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具有改进进料结构的PSI型超宽带单级天线

Amit A. Deshmukh，Payal Mohadikar，Kshitij Lele，Gaurav Panchal，Adil Parvez

摘要：在本文中，我们提出了由改进进料结构组成的Psi形印刷单极天线的新颖设计。对于形成Psi形状贴片的各种参数的进行了详细的参数研究。 Psi形贴片中的一对垂直槽将天线带宽优化到4 GHz的频率范围，而构成改进的馈电结构的水平槽的位置将天线带宽优化至6 GHz。通过适当地选择沿贴片基极边沿的馈线位置，天线的带宽获得了7GHz以上的进一步优化，其优化了在高阶贴片谐振模式下的输入阻抗。所提出的Psi贴片天线产生从1.5GHz到超过10GHz的BW。所提出的配置显示了大部分带宽的宽边辐射图，带宽峰值宽边增益接近2 dBi。由于天线实现的特性，Psi形天线可以应用在1 GHz以上频率的蓝牙，WIFI以及个人通信系统中。

关键词：超宽带天线; 印刷单极天线; Psi形补丁; 修改进料结构

1、介绍

随着涉及更高数据速率的无线通信系统的进步，对超宽带（UWB）天线的要求也在不断增加。各种覆盖UWB范围的天线早已被设计出来。

由于与其余微波集成电路的贴片集成的简单性，单极天线的印刷被广泛使用。在印刷的单极天线中，通过选择辐射贴片，槽，微带馈电线和接地平面的适当形状，尺寸和位置获得最佳阻抗带宽（BW）。已经提出了各种槽切割配置，如叉形状，方形或三角形，方形贴片，旋转方形槽和蝴蝶结形状。然而，在大多数这些配置中获得的BW是不够的，因为它不覆盖整个UWB范围。据报道，接地平面对阻抗BW和辐射图的影响不能忽略，因为它引入了额外的谐振模式。为了最小化地面效应，提出了不同的技术可以使用垂直矩形槽和不对称条。但是，这种技术只能降低频率较低的接地平面电流，并且会因为辐射贴片的不对称结构而影响辐射图。或者，可以在接地平面中切割L形槽，将接地平面电流聚焦在槽周围。然而，该技术着重于修改接地平面电流，从而增强了接地平面对天线整体辐射方向的影响。

在本文中，提出了一种基于玻璃环氧树脂基板的新型Psi形印刷单极天线的设计（εr= 4.3，h = 0.16 cm，tandelta;= 0.02）。首先使用IE3D软件研究了所提出的天线，然后进行实验验证。通过在矩形补片的顶部和底部边缘上切割两个对称和平行的垂直槽来获得Psi形补片。通过沿辐射贴片的底角切割两个槽来修改进给结构。这增加了接地平面与辐射片的距离，从而减小了感应电流。为了优化配置，对贴片参数进行了完整的参数研究，如垂直槽的尺寸和它们之间的距离，形成改进的进料结构的槽的尺寸以及改进的进料结构和背衬的接地平面之间的间隙。使用共振曲线图和表面电流分布图，说明这些天线参数对修正的Psi形贴片谐振模式的影响。具有偏移微带线馈电的修改馈电结构优化了在更高频率（高于5至7 GHz）时天线的输入阻抗，以实现超宽带宽，从而获得了从1.5GHz到大于10GHz的超过8GHz的模拟BW。使用ZVH-8矢量网络分析仪测量天线阻抗响应，直到8 GHz，与模拟结果更接近。天线实验室内使用射频源（SMB 100A）和频谱分析仪（FSC 6），将远场辐射图和宽边同极增益测量至6 GHz。使用双天线方法测量天线增益。该图案显示宽边辐射，但具有较高的交叉极化水平。它们是由于各种印刷贴片谐振模式下的表面电流的正交变化。在Psi形状贴片中获得接近2 dBi的模拟和测量的宽边峰值增益。因此，提出的覆盖整个UWB范围的Psi型天线可以应用在2GHz以上频率的个人移动通信系统，蓝牙和Wi-Fi中。

2、Psi形UWB天线

Psi形补丁是通过修改等效的矩形补丁来实现的。因此，首先设计印刷的矩形单极贴片，如图1(a)所示。 Psi形贴片被设计成覆盖1GHz以上的频率，因此选择矩形贴片的尺寸大小(lr = 40mm和wr = 40mm)，使得其在约1.5GHz的基模频率下谐振。接地面尺寸取为Lg = 56mm，Wg = 20mm，在玻璃环氧树脂基板上约50Omega;阻抗，微带馈线宽度选择为4 mm。矩形单极贴片的谐振曲线和回波损耗曲线如图1(d,e)所示。在宽范围的频率阻抗匹配上实现超宽带响应是不可能的。在贴片或接地平面上切割的插槽改变输入阻抗和贴片谐振模式之间的间隔，有助于在宽范围的频率范围内实现阻抗匹配。 Psi型结构首先通过在顶部边缘上切割一对垂直矩形槽来实现，如图1(b)所示，并且进一步通过在底部边缘处切割一对矩形槽，即如图1(c)所示的馈送结构附近。从图1(d)的共振曲线图可以看出，在2GHz和4GHz附近的谐振模式下，输入阻抗较高。在这些谐振模式下矩形贴片的表面电流分布如图1(f,g)所示。垂直槽位置如图1(b)所示，当表面电流沿着贴片尺寸变化时，有助于调谐输入阻抗和谐振模式下的频率。不同槽宽(W)的共振曲线和回波损耗曲线如图2(a-d)所示。对于这种槽宽度变化，槽长度(L)和它们之间的距离(y)分别保持为4.5mm和19.5mm。观察到对于小于或大于20mm的槽宽度，在较低频率但不在较高频率处获得更好的输入阻抗匹配。对于频带的较低频率，对于W = 30mm，获得近3GHz的最佳BW。对于W = 20mm的不同槽位置(y)的共振曲线图如图 2(e，f)所示。由于表面电流的垂直方向，槽之间的间距对实现的BW影响可以忽略不计。对于W = 30mm的最佳槽宽，得到了类似的结果。

图1、(a)印刷矩形单极天线的几何形状; (b)一对切口印制的矩形单极天线; (c)Psi型单极天线; (d)共振曲线; (e)印刷矩形单极天线的回波损耗图和谐振模式的电流分布;(f)2.1691; (g)矩形印刷单极天线的4.4053 GHz

图2、(a-d)共振曲线和回波损耗曲线; (e，f)打印的一对垂直槽的槽间隔切割矩形单极天线

为了进一步改善天线BW，研究了贴片中接地平面附近的槽的影响。如图所示，在贴片的底部两个角（靠近背面的接地平面）处切割两个对称的槽。在图1(c)中，实现了完整的Psi形结构。首先进行槽长变化的参数研究。在实现的BW上，槽长度“L1”的变化的共振曲线和回波损耗曲线如图3(a - d)所示。在该长度上，选择L = 4.5mm和W = 30mm的垂直槽尺寸。图中显示了从“6”到“10”的变化。对于槽长度小于8 mm，大约4GHz的模式阻抗匹配变差，而对于大于8mm的时隙长度，大约6GHz的模式的阻抗增加。从这些图可以看出，对于8mm的槽长(L1)，获得了从1.5GHz到6.5GHz的超过4GHz的最佳BW。类似地，也示出了变化槽宽度的结果，如图 3(e，f)所示。对于小于4 mm的插槽宽度，较低谐振频率下的输入阻抗较高，而对于宽度大于5mm的插槽宽度，高阶模式频率下的阻抗较高。对于4mm的槽宽度，获得操作BW的最佳结果。因此，使用垂直插槽将BW优化到4 GHz，而在馈线附近使用水平插槽可以获得最佳的BW至6 GHz。

研究了槽尺寸变化的影响，研究了散热片与接地面间的间隙效应。间隙g从0到2 mm变化，共振曲线和回波损耗曲线为其变化如图4(a，b)所示。 g = 0mm的间隙产生最大结果，BW大于5 GHz。增加间隙只会增加4 GHz左右的模式阻抗，因此在最佳设计中，接地平面和散热片之间没有间隙。

图3、底部(a - d)槽长变化的共振曲线和回波损耗图; (e，f)用于Psi形印刷单极天线的宽度

图4、(a)共振曲线; (b)用于Psi形单极贴片天线的接地平面和贴片之间馈电间隙变化的回波损耗曲线

谐振曲线图显示了较高阶谐振模式的阻抗，即高达7.6GHz，如图4(a)所示。这种较高的阻抗将天线BW限制在7 GHz的频率范围之外。为了优化7 GHz以上的BW，研究了7.6 GHz左右谐振模式下的表面电流分布，如图5(a)所示。表面电流显示沿修改的贴片基部的半波长变化。因此，为了减小7.6 GHz的输入阻抗，研究了微带馈线的偏移位置（如图5(b，c)所示）。输入阻抗减小，偏移位置从0增加到4 mm，当偏移进给位置超过4 mm时，输入阻抗就会增加。对于4 mm的偏移位置获得最佳响应，其回波损耗如图5(d所示)。模拟的BW从1.529 GHz到超过10 GHz。在这种最佳设计中各种各样贴片参数为L = 4.5mm，W = 30mm，L1 = 8mm，W1 = 4mm，g = 0mm，rsquo;ofrsquo;= 4mm。天线并使用ZVH-8直到8GHz进行测量。测得的BW为1.508至更高比如图5(d)所示的8GHz。由于实验室可用的VNA直到8 GHz，因此测量结果直到8 GHz。

图5、(a)高次谐振模式下的表面电流分布; (b)共振曲线; (c)补偿进给位置的回损图; (d)模拟和测量回波损耗图; 以优化Psi型平面微带天线的设计

在BW上的两个频率处的模拟和测量的辐射图谱图如图所示6(a - d)。该模式处于宽边方向，但向BW的较高频率显示较高的交叉极性水平。该较高的交叉极化是由于较高阶谐振模式下的正交表面电流。宽边copolar天线增益如图所示6(e)。天线在VSWR BW下提供接近2 dBi的峰值增益。它减少到接近1 dBi的较高频率，这是由于较高阶模式下的正交表面电流。该配置的制造原型如图6(f)所示。拟议天线的总体尺寸（包括接地平面）为60 mm x 60 mm。因此，所提出的设计是紧凑的并且获得更多的UWB响应大部分BW都超过了1 dBi。由于较高的交叉极化天线显示出大部分的椭圆极化BW。由于这些天线的特性，可以应用于超过1 GHz频率范围的个人手机中的通信系统，蓝牙和Wi-Fi中。

图六、(a-d)辐射模式; (e)获得BW变化;(f)制造的Psi形平面单极天线原型

3、结论

提出了一种新型的覆盖整个UWB范围的Psi形印刷单极天线。 介绍了各种天线参数的详细参数分析。使用垂直插槽有助于优化更宽的BW到4 GHz的频带，而水平时隙实现了改进的步进馈送结构使得BW优化至6 GHz的频率。进一步使用补偿进给位置，产生输入阻抗匹配频率超过7 GHz，通过模拟和测量，实现了BW从近1.5 GHz到超过10 GHz。 该天线在具有峰值增益的大多数带宽上产生的峰值增益近2dBi。所提出的紧凑型UWB配置需要近60mmtimes;60mm的总方形贴片面积,可以应用在超过1.5 GHz频率范围的蓝牙，Wi-Fi和个人通信系统中。

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