关键字 |
| 圆形微带天线，五频段操作，PTCMSA, WLAN, WiMAX。 |
介绍 |
| 微带天线(msa)出现于20世纪70年代初，从那时起，这一领域的研究活动就在严格地进行着。与其他微波天线结构相比，msma具有结构简单、重量轻、价格便宜、外形低、表面共形、制造成本低、兼容单片集成电路(MMICs)和光电集成电路(OEICs)[1]等优点。 |
| 现代无线通信领域的快速发展要求设计和开发一种物理尺寸紧凑、可用于多个工作频带的天线。无线局域网(WLAN)和全球互操作性微波接入(WiMAX)技术需要多频率操作。因此，多波段天线对现代无线通信更有吸引力，因为单个设备可以工作在多个频段。一些研究人员发表了双波段、三波段和四波段天线，并在[2-6]中报道。[2]在圆形圆盘贴片中引入L型槽，可在5.087和8.445 GHz两个谐振频率下工作，适用于双频工作。最近报道了一种结构简单、体积紧凑的共面波导馈电单极天线，适用于2.4 GHz和5 GHz无线局域网系统[3]。在[4]中提出了一种简单的微带馈电单极子的新设计，该设计适用于WLAN/WiMAX三频操作。[5]采用50-Ω同轴电缆，通过微带到双内联锥形过渡，提出了用于WLAN/WiMAX应用的多波段印刷双面偶极子天线。[6]中介绍了一种紧凑的单馈平面天线，具有1.8、2.4和5.8 GHz三个宽的2:1 VSWR工作频段，涵盖四个有用频段，即全球定位系统(GPS: 1575.4 MHz)、数字蜂窝业务(DCS:1800 MHz)、2.4 GHz (2400-2485 MHz)和5.8 GHz (5725-5825 MHz) WLAN。在[7]中讨论了采用较厚衬底的五频段双条带单极子天线，该天线用于无线保真(WiFi)和wimax应用。然而，在文献中发现，由50-Ω微带线技术馈电的简单槽载圆形微带天线能够工作于WLAN和WiMAX应用的五频段是罕见的。 |
天线配置设计 |
| 该天线印刷在低成本的改性玻璃环氧基板材料上，厚度为0.16厘米，介电常数为4.2。图1为常规圆形微带天线(CCMSA)的俯视图配置。CCMSA的谐振频率为3 GHz。CCMSA由一个半径为“a”的圆形补丁组成，等于1.361厘米。天线通过一个简单的50-Ω微带线馈电，尺寸为Wf× Lf。四分之一波长变压器用于匹配辐射贴片与尺寸为Wtr× Ltr的50-Ω微带线之间的阻抗。CCMSA底面为紧密铜屏蔽。 |
| 图2为加强型圆形微带天线(PTCMSA)的俯视图配置。它是由CCMSA通过在圆形辐射片的中心蚀刻等臂加型槽形成的。PTCMSA的槽尺寸以自由空间波长λ0表示。两个矩形槽的尺寸宽度分别为P1W和P2W，分别等于λ0/50(即0.2cm);两个矩形槽的长度分别为P1L和P2L，分别等于λ0/7.34(即1.361cm)。 |
| 圆形辐射斑的实际半径由公式[8]计算， |
 (1） |
| 在那里, |
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| 因此，圆形辐射贴片的有效面积为: |
 （2） |
| 天线的设计参数如表i所示。 |
| CCMSA和PTCMSA天线制作过程的原理图是用AutoCAD工具绘制的，以达到更好的精度。在微带线尖端使用50-Ω半微型-A (SMA)连接器来提供微波功率。 |
实验结果与讨论 |
| 在矢量网络分析仪(罗德和施瓦茨德国制造的ZVK模型)上测量所提出的天线参数。计算阻抗带宽的公式为: |
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| 其中，fH和fL分别为回波损耗为- 10dB时波段的较高和较低截止频率，fC为fH和fL之间的中心频率。利用Ansys HFSS三维全波电磁仿真软件对这些天线进行了仿真。 |
| 图3显示了CCMSA的回波损失随频率的变化。从图中可以清楚地看出，天线的谐振频率为3 GHz(即fr)，这恰好等于3 GHz的设计频率。CCMSA的阻抗带宽BW为2%。CCMSA的HFSS模拟结果如图3所示。仿真结果与实验结果吻合较好。 |
| PTCMSA的回波损失随频率的变化如图4所示。从图中可以看出，天线在fr1、fr2、fr3、fr4和fr5处共谐振5个谐振模式，对应的阻抗带宽分别为BW1= 2.66% (2.59 GHz-2.66 GHz)、BW2= 7.14% (6.24 GHz-6.69 GHz)、BW3= 3.35% (7.34 GHz-7.59 GHz)、BW4= 2.71% (8.80 GHz-9.04 GHz)、BW5= 15.67% (9.51 GHz -11.09 GHz)。因此，通过从CCMSA构建PTCMSA，工作频率模态fr1到fr5是可能的。从图中还可以看出，BW5处阻抗带宽最高，为15.67%。回波损失随频率结果的模拟变化如图4所示。因此，在圆形贴片上使用加号槽可以有效地实现天线的多波段工作。然而，槽的尺寸可以改变以控制天线的工作波段。 |
| 在CCMSA的共振频率为3GHz和PTCMSA的共振频率为2.62 GHz的远场区域，测量了共极和交叉极的典型辐射图如图5所示。从图中可以看出，图案是侧面的，并且是线性偏振的。 |
| 图6(a)和(b)分别为atfr (3 GHz)和fr1 (2.62 GHz)观测到的CCMSA和PTCMSA的E面场分布。图7(a) and (b) shows the H-plane field distribution of CCMSA and PTCMSA observed at fr (3 GHz) and fr1 (2.62 GHz) respectively. From the figures 6 and 7 it is seen that, the field distribution is adequate on the patch at the resonant frequencies indicates the effective radiation by the patch. |
结论 |
| 本文提出了一种新的五波段运算几何(PTCMSA)。这种几何形状是通过在CCMSA的中心放置加号槽来实现的。该天线的工作频率范围为2.57 GHz至11.09 GHz，适用于WLAN和WiMAX应用。PTCMSA给出了每个工作波段的侧面辐射特性。PTCMSA的设计和建造简单。这种天线是用低成本的基板材料制造的。这些特点使天线在实际应用中更具吸引力。 |
鸣谢 |
| 作者感谢印度新德里政府科学技术部(DST)当局批准拳头项目下的矢量网络分析仪给古尔巴尔加大学应用电子系。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- Lal Chand Godara，无线通信天线手册，CRC出版社，纽约，2001年。
- J.A. Ansari, A. Mishra, N. P. Yadhav, P. Singh, B. R. Vishvakarma, l型槽加载圆形圆盘贴片天线在卫星和无线电通信中的应用分析?无线个人通信，施普林格美国，第70卷，第2期，pp. 927-943, 2013
- T. H. Kim和D. C. Park，用于双波段WLAN应用的cpw馈电紧凑型单极天线?,电子。列托人,卷。41岁的没有。2005
- Joong Han Yoon, young Chul Rhee和Yean Kil Jang，无线局域网/WiMAX三波段操作的紧凑单极天线设计?，微波Opt TechnolLett。《中国科学院学报》2012年第54卷第8期
- 袁志祥，尹永忠，丁玉玉，李波，谢建军，?无线局域网/WiMAX应用的多频带印刷双面偶极子天线?，微波Opt TechnolLett。《中国科学》2012年第54卷第4期
- R. K. Raja, M. Joseph, B. Paul和P. Mohanan, GPS, DCS, 2.4/5.8 GHz WLAN应用的紧凑平面多波段天线?,电子。列托人,卷。41，No.6, 2005
- 周燕和顾克莱尔?用于WiFi和WiMAX应用的改进型双条单极天线?，微波Opt TechnolLett。，Vol. 51, No.12, pp. 2884-2886, Dec. 2009.
- C. A. Balanis，天线理论分析与设计，John Willey & sons，纽约，1982。
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