新型印刷分形UWB微带天线的设计与性能

埃及信息学杂志（2017）18，39开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com全长文章一种新型印刷分形直角等腰三角形超宽带微带天线Manisha Guptaa，Vinita Mathurb，*a印度斋浦尔JECRC大学物理系b印度斋浦尔JECRC大学电子与通信系接收日期2015年11月20日;修订日期2016年6月2日;接受日期2016年6月21日2016年8月1日在线发布摘 要本 文设 计 了一 种 用于 超宽 带 （UWB ） 的直 角 等腰 三角 形 微带 贴片 天 线（RITMA）该天线结构简单、体积小。该天线具有一个三角形贴片与缺陷的接地平面和一个缺口的地面上，这提供了一个可用的带宽。通过断裂的天线的显着改善回波损耗，并获得良好的增益。结果表明，所提出的天线在UWB频率范围内的全向辐射行为。©2016制作和主办由Elsevier B.V.代表计算机与信息学院开罗大学。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. 介绍在各种频带上执行的现代通信系统支持各种应用对于这些通信系统，单个天线需要多个频带这些天线被称为多频带天线。为了减少多径效应，使天线具有多向性，接收天线应采用圆极化。由于*通讯作者。电子邮件地址：vinitamathur12@gmail.com（V.Mathur）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。便携式系统领域的增长微带贴片天线已经成为UWB范围内研究的核心领域。性能和小型化是超宽带通信系统需要解决的两个主要问题。UWB系统中的平面印刷微带天线具有显著的特性，如最低成本、易于制造、结构简单、带宽增加和辐射方向图（即全向）[1在这个范围内已经描述了不同几何形状的平面微带天线[6，7]，并且为了实现最佳平面形状，已经提出了新的设计方法[1，8]。在[9，10]中已经探索了不包含改变发射机结构的增强带宽的其他方案。共面波导（CPW）馈电使这些天线更适用于小型移动设备，这是因为其具有诸如平面几何、简单的可编程性、低成本等http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2016.06.0021110-8665© 2016制作和主办Elsevier B. V.代表开罗大学计算机和信息学院这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。制作和主办：Elsevier关键词微带贴片天线;分形天线;Koch 天 线 ; 超宽带; RITMA40M.古普塔河谷马图尔和电路组合。在这些天线上增加了各种结构的缝隙和狭缝，以使它们的尺寸最小化带槽天线用于300 MHz至24 GHz的频率。这些天线是有用的，因为它们可以从它们将被压印在其上的表面切割，并且它们提供全向辐射图案。表面电流移动通过槽外表面，这增加了其电长度。因此，具有小尺寸的开槽天线与其较大的对应物具有等同的性能。分形天线就是从这个概念中产生的。分形天线使用分形的自相似结构来增加长度，并且通过这种技术，我们可以实现多个频率，因为天线的不同部分在不同的尺度上是自相似的与其他天线相比，分形天线具有更大的带宽和更小的尺寸。使用分形天线，我们实现了多频带的谐振频率，并且它们不显示谐波，如Cohen[11]所述。分形天线是将分形几何应用于贴片并将其添加到天线中制成的，是设计小型、宽带和高增益天线的有效技术，这些天线也具有小旁瓣阵列[12，13]。这种分形天线几何形状具有自相似性，并且它在适当填充空间的不同维度中重复自己。海尔格·冯·科赫是1904年提出科赫分形几何的研究者。这种结构是通过使用迭代函数系统（IFS）的概念来设计的，迭代函数系统由仿射变换[12，14]描述。提出了一种简单的折叠缝隙Koch迭代天线，以获得两种迭代版本[15]。设计了一种印刷科赫天线，通过为其提供插槽和CPW馈电，使其适用于WLAN和WiMax[16]。对于GSM 1800、UMTS和Hiper-LAN 2，提出了预分形边缘和U形槽[17]。天线上增加了一个用于滤波的槽。此外，Lui [18]证明了具有频率陷波功能的Koch曲线形槽。 对于 E5-E1 Galileo和WiMax频带，描述了三频带贴片的混合[19]。带宽、效率和电气尺寸等参数已通过多目标遗传算法（GA）（优化技术代码）结合NEC（即用于Koch天线开发的数值电磁代码）进行了分析[20]。分形天线是必需的，由于下面提到的原因：宽带和多频带的频率响应，与常规设计的天线相比，尺寸小，同时保持良好的效率和增益，结构简单性和鲁棒性。得到了分形的这些特征由于其结构，而不是通过分立元件的连接[12]。本文通过在接地面上加一个缺口，然后使贴片断裂，在这种情况下进行了Koch雪花设计。通过单次迭代，获得了更好的增益、回波损耗和全向辐射方向图。这种小尺寸天线是UWB、PCS、WLAN、WiFi和WiMAX范围内使用的理想选择。2. 天线设计这种三角形天线，其50-X的适当匹配完成如图所示。1，FR-4（er=4.4）用作具有0.16 cm厚度和0.0018 tan d的基板材料。微带输入线宽度为0.6 cm。主天线设计由一个直角等腰三角形贴片、一个馈源和一个地表面组成三角形贴片的长度为2厘米，另一边为2.8厘米Wf和Lf分别为馈电线的宽度和长度，Wsub、Lsub和Lgnd分别为基片和接地线的宽度和长度。一个简单的三角形没有任何切割，缺口和缺陷的地面不给好的结果，在输出参数，如增益，方向性，带宽，品质因数和回波损耗。为了增强宽带特性，削波接地平面起着重要的作用，因为在很大的频率范围内实现了贴片和馈线之间的匹配。贴片的电感性属性通过限幅接地层产生的容性负载来平衡，最终纯阻性输入阻抗持续存在[5]。带宽和回波损耗水平控制通过调整在贴片和地面之间产生的电容，这削减为了改善回波损耗，将贴片断裂并观察结果。所用天线的值为作为如下：Wsub=3.2 cm，Lsub=2.2 cm ， a=2 cm ， Lf=0.5 cm ， Wf=0.6 cm ，Ls1=0.025 cm ， WS1=0.08 cm ， Lgnd=0.2 cm ， x=0.2cm。3. 结果和讨论本 节 讨 论 了 设 计 参 数 变 化 的 天 线 ， 并 通 过 CSTMicrowave Studio Tool对其进行仿真来获得结果测量了回波损耗、增益、带宽和辐射方向图。设计的天线的输出准则被认为是通过修改一个设计参数的时间和调整其余的。图1（a）天线前视图和（b）天线后视图。一种新型印刷分形直角等腰三角形微带天线41---图2（a）普通RITMA结构的几何形状，（b）具有U形结构的地面，（c）具有凹口的地面和（d）具有分形形状的地面凹口结构图3 RITMA的回波损耗特性（a）不同的d值（3 mm处的x）和（b）不同的x值（2 mm处的d图4 RITMA回波损耗随Ws1和LS1变化的特性图5分形RITMA回波损耗特性3.1. D变化的影响在 第 一 种 情 况 下 ， 分 析 了 改 变 馈 电 间 隙 距 离（d=LfLgnd）对带宽的影响。对于一个简单的RITMA与不同的d值的回波损耗曲线绘制在图。第3（a）段。当间隔d增加到最佳值时，发现带宽和增益得到改善，如图所示。谐振频率的下边缘在d = 0.2 cm处达到36dB的值，但对于频带的较高值，回波损耗为15 dB。通过固定d，可以很好地控制三角形结构贴片下侧与地面42M.古普塔河谷马图尔-半2个月¼ΣþΣ图6 4.6 GHz时天线表面电流分布。图7分形RITMA（a）4.6 GHz和（b）8.8 GHz的辐射模式。3.2. 改变x进一步保持d固定为0.2 cm，并改变x的值，如图2所示。如图2（b）所示，在较高频带处观察到回波损耗的改善。当 x 和 d 为 最 佳 值 时 ， 带 宽 分 别 为 246.3MHz 和1.0142GHz。天线设计在3.5 GHz、5.5 GHz、8 GHz和11GHz频率下的增益为3.067 dB、2.635 dB、6.105 dB和5.409 dB。为了降低微带贴片天线的物理面积和提高天线的带宽，接地层如图所示被切割。 2（c）.3.3. 改变LS1和WS1通 过 改 变 地 平 面 中 切 口 的 长 度 （ Ls1 ） 和 宽 度（Ws1），回波损耗曲线图的结果如图4所示。在频率的下边缘处看到进一步的改善，其为47 dB。然而，上共振频率保持不受影响。在这些共振频率的带宽为267.9 MHz和1.151GHz。3.4. 贴片破裂的影响通过打破三角形补丁，它成为科赫雪花。而不是一行，雪花在这种情况下开始一个等腰直角三角形创建此曲线的过程是然后在三角形的每条边上重复，一图中所示的三角形2（a）正确有角三角形的边为a，而角的大小是由毕达哥拉斯定理计算出来的，它是p2。作为对于等边科赫天线，在这种情况下，在每次迭代中，边长取为λ/3，而边长取为λ2/3。在每次迭代中，图形的一条边变为四条边在下一个阶段。对于Koch Snowflake，边的计算公式为：（一）侧边<$3ω 4nn在第n次迭代中。对于第0次、第1次、第2次和第3次迭代，边数分别为3、12、48和192。观察第一次迭代结果。虽然面积增加压裂显着改善回波损耗实现在更高的频率。观察到全方位的辐射如图5所示，天线提供双频带，带宽为728 MHz。迭代n的分形天线的周长通过使用等式（1）来计算（二）周边4n2ap2a3n3n. 4吨p3¼2a]2一种新型印刷分形直角等腰三角形微带天线43-图6描绘了在4.6GHz下图2中所示的天线结构从图6中注意到，电流集中在4.6 GHz处切割的贴片的由于这种切割，天线阻抗在谐振频率处变化。在较高的迭代水平，当天线的有效长度增加时，谐振频率降低。在分形天线的情况下获得的增益与前一种情况相同，在4.6 GHz时为5.065 dB，在8.8 GHz为6.310 dB，其在谐振频率处提供如图7中的全向辐射图案，并且使天线工作在超宽带频率范围。4. 结论设计了一种用于超宽带通信（3.1- 10.6GHz）的分形直角等腰三角形贴片天线。分析了该频段内共面波导馈电直角等腰三角形微带分形天线的设计指标完整的参数研究的电流分布，带宽，辐射方向图，和回波损耗已经做了知道天线的行为。贴片尺寸保持在仅20mm。该结构在8.8GHz时回波损耗为74.299dB，实现了728MHz的总带宽通过改变馈电间隙距离、切口尺寸以及贴片的断裂，使天线获得了较宽的带宽。在谐振频率处获得全向辐射方向图引用[1] Foudazi A，Hassani HR，Nezhad SMA.小型超宽带平面天线，增加了GPS/GSM/WLAN频段。IEEETrans EscherasPropag 2012;60（6）：2987-92.[2] Radiom S，Aliakbarian H，Vandenbosch GAE，Gielen GGE.对称平面微带天线小型化的一种有效技术。IEEE TransEscheras Propag 2009;57（10）：2989-96.[3] [10]杨文，王文. 超宽带系统中小型半椭圆缝隙天线的设计。IEEE Trans Escheras Propag 2009;57（6）：1834-7.[4] 张文，张文，等.超宽带平面微带天线的设计与实现.北京：机械工程出版社，2001. 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