物联网设备的辐射方向图可重构天线

文摘

基于特征模式理论,提出了通用的辐射方向图可重构天线。分析从两个平行金属板具有相同和不同的维度。通过两个PIN二极管的大小的一个平行金属板可以修改,因此辐射的行为模式可以切换之间的双向和单向辐射模式。此外,一个领域开关是用来调整频率和输入阻抗匹配。可重构天线样机组装和测试,和一个好的协议获得的模拟和测量结果之间在2.5 GHz带适合物联网应用程序。

1。介绍

作为无线系统的一个基本组成部分,由于市场的强劲需求多样化的应用,天线有时需要改变他们的基本特征对应用程序的需求。实现这个期望,CM(特征模式)理论(1- - - - - -3),这是一个相对较新的方法在天线领域,提出了一种简单的方法来理解几个天线背后的物理特性,如形状的辐射模式,波束宽度和方向,极化,带宽和工作频率。这个物理理解提供信息模式运作和如何帮助在实际天线设计过程中,更容易(4,5]。

物联网(物联网)的巨大增长和智能工业应用建立许多科学和工程上的挑战,包括独创性的研究成果从学术和工业社会发展的成本效益,可伸缩的,高效的,可靠的物联网天线系统。这就是为什么可重构天线(RAs)是作为一个合适的系统,可以改变其基本特征(6,7)如工作频率(8,9),辐射模式(10,11),甚至极化(12,13]应对的需求等通信系统物联网传感器和移动站(14]。可重构天线分为几种类型,这取决于销等半导体二极管的使用(15和变容二极管11,16],RF MEMS [17),光敏元件(18),重新配置通过改变材料特性(19)或机械处理(20.]。

本文描述了一个辐射方向图可重构天线基于两个矩形平行板的使用。在给出的设计是基于21),但与当前设计提供了显著的改善。首先,提出了几何和CM分析(CMA)来解释执行的行为天线从模态的角度来看。这时,一个可重构的辐射结构使用PIN二极管和一个领域开关(22提出了]。

提出的设计的目标是一个双向和单向辐射模式之间进行切换,这取决于PIN二极管的状态。使用领域开关的目的是达到一个共同的工作频率(2.5 GHz),避免修改的基本几何。因此,拟议的天线提出了几个物联网应用程序的一个方便的解决方案,因为它可以产生不同的光束在传感器在不改变物理条件的天线结构。

CMA、天线仿真和结构的设计已经通过执行FEKO(23),CST微波工作室仿真软件应用程序(24]。

本文首先简要概述了CM理论和模态参数的物理解释。然后,设计可重构天线的一般程序使用讨论了CMA, CMA后两个矩形平行板。节5,提出了一种辐射方向图可重构天线,一个原型和测量是在下一小节中介绍。最后,结论进行了讨论。

2。特征模式概述

CM理论最初是在1968年由Garbacz [1)和精制哈林顿和Mautz在1971年晚些时候3]。这一理论最近成为一个多才多艺的模态分析天线具有任意形状和材料的工具。CMs及其度量参数为天线的分析和设计提供以下有效的信息:(我)共振频率的主要模式和高阶模式。(2)模态辐射场的远场范围。(3)模态电流表面的结构分析。(iv)在给定频率的意义模式。

CMs被定义为一组正交辐射电流模式由导电或绝缘表面。加权特征值方程来源于矩量法(MoM)阻抗矩阵(3,5,25),和一组正交eigencurrents(即。,CMs), together with their associated eigenvalues, is obtained. Due to the orthogonality of the eigencurrents, the total current on the surface of the conductor can be expanded into a set of modes. Eigenvalues provide information about the radiating behavior of the associated mode. Moreover, attributes such as the特征角或情态意义可以计算,相关特征值。

下面,简要回顾CMA提供相关参数,为了获得物理洞察力与任意形状天线的辐射行为。

2.1。特征值的物理解释

基于该方法开发的(3,5),CMs可以获得以下特定加权特征值方程的形式: 在哪里和分别是真正的特征向量和特征值每个模式的索引的顺序,然后呢和是阻抗矩阵的实部和虚部的妈妈。的电场和磁场特征产生的电流表面上的导电体被称为特征字段或eigenfields相关(3]。

提出了在(3),的选择体重算子方程(1)负责的正交性质特征模式,表达的(2)和(3): 在哪里

选择 给下面的特征值的物理解释(5]:(我)总能量存储领域内的辐射或散射问题特征值的大小成正比。(2)的情况下 对应于共振的情况下,和相关的模式被称为谐振模式。(3)在的情况下 ,储存磁场能量主宰在储存电场能量,所以相关的模式被称为感应模式。(iv)在的情况下 ,存储的电场能量主宰在储存磁场能量,所以相关的模式被称为电容式模式。

2.2。模态的物理解释意义

情态意义( )是一个函数的操作频率和导电物体的尺寸(26]。它衡量每个模式总电磁响应的贡献一个给定源。可以观察到方程(5),改变了 值范围的特征值变成一个更小范围的 。在许多情况下,它是更方便使用除了探讨共振频率范围很广的行为乐队。

此外,还提供了一个方便的方法来测量带宽( )每一厘米。这个带宽可以被定义为功率辐射的频率范围的模式是超过一半的力量在共振辐射同样的模式,可以表示为如下方程:

一半力量(惠普)共振对应的归一化电流减少的一个因素(5]。此外,也用于识别的重要模式和无意义的模式。CMs与 被称为重要模式,而CMs 被称为无意义的模式。

2.3。特征角的物理解释

特征角( )是一个模态属性,它定义了电流之间的相位滞后特性吗电场的切向分量特征从表面上看 。它是一个重要的指标参数在CM理论中,这表明共振行为或储存能量的每种模式(27]:

作为不同范围内 ,它提供了一个简单的方法来理解行为接近共振模式,特别是在模式提出了缩小或大型辐射带宽。CMs陡坡附近180°曲线出现狭窄的带宽,而那些光滑的斜坡存在更大的带宽。平滑的斜率曲线在180°,模式可以表现出更大的带宽。

根据特征值的物理解释,特征模式也可以使用特征角度分类 :(我)如果 ,相关的模式谐振模式。(2)如果 ,相关的模式归纳模式。(3)如果 ,相关的模式电容模式。

2.4。CM适用于可重构天线

提出了图1工作流的可重构天线设计基于CMA分为三个基本过程:模拟、制造、和测量。(我)仿真:这一步是至关重要的,因为所有CMA执行这个步骤,提出了下面的子步骤:(1)理解结构:第一个分步担忧初步调查了解的行为结构。的激励结构排除在这个阶段。CMA会发现哪些模式一直在或接近共振频率范围内的利益。此外,CMA可以确定的属性单一模式或模式的组合,方便目标应用程序。(2)正确的激励模式:作为第二分步和一次模式或确定利益相结合的模式,这些模式的激励必须构想。分析相关的表面电流分布结构的模式执行并可以确定适当的天线位置饲料。通过模态的评价权重系数,分析将找出结构能够实现所选择的模态行为。(3)设计参数验证:第三分步处理验证行动,在选择解算器是用来计算天线的性能参数如的参数、辐射方向图,增益,方向性,或效率。(2)制造:这一步是实用的,需要一个良好的生产能力,决定了前面的步骤结果的成就。额外的参数时,必须考虑到电子元器件的使用如温度、干扰偏差之间的电线,和饲料。(3)测量:最后,这一步验证前面的步骤,展示了设计结构的性能。

3所示。基于特征的几何形状和设计的矩形平行板模式分析

让我们考虑两个矩形金属板块分开一段距离 ,如图2。两种情况进行了分析,相应维数相同的两个板块 和两个板块,一个小的变化降低板的长度 。

现在让我们分析这两个平行板应用CM理论。图3介绍了特征角( )分析进行0 - 5 GHz频率范围,为板具有相同和不同维度。见图3曲线的观察 显示,这两种情况下,有两个主要的共振模式的2.5 GHz乐队:天线模式(电流方向相同的两个板块)和传输线模式(电流方向相反的两个板块),如图4。

在共振频率,天线模式和传输线模式提出两种不同的辐射模式,如图5(a)。然而,令人兴奋的结构使用的探针下盘上板,其中两个基本模式的不同组合兴奋通过一个盘子的尺寸略有扩大。如数据所示5(b)和5(c),它可以观察到,产生的辐射模式时激动人心的探针的结构信息源不同从双向光束定向模式,当稍微增加下模板的大小。

不同模态的贡献的总辐射功率两种情况中可以观察到的数据6和7。见图6、模式(窄带传输线模式)主导的总辐射功率在2.5 GHz频段并导致双向辐射模式如图5(b)。相反,在图7,当平行板的尺寸略有不同,总辐射功率导致的组合模式(天线模式)(传输线模式),因此这种双重模式激发产生定向模式,如图5(c)。

4所示。结果与讨论

4.1。可重构天线的描述

拟议的辐射方向图可重构天线呈现在图8,由一个矩形贴片天线印在Neltec衬底厚度1.524毫米, ,和切损失为0.0009。结构的尺寸 , , , , ,和 。

这个想法是为了实现一个天线组成的两个平行板,在下盘的长度是可变的。因此,两个PIN二极管连接底板外侧边缘,如图9 (c)(二极管和 )。PIN二极管的两个州,贴上,启用或禁用当前流过外侧边缘;因此,模态分析中所示,可以得到不同的辐射模式。

通过切换到关闭状态,指出操作频率的变化,由于天线的输入阻抗的变化。为了解决这个问题,一个领域开关添加在顶板上。使用领域开关的目的是保证一个常见操作乐队通过切换射频输入信号频率相关的适当位置PIN二极管状态,如图9(一个)和9 (b)。

4.2。偏置电路配置

图10显示了PIN二极管的等效电路正向和反向偏置。PIN二极管模型考虑设计英飞凌BAR64-02V硅PIN二极管,较低的插入损耗和快速切换时间28]。如图10的等效电路由电感和并联电容器电阻器。获得第一个配置(PIN二极管反向偏置),元素的值(l= 0.6 nH,C= 0.35 pF )。另一方面,第二个配置的元素值(PIN二极管正向偏压)(l= 0.6 nH和 )。

领域开关(图11)模型设计sky13585 - 679采用低频(22),较低的插入损耗(0.5 dB通常在2.45 GHz)模式切换的ISM乐队。使用这个模型显著优势在于集成直流阻断电容,所以不需要外部直流阻断电容。

如图9 (b)执行供应直流偏压,PIN二极管和 ,附加组件安装在给水管路和偏置电路区(参见图8)。一个直流块电容器12使用pF为了保持整个金属结构的射频电流的连续性。电感器的和68年的nH提供直流偏置电流的返回路径。射频信号的直流电压隔离使用射频扼流圈电感器68年北半球。表1总结了模型和价值观提出设计用于不同的组件。

以满足开关的偏置要求,平台基于nanocontroller [29日)和一个电池是用来实现偏差信号对应于两种情况(例1:双向模式和案例2:单向模式),如图12(c)。

表2显示了两个配置。达到第一种情况下,它包含一个双向辐射模式,PIN二极管和反向偏置和领域销(见领域框图如图11)是连接到射频通过给和的电源电压5 V和0 V,分别。第二种情况对应于一个定向辐射模式通过正向偏压PIN二极管和 ,和领域销连接到射频通过给和5 V, 3.3 V的电源电压,分别。

4.3。原型和测量结果

拟议的辐射方向图可重构天线与电子元件制造和组装图12。在这个原型,连接导线排列在一个适当的方式辐射的干扰降到最低。图13显示了模拟与测量的参数提出了这两种情况下辐射方向图可重构天线。从图13,观察模拟和测量完全达成一个共同的乐队在2.5 GHz。它可以指出,模拟参数2显示了一个宽的带宽。这是由于这样的事实:仿真文件包括理想值集中元素用于正向偏压PIN二极管。相对测量带宽−10 dB为例1和例2,分别60 MHz, 25兆赫。然而,测量结果满足要求,常见的操作频率达到在不改变物理天线结构。

2 d可重构天线的辐射方向图测量频率为2.45 GHz的绘制XZ和YZ飞机在图14。CMA在第一个部分,一个可重构的辐射模式。把PIN二极管州和领域导致定向波束,PIN二极管开关州和领域产生一个双向模式。最大峰值增益和这两个州的最大辐射效率测量如图15,达到6.75 dBi和价值观分别在2.5 GHz。应该注意的是,由于二极管,效率略低领域开关,尤其是nanocontroller平台,成立于测量环境。

提出了设计的性能比较表3一些最近出版的设计以辐射方向图可重构天线性能。很明显,该天线具有更少的PIN二极管,这意味着更少的能源消耗和低成本配置。此外,它有最小的大小,除了设计提出了文献[31日]。与天线相比拥有相同的梁数量(30.,31日),该天线具有不同的梁的共振频率,使其韧性的适应环境。此外,我们设计的制造是健壮和复杂性是温和相比,所选的引用。

5。结论

CM理论能够提供一个天线的辐射行为的物理解释。辐射方向图可重构天线提出了本文基于CMA提供的信息。天线的设计从模态分析开始,第一种情况的两个平行板同样大小的统治模式因此双向模式结构时很兴奋。第二种情况下,用一把小的区别在一个盘子大小,提出了一种单向模式,它起源于两种模式的贡献和 。分析后,提出了可重构天线具有相同的结构,目的是改变辐射方向图,和两种不同的模式是通过开关的开/关状态PIN二极管。通过引入领域开关,这两个州的工作频率调整到2.45 GHz。使用的偏置电压很低,这是一个重要的对物联网传感器和移动站。

缩写

CM:	特征模式
CMA:	模式特征分析
物联网:	物联网
类风湿性关节炎:	可重构天线
销:	p型层固有层,n型层
领域:	单刀双掷
DC:	直流电
VDD:	直流电源电压
VCTL:	直流电压的控制。

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。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的西班牙科学创新部(Ministerio Ciencia e Innovacion)在项目没有。pid2019 - 107885 gb - c32和Generalitat Valenciana下项目没有。AICO / 2019/018。

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