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用于扩展超宽带应用的CPW馈电透明天线
Shayan Hakimi，IEEE学生会员，Sharul Kamal Abdul Rahim，IEEE高级会员，Mohammad Abedian，IEEE学生会员，S. M. Noghabaei，IEEE学生会员，和M. Khalily，IEEE会员
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摘要:提出了一种用于带宽增强的超宽带应用的新型共面波导馈线透明天线。 在这种设计中，已经使用不同的技术来扩宽带宽。 天线的矩形辐射器配备有阶梯技术以增加重叠的谐振频率。 此外，两个主要和次要对称矩形短截线通过使用双轴安装在四分之一圆形槽的接地的顶部，以显着地增加在3.15和32GHz之间的带宽。 在所提出的天线的设计中使用AghT-8透明薄膜以获得非常紧凑的尺寸和轻质结构。
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关键词:共面波导（CPW），单极天线，透明天线，超宽带（UWB）
I.引言
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增强需要传输数据，包括音乐，照片和视频，在更高的数据速率使得超宽带（UWB）技术成为设计现代设备的一个显着的候选人，如笔记本电脑，PDA和手机。 设计用于UWB应用的大多数天线使用具有圆形[1]或矩形[2]辐射器的平面单极结构。矩形辐射器需要修改以增加它们的谐振频率并获得UWB频谱带宽。 反相L带[3]，叉形带[4]和阶梯形带[5]，[6]技术已被用于矩形散热器。 楼梯技术在散热器上提供不同的水平，以增加重叠的谐振频率，而不浪费其周围的区域。 这些电平容易调谐以实现更高的带宽控制，并且使得矩形辐射器在工作频率方面比圆形辐射器更灵活。对共面波导（CPW）天线的研究表明，UWB应用的高性能是由于在较高频率下较少的色散和较低的损耗[7]。 CPW馈电天线具有宽槽接地[8]，部分接地[9]和垂直延伸的部分接地[10]。 宽槽接地更适合于提供UWB和双频段频率范围的可重构设计[11]。此外，当辐射器的尺寸与基底相比较大时，宽槽和垂直延伸的接地需要增加天线的尺寸以避免电容效应[12]。
已经对具有增强带宽的UWB天线进行了少量研究。 在传统局部接地[12]上实现的多谐振分裂环路，应用于宽槽接地的旋转矩形辐射器[13]以及具有矩形辐射器的圆形缝隙天线[14]被报道用于UWB应用， 增加的带宽分别高达20和25 GHz。 在[7]中，采用改进的渐变局部接地以增强高达24GHz的带宽。
轻型现代设备的小型化对于工程师来说是一个具有挑战性的问题。 近年来，使用薄膜的透明天线由于它们的柔性，低厚度，轻质结构和与绿色技术的接合而获得了研究人员的注意[15]，[16]。 此外，用透明材料设计的天线易于与其他元件（例如玻璃）集成，以便在新设计中提供所需的空间。 已经报道了使用AgHT透明薄膜用于UWB应用的透明圆盘单极天线[17]，半圆形单极天线[18]和矩形辐射器单极天线[15]。 这些都没有用于UWB天线的带宽增强。
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在这篇文章中，介绍了一种使用AgHT-8薄膜的新型透明CPW馈电天线[19]，其具有阶梯形矩形辐射器和改进的部分地面。 该天线的内部部分接地包括通过双轴安装在四分之一圆槽接地的顶部的主要和次要对称的矩形短截线，以获得在3.15和32GHz之间的带宽显着增加的UWB频率范围 。
II. 天线设计
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在本研究中，采用镀银聚酯薄膜（AgHT-8）来设计提出的CPW馈入UWB透明天线。 薄膜的导电率和厚度分别为S / m和0.175mm。 AgHT-8的基底是具有3.24的相对介电常数的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[15]。 天线由CPW 50线馈电。 CST 微波工作室 [20]用于设计和模拟拟议的天线。 计算馈线特性，得到设计基础如下：有效介电常数，馈线宽度W=2mm，地面间距G=0.15mm。
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在使用CST微波工作室进行模拟和优化后，调整补丁和地面的每个部分的长度和宽度，整体紧凑尺寸，其中是3.1 GHz处的自由空间 波长。
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图1 天线配置
表一 建议天线的尺寸
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图1和表1示出了天线的示意图和设计参数，其中是天线的总长度L0和天线的总宽度W0；L1，L2，L3，L4和L5是长度;；W1，W2，W3，W4和W5是阶梯形辐射器的每个级的宽度；L6，W6 和L7，W7分别是主对称短柱和次对称短柱的长度和宽度; 并且L8是总长度并且W8是部分地面的总宽度。
基于文献回顾，选择阶梯技术[5]，[6]用于具有部分地面的矩形辐射器以实现UWB频谱频率。 部分地面被半径为15mm的四分之一圆形槽改变，以使地面的边缘边缘倾斜，并降低电容效应。 楼梯技术和四分之一圆槽如图2（a）所示。
为了覆盖较低频率并且还增强带宽，引入了通过在地面顶部上的双轴安装的两个主要和次要对称的矩形短截线。 轴不仅连接引入的短截线，而且增加了到辐射器的耦合。 主要的矩形短截线用于增加地面的边界边缘，并且还覆盖由于四分之一圆形槽而在地面和辐射器之间的浪费区域。 通过调整组装在主短截线底部的小截头的尺寸和位置，在较低频率处的谐振增加。图2（b）示出了两个主对称短柱和次对称短柱。
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图2.（a）：（1）补丁上的阶梯技术（2）四分之一圆槽地面。（b）：（1）主要对称矩形短截线（2）次对称矩形短截线。
图3.（a）3.5，（b）9.5，（c）20.5和（d）28 GHz处的电流分布。
III 参数研究，结果和讨论
为了显示阶梯技术对贴片和在地面上引入的对称短截线的影响，在3.5,9.5,20.5和28GHz的表面电流如图3所示。当工作频率增加时，电流密度在阶梯形辐射器中从上层移动到下层。主要的对称短截线几乎在整个带宽上加载电流。此外，较小的对称短截线对较低频率具有最大的影响。通过增加工作频率，该效应逐渐降低，而在非常高的频率下，由于与地面的四分之一圆形槽的耦合，电流被加载在这些短截线上。图4表示出了这些矩形短截线和所实现的双轴在模拟VSWR方面的效果。如图4（a）和（b）所示，双轴在整个带宽上对天线的性能具有确定的影响，因为它在地面和辐射器之间的边界边缘加载相当大的电流。由于该边缘处的双轴的电容效应显着增加了阻抗带宽。图4（c）表示出所实现的矩形短截线满足带宽要求并且改善VSWR，特别是在如所预期的较低频率处。
图4.仿真VSWR地面
（a）没有双轴
（b）有双轴
（c）有双轴和对称的矩形短轴
图5.对于矩形贴片最低水平W5处的宽度的不同值的模拟VSWR。
图5表示出了针对矩形辐射器的最低电平W5处的宽度的不同值的所提出的天线的VSWR。 通过增加宽度，由于谐振频率的改善，电压驻波比小于2的天线的带宽从14.2扩展到32GHz。 注意，相对于在该水平处的带的尺寸，在较低频率处不存在明显的变化。最差的阻抗匹配W5=2mm，其中带的宽度等于自动去除电平的馈线的宽度。W5 = 6的最佳值显示在较高频率下的最佳谐振重叠。
IV 制造，实验结果，讨论
制造了CPW的UWB天线以验证其关于VSWR和辐射图案的性能。 剪影的浮雕数字工艺切割机用于在AgHT-8薄膜上打印所提出的天线。 由于存在带宽的频率范围，所以覆盖直流到40GHz的频率范围的SMP连接器附接到天线的末端作为50Omega;的端口用于测量目的。 图6中展示出了制造的天线的照片。 UTM大学标签已放置在天线下面以显示其透明性质。
图6.制造天线的照片
图7.仿真和测量的VSWR与频率
图 8.天线的测量增益从3 GHz到32 GHz
使用Agilent E8363A矢量网络分析仪测量S11高达32 GHz。 在图7出示并比较了模拟和测量的电压驻波比。 测量的电压驻波比显示与模拟结果良好一致。 测量和模拟结果的微小差异是由于模拟和测量过程的相对边界条件。电压驻波比小于2的测量工作频率在3.15和32 GHz之间，具有164％的非常高的分数可用带宽。这表明与具有正常部分接地的常规设计[6]相比，所提出的天线的带宽显著增加，验证了所介绍的方法的效果以及地面的新颖设计以扩宽带宽。 为了确认天线的性能，所测量的增益值示于图8中。 增益值显示为在带宽上稳定，平均值为-4.8 dB。
所提出的3.5,5.1,8.5和12 GHz天线的测量和仿真非正交辐射图的H平面和E平面如图9所示。 它显示在较低频率的辐射模式是全向的。 然而，在较高频率下，该图案逐渐变形。 通过频率增加在辐射图中经历的变化是由于在较低频率处从下部到上部等级在天线的阶梯状辐射器的边缘处加载的电流密度，而它集中在较低频率的中心 较低的电平在较高的频率。
图9. 3.5,5.1,8.5和12 GHz的测量和模拟辐射方向图
（a）H平面
（b）E平面
V 结论
设计和制造了一种使用AgHT-8薄膜并具有显着增加的带宽的新型CPW馈电UWB透明天线。 在贴片中实现了阶梯技术，以实现超宽带宽。 此外，在地面的两侧使用两个四分之一圆形槽以增加用于电流分布的接地的边缘边缘并减小电容效应。 为了覆盖较低频率并且还增强带宽，通过双轴将两个主要和次要对称矩形短截线安装在地面上。 对于电压驻波比小于2的，该设计的所获得的工作频率覆盖3.15-32GHz的范围。这导致与常规设计相比显着增加的带宽。
参考文献
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J. Liang, L. Guo, C. C. Chiau, X. Chen, and C. G. Parini, “Study of CPW-fed circular disc monopole antenna for ultra wideband applications,” IEE Proc. Microw., Antennas Propag
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