文摘

在这项研究中,一个小型2×2顺序旋转(SR),圆偏振(CP)和quasi-lumped天线阵,在介绍了IEEE 802.11乐队产生共鸣。做空针技术实现圆形辐射模式,实现和产生共鸣的元素使用SR四分之一波长喂养网络感到兴奋。共振模型的四个辐射元素数组假设给物理洞察力的相对尺寸和允许研究的共振特性和影响做空针。天线模型模拟、伪造和测量来验证这种安排,给结果| S11 | <−10 dB和轴向比率(AR) < 3 dB带宽的3.85% (5.645 -5.867 GHz)和1.54% (5.77 - -5.86 GHz)右旋圆偏振(RHCP)。天线阵结构的大小 在中心频率为5.8 GHz。

1。介绍

介绍在1970年代后不久,微带贴片天线由于其有用的特性引起了相当大的关注,如易于分析和制造、理想的辐射特性,低质量,成本效率,直接集成,最小的形象,与MIMC机械健壮性和兼容性的设计(1,2]。然而,他们被认为是不切实际的移动通讯,特别是在手机安装,因为他们的大尺寸。因此,微波quasi-lumped印刷天线似乎是最合适的候选人取代古典贴片天线,他们不受大小限制(3,4]。

单元素通常低增益天线的设备需要排列实现高增益的性能。几种类型的提要已经使用在线性数组来满足这一需求,包括系列(5)和平行微带提要(6]。一般来说,一系列饲料拓扑结果在一个更简洁的网络,包括短传输长度,更少的连接,和更低的插入损失相比,一个平行的饲料;然而,受制于一个狭窄的带宽和相位差异由于线长度的差异7]。相比之下,parallel-fed拓扑提供了更广泛的带宽,它不能产生高失配损失(8]。此外,企业和并行提要的优势,激发弹性阵列具有良好的设计和易于集成等当创建二维数组。饲料级为每个元素可以很容易地控制采用放大器或衰减器,可以使用相移控制阶段。

许多单馈电CP微带天线的方法已经在文献中记载,如U-slot微带天线(9),一个等边三角形单馈电圆极化微带天线(10),一个CP环孔微带天线使用一对插入狭缝(开发11),和一个有限元分析微带天线与截断角落设计(12]。其他的设计都是基于开口环谐振器的雕刻在一片(13),蚀刻不对称槽微带到单个probe-feed广场(14),使用一个l型微带连接到一个标签芯片和终止卖空销耦合微带天线(15),和一个圆形的偏心环的使用生成CP辐射(16]。上述方法旨在实现CP通过改变天线的物理尺寸。

摘要quasi-lumped谐振器提出了天线阵,目的是实现减少尺寸和圆形辐射性能。在传统的方法中,如果单元素小,数组也小。针对这一点,企业饲料quasi-lumped阵列天线网络设计将实现减少碳足迹的阵列配置。

本研究的三个主要目标是(我)来提供一个数组等效阻抗电路用于频率共振的初步迹象,(ii)生成CP辐射,和(3)设计一个小型阵列结构的最小的尺寸。基于阵列天线阵列等效电路建立饲料和元素的尺寸。CP是通过使用短路针加载技术,而四分之一波长转换器技术是用来喂养的天线阵提高增益和降低整个数组的大小。

节2,该天线阵激发技术和喂养方法。数组的阻抗共振模型中描述部分3。讨论,并给出了实验结果从该数组中4。

2。天线阵列的配置

2.1。Quasi-Lumped几何

所需的组件集中元素的近似微波手术在微带结构微带短裤和存根与尺寸小于四分之一波长产生共鸣频率。这些被称为quasi-lumped。该方法的主要好处是简单的过渡到一个等效电路,其中电容和电感构成微带结构。图1显示一个quasi-lumped元素谐振器的结构。提出的单天线的等效集总元素在图所示2。一个winding-line电感可以用来增加电容。电感器的l被塑造为一个手指,连接到电容器吗C。垫的电容器CP1和CP2两边连接结构作为电容器在地上,可以调整以优化该谐振器的谐振频率。计算过程的细节提出了单一quasi-lumped天线的工作频率及其维度讨论了(17]。表1介绍了单一的维度quasi-lumped元素共振频率为5.8 GHz。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
提出quasi-lumped天线:(a)维度用于计算集中元素;(b)集中元素的分配。

图2
提出了天线的等效电路。
表1
参数的元素提出quasi-lumped天线。
2.2。做空针

最先引入做空针的使用(18)实现CP辐射。如果做空针位于附近的边缘diagonal-fed补丁,两个谐振模式是激动,其中一个是高于其他,因此,实现CP [19]。微带天线的极化可以通过调整调的位置做空的帖子(针)边界内的天线。做空职位插入天线贴片变化最小的点小频率更高的频率,产生广泛的轴向比率乐队。其他技术对切槽或添加尾巴更有益的规模相比,减轻短路针的使用,这是最有效的解决方案的规模小型化天线。做空针的影响取决于几个参数,如文章的数量和半径和微带天线的厚度。做空针是辐射单元和地面之间的直接连接。

2.3。喂养拓扑

单一饲料CP辐射操作可以分为两种类型:单端口/单一饲料和单一端口/双饲料。广泛的饲料技术很容易构造(20.]。老数组是首次提出在21改进的性能CP数组。微带天线阵列使用老达到改善极化纯度、阻抗匹配和模式对称性在更广阔的带宽(22,23]。

在一般情况下,饲料企业网络是用来提供权力分裂双元素的数字。四分之一波长的方法是一种技术,用于匹配天线使用的传输线变压器。输电线路的阻抗特性的限制范围和价值观;因此,四分之一波长转换器技术是最合适当使用微带传输线(24,25]。

该设计如图3。数组包含四个辐射quasi-lumped元素由一个2×2老微带前层和底层的地平面。做空针是位于中心的产生共鸣的元素。70.7Ω的四分之一波长阻抗变压器用于转换100Ω每个辐射单元由一个50Ω线,从而为阻抗匹配创造条件。


图3
提出了SR四分之一波长quasi-lumped天线阵列。

3所示。阵列等效阻抗模型

在这项研究中,提出了一种等效阻抗模型为了给数组的共振频率的物理描述。这个模型是用于验证模拟和测量共振操作。天线阵列由一个四分之一波长微带饲料和产生共鸣的元素。四分之一波长微带饲料是由50级联三段特性阻抗值,70.7,100Ω,如图3。微带电路的等效辐射电导Grm和电纳的微带的边缘场电容Cl。的电导Grm和电容计算使用(1和(2),分别在报道26]: 在哪里 底物的高度, 是微带的特性阻抗, 有效介电常数。 在哪里 相当于extralength微带和 是光速。

quasi-lumped等效集总元素C,l,CP1,CP2来自方程(3- - - - - -5),分别。表2介绍了等效集总元件为单个quasi-lumped元素在5.8 GHz获得使用报告的方程(27- - - - - -29日]: 在哪里 基板厚度, 电感器的长度, 电感器的宽度,N是手指的数量,和 是0.44和0.65之间的校正因子N= 1和2,分别。

表2
quasi-lumped谐振器的等效集总元件。

做空帖子的等效电路并联电感的形式表示的位置的帖子连接到地面。帖子和提要的感抗调查计算

数据4(一)和4 (b)显示一个quasi-lumped数组元素的等效电路与做空的帖子和单个段微带馈电,分别。的阻抗微带馈线段和四个辐射元素连接形成阵列等效谐振电路,用于研究的共振行为数组。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
等效电路(a)一个quasi-lumped元素与卖空销中心和(b)微带馈电。

4所示。结果与讨论

图5显示了等效输入阻抗,建模采用安捷伦先进设计系统(广告)。代表段微带馈线的电阻和电容值和四共鸣quasi-lumped元素给出了表2和3。阻抗模型用来预测的共振行为建模和制造前的天线阵。没有辐射模式预计将从这个模型。


图5
天线阵等效阻抗模型,建模的广告。
表3
等效集总元件的微带馈线段。

图6显示了装配式quasi-lumped天线阵列。天线阵列的总尺寸是31日×36毫米2。一个广泛的数组包含2×2老quasi-lumped元素在表层和底层的地平面。四分之一波长变换器的方法,一个老用于饲料RO4003 C上的单个元素谐振器微波衬底相对介电常数为3.38和0.813毫米的厚度。四分之一波长转换器的宽度和长度是1.036和7.03毫米,分别和100年Ω和50Ω阻抗宽度等于0.46毫米和1.898毫米,分别。产生共鸣的元素间距为半波长,该天线的主要目的是激发元素和生成一个圆形的辐射输出,因此实现短路针加载技术。做空针是位于quasi-lumped的中心元素。


图6
伪造的照片quasi-lumped天线阵列。

图7显示了功率流模拟了CST软件提出的天线。功率流的喂食港口在四分之一波长网络辐射quasi-lumped元素达到最大值5.8 GHz,从而确保最大的力量从quasi-lumped辐射散热器。为数组元素的大小电流密度在5.8 GHz是描绘在图8,它可以观察到,quasi-lumped内的电流分布集中的手指。


图7
功率流的提议quasi-lumped天线阵在5.8 GHz。

图8
为数组元素表面电流分布在5.8 GHz。

图9显示做空直径变化的影响年代11对于一个共振quasi-lumped元素,模拟使用CST微波工作室。可以看出,该谐振器在5.8 GHz没有做空针的使用。此外,直径增加时,共振转移到一个更高的频率。当卖空销的直径是2毫米,达到最佳的回波损耗在−24.94 dB。


图9
做空的直径变化的影响销直径年代 11。

图10介绍了模拟和测量结果输入回波损耗。回波损耗计算使用广告建模发生在5.8 GHz,−20.81 dB的最小值。基于这个结果,我们可以验证之前预期的设计原型并进行了测量。在这个阶段,没有考虑各种设计参数,如天线周围的边界,焊接,和不匹配,这可以解释之间的细微差别建模和模拟和测量的结果。模拟回波损耗展出的201 MHz带宽范围5.66 - -5.861 GHz,损失最小为35.5 dB在5.81 GHz。测量回波损耗展出的222 MHz带宽范围5.645 - -5.867 GHz,损失最小为35.68 dB在5.814 GHz。我们可以因此说,有一个很好的协议之间的模拟和测量结果。结果中的差异主要是由于小的施工错误和不均匀性引起的手工焊接SMA连接器。


图10
模拟和测量反射系数。

模拟和测量E-co-polarization (RHCP)和E-cross-polarization (LHCP)的模式xz飞机在设计如图5.8 GHz的频率11 (b)。在这里,co-polarization (RHCP)高于交叉极化(LHCP) 30 dB侧向方向。一般来说,模拟和测量天线模式之间的差异是在20 dB,和测量模式模拟的吻合较好。数据(11日)和11 (c)显示了最小和最大辐射模式共振频率。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图11
模拟和测量E-co-polarized E-cross-polarized模式xz平面:在5.7 GHz (a);在5.8 GHz (b);在5.85 GHz (c)。

图12显示了该天线的ARs,决定通过测量领域在垂直和水平的飞机。模拟和测量3 dB AR提出了天线的带宽5.79 -5.86 GHz -5.86和5.77 GHz,分别。模拟和测量结果之间的偏差可能是由于几个原因如实验的准确性,实验范围,衬底的损耗角正切,SMA连接器的寄生效应。然而,测量和模拟结果表明合理的协议。


图12
模拟和测量3 dB农业研究所。

图13显示了模拟和测量共振乐队的收益。最大的模拟获得8 dBi在5.66 GHz,而最大测量获得7.48 dBi 5.66 GHz。这小模拟与测量结果之间的差异可以归因于制造公差和材料损失。可以使用反射器在底部平面上获得性能提高。


图13
模拟和测量成果。

5。结论

在这项研究中,一个紧凑CPquasi-lumped天线阵。该数组的微带使用空针技术来实现CP辐射。良好的协议进行仿真和实验的结果验证我们的设计。显著减少观察到数组的大小相比传统CP微带天线在文献中报道。表4提出了一种比较几个报道2×2老数组和数组在这项研究中提出的。

表4
比较该天线阵和几个2×2老数组在5.8 GHz的文献报道。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢院长以来Majmaah大学科学研究支持这项工作,在项目没有。r - 2021 - 213。