形天线的第一次迭代中，四个寄生正方形贴片，每个边长为3.5 mm（基本正方形分形天线的第一次迭代的正方形槽的边长的一半），在基本正方形分形天线的第一次迭代的四个正方形槽的中心引入图9（a）显示了修改的正方形分形天线的第一次迭代的几何形状 图9（b）示出了天线在谐振频率1.844 GHz附近具有85.42%（1.67 e4.16GHz）的阻抗带宽。在1.844 GHz下，最小回波损耗为-36.89dB，VSWR为1.029图八、（a）修改后的正方形分形天线的基本形状的几何形状（b）修改后的正方形分形天线的基本形状的回波损耗与频率的关系图。290A. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293-图第九章（a）修改的正方形分形天线的第一次迭代的几何形状（b）修改的正方形分形天线的第一次迭代的回波损耗与频率的关系图。6.6.带寄生贴片的在改进的正方形分形天线的第二次迭代中，在基本正方形分形天线的第二次迭代的四个正方形槽的中心引入四个寄生正方形贴片，每个贴片的边长为1.75 mm（基本正方形分形天线的第二次迭代的正方形槽的边长的图10（a）示出了具有寄生贴片的修改的正方形分形天线的第二迭代的结构图10（b）示出了在第二实施例图图11示出了所提出的设计的回波损耗随频率的变化。预期设计在谐振频率1.844 GHz附近具有85.42%（1.67 e4.16 GHz）的阻抗带宽。在1.844 GHz下，最小回波损耗为36.89 dB，VSWR为图12展示了增益和频率之间的关系。在1.844 GHz时，增益为3.31dB分形天线表2六种建议几何形状的各种参数之间的比较。迭 代 后 ， 天 线 在 谐 振 频 率 1.824 GHz 附 近 的 阻 抗 带 宽 为 75.1%（1.67e3.68 GHz）。最小回波损耗为-31.15dB，VSWR为1.057，谐振频率（GHz）带宽（GHz）回波损耗S11 VSWR参数（dB）1.824千兆赫6.7.不同几何形状表2示出了分形天线的六种提出的几何形状的各种参数之间的比较基本形状1.864 GHz 1.67e 3.68 GHz< $36.67%-22.63dB 2.44.3 GHz 3.82e 4.9 GHz<$24.7%-11.83dB 1.689迭代1 1.844 GHz 1.67e 3.9 GHz<$80%-35.97dB 1.032迭代2 1.824 GHz1.67 e3.63 GHz <$73.9%-31.87dB1.052基础形状，1.864 GHz 1.69e 2.43 GHz< $35.92%-22.7dB 1.158寄生贴片4.296 GHz 3.78e 4.86 GHz<$25%-11.78dB 1.6957. 拟议设计迭代1，寄生贴片迭代2，寄生贴片1.844 GHz 1.67e 4.16 GHz< $85.42%-36.89dB 1.0291.824 GHz 1.67e 3.68 GHz< $75.1%-31.15 dB 1.057本节说明了最优建议设计的模拟结果，即带有寄生贴片的修正正方形分形天线的第一次迭代。上表清楚地表明，带有寄生贴片的修正正方形分形天线的第一次迭代可以被认为是最佳设计，因为它的最大带宽为85.42%，具有最佳的VSWR和回波损耗值。图10. （a）修改后的正方形分形天线的第二次迭代的几何形状（b）修改后的正方形分形天线的第二次迭代的回波损耗与频率的关系图。A. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293291图十一岁建议几何结构的回波损耗v/s频率图。通常用于天线小型化和宽带/宽频带特性。它们在某些情况下受到低增益的限制，因为增益和带宽的乘积是恒定的。因此，两者之间存在着一种折衷。在这项工作中，已尝试提高带宽，因此增益已被妥协。如图13所示，该天线的辐射效率达到了97.58%，这是非常重要的。图图14和图15分别表示所提出的天线在E平面和H平面中的2D 辐射方向图。8. 实验结果与讨论提出的天线，即第一次迭代的修正正方形分形天线与寄生贴片已经制作和实验结果进行了研究。原型见图12。 增益v/s频率图。图13岁建议天线的辐射效率。292A. Khanna等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）286e293××-见图14。 E平面中所提出的天线的2D辐射方向图。Fig.15. . H平面中所提出的天线的2D辐射方向图的建议设计已说明图。 十六岁该天线的总体尺寸为50 - 50 - 1.6mm，它已制作在玻璃环氧树脂基板上，厚度为1.6 mm，介电常数为4.4。实验结果表明，在谐振频率为2.1GHz附近，阻抗带宽为66%见图16。 所提出的微带贴片天线的原型。图17. 建议设计的模拟和实验结果之间的比较。频率分别为1.9 GHz和3.77 GHz。仿真结果和实验结果不同，由于存在的制造缺陷，在原型中的设计是复杂的，整个制造已经手工完成，但所提 出 的 设 计 覆 盖 蓝 牙 （ 2.4e 2.48 GHz ） ， WLAN （ 2.4e 2.484GHz），移动WiMAX（2.5e 2.69 GHz），和WiMAX（3.4e 3.69GHz）应用。模拟结果与实验结果的比较如图所示. 十七岁9. 结论针对传统微带贴片天线带宽窄的问题，设计了一种探针馈电的间隙耦合修正正方形分形微带贴片天线。与文献中讨论的几何形状相比，这种技术在带宽增强方面取得了更好的结果。所提出的设计在谐振频率1.844 GHz附近具有高达85.42%的阻抗带宽。该天线具有1.029的VSWR和36.89的回波损耗，这是值得注意的结果。该天线的增益为3.31dB，天线效率为97.56%，可同时用于蓝牙（2.4e2.48GHz）、WLAN（IEEE规定的2.4 e2.484GHz802.11 b/g标准）、移动WiMAX（2.5e 2.69 GHz，IEEE 802.16e标准）和WiMAX（IEEE 802.11a标准规定的3.4e3.69GHz）应用。引用[1] P.Kumar，G.Singh，AdvancedComputationalTechniquesinElectromagnetic2012，2012。文章ID ACTE00110。[2] 康斯坦丁 天线理论、分析与设计，JohnWiley&Sons，Inc，Hoboken，New Jersey，2005.[3] 陈兴义，于涛，利用改良耶路撒冷十字元件之双频频率选择表面改善U型槽贴片天线之效能，IEEE Trans. 科洛纳斯·普罗帕格 59（9）（2011年9月）3482e3486。[4] 陈兴义，于涛，利用双矩形环元件的频率选择表面增强天线增益与带宽，于：天线、传播与电磁理论国际研讨会论文集，2010年12月，pp. 271和274。中国广州。[5] R. 主席，K.F.Lee，K.M.陆先生，四分之一波长短接式天线之频宽与交叉极化特性，微波与光学技术，22（2）（1999）101e 103。[6] R.B.宽带堆叠短路贴片，电子。35（2）（1999）98e 100。[7] K.L.刘锦明陆嘉玲李，圆极化垂直贴片天线的设计，IEEE Trans. 天线推进 54（3）（2006）1332e 1335。[8] D.M.波扎尔萧宏斌，微带线阵列设计，国立成功大学电子工程研究所硕士论文，1995年。[9] L. 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