扇形圆盘分形天线设计与后向散射研究

工程科学与技术，国际期刊20（2017）18完整文章扇形圆盘分形天线的设计与后向散射研究Raj KumarBagh，Nabyra Kushwaha阿尔德博士Homi Baba Road，浦那411 0 21，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年1月13日收到2016年6月2日修订2016年7月4日接受2016年8月20日在线发布关键词：微带天线单极子天线分形几何共面波导馈电UWB系统A B S T R A C T介绍了扇形圆盘分形天线的设计。所提出的天线已被激发使用共面波导馈电。测试结果表明，该天线具有3.265~ 15.0GHz的超宽带特性。将实测结果与模拟结果进行了比较，两者吻合较好.通过在接地层中引入矩形槽，改善了天线在整个频带内的阻抗匹配。该天线的辐射方向图在H面内几乎是全向的，在E面内几乎是双向的。对天线模式和结构模式的后向散射进行了这种天线在超宽带系统、微波成像和车载雷达、精密定位等领域有着广泛的应用前景。©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. 介绍随着无线通信系统的飞速发展，人们对小型化、低成本、易于制造的超宽带天线的需求越来越大FCC在2002年 2月宣布的超宽带（UWB）频谱范围为3.1 GHz至10.6 GHz[1]。UWB系统具有传输高数据速率和低功耗的优点。UWB系统需要小尺寸的UWB天线设计具有全向辐射方向图、恒定群时延和相位线性特性的小型天线是一个在公开的文献中，许多研究者报道了设计在非平面和平面结构上的UWB微带天线。在[2]中已经报道了非平面UWB天线，而在[3]中报道了具有直接探针馈电的UWB平面微带天线。然而，这些天线具有UWB特性，具有较大的整体尺寸，并且不能容易地与MIC/MMIC器件集成。一些研究人员已经报道了具有部分地平面微带馈电[4，5]和具有共面波导（CPW）与部分接地微带馈电相比，共面波导馈电具有许多优点，如无双面印刷、无对准问题和在较高频率下的低损耗一个CPW饲料也是一个-*通讯作者。电子邮件地址：raj34_shivani@yahoo.co.in（R.Kumar）。由Karabuk大学负责进行同行审查具有宽带宽和良好的辐射方向图，易于与MIC/MMIC集成。天线的小型化和带宽的提高是超宽带天线设计的两个主要挑战。最近，分形几何已被报道为一个有前途的研究领域，在超宽带紧凑型天线的设计，也有利于良好的阻抗匹配。分形几何具有自相似性和空间填充性。分形的这些性质可用于各种天线和微波电路的设计。 自相似性提供了天线的多频带特性或UWB特性，而间隔填充特性使天线/电路小型化。分形作为辐射结构时的多频特性在[8]中首次报道。分形也可能加入一些基于自缩放特性的早期设计，但它们的尺寸更大[9]。Puente等人首先报道了分形多频带天线的行为，即Sierpinski天线[10]。在多频带分形天线领域的一些进一步的步骤发表在[11在[14]中也报道了具有多频带特性的分形天线。[15]中报道了使用缺陷接地结构（DGS）产生的多频带谐振以及DGS对天线尺寸减小和阵列互耦的影响。但DGS的多波段显示带宽较窄，而且要将多波段调整到实际应用中非常复杂。还显示了通过采用具有间隙耦合的分形几何结构来增强天线的带宽[16]。该天线采用同轴馈电，通过合并多个谐振点提高了带宽，但天线尺寸较小http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.07.0012215-0986/©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/jestchR. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1819××比报道中的天线还要大目前作者[17]已经报道了通过在贴片和接地平面中实施缝隙来实现UWB和双极化的双极化天线。在文献[18- 21]中报道了一些用于UWB带宽的部分微带馈电和共面波导馈电的平面双分形天线目前，分形几何也正与Meta- material（MTM）相结合，成为天线和微波电路研究的热点例如，CSRRs中的分形扰动导致显著较低的谐振[22，23]、多频带行为[24]和宽带性能[25]。其他研究者也在人造磁性材料中引入了希尔伯特曲线[26]，一些作者甚至利用分形概念来提高UWB滤波器的通带性能[27]。本文利用分形几何理论对圆盘扇形单极子天线进行了研究，实现了超宽带天线。分形天线具有良好的阻抗匹配和良好的RCS。由于天线散射是低可观测平台雷达散射截面的主要组成部分，因此有必要研究超宽带分形天线的雷达天线的散射与其馈电端口有关，它同时影响着低RCS和良好辐射特性的天线设计[28因此，天线的散射特性对于国防应用是重要的事实上，天线散射可能是电磁兼容性问题的一个来源，并可能对同一平台上的其他系统造成干扰分形天线的广泛应用对天线设计者在RCS研究和减缩方面具有重要意义分形天线在窄带内的RCS减缩在文献[31]中已有报道。但多频带或超宽带分形天线的RCS减缩在公开文献中还未见报道。本文介绍了超宽带分形微带天线的设计本文提出的分形天线采用共面波导馈电所提出的天线也进行了实验验证。该天线的特点是在阻抗带宽，辐射方向图，群延迟和反向散射。2. 所提出的天线所提出的天线已被设计为UWB characteris- tics。该天线是使用一个迭代结构，如图所示。1.一、在第0次迭代中，取半径为15 mm的圆柱体Fig. 1. 提出了共面波导馈电的分形天线角度为120°。在第一次迭代中，插入边长为5 mm的四个等边三角形，并从第零次迭代中减去。这成为天线的第一次迭代。对于第二次迭代，使用边长为3.175 mm插入第二迭代结构和子结构中。这被称为第二次迭代。对于第三次迭代，插入边长为2.0161 mm的四个等边三角形，并从第二次迭代中减去。这被称为第三次迭代。对于第四次迭代，再次插入边长为1.28 mm的四个等边三角形，并从第三次迭代中继承。这成为天线的第四次迭代。对于第五次迭代，插入边长为0.81294 mm的四个等效三角形，并从第四次迭代中减去。这成为天线的第五次迭代和最终提出的天线的结构。由于制造限制，相同的过程不能重复到无限迭代。在这里，最终的天线结构采用五次迭代。在每次迭代中存在四个等边三角形，并且每个等边三角形以30 °差放置。第一个等边三角形旋转30°，第二个旋转60°，第三个旋转第四个旋转90°，第四个旋转120°。这些等边三角形在每次迭代中内接于圆柱。的半径缸在各种迭代是15.010.654mm，7.44 mm、5.258 mm、3.753 mm和2.73 mm。去除等边三角形的中心金属部分以形成分形几何。如图1所示，最后提出的天线采用共面波导馈电，并设计在介电常数εr= 4.3和厚度1.53 mm的基板上。天线结构的尺寸为32.5 mm × 37.46mm。共面波导馈电的宽度取W= 2.8 mm，馈电和接地之间的间距为0.6mm。这使得馈线因此，它可以直接与50X SMA连接器连接。共面波导馈电接地面的长度和宽度分别优化为15.5 mm和22.73 mm。基板的总体尺寸为35.0 mm-50.0 mm。所提出的天线如图1所示，具有优化的尺寸。3. 模拟结果所提出的天线已被模拟的每个影响天线的性能的设计参数。贴片和接地平面之间的间隙、接地和馈线之间的间隙、接地平面的长度和宽度都是对天线带宽有影响的关键参数。这是因为电流分布在贴片的边缘，并沿着接地层的上边缘，如图2所示。因此，贴片和接地层之间的间隙是实现UWB特性的关键。接地层的长度对微带天线也很重要。 它应该是四分之一波长k/4左右。为了适应基底和分形几何的影响，地面的长度必须优化。建议的天线的接地宽度也进行了优化，以获得最佳性能。馈电与地之间的间隙经过优化，可在整个频带内实现适当的输入阻抗匹配。3.1. 贴片和接地层之间的间隙的影响所提出的天线已经模拟了各种间隙之间的贴片和接地平面。间隙从0.1 mm到0.5 mm，步长为0.1 mm的模拟结果如图所示。3.第三章。从模拟结果中观察到，随着间隙从0.5mm减小到0.3mm，阻抗匹配改善。但是在整个频带内良好的阻抗匹配20R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）18图二. 所提出的分形天线上的电流分布。图3.第三章。 模拟结果的建议天线之间的各种间隙贴片和接地平面（Gpg）。在间隙0.3 mm处实现。对于间隙0.2 mm和0.1 mm，阻抗匹配在高频侧恶化。3.2. 地平面中的缝隙效应对地平面上的缝隙效应进行了仿真。从模拟结果中注意到，由于在更高频率下接地平面中的槽，回波损耗改善，如图4所示。阻抗匹配在较高频率下提高了5dB。为了实现UWB，对时隙的大小进行了优化特色通过优化，槽的宽度和长度固定为5.0 mm和4.0 mm。 五、3.3. 地平面宽度的影响（GW）在CPW馈电中，馈电的两侧放置矩形接地平面。矩形接地层的宽度（GW）很重要，因为电流分布是沿x轴的如图所示的接地平面。 2在5GHz和8.2 GHz。的见图4。 在接地平面上有和没有缝隙的建议天线的模拟结果。R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1821图五、 不同接地层宽度（Gw）的天线仿真结果。已经针对不同的接地宽度值模拟了接地宽度的影响。不同接地层宽度的模拟结果如图5所示，其值从这里，所有其他参数保持固定（Gpg= 0.3 mm，GL= 20.5 mm，Gfg= 0.6mm和W= 2.8 mm）。结果表明，当接地宽度（GW）从22.73 mm增加到24.73 mm时，下端频率向下方移动。存在一个最佳值提供整个频带的阻抗带宽的宽度。这是因为接地宽度表现得像电感谐振电路，电流沿X轴分布。随着接地宽度的增加或减少，感抗也增加或减少。但在最佳接地宽度值处，该电感部分最小。这意味着共面波导馈电微带天线的地宽对实现天线的超宽带宽3.4.接地层长度的影响（GL）还使用3D电磁仿真器HFSS模拟了接地层长度的影响已经针对从15.5 mm到17.5 mm的磨削长度（GL）进行了模拟，步长为1 mm，保持所有其他参数固定;Gw= 22.73 mm，Gpg= 0.3 mm，Gfg= 0.6 mm和W= 2.8 mm。 模拟结果如图所示。 六、从仿真结果可以看出，随着接地长度的增加，低端频率略微向低频侧偏移。没有重大影响，在带宽方面在较高频率侧观察到。结果表明，接地长度对天线的带宽影响不大4. 实验结果和讨论所提出的具有优化维数的分形天线如图1所示。天线已被制造与这些优化的尺寸有和没有槽。本文给出了该分形天线在有缝隙和无缝隙情况下的实验结果在图7中。该天线已使用矢量网络分析仪R S VNA ZVA40进行了测试。所提出的天线的实验结果与的槽展品UWB特性从3.265 GHz至15 GHz。利用HFSS软件和CST MW Studio软件分别对天线进行了有限元和有限积分仿真。如图8所示，实验和模拟结果非常一致。该天线采用共面波导馈电，并在接地层中加入两个矩形槽，以改善高频下的回波损耗。这使得9 GHz附近的回波损耗提高了4在所提出的分形天线中，分形几何被结合在半径为15 mm的实心扇形圆盘中。这意味着所形成的天线的长度为15 mm，这给出了在大约5GHz处对应于k=1/4直径为15 mm的圆盘天线也将给出约5 GHz的基频但直径为15 mm的圆盘与见图6。 不同接地层长度的天线仿真结果。22R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）18见图7。 （a）所提出的分形天线的照片（b）无缝隙分形天线的照片。见图8。 实验和仿真结果提出分形天线与缝隙。15 mm扇形圆盘天线与后者实现了更好的阻抗匹配。15mm扇形圆盘单极子由于采用120°喇叭角，阻抗匹配较好.在本结构中引入分形几何进一步增强了阻抗匹配。如图8所示，该天线在多个谐振频率（模式）下谐振。即4.75 GHz、6.42 GHz、8.1 GHz、9.1 GHz和11.5 GHz。这些测量的谐振频率与HFSS和CST软件模拟的多个谐振频率这些多个谐振频率彼此合并并给出总体UWB带宽。对无缝隙、地宽Wg= 24mm、长GL= 17mm的分形天线进行了测试。 实测结果与模拟结果（HFSS和CST软件）吻合较好。9.第九条。很明显，如果没有槽和最佳接地宽度，整个频带的回波损耗不会低于实测和模拟结果表明，开槽和接地宽度的影响是明显的。所提出的分形天线的辐射方向图已经在室内电波暗室中在选择的频率下测量。在4.7 GHz、6.0 GHz、8.0 GHz、7.8 GHz、9.8 GHz和8.0 GHz下测量H平面中的辐射图。图9.第九条。无缝隙分形天线的实验与仿真结果。R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）182312.0GHz ， 如 图所示 。 10a. 类 似 地 ， 还 在 4.7GHz 、 6.0GHz 、8.0GHz、9.8 GHz和12.0 GHz，如图10 b所示。在H-和E-平面的辐射图案也使用HFSS和CST微波工作室进行了模拟。测量和模拟的辐射图在两个平面中，合并并比较。测量和模拟的辐射模式是在密切的协议。辐射方向图的性质在H平面中几乎是全向的，而在E平面中是双向的。据观察，随着频率的增加，辐射图案略有变化。这可能是因为图10a. 测量和模拟的H（XZ）图10b. 测量和模拟的E（YZ）24R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）18的边缘反射，分形性质的天线和有损介电常数。在H-和E-平面中的模拟HFSS和CST辐射图案辐射模式的这种差异是由于两种软件基于不同的数值技术。同时还测量了无缝隙天线在E面和H面的辐射方向图。确定和模拟使用两个软件如图所示。 11.对于无缝隙天线，测量和模拟的辐射方向图也非常接近。在整个频带内，带缝天线的辐射方向图比不带缝天线的辐射方向图稳定。无缝隙天线辐射方向图的波纹较大这是图11a. 无缝隙分形天线H（XZ）面辐射方向图的实测与仿真图11b. 无缝隙分形天线E（YZ）面辐射方向图的实测与仿真R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1825ð Þ见图12。 分形天线带槽和不带槽峰值增益的测量与仿真。5. 天线的群时延和相位变化超宽带天线的性能指标之一是群延迟，群延迟在整个工作频带内应保持恒定，以确保信号传输中的最小失真。在数学上，可以通过取传输相位U（f）相对于频率f的负导数来计算群延迟（s群延迟;sD/F¼-2pDFð1Þ图十三. 所提出的天线的模拟辐射效率。因为没有缝隙的天线的回波损耗在超过9.5GHz的更高频率处很差。利用HFSS和CST软件对该分形天线的峰值增益进行了测量和仿真如图所示，将有和没有槽的测量峰值增益与模拟峰值增益进行比较。 12个。所提出的天线的峰值增益随着频率的增加而增加。这是因为天线的有效面积在较高频率下随着波长变短而增加但是超过某一较高频率，它不会因为衬底损耗和交叉极化的增加而测量的峰值增益的天线没有槽下降超过9.5 GHz的频率这是由于该频率下的回波损耗较差模拟的辐射效率通过将两个相同的天线放置在远场区，对天线的群时延进行了仿真。 天线的模拟群时延如图所示。 十四岁可以看出，在UWB区域中，群延迟变化非常小，并且在整个频带中几乎是恒定的。这表明UWB天线系统将具有非常小的接收信号失真。6. 拟议天线的后向散射结果天线的RCS取决于其馈电端接。利用HFSS软件对开路、短路和匹配负载（50倍）终端的单站RCS利用这些开路、短路和匹配负载终端的RCS仿真结果，利用方程组计算了结构模式散射和天线模式散射（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）结构模式散射（rs）计算如下：. 你知道吗？2所提出的具有缝隙的天线在图13中示出。效率在整个乐队中超过70%有所减少rs¼。0sh二、ð2Þ效率随着频率的增加而降低，这是由于频率相关的介电损耗和铜损耗的增加。其中，r0和rsh是具有开路和短路端的RCS天线模式散射（ra）计算如下：26R. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）18-ra¼。0sh.图14. 分形天线群时延的仿真研究。图十五岁分 形 天线 模 式 散射 的单站RCS仿真。.pr-pr。22在H平面中为单向，在E平面中为双向。天线的群延迟在工作频带中具有可忽略的变化。研究了天线散射模式和结构散射模式下天线的单站RCS。该分形天线在工作频段内具有良好的RCS。这使得该天线成为军事应用的潜在候选者。该天线结构紧凑，设计简单，易于制作和与MMIC集成.该天线可用于UWB系统、医疗成像和民用以及国防应用的车载雷达。引用[1] 国际电信联盟，无线电通信研究组，2005年[2] K.P. Ray等人，宽带平面矩形微带天线，微波光学技术。8（1）（2001）。[3] M. Hammoud，P. Poey，F.张文，等，宽带圆盘天线的输入阻抗匹配，电子学报，2000。29（4）（1993）406-407。[4] J. Jung，W. Choi，J. Choi，一种小型宽带微带馈电微带天线，IEEE Microwave Wireless Compon. Lett. 15（2005）703-705。[5] M.K.金，K. Kim，H.苏岛Park，一种T形微带线馈电宽缝隙天线，IEEE Propag。Soc. 3（2000）1500-1503。仿真结果表明，该天线的结构模式散射RCS在高频区有很大的减小，这是由于天线的波长相对于天线的几何尺寸较小。 在低频范围内，由于分形天线的尺度与入射波长相近，因此RCS较大。这里，所有的单站RCS都是针对垂直极化计算的入射电场和接收电场都沿h= 0和U=0取向。所提出的分形天线的天线模式和结构模式RCS与频率的关系如图15所示。所提出的分形天线在整个频带内的RCS约为28 dB，在整个频带内具有阻抗匹配。结构散射模式的RCS与匹配终端的RCS相同这表明所提出的分形天线结构的潜在的军事应用，用于发送/接收高数据速率的安全无线通信。7. 结论设计并实验实现了一种在地平面上开槽的超宽带分形天线该天线在3.265 ~ 15 GHz范围内具有超宽带特性，阻抗带宽为128.497%。实验结果与模拟结果吻合较好。测量的天线辐射方向图是全向的。[6] J. Liang，C.，1985，1985年，中国科学院植物研究所所长。乔角Chen，C.G.Parini ， 超 宽带 系 统的 印刷 圆 盘微 带 天线 研 究， IEEE Trans.Propag.2004 。 53（2005）3500-3504。[7] M.R. Haji-Hashemi，M. Mir-Mohammad Sadeghi，V.M. Moghtadai，空间填充贴片天线与CPW饲料，进展。电磁场Res. Symp. （2009年）。[8] C.普恩特河Pous，多波段和低旁瓣的分形设计，IEEETrans.Cannas的论文。44（1996）1-10。[9] H.O. Peitgen，H. Jürgens，D.《混沌与分形》，北京：科学出版社，1990年。[10] C. Puente，J. Pous，X. Garcia，F. Benitez，基于Sierpinski垫片的分形多频带天线，电子。Lett. 32（1996）1-2。[11] C. Puente，J. 科苏河巴托洛河。Pous，扰动的Sierpinski天线分配工作频带，电子快报。32（1996）2186-2188。[12] C. Puente，J. Claret，F. J.M.Q.洛佩斯-萨尔万斯河 李文，电化学沉积法制备分形树天线的多频带特性，电子通讯。32（1996）2298-2299。[13] C. Puente，Fractal antennas（Ph.D.博士论文）系信号理论通信，加泰罗尼亚理工大学，1997年。[14] Nathan Cohen，Fractals：A New Era in Military Antenna Design，RF Des。（2005）12-17。[15] 张文，等.基于分形微带贴片天线的带宽优化设计– coupling, JESTCH 18 (2015) 286–293[16] 张文，张文强，低互耦微带贴片天线及其阵列的研究 ，北京：机械工程出版社，2001。Sci. Technol. Int. J. 19（2016）866-874。[17] R.V. S陈文，一种具有双极化的单端口和双端口的超宽带天线，中国科学技术出版社，2001。J. 19（2016）470-484。[18] M.丁河，巴西-地Jin，J. Geng，Q.吴，共面波导馈电超宽带分形天线的设计，微波光学。Technol. Lett. 49（2007）173-176。[19] Raj Kumar等人，在内接三角形非同心圆分形天线的设计上，微波光学系统采用了分形天线。Technol. Lett. 52（12）（2010）。[20] Raj Kumar等人，关于轮形分形天线的设计，微波光学技术。53（1）（2011）155-159。ð3ÞR. 库马尔，北Kushwaha/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1827[21] RajKumar等人，共面波导馈电四阶迭代超宽带分形天线的设计。 J. 微波光学技术6（5）（2010）。[22] V. Crnojevíc-Bengin，V. Radoníc，B.陈文，等，互补开口环谐振器的分形几何，电子工程学报，2000。56（10）（2008）2312-2321。[23] 高 Xu ， G.M.Wang ， C.X.Zhang， Study and design of dual-band quarter-waveopen-circuit stub based on Kochfractal-shaped geometry of CSRRs ，in ： Proceedings of the IEEE International Conference on MicrowaveandMillimeter Wave Technology，2010，pp. 1778-1780.中国成都。[24] 高Xu，G.M.王，英-地彭，J.G.梁，基于CSSRR分形几何结构的三带滤波器的新设计，Int. J. 电子学。 98（5）（2011）647-654。[25] 高 Xu ， G.M. Wang ， C.X. Zhang ，Y. Hu ， Microstrip approach benefitsquadsplitter，Microwaves RF 49（6）（2010）92-96.[26] L. Yousefi，O.M.李文，人工磁性材料的分形希尔伯特曲线研究，北京：机械工程出版社。科洛纳斯·普罗帕格 58（8）（2010）2614-2622。[27] 徐和秀，王光明，张晨新，分形超材料及其在高性能器件中的应用，选择性，Int. J. 天线推进 5（2012）1-14。[28] E.F. Knott等人，《雷达散射截面》第二版SciTech，Raleigh，NC，2004.[29] D. Pozar，单轴衬底上微带贴片的辐射和散射，IEEE Trans. 科洛纳斯·普罗帕格 35（6）（1987）613-621。[30] S. Hu，H.Chen C.，马缨丹属劳，Z。申湖，澳-地Zhu，W.Zhang，W.窦，超宽带天线的后向散射截面，IEEE Wavernas Wirel。普罗帕格Lett. 6（2007）70-73。[31] G.桂，Y. Liu，S.龚，一种新型的低RCS分形贴片天线，J。电磁场21（15）（2007）2403-2411。