无论是作为 5G 无线通信系统内的集成服务还是作为专用系统,超宽带(UWB)通信都能实现语音和数据的快速连接以及大量数据的快速传输。当然,任何 UWB 系统中的基本组件是天线,它必须提供增益和效率以从环境噪声中恢复大部分的的 UWB 信号。

 

Patuakhali 科技大学(孟加拉国 Patuakhali)和其他机构的教授团队,为 UWB 应用开发了一种“心碎”形状微带贴片天线,其电气尺寸为 0.29ƛ×0.17ƛ;最大增益为 5.3 dBi;频率范围为 2.90 至 10.70 GHz。它借助了各种软件方法设计和模拟,包括 ANSYS 的有限元方法(FEM)高频结构仿真软件(HFSS)  和计算机模拟技术(CST)的基于时域的 Microwave Studio 仿真软件。

 

 

“心碎”形微带贴片天线的频率范围超过 IEEE 认可的 UWB 范围(为 3.1 至 10.6GHz)。近年来,UWB 电子系统的需求一直在增长,因为它们相对简单且成本较低,但是有着很高数据速率。UWB 系统设计人员面临的挑战之一是 UWB 天线的尺寸 - 用于 UWB 应用的微带贴片天线通常很大。

 

UWB 天线由带有开槽接地平面的“心碎”形的贴片组成。将微带贴片印刷到基板的一侧上。衬底在 z 方向上的介电常数为 4.6,损耗角正切为 0.02。

 

为了确定最佳天线配置,研究人员模拟并比较了四种具有相同外部尺寸的设计:圆形,哑铃形,心形和“心碎”形。圆形和哑铃形天线无法覆盖整个 UWB 频率范围,心形贴片天线的覆盖范围为 2.90 至 10.50 GHz,两个谐振频率分别为 3.40 和 6.90 GHz,但“心碎”形贴片覆盖频率范围从 3.0 到 10.80 GHz,三个谐振频率分别为 3.5,7.0 和 9.5 GHz,是拥有最完整的频率范围,并且能覆盖不同天线配置的最佳选择。

 

在商业印刷电路板(PCB)材料上制造“心碎”形微带贴片天线,并用商用微波矢量网络分析仪(VNA)表征。测量结果非常接近不同软件模拟程序的仿真数据。

 

该天线在 2.9 GHz 以下频率具有高输入阻抗,这意味着电流在这些频率处被中断。在 2.90 至 10.70 GHz 的整个带宽范围内,输入阻抗的实部接近 50Ω。因此,该设计是各种不同 UWB 应用的理想选择,同时为其宽带宽保持相对较小的尺寸,具有高增益和 86.6%UWB 效率。

 

参考资料:“The Broken-Heart Printed Antenna for Ultrawideband Applications,” IEEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 60, No. 6, December 2018, pp. 45-61.

 

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