一种新型微带天线的性能分析印在一个圆柱形的身体

文摘

一个圆形贴片微带天线的性能是非常有效介电常数的影响使用的基材。符合圆形贴片时在一个圆柱形的身体,有效介电常数的变化与曲率变化的边缘领域。因此,天线的谐振频率等参数,输入阻抗、电压驻波比、回波损耗、质量因素,天线带宽是曲率的函数。在这项工作中,我们研究曲率的影响在圆形贴片微带天线的性能。天线的数学模型参数的函数曲率也介绍了。模型应用的使用两个底物不同折射率的值。推而广之,天线性能通过仿真研究了用矩量法(MoM)可靠的解决麦克斯韦在频域积分方程。模拟的结果比较和描述分析结果非常有利。

1。介绍

圆形贴片微带天线被广泛使用在最近的无线应用,如飞机通信、蓝牙、HIPERLAN,医学成像(1- - - - - -4]。微带天线已经收到了广泛的研究,由于其低成本,体积小。这个圆柱形天线可以很容易地捏造和符合(5- - - - - -7]。

共形天线,一般来说,有一些优势规划师微带天线等宽角覆盖和控制增益(8,9]。微带天线的主要缺点是他们的窄带宽导致高灵敏度任何频率变化和减少他们的总体性能的效率10]。

在本文中,我们引入曲率的影响符合圆形微带印刷天线的有效介电常数、共振频率、输入阻抗、电压驻波比(电压驻波比),返回损失(),品质因数,这种天线的带宽。此外,这些参数的数学方程作为圆柱表面的曲率函数也报道。分析被认为是共振频率为2.4 GHz, TM横磁模式₀₁为两个不同的衬底材料介电常数为2.1和10。尽管提到改变一个圆柱形的曲率半径的身体没有影响一个圆形贴片微带天线的谐振频率印在一个圆柱形的身体,结果表明一点转变的工作频率不同的曲率11]。的争论成为没有明确解释了这种转变。

我们引入了综合数学方程表明圆柱体曲率的影响在一个矩形微带印刷天线(12]。理论结果进行了比较,实验结果验证了模型。

在这项工作中,我们扩展模型来研究曲率影响一个圆形贴片微带天线印在圆柱表面。边缘场效应在保形圆形贴片天线的性能也提出了。

在矩形微带印刷天线,有效介电常数,根据边缘领域,不同曲率和微带贴片长度(12]。然而,在圆形贴片微带天线,这取决于中央轴和微带边缘之间的距离。这段距离的值从0变化到圆片半径。

cylindrical-circular贴片微带天线是非常著名和流行在许多军事应用13]。圆形贴片微带天线在矩形有许多优点。它有一个对称的辐射模式,高方向性,较小的电压驻波比,和更高的回报损失(14]。

共振频率为模式作为天线的有效半径的函数和有效介电常数提出了由Balanis [11] 在哪里是光速。

陆和李研究了曲率影响圆盘微带天线的性能符合在一个圆柱形的身体,如图1为TM,₀₁(15]。介绍了质量因素、输入阻抗和功率不同的曲率值。作者指出,所有研究曲率参数函数除了工作频率,根据他们的模型。在他们的模型中,作者没有考虑边缘提起对天线参数的影响和曲率半径的影响有效介电常数。

数学模型的输入阻抗和电场美联储圆形贴片微带印刷天线同轴的圆柱表面上符合了陆用腔模型和李(16]。提出的边缘效应在一个有效的循环片半径和有效介电常数被认为是。然而,曲率对共振频率的影响和边缘领域本身没有考虑。

数学和实验结果槽耦合cylindrical-circular微带天线的输入阻抗曲率的函数使用腔模型介绍了(11]。数学模型假定在共振频率没有变化,但是实验结果显示频率由于曲率的变化。一个物理解释实验结果从未。我们引入了第一个物理解释这一转变的频率(17]。曲率对有效介电常数的影响,因此在工作频率清除(1)介绍了18]。

2。该模型

微带线的边缘场效应的有效介电常数是惠勒于1961年首先介绍19]。采用这种模式,我们产生了一个表达式的介电常数的函数曲率半径为一个矩形微带天线符合印在圆柱表面(20.]。从麦克斯韦方程出发,对电场和磁场强度表达式,质量因素、输入阻抗、电压驻波比,然后返回损失得到曲率半径的函数(21]。

在这里,我们扩展我们的工作和学习保形圆形贴片天线的性能。

首先,我们得到介电常数对不同曲率,见(20.),然后替换的介电常数(1)的共振频率曲率的函数。在这种情况下,电场组件和远场得到如下所示: 在哪里

相当于磁电流沿圆周的循环路径,是角频率,。

边界条件应用于基本波函数。所以,同质波消失在边缘和满足归一化条件。然后,同轴饲料被认为是一个矩形电流源等效截面积集中在(,)。

输入阻抗,有效介电常数的函数喂养和位置(和)被定义为

总质量因素取决于传导因素介电损耗质量因素和辐射质量因素鉴于在 在哪里和给出了(11]。

带宽是由 因此电压驻波比的值可以计算曲率的函数

回波损耗也给出了

以前所有方程圆形贴片微带天线印在圆柱表面的功能操作频率是可变曲率半径的圆柱形的身体。

3所示。结果

在本文中,我们设计了一个圆形路径天线产生共鸣在2.4 GHz馈电点的中心。两种不同类型的聚四氟乙烯材料的电介质的高度1.5毫米已被用来作为衬底。聚四氟乙烯被认为是一种有效的基板的灵活性符合在一个圆柱形的身体15]。此外,天线性能也通过仿真计算5.24厘米的圆形轨道半径对身体20厘米圆柱形天线符合。仿真是利用FEKO从ems公司7.0软件。

3.1。聚四氟乙烯基板

在本节中,聚四氟乙烯材料作为衬底介电常数2.1,0.0015正切损耗,补丁半径5.24厘米。图2(一个)说明了曲率半径变化的影响的有效介电常数。随着曲率增加,有效介电常数增加直到饱和物的价值。曲率半径从2厘米为1 m覆盖大多数的曲率的变化;这个值后的有效介电常数往往是常数的平面天线。

改变曲率半径的影响在共振频率如图2 (b)。有2 MHz的频率变化对整个曲率变化2厘米和平板天线。这个值是非常小的共振频率。然而,它是非常重要的在多通道应用程序如无线个域网RF4CE。它是在2.4 GHz和5 MHz的通道分离。小频率变化可能导致干扰之间的通道。

图3(一个)显示了曲率半径变化的影响在回波损耗作为频率的函数。的最小值−91分贝几乎是相同的,但最小曲率时转向增加频率减少相同的值,如图2 (b)。图3 (b)说明了电压驻波比的变化曲率的函数。电压驻波比的最小值几乎是1,但频率发生了变化。

数据4(一)和4 (b)显示了归一化飞机在和270°和飞机在和180°dB曲率的函数为2厘米,2 m,分别和平坦的表面。应该注意的是,辐射模式越来越大随着曲率的增加,预计更多的身体的弯曲。

辐射品质因数,全面质量因素、带宽和输入阻抗的真正价值计算不同的曲率值和列在表吗1。

随着曲率半径的增加,的价值减少,因此也减少了一个很小的量。有一个有限带宽的变化约400赫兹的曲率半径的变化从2厘米到2米。小变化输入阻抗约0.08Ω也指出由于曲率变化。

3.2。Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯基板

Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯基体材料介电常数等于10,切损失0.004,补丁半径是2.45厘米。改变圆柱的曲率的影响身体的有效介电常数和共振频率的数据5(一个)和5 (b),分别。

应该注意的是,频率为2.5 MHz总体变化实现相应的2厘米之间的曲率半径的变化和平板天线。的变化频率低于聚四氟乙烯材料如图2 (b)。

数据6(一)和6 (b)显示和电压驻波比,分别为不同的曲率作为频率的函数。的最小值(≈−100分贝)和电压驻波比(1)是独立的曲率。然而,这些最小值对应的频率发生了变化。最低的位置增加而增加曲率和遵循行为图所示5 (b)。

数据7(一)和7 (b)显示了归一化飞机在= 90°和270°飞机在在dB = 0°、180°曲率函数为2厘米,2 m,平坦的表面。应该注意的是,辐射模式越来越大随着曲率的增加。的辐射模式Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯基质是更广泛的比聚四氟乙烯衬底如图4。

表2显示了辐射品质因数,全面质量因素、带宽BW和输入阻抗的实际价值对于曲率半径值2,20厘米,2 m。类似于使用聚四氟乙烯材料作为底物的情况下,和减少与曲率的增加。然而,带宽的变化(2.2 kHz)和输入阻抗(0.11Ω)高于使用聚四氟乙烯材料来实现。

3.3。仿真结果

妈妈在本节内,使用模拟,我们对天线性能进行全面调查包括循环路径天线的回波损耗和电压驻波比符合圆柱形身上。两种不同的基质(聚四氟乙烯和Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯)。结果相比获得理论上在前面的部分。

数据8和9显示一个圆形微带天线的回波损耗和电压驻波比符合圆柱机构20厘米,2厘米,和2 m使用聚四氟乙烯和Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯基质,分别。

FEKO EM解算器比较的结果非常有利与我们的分析结果中描述。不同曲率半径的回波损耗2厘米和2 m几乎是3.4 MHz, 5 MHz的聚四氟乙烯的情况下,图8(一个),Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯,图9(一个),分别衬底。这些变化非常接近理论报道的结果。

然而,回波损耗的最小值的变化和共振频率值可能归因于近似考虑通过分析计算和软件模拟。

4所示。结论

本文的创新是引入的变化一个圆形贴片微带天线的谐振频率符合一个圆柱形的身体。这个频率的变化主要是由于修改与曲率的有效介电常数。我们研究相关影响品质因数等天线参数,输入阻抗,带宽,,电压驻波比模式。聚四氟乙烯和Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯作为基质材料具有不同的介电常数。共振频率增加了2兆赫和2.5 MHz的曲率变化2厘米为聚四氟乙烯和2 m Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯,分别。因此,电压驻波比和对于电介质材料转移的频率随着曲率的圆柱形的身体。输入阻抗的变化是0.08Ω聚四氟乙烯材料和0.11ΩEpsilam-10陶瓷聚四氟乙烯材料曲率改变从2厘米到2米。聚四氟乙烯的带宽变化和Epsilam-10陶瓷聚四氟乙烯是2 kHz和2.2 kHz,分别。全面质量因素是随曲率增加非常有限的值为基质材料。天线性能通过仿真研究了利用FEKO 7.0软件从ems Inc .仿真结果比较和描述分析结果非常有利。

一般来说,曲率影响有限圆形贴片微带印刷天线的性能的单通道。然而,一个小变化的频率将会非常有效的多通道系统时使用。这将导致一个高电压驻波比和改变值。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由院长以来科研(域),阿卜杜拉国王大学,吉达,在批准号965 - 302 d1435。因此,作者承认,由于安全域的技术和财政支持。作者i Ashry博士感谢他的帮助和信息。

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