带L型探头馈电的U形槽圆形贴片天线外文翻译资料

 2022-12-11 20:21:39

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带L型探头馈电的U形槽圆形贴片天线

Y. X. Guo，K. M. Luk和K. F. Lee

摘要：实验结果提出了带L型探头馈电的U型槽的圆形贴片天线。使用厚度为0.1的泡沫层作为介质基片，实现了38％（驻波比le;2）的阻抗带宽和6.8dBi的增益。远场辐射图在通带上是稳定的。

简介

在过去十年中，在微带天线的带宽增强方面已经做出了很大的努力。目前已经提出了几种技术，包括阻抗匹配[1,2]，使用厚介质基片[3]，使用多个谐振器[4,5]和使用有损耗材料[6]。在同轴馈电法中采用较厚的介质基片的技术，将带宽限制在谐振频率的lt;10％。最近，通过在厚基底圆形贴片上引入U形槽来实现23％的带宽[7]，并且使用在厚介质基片圆形贴片上的L型馈电探针实现24％的带宽[8]。

在这篇文章中，我们在圆形贴片上同时应用了U型槽和L型探针技术。得到的使用泡沫介质基片的天线，具有38％的阻抗带宽和6.8dBi的增益，具有良好的图案特性。

图1.带有L型探针的U型槽贴片天线的几何形状

  1. 顶视图
  2. 侧视图

几何形状

如图1所示，这个天线有通过介电常数接近于1的泡沫层与无限接地平面分离的圆形贴片。这个贴片上有一个U型槽并且由L型同轴探针馈电并且在TM11模式下激发。该贴片具有以下参数：Cd=34mm，Lh=15mm，Lv=5.5mm，UW=12mm，UL=20mm，a=4mm，b=6mm，c=2mm，D=3mm，R=0.5mm，H=9mm（~0.1，其中是对应于贴片天线中心频率3.6GHz的自由空间波长。）

图2.驻波比和频率增益

——驻波比

  • 增益

测量结果和讨论

天线的驻波比和增益如图2所示。在2.94-4.31GHz的频率范围内SWRle;2，对应于以3.6GHz为中心的38％的阻抗带宽。在大多数频段中，在宽边方向上的测量增益ge;6dB。图3示出了输入阻抗。带宽增强源自三个来源：（i）相对较厚的介质基片（ii）由于U形槽而引起的与贴片并联的电容（iii）以及由于引入L探针而与贴片串联的电容。因此，由于厚介质基片而由L探针的垂直臂（Lv）引入的电感可以部分地被电容抑制。

图3. 输入阻抗与频率的关系

图4. 3.6GHz的辐射图

  1. H面
  2. E面

——共极化

——交叉极化

图4显示了3.6GHz的辐射图。共极化模式在通带内是稳定的。3db波束宽度在H和E平面中分别为96和78°。尽管在-45°的H平面中的交叉极化电平相当高，但是交叉极化在宽边方向上的共极化以下是-28dB。此外，在一些阵列环境中可以抑制交叉极化电平[9]。

结论

我们在宽带单层圆形贴片天线的设计中描述了L探头和U形槽宽带技术的组合。对于厚度为0.1的泡沫基底，所得天线的带宽比单独使用U型槽宽15％，比单独使用L形探头宽14％。

致谢

该项目得到香港研究基金委员会（项目编号：9040210）的支持。

1999年8月17日

Electronics Letters Online No: 19991203

DIO: 10.1049/el: 19991203

Y.X. Guo和K.M. Luk（中华人民共和国香港九龙尖沙咀83号香港城市大学电子工程系）

K.F. Lee（美国密苏里亚洲哥伦比亚哥伦比亚大学电气工程系）

参考文献

  1. PUES, H.F., and VAN DE CAPELLE, A.R.: lsquo;An impedance matching technique for increasing the bandwidth of microstrip antennasrsquo;, IEEE Trans.,1989, AP-37, (II), pp. 1345-1354
  2. POZAR,D.M., and KAUFMAN,B.: lsquo;Increasing the bandwidth of a microstrip antenna by proximity couplingrsquo;, Electron. Lett., 1987, 23, (S), pp. 368-369
  3. CHANG, E., LONG, S.A., and RICHARDS, W.F.: lsquo;Experimental investigation of electrically thick rectangular microstrip antennasrsquo;, IEEE Trans., 1986, AP-34, (6), pp. 767-772
  4. LEE, R.Q., LEE, K.F., and BOBINCHAK, J.: lsquo;Characteristics of a two-layer electromagnetically coupled rectangular patch antennarsquo;, Electron. Lett., 1987,23, (20), pp.1070-1072
  5. WOOD, C.: lsquo;Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elementsrsquo;, IEE Proc. Microw. Antennas Propag., 1980, 127, (3), pp. 231-234
  6. WONG, K.L., and LIN, Y.F.: lsquo;Small broadband rectangular microstrip antenna with chip-resistor loadingrsquo;, Electron. Lett., 1997, 33, (19), pp. 1593-1594
  7. LUK, K.M., LEE. Y.W., TONG, K.F., and LEE, K.F.: lsquo;Experimental studies of circular patches with slotsrsquo;, IEE Proc. Microw. Antennas Propag., 1997, 144, (6), pp. 421-424
  8. LUK, K.M., YEUNG, L.K., AU MAK, C L., and LEE, K.F.: lsquo;Circular patch antenna with an L shaped probersquo;, Microwave Opt. Technol. Lett., 1999, 20, (4), pp. 256-257
  9. HUANG, J.: lsquo;A parallel-series-fed microstrip array with high efficiency and low cross-polarizationrsquo;, Microwave Opt. Technol. Lett., 1992,5, pp.230-233

双波段圆极化槽天线设计中的U形结构

Wei-Mei Li, Bo Liu和 Hong-Wei Zhao

摘要：本文提出了具有单个金属层并由共面波导（CPW）馈电的双带圆极化（CP）的U形结构缝隙天线。为了评估多功能结构的性能，已经针对2.6 / 3.6和2.5 / 3.5GHz频带应用设计了U型槽和U型条天线。通过采用差分演进（DE）算法来优化所提出的天线的一些主要参数，可以在不使用试错法的情况下实现在给定工作频率下的最佳阻抗和轴比带宽。对提出的两个设计原型进行构建和实验研究。测量结果表明，上频带与下频带的频率比为1.4（3.6 / 2.6GHz，3.5 / 2.5GHz）或更小。其他特性如阻抗带宽，轴比带宽，辐射方向图和峰值增益也将用于设计验证。

关键词：圆极化 双频 缝隙天线 U形结构

Ⅰ引言

随着无线通信的迅速发展，圆极化（CP）天线已经受到相当大的关注，用于部署发射机和接收机而不引起它们之间的极化失配。除了灵活的方向性要求，在某些特定应用中希望具有多频带工作频率的紧凑型天线，以便减少带外干扰。由于众所周知的特征，比如低剖面，大的阻抗带宽，简单的结构，并且容易与印刷电路板（PCB）中的其他RF前端电路集成，缝隙天线已经广泛用于双带CP通信。在开放式文献[1]-[4]中，已经报道了许多对双带CP槽天线进行建模的工作。

在各种方法中，U型结构具有满足贴片天线设计的不同要求的潜力。在[5]中给出了关于 U形槽贴片天线的相对综合的论述；它证明了U型槽可以提高天线的阻抗带宽并且能够抑制天线[6]-[8]的交叉极化。U型槽还可以用于设计双频带和三频带[9]操作，以及[10]和[11]中所示的CP应用。在最近的研究中，除了宽带天线[12]，一个不对称的U型槽贴片天线[3]同样可以使用堆叠的贴片实现双频圆极化。虽然宽带天线[11]具有紧凑的尺寸优势，CP辐射是由其方形贴片的截断角产生。也就是说，U形槽是对带宽做出了贡献，而不是对CP性能做出了贡献。至于双频CP天线[3]，它利用了U型槽实现了CP性能，但是其结构相对复杂，而且频率比较大。考虑到高阶模式的效应和相互作用，频率比越小，天线设计越困难。

微分方程算法[DE]已经应用于多个天线设计的问题[13]，[14]。目前我们采用通过IE3D[15]，[16]提供的DE算法来优化我们设计中的基本参数。在圆极化天线的馈电方法方面，共面波导（CPW）方法具有许多优点，主要是更少的电路和更小的安装空间。然而，对于宽带或双带CP操作的CPW馈电U形槽天线几乎没有信息可用。作者已知的大多数U形槽CP天线是同轴探针馈电的。

这篇文章提供了一个U形槽（天线 Ⅰ）和一个U形条（天线 Ⅱ）天线，用来进一步展示用于双频带CP生成的U形结构的功能。 由于单层设计，两个天线容易制造，并且与上述[3]中的设计相比，频率比更小。通过DE优化的方法，可以通过改变天线的临界尺寸来实现阻抗匹配和足够的轴比（AR），以便在指定的频带上进行最佳操作。最后，构造和测量两个天线原型。测量了各种参数，例如阻抗，带宽，轴比，辐射图和峰值增益以验证设计方法。

Ⅱ天线结构

图1描述了两个天线的几何形状以及有关尺寸。两者制造在FR-4基底（厚度为1mm，介电常数为4.4，损耗正切为0.002）上。CPW馈电技术应用于其相对宽的带宽和具有单个金属层的简化配置。馈线直径为3.8mm，并且被预先确定以获得50Omega;的阻抗，并且间隙的相应宽度为0.3mm。

  1. U型槽天线（天线 Ⅰ）

如图1（a）所示，天线 Ⅰ 仅由一个金属层构成，其中蚀刻有不对称的U形槽，并且如果选择适当的槽尺寸，槽天线的两个正交模式将被激励，在较低和较高频率处具有相同的幅度和90°相位差以产生双带圆极化。（W1 W2）和（W3 W4）的长度确定天线 Ⅰ 的双CP工作频带，并且高阶模式的泄漏主要由U形槽的W5的宽度引起。馈线中的台阶用于使CP带宽与阻抗带宽匹配。

图1具有初始值的天线的几何形状：（a）U型槽；（b）U型条。

因此，天线 Ⅰ 的双带CP性能取决于W1，W2，W3，W4和W5的值，并且W6和W7的值也将影响天线 Ⅰ 的带宽。由于天线 Ⅰ 存在七个要优化的参数，所以我们使用DE算法使设计过程更容易。

  1. U型条天线（天线 Ⅱ）

对于天线 Ⅱ，我们假设U形条带还可以为圆极化所需的两种正交模式提供不同的电流路径。从图1（b）可以看出，因为矩形空间有限，所以U型条带被旋转 45°。偏移馈送还提供必要的90°相位差，以便激发圆偏振。借助于偏移馈送位置，U形条还产生适于双频带操作的两个谐振。

L1，L2和L3的长度主要决定天线 Ⅱ 的CP工作频带。 其他参数共同作用使CP带宽与阻抗带宽匹配。如上所述，针对天线 Ⅱ 总共有七个参数要进行优化。

Ⅲ天线设计程序

典型的试错法或参数方法依赖于设计者在短时间内实现设计的经验。为了减少设计周期并精确分析所提出的U形结构，DE与商业软件IE3D集成以优化用于双频带CP设计的七个天线尺寸。

对于天线 Ⅰ，采样频率规定为2.6 / 3.6 GHz，对于天线 Ⅱ，采样频率规定为2.5 / 3.5 GHz。 在每个采样频率下，商业软件IE3D将调用经典DE算法以计算VSWR和天线的轴比。如果固有值不满足设计目标，则天线的尺寸将被修改，并且修改的结构也由IE3D计算以获得更好的阻抗匹配和CP性能。此外，适用于最小值问题的DE方法被用于确定本文中反射系数和轴比的最小值。所提出的使用DE算法的设计方法在图2中示出。DE算法的详细讨论可以在[17]种找到。

图2. 工作原理流程图

定义每个天线的总共七个物理尺寸为变量，其形成十进制实数矩阵作为DE算法的输入。为了保持物理上的真实结构，将0.2mm的最小间隙规定为附加的约束条件。优化问题通常开始于设计一个适应度函数，使其可以模拟问题的目标，同时包含了一些约束。设计一个CP天线比设计一个线性极化(LP)天线要复杂得多。除了输入阻抗外，天线还必须考虑CP性能AR。适应度函数可以表示如下[16]：

(1)

其中定义为

在上述等式中，和是输入反射系数（以dB为单位）和采样频率处的轴比。采样频率在工作频带内以100-MHz为间隔定义。考虑到计算时间和双频带操作性能，我们为每个天线

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