电磁带隙结构设计部门使用金属天线基站应用程序和多个源喂养

文摘

这项工作的目的是研究和设计基站天线电磁带隙与金属电磁带隙)(材料能够创建一个部门辐射模式提供至少一个波束宽度。金属结构的使用提供了一个新的工业合作伙伴寻求方法降低成本,促进设计程序。新方法允许改善指向性和带宽使用印刷天线阵列进行了研究。

1。介绍

近年来,一种新的紧凑指令天线电磁带隙材料开发使用。禁止在这些周期结构,波传播定义的精确的频段和入射角度(1,2]。插入电磁带隙晶体内缺陷的周期性可以创建一个允许在禁带带。这表明了激动人心的这种结构允许带内,可以设计指令天线能够产生收益高达30 ?dB,从而提供一个quasiplanar选择孔径天线(2- - - - - -4]。

最近,电磁带隙superstrate提出了一些结构,取代了金属部分反射表面(PRS)。这些材料被用来设计不同类型的天线与指令(3- - - - - -6)或全向(7,8辐射模式。一个定向天线的例子在图给出1,PRS广场由一层金属杆。

我们的目标是获得一个电磁带隙天线金属能够创建一个部门辐射模式呈现至少半功率波束宽度在一个平面上。有几种类型的天线呈现这样一个模式,(例如,天线阵列),但它们需要复杂的机制。电磁带隙天线提出了部门的结构部分1随着功能的原则。第一个设计实例与实验结果给出了部分2。水平极化的天线为上行UMTS应用程序设计(1.92 - -1.98)?GHz节源喂养了3。最后,另一个天线工作在第一个UMTS乐队详细介绍了垂直极化及其表演。

2。电磁带隙天线行业的原则

电磁带隙天线的辐射方向图是由一个散热孔,一个只需要修改后的属性和形状来获得所需的形式。部门辐射模式可以通过使用一个矩形孔径辐射。这可以实现电磁带隙谐振器和一个天线,提供的能量传播受损方位平面的一个方向。使用垂直派克(图2沿着牛轴)限制能量传播导致预期的效果,从而创造追求辐射模式。

这种结构的功能非常类似于一个典型的矩形波导TE01模工作,除了能量通过电磁带隙材料的传播。天线的工作频率从而可以通过以下关系: 由于waveguide-like态度的天线,辐射孔径上的E场沿水平轴(图没有变化3)。沿天线长度,可以观察到一个指数衰减的天线引导截止频率下工作。

因此,辐射角可以通过下面的近似关系,根据矩形孔径辐射的一般理论: PRS将确定天线的设计最大的方向性和操作带宽,在更多的情况下经典的电磁带隙结构的指令。

3所示。第一天线设计和实验验证

说明两个天线的原理和性能提出了本文第一天线15吗?dBi方向性和波束宽度设计。工作频率对应于前两个U-NII频带,即5.15 - -5.35 GHz。

根据天线的描述,它的宽度将直接决定了辐射角度来满足要求。公式的应用在前款规定的收益率值为47.5 ?毫米,上限的计算天线的频带。

与上面的天线宽度计算,15 ?dBi方向性需要185 ?毫米长度的矩形孔径均匀场的分布。通过考虑0.8光圈的辐射效率因素,即电磁带隙谐振器结构,价值通常长度为230 ?毫米。PRS将为了确保这样一个辐射孔径长度。

为了促进实现一个原型,电磁带隙结构由一个2 ?2.5毫米厚FR4基板,与金属线吗?毫米宽印花,已经被选择。这种结构的反射系数(在5.3)吗?GHz,兼容所需的方向性。获取操作频率符合预期的应用,天线的高度可以确定使用的关系(1),收益率值为26.6 ?毫米。最后的结构,设计与先前计算的值,提出了图4。贴片天线用于激励的谐振腔中可以看到中间的图片。

的模拟表演了天线的方向性和辐射模式显示在数字5,6,7。15的最大指向性?dB已经获得,这是符合预期的值。辐射角的水平面也是正确的,被超过在整个频带。

一旦完成原型实现,它一直在测量的消声室XLIM实验室里摩日,法国。介绍了数字的辐射模式6和7并与仿真结果进行了比较。

如上所示,实验结果与模拟的一个好的协议,尤其是当考虑到辐射模式中显示数据6和7。最大测量方向性大约是14.5吗?dB,对应于一个0.5 ?dB仿真和实验的区别。这种差异是由介质引起的损失在仿真已被低估了。

部门天线的原理被这些实验结果,验证了更复杂的结构研究,以提高性能。

4所示。结构改进UMTS的应用程序

4.1。部门UMYS基站在水平极化的天线

以下4.4.1。表示和描述

新目标是设计一个天线仍用于无线通信网络基站,但是改进的性能。我们部门电磁带隙monoband金属天线必须满足上行UMTS规范(-1.98 ? 1.92 GHz) [9和一个18]吗?至少分贝增益和辐射波束宽度在水平平面。这天线只使用一个一维的金属结构在TE偏振,饲料港口和金属杆必须在水平分布(图8)。

电磁带隙结构的金属和21棒10设计吗?毫米宽,以规范允许的频带2 ? GHz。燃料棒周期是60.5吗?毫米,厚度是10 ?毫米。模拟地平面结构相同的大小,也就是说,。将取决于天线腔高度的关系(1),那里的阶段对应于电磁带隙结构的反射系数。

电磁带隙结构,因此位于69 ?毫米的地平面,这是什么。它的工作频率大约是1.96 ? GHz。垂直的墙壁使用的部分3取而代之的是金属杆,以减少天线重量和方便的设计。

起初,取食源天线方向性只有一个大约15吗?dBi窄操作带宽。有几个参数影响天线性能的充填率是最重要的之一。

4.1.2。充填率

电磁带隙结构,是由金属杆,可以准尺寸考虑几个参数就像燃料棒部分(w),棒时期(p),在其他方面通过定义充填率,直接影响天线性能(方向性和带宽)。w和p值现在固定根据充填率的值,后者被定义为(3)

在我们的例子中,PRS结构由21个金属杆。数的值被认为是通过修改w和p。下表(表1)显示了w和p相关的变化(图9)。

图10提出了方向性变化不同的充填率值。

图的曲线10表明增加充填率导致增加方向性的增加和减少3 ?dB方向性带宽。此外,我们可以看到,这种技术是不足以达到所需的18 ?dBi和获取合适的3 ?dB方向性带宽。因此,源技术将被用来实现好的结果方面的方向性和带宽。

4.1.3。性能增强:多源技术的原理

多个源喂养的原理是基于阵列理论,它可以产生方向性增加了贡献(各种元素的总和10,11]。此外,源技术的使用使我们增加方向性和3 ?同时dB方向性带宽。

观察现象,电场分布在水平平面位于共振腔中心工作频率(1.96 GHz)针对每种情况(数据11和12)。

源结构提出了中间的三个来源为了获得一个好的光阑交错,即获得quasiconstant场幅度沿天线长度。此外,这种尺寸的天线扩展为了避免溢出损失和高旁瓣。

4.1.4。方向性

仿真结果的电磁带隙天线方向性与金属频率如图13monosource,源,补丁只配置。

源技术的使用使我们能够在同一时间获得和增加3 ?dB方向性带宽。因此指出,这种技术可以提供非常有趣的结果。在两种极端情况下,指向性之间增加了3.2吗?dBi(从15到18.2 ? dBi)和3 ?dB方向性带宽提出了从8.4%降至13%。

4.1.5。仿真结果的最终结构

图14代表了辐射模式在垂直(H)和横向(E)飞机的天线。

天线是h平面指示和部门E-plane ()。最大的方向性达到18.2 ? dBi。模式低旁瓣,所以我们可以估计很准尺寸结构。

在图所示的回波损耗15是令人满意的,因为它仍然低于10 ?dB在整个乐队。

4.2。在垂直极化天线

这个新的TM极化天线只使用一维结构;提要港口和金属棒必须在垂直分布(图16)。

电磁带隙结构的金属在TM极化是由3方棒10吗?毫米宽,周期性的毫米。四个金属杆,10 ?毫米宽,旁边的天线用于压电陶瓷的地方。模拟地平面结构相同的大小,也就是说,。腔高度将取决于以下关系(4),相对应的反射系数定义空腔墙: 与l天线的宽度。

电磁带隙结构,因此位于80 ?毫米的地平面,这是什么。它的工作频率大约是1.95 ? GHz。

不同参数的影响,如源技术和充填率是一样的在过去的天线。这个天线提供了一个重要的指向性达到超过18 ?dBi和一个非常好的行业覆盖的方位平面。

图17代表了辐射模式1.97 GHz的;我们获得的H面辐射波束宽度和一个指令模式E平面。最大的方向性达到18.3 ? dBi。侧叶是正确的,低于16 ?dB相比,飞机的主瓣E。

回波损耗显示在图18是非常正确的。

5。结论

我们显示摘要电磁带隙天线如何能够辐射部门模式,在垂直和水平极化。大于获得的半功率波束宽度在方位平面,可以增加到超过但方向性较低。

此外,使用源技术使我们增加增益和带宽的同时,达到18的有趣的表演吗?dBi方向性13%的带宽,而保护波束宽度。也有可能,通过结合两个独立结构设计,获得天线操作在两个偏振方位角的行业模式。这种天线可用于辐射圆偏振(12]。

引用

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