双圆环微带天线设计与制作中的多频带缝隙方法

工程科学与技术，国际期刊29（2022）101033完整文章一种基于多频带缝隙的双环微带天线的设计、仿真与制作Wa放大图片作者：Al-Al-Tumaha，Raed M.作者声明：A.达菲ba伊拉克巴士拉巴士拉大学理学院物理系b联合王国莱斯特德蒙福特大学工程与可持续发展学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月24日收到2021年4月27日修订2021年6月21日接受在线预订2021年关键词：微带天线多频段天线圆环贴片HFSS软件K带A B S T R A C T提出了一种新颖的双圆环微带天线，该天线分为六个扇区，可实现高增益和高阻抗带宽的多频带工作。驱动贴片和寄生贴片上的间隙激发位于Ku、K和Ka频带中的谐振频率，从而使天线能够进行这些多频带应用。本设计的数值和实验研究。研究表明，该天线实现了四个工作频带，阻抗带宽分别为1.72 GHz（12.161.97 GHz（27.3725.00 GHz和28.85 GHz。此外，新的设计实现了良好的增益值（6.11-8.31）dB和回波损耗之间的-16.14 dB和-21.52 dB。利用商用工具Ansoft高频结构仿真软件对设计的天线进行了仿真，并与实测数据进行了比较。比较表明，模拟和测量之间的密切协议©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍无线通信应用继续非常快速地增长。这些不断增长的应用要求天线的持续小型化，特别是当移动设备变得更小或更密集地封装有特征时。为了满足这些尺寸减小的要求，需要小型化和这种小型天线在小型封装中的集成通常需要使用多谐振和阻抗匹配方法。因此，小型化和多频段天线在研究和应用领域都有很大的兴趣。对这些天线的研究主要涉及使用多谐振方法[1虽然保持良好的辐射特性和减小天线尺寸是现代无线系统中最紧迫的问题之一，但可以说，持续无线通信系统研究的最重要特征之一是在紧凑系统中结合宽带和多频带性能[7，8]。微带天线在现代无线通信系统中得到了广泛的应用，并具有一些理想的特性*通讯作者。电子邮件地址：wail. uobasrah.edu.iq（W.A.Godaymi Al-Tumah），raed.uobasrah.edu.iq（R.M. Shaaban），apd@dmu.ac.uk（A.P. Duffy）。由Karabuk大学负责进行同行审查这使得它们成为移动系统中的重要组成部分此外，MSA除了用于军事领域如航天器、导弹和飞机之外，还用于其它商业领域，如地面蜂窝通信、移动卫星系统、全球定位系统和广播卫星系统因此，MSA已成为一个重要的研究课题[9，10]。这些期望的特征包括低成本、轻重量、低轮廓、顺应性，并且它们相对紧凑并且可集成到模块电路中。最近的技术进步已经看到MSA的带宽从百分之几提高到百分之几十[11然而，MSA具有以低增益和窄阻抗带宽为代表的缺点。为了克服这些主要缺点，已经提出了几种方法近来，通过在高频实现高增益和宽带特征，天线特性已经得到增强这已经通过包括连接到位于辐射元件两侧的两个矩形贴片的折叠T形天线来实现[14]。通过锥形馈线使用紧凑的镰刀形贴片MSA馈电也可以实现[15]。对于MSA的大多数商业应用，带宽增强和尺寸减小已成为主要的设计问题[14影响微结构天线带宽的主要因素有贴片形状、介质衬底的大小、激励方式以及辐射和寄生元件的配置。特别是无线通信中的宽带和多频带操作，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.06.0132215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/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：www.elsevier.com/locate/jestchWa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010332通过使用不同形状的贴片、采用邻近馈电、堆叠贴片、缺陷接地结构、超材料、分形、多模技术、具有低介电常数的厚电介质基板以及具有宽带宽阻抗匹配的平衡平面天线，可以实现离子系统[17还已经观察到，MSA可以通过使用该天线表面上的槽（例如，L、U、C、W、弧形槽）[25MSA是由夹在两个导体之间的介电层组成的谐振结构：贴片和接地层分别位于该层的顶部和底部。MSA通常使用同轴探针馈电或微带边缘来激励[29]。最常见的MSA形式是圆形、矩形和环形环贴片。这些天线的贴片形状和它们的辐射是对称的。在TM11模和给定频率下，圆环形微带天线（ARMSA）的体积比圆形或矩形贴片小。然而，在某些特定的应用中，可以对贴片的形状进行一些修改，以改善特定的功能。这些修改，例如在ARMSA平面上耦合扇形贴片和两个L探针，为ARMSA馈电[30，31]。为了获得可调谐的频谱和辐射，提出了加载有开口环谐振器的超材料启发的MSA的设计[32]。该天线适用于使用C波段的远距离无线电通信应用。此外，多频带操作是从MSA实现与正方形和圆形阵列超材料衬底与PIN二极管开关。此外，在本研究中，带宽和增益增加[33]。设计并制作了一种具有两个环形槽的MSA结构。该天线的测量性能显示出良好的双频段操作[34]。为了提高天线的性能，提出了一种加载液态超材料天线罩的天线阵列。结果表明，在这种设计中，带宽、增益和反射系数得到了增强[35]。Ku、K和Ka波段频率范围分别为（12至18）GHz、（18至27）GHz和（27至40）GHz，如IEEE[36]所定义。Ku波段用于高功率卫星，典型地用于传送数字电视。此外，Ku波段还用于船舶和卫星电视上的甚小孔径终端系统。K波段用于天文观测、卫星通信和雷达。K波段雷达的频率范围提供高分辨率、高吞吐量和短距离。Ka波段主要用于与卫星通信Ka波段应用的一个重要特点是带宽要求很宽，是C波段的五倍，是Ku波段的两倍此外，在这个波段，天线和无线系统由于产生高分辨率的较短波长而较小，然后可用于近距离雷达[37在本文的研究中，贴片的几何形状被操纵，以增加带宽，并产生多频带和紧凑的MSA设计。提出了一组改进的ARMSA。所提出的新设计是基于加载的寄生环形贴片与精心放置的驱动和寄生贴片的间隙。两个圆环形贴片具有不同的尺寸。驱动贴片由两个相同大小的扇区组成，而寄生贴片由四个相同尺寸的扇区组成。一个商业工具，Ansoft高频结构仿真器（HFSS），被用来模拟建议的天线。基于矩量法和有限元法的HFSS。最佳天线设计（OAD）具有覆盖Ku-，K-和Ka-波段的多波段工作频率。在这项工作中，提出了一种双圆环形贴片的设计，以获得回波损耗特性展示了多频带。通常，在贴片天线中，辐射机制取决于边缘场。随着这些场的增加，它导致辐射功率的增加，效率、带宽和增益得到改善。因此，所提出的贴片的边缘比圆形贴片天线引起更多的边缘。2. 天线设计MSA的主要元件是导电贴片，它通过改变回波损耗、表面电流分布、带宽、阻抗匹配和辐射方向图来影响天线的性能在这项研究中，辐射贴片的性能得到改善，除了寄生的圆环形贴片使用各种形状的圆环形然而，标准的ARMSA是一个窄带宽天线，它有一个共振频率。本研究的新颖性是通过使用修改的补丁，以改善这些天线的表面上的电流分布，此外，电感耦合之间的驱动和寄生贴片是重要的。这可以通过仔细设计扇区之间的电容来产生为了实现多频带应用的目标，如前所述，采取了几个改进步骤来评估模拟结果，从而得到OAD。在这里，驱动和寄生贴片的形状是圆环。图1显示了天线几何形状的演变。这些步骤是：图1a）标准ARMSA。图图1b）和c）分别将驱动贴片分成没有寄生贴片和具有寄生贴片的两个扇区。这两种设计在水平轴上包含两个间隙。图1d）驱动贴片和寄生贴片中的每一个被分成两个垂直的扇区。图1e）驱动贴片和寄生贴片分别被分成三个和两个扇区。该设计的四个间隙的方向在水平轴上，而顶部的第五间隙在水平轴上。在垂直轴上。图1f）驱动贴片和寄生贴片分别被分成两个和四个扇区。在该设计中，驱动贴片和寄生贴片上的四个间隙的方向是而寄生贴片上的其他两个间隙在垂直轴上。重要的是，图1（a-e）中设计的从动贴片代表外部环形环。 而在图 1（f）驱动补丁表示内部环形环。Fig. 1. 拟议天线演进的步骤。Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010333×××如下一节所示，图1（f）中的设计代表了OAD，因为它具有最佳模拟结果。这些结果包括表面电流分布，回波损耗和辐射方向图。利用HFSS软件对图1（f）中的设计进行了参数化研究，以获得该设计的最佳性能。用于制造OAD的电介质材料的性质是具有成本效益的Rogers（RO4003）材料的衬底与一介电恒定的er= 3.55，尺寸为29mm × 24mm × 1.6mm，损耗角正切d为0.0027。馈电系统是一个同轴探头，位于环形贴片的（14.5，0.0）mm点处，并在端口处进行调整，以达到50X的特性阻抗，以实现最佳匹配。典型地，通过控制带状线的长度和宽度来进行匹配。同轴馈电的内半径和外半径分别为ri=0.635 mm和ro= 2.05 mm。驱动和寄生环形贴片的内、外半径分别为（R1= 3.0 mm，R2= 5.0 mm）和（R3= 7.0 mm，R4= 9.0 mm）。接地平面的尺寸为29 mm × 24 mm。图2示出了OAD的几何设计。此外，表1给出了设计和制造OAD所选择的参数和尺寸。图3示出了所建议和制造的天线。此外，该图示出了所提出的天线的回波损耗相对于频率的测量结果（参见图3（e））。OAD是在德黑兰大学电气和计算机工程学院制造的，其参数是在德黑兰大学电气和计算机工程学院测量的。3. 结果和讨论设计的天线最佳构形为两个和四个间隙对称地嵌入在驱动和寄生环形贴片中，分别如前所述和如图2所示。寄生贴片位于驱动贴片之外。OAD通过同轴馈电进行馈电。同轴馈电的内电容与带状线相连。该带状线通过间隙图二. 最佳天线设计的几何学。表1图2所示为所设计天线的设计参数。参数尺寸（mm）参数尺寸（mm）Ls24.0L13.5Ws29.0L26.0R13.0L31.0R25.0L42.0R37.0不2.0R49.0图三. OAD的布局（a）建议设计，（b）装配OAD的原型，俯视图（c）仰视图和（e）OAD回波损耗的测量结果在寄生斑上而同轴电缆的外导体馈电连接到所提出的天线的接地平面，如图3所示。采用HFSS软件使用表1中总结的尺寸来执行OAD的模拟。该天线设计包括窄间隙电容。从窄间隙产生的电容可以写为[40]：Cgap¼Co e ohw=g1第一项是由于边缘场引起的校正，可以从[41]中获得：Coeo h w g其中eo是自由空间的折射率，h<$0：3 5lm是贴片厚度，w<$T<$2mm是环形贴片的宽度，g<$T<$2 mm是间隙距离。Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010334-≥≥见图4。六个建议天线的模拟回波损耗（a）建议天线的前三个和（b）建议天线的后三个。图4和表2显示了天线演进过程中六个步骤的回波损耗及其特性。根据所建议的天线的演变过程中的第一步，图4（a），产生了21.24 GHz的谐振频率，回波损耗值为14.12 dB。然而，该步骤中的第一频带在频率处具有不可接受的阻抗匹配值（S11 = -8.0 dB）。18.08千兆赫在第二步中，图。如图1（b）所示，将环形贴片分成具有两个间隙的顶部和底部区段。第二种设计产生两个谐振频率（13.25和17.91）GHz。这两个频率的产生可能是贴片上两个间隙产生的两个等效电容在第三步图1（c）中，将寄生环形贴片插入驱动贴片内部（图1（b）），可以获得三频带（14.27，19.01和25.00）GHz和寄生宽带特性。此外，阻抗匹配得到改善。加寄生贴片后，第三谐振频率为25.00GHz.这可能是由于驱动和寄生贴片之间的电感耦合。在图1（d）的第四步中，寄生贴片通过两个间隙在左侧和右侧分成两个扇区，这些间隙垂直于驱动贴片的间隙。可以获得比图1（c）中的频带特征更窄的三频带（14.82、20.62和25.35）GHz。此外，回波损耗的值在第一和第二频带中已经减小。S11值的这种减小可能归因于该设计中间隙的垂直位置，从而产生表面电流分布的相位干涉。在第五步图1（e），驱动和寄生补丁consisting的三个和两个部门，分别。在此天线设计中，三个频段（13.23，20.65和24.98）GHz的可以获得。由于回波损耗值和阻抗带宽，回波损耗的特性比图1（d）中的特性更好，如图4（b）所示。最后，在第六步中，如图1（e）所示，同轴馈电的内导体连接到带状线。该管线通过外环上的间隙连接到内环形环而不是外环形环。因此，该步骤中的内环形环和外环形环分别变成驱动贴片和寄生贴片。这里，驱动贴片有两个扇区和两个间隙，而寄生贴片有四个扇区和四个间隙。多频带（13.27，20.65，24.98，和28.96）GHz和基本的宽带功能。此外，阻抗匹配得到改善。通过改变馈电位置，将寄生贴片分成四个大小相同的扇形，得到了第四谐振频率28.96GHz。此外，阻抗匹配是可接受的（-15.62 dB S11 19.56 dB），因为除了等效电容之外，新的馈电位置从带状线馈通的新间隙图图5示出了在图1中所设计的天线的表面上的电流的表面分布的模拟。 1，频率值见表2。从该图中可以清楚地看出，在频率13.27 GHz处，14.82 GHz的电流密度在图1（f）和（d）中提出的天线的表面上分别具有最高和最低值，与其他四个提出的天线相比图6示出了在第二共振频率下图1从该图可以清楚地看出在20.65 GHz和20.62 GHz时，贴片上的电场分布最高和最低在图1（f）和（d）中，分别与其他四个提出的天线进行比较。为了优化天线的性能，将贴片上的间隙宽度（T）作为参数研究如表3所示，在T = 2.00 mm时，回波损耗、增益和带宽提供了与间隙宽度的其他值因此，对于建议的天线，建议T = 2.00根据表1中总结的最终优化尺寸，制造了OAD的原型，以便通过实验验证最佳天线效率。图3b和图3c描述了所制造的天线的俯视图和仰视图。OAD的模拟和测量回波损耗的结果如图7所示。从该图和表4中可以看出，尽管存在一些不可避免的频移，但测量结果与模拟结果合理一致。这种转变的产生是由于制造和模拟天线之间不可避免的生产公差、焊 接 等 。 测 得 的 数 据 示 出 了 阻 抗 带 宽 为 1.72 GHz （ 12.16-13.88GHz）、2.04 GHz（19.28-13.88 GHz）、2.04 GHz（12.1621.32 GHz）、1.54 GHz（24.0429.34千兆赫）对应到的共振频率13.10 GHz、20.72 GHz、25.00 GHz和28.85 GHz。第二个带宽与其他三个频带相比显示出较大的值。这些带宽测量数据位于Ku、K和Ka波段内。因此，OAD具有Ku-、K-和Ka-应用的潜在用途。OAD的实现增益的模拟和测量结果如表4所示。根据该表，在四个谐振频率下的测量值分别为7.23 dB、6.11 dB、7.18 dB和8.31 dB增益。然而，所制造的天线提供了可接受的增益数据。为了更好地理解所建议的天线的行为，图8示出了四个天线Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010335表2图1中建议的天线的回波损耗特征。回波损耗第一频带第二频带第三频带第四频带f r1（GHz）S11（dB）f r2（GHz）S11（dB）f r3（GHz）S11（dB）f r4（GHz）S11（dB）图 1（a）18.08-8.021.24-14.1-图 1（b）13.25-12.417.91-17.2电话：+86-10- 8888888传真：+86-10 - 8888888811.9 20.62-13.9 25.35-11.2--12.5 20.65-15.6 24.98-13.9-电话：+86-10 - 8888888传真：+86-10- 88888888图五.模拟的表面电流分布的表面上的六个建议的天线图。1.一、共振频率通常，很明显，与其他表面天线部分相比，在四个分辨率下，在带状线和驱动贴片的下部扇区中的表面电流密度最大。Nant频率此外，从同一图可以得出结论，表面电流密度分别在第二和第三谐振频率图 1（c）14.27图 1（d）14.82图 1（e）13.23图 1（f）13.27Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010336见图6。 在图1中的六个提议的天线的表面上的表面电流分布中，六个提议的天线的表面上的模拟电场分布。1.一、表3不同间隙宽度值的回波损耗特性、增益和方向性的仿真结果2.0 13.27-15.62 1.38 7.592.5 12.87-13.15 1.01 5.85第二次1.5 21.22-13.45 1.34 5.3420.65-19.56 2.09 6.072.5 20.98-16.33 1.77 5.79第三次1.5 22.36-12.93 0.97 4.22224.98-17.43 1.41 6.922.5 25.04-11.81 1.12 6.11第四1.5 29.32-13.65 1.27 5.362019 - 01 -28 00：00：002.5 27.55-14.33 1.42 7.55带槽宽T（mm）谐振频率（GHz）回波损耗（dB）阻抗带宽（GHz）增益（dB）第一1.512.95-11.010.784.51Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010337图7.第一次会议。OAD回波损耗的模拟和测量同轴馈电用于激励内部环形环，而外部环形环用作寄生元件。两个同心ARMSA的输入阻抗公式如[42]所示：Zin¼Z in eZino 3其中，Zin（e）和Zin（o）是偶数的输入阻抗，奇数模式，并且分别计算。增加天线输入电压的最重要参数在高频天线应用中，输入阻抗为50X。因此，具有零镜像部分的天线被称为谐振天线。通过参数研究，调整和优化了OAD在四个谐振频率下的输入阻抗值而OAD输入阻抗的仿真结果是采用HFSS全波模型确定的。OAD输入阻抗实部和虚部的仿真结果如图9所示。在四个共振频率下，输入阻抗的实部和虚部分别为表4OAD回波损耗的仿真和测量数据20.65-19.56 2.09 6.0724.98-17.43 1.41 6.9228.96-16.99 1.95 8.40测量13.10-17.96 1.72 7.2320.72-21.52 2.04 6.1125.00-18.82 1.54 7.1828.85-16.14 1.97 8.31见图8。在（a）13.27 GHz、（b）20.65 GHz、（c）24.98 GHz和（d）28.96 GHz下模拟OAD贴片上的表面电流分布。带谐振频率（GHz）回波损耗（dB）阻抗带宽（GHz）增益（dB）仿真13.27-15.621.387.58Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010338图9.第九条。OAD输入阻抗的仿真结果见图10。在四个谐振频率（a）13.27 GHz、（b）20.65 GHz、（c）24.98 GHz和（d）28.96 GHz下，所建议的天线的模拟辐射图。dance的值分别为（49.92，0.03）X、（50.76，0.43）X、（48.98，0.08）X和（51.05，0.27）X。从这些值可以得出结论，对于大多数实际应用，四个谐振频率的实部可接受地接近（50 + j0）XOAD在四个共振频率下的模拟辐射图如图10所示。这些辐射图案在E平面（xz平面，黑线）和H平面（yz平面，红线）在共振频率13.27、20.65、24.98和Wa'il A. Godaymi Al-Tumah，R.M.沙班和A.P.达菲工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010339-表5OAD与其他先前发表的论文之间的比较17.79-13.58 695 6.6020.70-21.78 832 7.94[12]29× 24×1.79 3.20 12.98-24.50 890 6.8016.94[18]60× 60×1.52 4.00 1.175-19.00 75 0.501.428-13.00 90 0.501.956-18.50[28]40× 40×1.60 4.40 3.40-16.50下午四时二十分至二十六时[30]30× 30×1.60 4.40 2.70-40.00[31]180x180x 0.8 3.38 1.50--1.80--2.10-[34]60× 60×1.60 4.40 2.45-27.003.50-15.20本作品29× 24×1.6 3.55 13.10-17.9620.72 - 21.5225.00-18.8228.85-16.1428.96千兆赫。从图10中可以观察到，两个主平面中的辐射模式在第二、第三和第四频带中是可接受的。而在第一频段，辐射方向图有一点畸变。表5说明了OAD与先前报告的双频带和三频带MSA的比较。该表总结了参考文献[10，12，18，28，30，31，34]中设计的所有天线在总体尺寸、介电常数、谐振频率、反射系数、带宽和增益方面的比较。表3反映了OAD提供了比其他设计的天线小的尺寸、四个频带、2040MHz的最大带宽和8.31 dB的最大增益。4. 结论为了实现多频带工作和改善阻抗匹配，本文提出了一种新型的双圆环微带天线，它具有多谐振特性，并带有缝隙以获得最佳性能。由两个相等大小的扇区组成的驱动贴片和由四个相等尺寸的扇区组成的寄生贴片形成天线的基础。所提出的设计产生良好的增益值（6.11-8.31）dB和回波损耗值（-16.14至21.52）dB。实验上，工作频率可以被分成四个频带（即，中心频率为13.10 GHz，20.72 GHz、25.00 GHz和28.85 GHz）。与传统的单圆环贴片微带天线进行了性能比较，天线的阻抗匹配和带宽得到了提高。此外，额外的谐振和多频带实现获得的OAD。在两个主要的E-和H-平面中的辐射方向图的模拟具有良好的辐射特性，并且对于各种不同的无线通信应用是可接受的。最后，OAD具有用于Ku、K和Ka波段应用的多波段工作频率。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢对德黑兰大学天线型式认证实验室全体工作人员的科学合作表示感谢此外，作者感谢巴士拉大学理学院在这项工作中不断给予的支持和鼓励。引用[1] A.S. 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