文摘
最近,支持多波段频率的无线设备的需求也增加了。这种技术在移动通信系统的集成需求已经导致了一个伟大的发展中规模小天线与多波段操作,能操作在所需的系统。摘要新型平面倒F天线(PIFA)与地面网格平面结构和重叠的细胞。我们通过控制重叠大小,改善该天线的特点。这个天线实现多波段操作开发体积小和良好的性能。粒子群优化(PSO)是用来PIFA天线的单波段操作的限制通过搜索最优定位和长度的线性槽在地面上飞机给三重频带操作。这PIFA天线可以集成操作数移动应用蓝牙/ WLAN, WIMAX, 4 g (UMTS2100 LTE)。优化天线由Ansoft仿真基于计算机仿真技术的微波工作室(CSTMWS)而言参数。一个好的协议模拟表演通过软件类型。参数研究,分析不同PIFA参数的影响在工作频率和天线的反射系数,以提高性能。在这些频段,几乎全向天线辐射模式。
1。介绍
目前,手机天线需要体积小等特点,广泛的带宽,和结构简单1]。天线的平面天线一代拥有所需的有吸引力的功能;其中一个是平面倒F天线(PIFA)。由于其体积小、细线和易于制造、PIFAs(平面倒F天线)已被证明是一个不错的选择来满足手机天线的要求(2,3]。PIFA经营的谐振长度;非常有利于小和重量轻的设计,适合作为一个内部天线(4]。
有几种方法,已经被先前的论文提出生产多波段操作。最选择的方法之一是通过增加寄生元件(5- - - - - -7),插入v型槽辐射单元(8),并使用meander-shaped散热器(所9]。还有其他方法达到相同的目的。例如,在[10),多波段操作是通过由三大补丁,用s型贴片(11),采用分形方法(12- - - - - -14,通过引入地平面上的插槽(15- - - - - -17]。
因此,本文中使用的技术获得三重频带PIFA天线是通过结合使用槽在地面上的飞机和粒子群优化(PSO)。最近,PSO技术已成功应用于天线和微波组件的设计。结果证明,这种方法是强大和有效的优化问题18]。
添加槽在地面上飞机的目的是为了实现三重频带操作,并使用粒子群优化的目的是确定每个槽的宽度和本地化的地平面有助于获得多波段操作。
本文提出一种三重频带PIFA天线操作在UMTS2100 (1.92 -2.17 GHz), LTE 2300/2600 / 2.50 (2.3 - -2.4 GHz -2.69 GHz),蓝牙/ WLAN (2.4 -2.48 GHz / 5.72 - -5.82 GHz),和WIMAX (2.5 -2.8 GHz)。
本文分为四个部分。部分1是一个介绍。部分2介绍了天线的结构和方法。部分3致力于仿真和结果的讨论和研究的最后一部分是结论。
2。天线结构和方法
2.1。粒子群优化概述
PSO算法是一种进化算法能够解决困难的多维优化问题在各个领域。图1显示了PSO算法的流程图。
作为进化算法,PSO算法依赖于独立的粒子之间的社会互动,在搜索最优解。随机生成初始种群的粒子。每个粒子代表一个潜在的解决方案,有一个位置由一个位置向量表示。一群粒子穿过问题空间,每个粒子的移动速度由速度矢量表示。每个粒子跟踪自己的最佳位置,这与最好的健身取得了迄今为止在一个向量。此外,到目前为止获得的最佳位置在所有粒子的人口记录(19]。粒子的速度和位置更新更新的主要算法是运营商,可以表示为(20.- - - - - -22] 在哪里和是加速常数和和是均匀分布随机数。这个词范围是有限的。如果违反这个极限速度,它被设置为适当的限制。惯性权重因子,在一般情况下,将根据以下方程: 在哪里和最大和最小值的权重因子,分别。最大迭代次数和吗τ是当前迭代的数字。
2.2。PIFA天线参数
图2描绘了几何的三重频带PIFA天线。地平面尺寸;使用的材料是FR4基板的介电常数4.4和切亏损0.02。辐射板,铜,矩形的尺寸。天线高度是和空间辐射板与地平面之间充满了空气。做空板的尺寸和进料板的尺寸。还应该指出的是,天线是由50Ω微带线。表1总结了天线参数与尺寸在毫米。
在这项研究中,粒子群优化(PSO)用于确定槽位置和宽度以达到多波段PIFA天线。地平面区域分为小细胞,每个细胞可以进行分配或不导电的特性。细胞的大小等于毫米2为了达到更好的结果。
地面飞机分散到56个细胞沿设在1毫米之间的重叠并行细胞进行细胞为了找到最好的解决方案。因为只有两个可能值,使用的是二进制编码。如果现有的一个细胞,那么相应的基因被指定“1”,如果一个细胞nonexisting,基因的“0”值,它被认为是槽。
适应度函数是反射系数的总和值从2到6 GHz乐队的频率。的适应度函数这是最小化在寻找最优解是写成 在哪里采样频率,样品的数量,是反射系数。
我们的目标是找到一个与PSO优化的地平面达到反射系数小于−10 dB 2到6 GHz频段。
矩阵算法作用于一个染色体,它描述了地平面的形状。图中描述的这条染色体设计3(一个)。基质细胞含有1天线地平面的对应部分填充金属;细胞包含一个0的对应部分天线还未填写。
(一)
(b)
在这个提议的设计三重频带PIFA天线,整体的地平面包含14槽位于它的表面,如图3 (b);所有的槽长度相同,但是不同的宽度。表2显示每个槽的大小在毫米。
3所示。仿真结果和讨论
在本节中,所有的仿真结果为三重频带PIFA为UMTS2100 (1.92 -2.17 GHz), LTE 2300/2600 / 2.50 (2.3 - -2.4 GHz -2.69 GHz),蓝牙/ WLAN (2.4 -2.48 GHz / 5.72 - -5.82 GHz),和WIMAX (2.5 -2.8 GHz)将在细节。
3.1。反射系数
优化PIFA设计的算法是模拟使用基于CST微波工作室。其反射系数的变化与频率如图4。
显然优化天线共振在三个频段(2.14,3.18,和5.95 GHz)由中科模拟器。基于软件,我们发现2.21,2.89,和5.58 GHz,覆盖了部分3 g和4 g的乐队。良好的协议是基于CST之间观察到的结果。我们可以评论的价值低于−10 dB,三个乐队的带宽超过10%,因此,天线是一个宽带。表3总结了PIFA特征共振频率、反射系数和带宽都基于CST软件。
3.2。辐射模式
基于模拟的辐射模式飞机(),()飞机的三个共振频率在图表示5。它可以观察到,这种天线近全向的模式。天线增益是4.17,2.21,和5.61 dB的频率2.21,2.89,和5.58 GHz。
(一)
(b)
3.3。参数研究
3.3.1。重叠的尺寸效应
很明显,PIFA特征影响的普通参数如补丁大小(和)、地平面的大小(和),做空板宽度()、天线高度(),卖空和喂养板的定位。基本原理的优化PIFA天线的参数研究是提高其使用基于特征。
在这项研究中,一个新的参数并行细胞之间的重叠大小进行分析。重叠的大小应该足够大,以兼容的制造过程和联系邻近的正常细胞。另一方面,重叠的大小应该足够小,不传导的地区在地面平面区域。因此,三个不同的重叠大小(0.5毫米、1.5毫米和2毫米)进行了调查,如图6。
PIFA天线的重叠0.5毫米展览三个乐队(1938兆赫到2313兆赫,2500兆赫到3172兆赫,和4973兆赫到6118兆赫)。因此,该PIFA适合UMTS2100, LTE2600,降低乐队WIMAX (2.5 -2.8 GHz),和WLAN。然而,相比与1毫米PIFA重叠,我们注意到带宽受到影响。
PIFA天线的重叠1.5毫米共鸣从1959兆赫到2302兆赫,2536 MHz到3408 MHz和4830兆赫到6241兆赫。结果表明,上层共振频率的带宽越大,反射系数提高。这PIFA显示三重频带性能覆盖UMTS2100 LTE2600,降低乐队WIMAX,中间部分乐队WIMAX和WLAN。增加到2毫米,重叠时PIFA天线共振从2064兆赫到2492兆赫和2614兆赫到3318兆赫。它涵盖蓝牙/ WLAN、LTE2300和中间带WIMAX。我们观察到低谐振频率改变,代表只有双波段天线带宽却降低了。1.5毫米的重叠的大小代表了最适合本设计的价值。
3.3.2。片长度的影响
图7显示了三种不同长度的补丁()模拟并与该天线的长度(= 37毫米)。片长度改变了,而其他参数保持不变,找出其影响PIFA天线的反射系数的变化。研究结果表明,当长度()增加到41毫米,上部乐队发生了变化。当低于37毫米所有乐队都是减少的频率范围和其反射系数的影响。所以,选择最优长度的设计仍然是37毫米,因为它的反射系数和共振频率产生可接受的结果。
3.3.3。片宽度的影响
图8显示了三种不同宽度的补丁()模拟并与该天线的宽度(毫米)。片宽度是20毫米时,我们观察到三个带宽降低了。也注意到,通过增加宽度超过24毫米,3.33 GHz的共振频率转移到4.4 GHz。因此,在这种情况下,我们保持24毫米的宽度作为最优值。
3.3.4。做空销定位的影响
做空销定位也是研究(图9)。三个不同的本地化()进行比较,以找出最优卖空销定位。已经观察到,做空的定位销来定义是很重要的。它可以减弱一些频段如果不是好选择(5毫米和15毫米)。因此,做空的优化定位销产生良好的反射系数和保持在所需的共振频率毫米。
3.3.5。喂养销定位的影响
三个不同的本地化的喂养销模拟和提出天线相比喂养销定位(29毫米)如图10。做空的结果表明,定位销有影响的共振频率上乐队和降低中低频段的反射系数。相对应的最优定位29毫米。
3.3.6。天线高度的影响
天线的高度()也是一个重要参数的带宽和PIFA天线的谐振频率。在图11,我们让PIFA天线的参数研究不同高度;因此,最好的优化的高度应该选择能产生好的结果。
四个不同的高度模拟。如图所示,当高度增加,带宽增加但天线的反射系数却降低了。因此,最佳高度是2.3毫米。
本研究的目的是找到最适合PIFA参数。PIFA天线几何优化补丁的大小、高度的天线,和本地化的卖空和喂养销。结果表明,并行细胞之间重叠的使用提高了性能PIFA天线的带宽和反射系数。
3.4。性能的优化设计
第一种方法通过使用网格地平面与粒子群优化减少导致大小和多波段的选择而不是单一波段天线。第二种方法通过优化相邻细胞之间的重叠大小允许改善天线的性能。两种方法获得的优化PIFA天线性能数据所示12和13。
(一)
(b)
三重频带UMTS2100 PIFA天线,LTE2600, WIMAX和WLAN波段线性槽在地面上飞机了。天线谐振频率从模拟器基于获得的2.18,2.83,和5.16 GHz的反射系数−29.5−33.88,分别和−40.69 dB(图12)。带宽是15.59%,30.74%和27.33%的低,中间,分别和上乐队。反射系数模拟CSTMWS和基于都被证明是相同的。
该天线辐射近沿着侧向方向获得值为2.67 dB, 1.80 dB,分别和7.12(图13)。相比传统PIFA天线的辐射方向图,优化设计获得较低的低频段。然而,它有一个更高的增益在上面的乐队。辐射效率约为94%。因此,这三重频带PIFA好用于移动通信应用程序由于反射系数值,已达到期望值−10 dB的操作频率。
4所示。结论
使用网格地平面是一个简单的方法实现多波段天线无需修改PIFA天线几何和增加手机体积。摘要网格地面飞机被用于破碎和多波段操作。
粒子群优化(PSO)来找出最优的地平面几何方面所需的目标。天线参数的影响进行了研究。可接受的操作对所有乐队表演了通过控制平行缝之间的重叠的大小。天线增益和辐射模式是合理的乐队。这三重频带PIFA天线需要不仅多波段的功能,而且其他特征,如体积小,重量轻,全向辐射模式,合理的增益,可接受的带宽。自从手机行业需要与内部小手机终端天线,该技术在这项研究是一个很好的方式达到这些要求。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。