“心碎”的天線竟格外適合超寬帶（UWB）通信？

無論是作為 5G 無線通信系統(tǒng)內(nèi)的集成服務(wù)還是作為專用系統(tǒng)，超寬帶（UWB）通信都能實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的快速連接以及大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。當(dāng)然，任何 UWB 系統(tǒng)中的基本組件是天線，它必須提供增益和效率以從環(huán)境噪聲中恢復(fù)大部分的的 UWB 信號(hào)。

Patuakhali 科技大學(xué)（孟加拉國 Patuakhali）和其他機(jī)構(gòu)的教授團(tuán)隊(duì)，為 UWB 應(yīng)用開發(fā)了一種“心碎”形狀微帶貼片天線，其電氣尺寸為 0.29?×0.17?；最大增益為 5.3 dBi；頻率范圍為 2.90 至 10.70 GHz。它借助了各種軟件方法設(shè)計(jì)和模擬，包括 ANSYS 的有限元方法（FEM）高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）? 和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)（CST）的基于時(shí)域的 Microwave Studio 仿真軟件。

“心碎”形微帶貼片天線的頻率范圍超過 IEEE 認(rèn)可的 UWB 范圍（為 3.1 至 10.6GHz）。近年來，UWB 電子系統(tǒng)的需求一直在增長，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)簡單且成本較低，但是有著很高數(shù)據(jù)速率。UWB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)之一是 UWB 天線的尺寸 - 用于 UWB 應(yīng)用的微帶貼片天線通常很大。

UWB 天線由帶有開槽接地平面的“心碎”形的貼片組成。將微帶貼片印刷到基板的一側(cè)上。襯底在 z 方向上的介電常數(shù)為 4.6，損耗角正切為 0.02。

為了確定最佳天線配置，研究人員模擬并比較了四種具有相同外部尺寸的設(shè)計(jì)：圓形，啞鈴形，心形和“心碎”形。圓形和啞鈴形天線無法覆蓋整個(gè) UWB 頻率范圍，心形貼片天線的覆蓋范圍為 2.90 至 10.50 GHz，兩個(gè)諧振頻率分別為 3.40 和 6.90 GHz，但“心碎”形貼片覆蓋頻率范圍從 3.0 到 10.80 GHz，三個(gè)諧振頻率分別為 3.5,7.0 和 9.5 GHz，是擁有最完整的頻率范圍，并且能覆蓋不同天線配置的最佳選擇。

在商業(yè)印刷電路板（PCB）材料上制造“心碎”形微帶貼片天線，并用商用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）表征。測(cè)量結(jié)果非常接近不同軟件模擬程序的仿真數(shù)據(jù)。

該天線在 2.9 GHz 以下頻率具有高輸入阻抗，這意味著電流在這些頻率處被中斷。在 2.90 至 10.70 GHz 的整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，輸入阻抗的實(shí)部接近 50Ω。因此，該設(shè)計(jì)是各種不同 UWB 應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)為其寬帶寬保持相對(duì)較小的尺寸，具有高增益和 86.6％UWB 效率。

參考資料：“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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