C波段双谐振天线设计与通信系统

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1801完整文章用于通信系统Abhishek Kandwala，J. V.肖汉湾撸当Ca电磁分析实验室，物理和材料科学系，Jaypee信息技术大学，Solan，H.P，印度b印度塔塔基础研究所天文学和天体物理学系c泰国佛统府拉达那哥欣Rajamangala技术大学工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年3月30日收到2016年7月5日修订2016年8月6日接受2016年8月22日在线发布保留字：天线间隙耦合堆叠介质通信A B S T R A C T提出了一种用于通信系统的C波段不同介电常数介质耦合叠层双谐振天线。天线工作在C波段谐振在两个不同的频率。在该天线结构中使用两种不同的基板FR 4和云母 堆叠天线设计在中心贴片处同轴馈电，保持其他三个贴片作为寄生贴片。该天线在两个频段分别获得约8%和7%的阻抗带宽，在谐振频率处的峰值增益为9.5dBi，旁瓣电平为-12.2dB。该天线在YZ平面上获得了约-28dB的交叉极化，在XZ平面上的交叉极化小于-40dB。在两个共振处的效率都很好，其他模拟结果与测量结果吻合得很好。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍微带贴片阵列天线由于具有低剖面、低制造成本、鲁棒性、极化灵活性、兼容性、易于与微带电路集成以及对有源天线单元的适应性等优点，近年来受到了广泛的关注。微带阵列具有高性能，因为可以在印刷电路板上添加大量的天线元件、功率分配器、匹配部分等，而不会对成本产生任何影响[1这为设计工程师提供了单独封装的商业上不可用的组件。在实践中，通常仅使用简单的与圆形和矩形贴片天线一样，圆环形微带天线由于其体积小、带宽宽等特点，受到了研究者的广泛关注。然而，限制其在各个领域广泛应用的主要障碍为了提高圆形贴片的性能，提出了许多带宽增强技术*通讯作者。电子邮件地址：abhishekandwal@gmail.com（A.Kandwal）。由Karabuk大学负责进行同行审查。在这些技术中，选择了堆叠寄生配置，因为它提供了在单层寄生元件中未实现的元件之间的紧密间隔，它不激发在厚电介质基板中出现的表面波，并且它不产生对于低电介质基板产生的高阶模式[6通过简单地将蚀刻在高介电常数材料上的贴片与安装在低介电常数材料上的贴片堆叠，可以解决先前遇到的问题。据推测，上部贴片与典型激发表面强烈耦合，从而降低其对整体辐射性能的影响[12这些论文中提出的大多数天线设计都显示出带宽和增益的改善，小型化，但作为一个整体的设计没有提供最佳的天线性能。一些设计提供了小型化，但增益不好，一些设计提供了宽带或高增益，但使用了更典型的结构和分形几何结构，这导致损耗增加[6，10，11，15]。在本文中，我们提出了一种间隙耦合天线的设计，在一个低介电常数基板上蚀刻，并与间隙耦合天线元件堆叠在高介电常数基板上。作为一个整体，堆叠天线阵列的几何形状提出了无线应用。所提出的天线设计首先模拟，然后实验测试已经观察到http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.08.0052215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.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/）。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/jestch（1802A. Kandwal等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1801在两个不同谐振频率的C波段获得了宽的阻抗带宽以及良好的增益和效率。本文还提出了一个详细的参数研究，使用不同的间隙变化之间的基板和圆形补丁。2. 理论和设计基板材料在天线设计性能中起着重要的作用采用一种简单而新颖的方法，使用不同的基底，以改变不同的性质，（一）(b)（c）第（1）款图1.一、设计的天线的几何形状和原型（a）几何形状，（b）俯视图，（c）侧视图，（d）等效电路。×ð ÞnI22Z¼2n¼2p2i·B在1/4-I2中NPrn nA. Kandwal et al. / Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1801-18071803天线。所使用的电介质也是天线的电性能下降的原因，因为表面波产生在电介质上提取可用的总辐射功率的一部分和侧壁上的壁导纳。由方程式（2），pn被给出为直接辐射。所提出的天线阵列的第一层具有三个元件，其中一个贴片元件处具有同轴馈电pnS0Ei·JωdS其他贴片元件充当寄生贴片。相同的贴片元件层堆叠在第一层上。寄生贴片和叠层结构对阻抗带宽有很大的影响.当其中一个贴片元件与剩余的贴片元件同轴地馈电将贴片作为寄生贴片，由于馈电引脚中的电流和贴片辐射器中的场沿z轴是均匀的，因此上述表达式简化为形式pI0hZ2pE d在贴片元件之间由于阻抗之间的耦合由于存在电磁耦合，馈电贴片和寄生贴片之间的耦合，电场和磁场的表达式如下：Ez¼-jxnplC1F1knp·rcosn/5nn从所提出的天线是由耦合之间的他们并且随着堆叠的几何形状，阻抗带宽进一步增加。 天线增益、副瓣电平和后向辐射等辐射特性也得到了较好的改善。本文提出了一种具有两种不同基片的叠层天线阵列结构的第一层Hr¼-。nC1F1knp·rsinn/6和H/¼-knpC1F1knp·rcosn/7天线结构包含三个圆形贴片元件。子nn所用衬底是介电常数e= 4.3和热导率0.3 [W/K/m]的FR 4衬底。中央补丁很兴奋在距中心贴片元件的中心4mm的距离处使用同轴馈电。另外两个贴片充当耦合到中央激励贴片的寄生贴片。具有相等数量的圆形贴片元件的相同层与第一层堆叠。但是，在上部第二堆叠层中使用的基板是介电常数e= 6.0且具有导热性的云母0.75 [W/K/m]。将2mm的气隙引入到两个电极之间两层。每个圆形贴片的半径为r= 15 mm。所用基板的尺寸为（98mm × 34 mm）。每个圆形贴片元件由s= 2 mm。所使用的基板的厚度为h= 1.59mm。天线结构被馈送有同轴探针，以便实现50欧姆的特性阻抗。所提出的天线即堆叠间隙耦合天线阵列结构的原型如图1所示。图1（a）示出了几何布局，图1（b）示出了天线结构的俯视图，图1（c）示出了所提出的结构的侧视图。所提出的天线结构的等效电路如图1（d）所示。还可以使用天线结构的该电路图来执行数值分析。考虑一个半径为r1，厚度为h的圆盘天线，由馈电引脚上的线电流I0<$z0<$z激励 馈电针的直径为df，位于φr0;u0φ处，针上的电流密度为：J河同轴探头所见的天线输入阻抗其中C是常数。（一）Z1Z0！ω ！ω·ð1Þ其中表面积分在进给销表面S0上。已经推导出Zin的表达式，并给出为：Zin¼-1XX0pnjxjx-Cð2Þ哪里 xnp 对应于与TMnp模对应的本征模的共振。参数A和C如下给出：A ZsSejHijdS3C¼ -YWZjEijdS（b）第（1）款其中SE对应于顶底表面，SM对应于侧壁。Zs和YW是导体的表面阻抗图二、S参数（S11）（dB）随频率（GHz）的变化（a）对于基板间隙= 1 mm和3SM0S0EJ dS¼Zmm。（b）对于贴片间隙= 1 mm和3 mm。n1/4re¼·1804A. Kandwal等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1801F1knprJnknp·r8和F10knprJ0knp·rn n此外，对于堆叠的几何形状。有效介电常数的表达式如下：eer1h=d1erh=d其中h是气隙，d是覆盖层高度。谐振频率由以下关系式获得ð9ÞfnpvNP3002pbeffpefð10Þf是谐振频率，其中eef¼4ereer;dynpð11Þ;Þ见图4。方向性模式（模拟和测量）。频率F = 5.4 GHz和F = 7.7 GHz时的方向性（θ/度与dBi）。（一）（b）第（1）款图三.在贴片和基板间隙= 2 mm处的测量。（a）S参数随频率（GHz）的变化。（b）输入阻抗随频率（GHz）的变化图五. 工作频率范围内的最大增益。见图6。工作频率范围内的最大（模拟和计算）效率。¼英寸av¼2dz1;//A. Kandwal et al. / Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1801-18071805哪里;Cðe ¼e e Þ在电容模式下，辐射场强耦合。因此，在上述公式中，Pr仍然是一个单一的表达式er dyn¼Dyn0reð12Þ考虑到两个非耦合场。Cdynee0其中，Cdyn是动态电容，定义为Cdyn<$C0;dyn<$Ce;dyn<$主电容和边缘电容<$13 Ω一旦获得上部贴片的有效介电常数，就获得有效尺寸beff。接下来，无探针上部贴片的输入阻抗使用以下等式获得，其中适当改变各种参数。3. 仿真和实验结果在C波段的两个不同的频率下测量了所提出的天线结构的阻抗带宽。利用HFSS（High Frequency Structural Simulator）仿真软件进行了仿真，并用RS矢量网络分析仪进行了实验验证。模拟和实验-谈话结果彼此吻合良好。辐射Z12PTj4xWe-j4xWhð14Þ所提出的间隙耦合天线阵列结构的方向图也在下面的部分中示出和讨论天线设计jV j2哪里jVj2jVj2使用衬底之间和贴片之间的间隙变化来全面研究测量结果也符合-V¼-dEav和E1Z2pE2r d0形成的间隙，在该间隙处，天线在以下方面显示出最佳结果带宽、阻抗匹配和辐射特性。为了进一步验证，在一些难以测量的图表中，使用数值计算对结果进行了比较。图图2示出了回波损耗随频率的变化。 图在图2（a）中，基板间隙从1mm变化到3mm，保持贴片因此，每个腔被单独研究，就好像它们是非耦合的。通过添加各个阻抗来实现耦合。虽然研究了谐振腔的谐振，从图中可以清楚地看出，当间隙增加时，共振频率向更高模式移动。在第一个谐振腔(a)（b）第（1）款(c)（d）其他事项见图7。归一化辐射图（模拟和测量的同极分量）。(a)YZ平面（共极-5.4GHz），（-1806A. Kandwal等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1801频率.在第二谐振频率下，回波损耗约为14 dB和23 dB。图2（b）显示了保持基板间隙为2 mm，贴片间隙为1 mm和3 mm时的变化。在两个谐振频率下获得了22 dB和31 dB的良好回波损耗。由于耦合效应，当贴片之间的间隙随着耦合减小而增大时，阻抗带宽减小。 这在所示的图表中清晰可见。图3示出了当贴片之间的间隙与基板间隙为2mm时回波损耗（dB）随频率（GHz）的变化。所设计的天线在C波段谐振，第一谐振模式谐振频率为5.4GHz，第二谐振模式谐振频率为7.7GHz。当没有堆叠时（如图3（a）所示），天线在谐振频率下在C波段谐振5.4 GHz和7.7 GHz。该天线在第一谐振频率范围从5.35 GHz到2.50GHz时显示出仅4.3%的带宽。5.59 GHz。在第二谐振频率下，天线显示出从频率7.5 GHz到7.86 GHz的4.7%的带宽。对于堆叠天线设计（如图3（a）所示），在第一共振频率下，模拟阻抗带宽约为8%。带宽频率范围从5.2 GHz到5.7 GHz。在5.23 ~ 5.68GHz频率范围内，测得阻抗带宽约为7.7%.在第一谐振频率下，回波损耗为32 dB。在第二谐振频率下，模拟的阻抗带宽约为6.4%。带宽频率范围从7.4 GHz到7.87 GHz。在7.35 ~ 7.88 GHz频率范围内，实验测得阻抗带宽约为7.1%在第二次共振时频率，回波损耗为24 dB。测量的输入阻抗（如图3（b）所示）曲线图显示了在谐振频率处的良好阻抗匹配。从以上结果可以看出，模拟结果与实验结果吻合较好。在第一谐振频率处获得宽带。在第二谐振频率处获得了合理的阻抗带宽。增强阻抗带宽的原因已经在本文的理论部分中讨论。因此，堆叠增加了所提出的天线设计的阻抗带宽。在第一谐振频率处的所提出的天线设计的方向性图案在图4中示出，并且已经使用两种不同的仿真软件示出了比较。显示了Theta/Degree与dBi之间的方向性绝对值（Phi = 90）的笛卡尔图。在第一谐振频率下，在主瓣方向46.0度上获得的天线增益约为9.5dBi。在40.1 °方向上的3dB角宽度内，获得的旁瓣电平约为12.2dB。在此谐振频率下，通过显著降低旁瓣电平获得合理的增益。在第二谐振频率的天线设计的方向图也显示在图。 四、显示了Theta/Degree与dBi之间的方向性绝对值（Phi = 0）的笛卡尔图在该第二谐振频率处，在主瓣方向上38.0 度，天线增益约为3.1 dBi。在114.9 °方向上的3dB角宽度内，(a)（b）第（1）款(c)（d）其他事项见图8。归一化辐射图（模拟和测量的交叉极化分量）。(a)YZ平面（交叉极化-5.4GHz），（------A. Kandwal et al. / Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1801-18071807表1申报天线的参数结果。参数模拟测量值（近似值）最大带宽8%6 7.8%最大天线增益9.5 dB6 9.3 dB最小旁瓣电平-24dB6- 22 dB交叉极化-28dB-28最大效率97%所获得的水平约为24.1dB。在该谐振频率处，通过非常好地降低旁瓣电平来获得合理的增益。如我们所知，为了更好的天线辐射，旁瓣电平应该尽可能低，同时具有良好的天线增益。在这里，在所提出的结构中，我们获得了非常好的辐射特性，这对于无线应用是非常好的。通过进一步增加天线阵列元件的数量，可以获得更好的结果。也可以增加堆叠层以获得不同的结果。图5显示了在整个工作频率范围内获得的最大增益的模拟值和测量值。 测量结果刚刚显示在所需的频率，cies使用几个数据点。图6示出了效率曲线，其示出了已经获得97%的最大效率。为了比较的目的，简单的数值方程（增益和方向性的比率）已被用来得到计算效率在所需的频率。图7中示出了针对两个谐振频率的模拟和测量的归一化辐射图案。图7示出了XZ平面和YZ平面中的共极归一化极坐标图。图8分别示出了XZ平面和YZ平面中的交叉极化分量。从图8（a）和图8（b）可以看出，YZ平面中的交叉极化水平已经降低到约28 dB和7 dB。图8（c）和（d）显示交叉极化分量在XZ平面中甚至小于40 dB，因此可以忽略。所有的模拟结果和测量结果都很好地相互吻合测量在10 °下进行， 20度，30°的360 °的为了显示更平滑的图形，坏点已删除，而绘图来可能是由于连接、堆叠等。在测量的图形中，从另一个软件中获取额外的点，并使用曲线拟合来显示结果的连续性，如模拟结果。所有参数和结果均已在下表1中列出，其中为模拟、计算和测量获得的最大值。因此，可以得出结论，所提出的间隙耦合天线阵列结构与堆叠的几何形状，使用不同的介电常数基板给出了非常好的结果。本文从理论和实验两方面研究了4. 结论因此，在本通信中提出了一种简单而有效的间隙耦合天线阵列的设计与堆叠的几何形状，使用不同的介质基板本文还研究了寄生贴片效应和叠层效应。天线辐射图显示天线增益约为9.5 dBi，旁瓣电平降低到约12.2 dB和24.1 dB。该天线提供了一个很好的减少交叉极化，并在两个谐振具有高效率所提出的天线结构适用于各种无线通信系统，例如移动通信和C波段频率的其他系统。引用[1] J.A. Ansari，R.B.林志荣，间隙耦合叠层圆环微带天线之分析，硕士论文。电磁场Res. B 4（2008）147-158。[2] K.- S.阿成，H T.张，J. - A. Liu，B.- G.陈杰C. Cheng，J.S.傅，LTCC基板上的堆叠式贴片天线阵列在28 GHz下操作，J. Electromagn. WavesAppl.25（2011）527-538.[3] J. Ghosh，J.S.黄文，一种新型的微带天线的设计，电子学报。Waves Appl.22（2008）2379[4] Adel Mohamed Abdin，用于无线通信的双极化堆叠阵列的设计，PIERS在线4（2008）409[5] A.M.M. Dahlan，M.R.黄文，带寄生单元的微带贴片天线，J。电磁场波应用 24（2010）327-339。[6] M.陈志华，低互耦微带贴片天线及其阵列之研究，国立成功大学机械工程研究所硕士论文。Sci. Technol. Int. J. （JESTECH）19（2）（2016）866-874。[7] 凯尔蒂·S Kona，Majid Manteghi，Y.R.一种新颖的双频双极化叠层微带天线阵馈源，微波光学。Technol. Lett. 48（2006）1250-1258。[8] 罗伯湾高、低介电常数材料组合的叠层贴片，IEEE Trans. 47（1999）1767-1771。[9] 拉什米·A普拉萨纳？潘达雷亚陈文，高振强，高性能微带天线阵的设计与实现，硕士论文，北京，1998。Sci. Technol. Int. J. 19（3）（2016）1360-1367。[10] A.卡纳张文，等，微带贴片天线的频率特性，硕士论文，国立台湾科技大学。Technol. （JESTECH）18（2）（2015）286-293.[11] M. Mahajan ，T. Chakravarty ， S.K. Khah ，叠 层圆盘的扩 展空腔模 型分析，Prog。电磁场Res. 65（2006）287-308。[12] A. Kandwal，T. Chakravarty，S.K.张文，间隙耦合扇形天线导纳计算的电路方法，微波光学技术。54（2012）210-213。[13] Jonathan M.李志华，一种紧凑的叠层阿基米德螺旋天线，J. 电磁场Waves Appl.26（2012）2372-2380.[14] H.N. 戴 ， K.- W. Kg ， M. 李 ， M.- Y. Wu ， An overview of using directionalantennasin wireless networks，Int. J. Commun. 系统 26（2013）413-448。[15] J. Abraham，T.马修，C.K.陈晓，一种新型的近馈间隙耦合微带贴片天线阵列，北京，中国科学技术大学。电磁场Res. C 61（2016）171-178.[16] R.V. S陈志荣，一种新型的微带馈电V形缝隙天线的设计与研究，硕士论文，国立台湾科技大学。（JESTECH）18（4）（2015）513-523.[17] 王志华，张志华，等，微带馈电印刷超宽带分集天线的设计与实现，硕士论文。国际技术杂志（JESTECH）19（2）（2016）946-955。