文摘

这项工作提出了一种新颖的多波段有槽平面天线“回”结构,类似于一个古老的中国窗口格栅结构。天线适用于无线应用程序,包括第二代(2 g),第三代(3 g),第四代(4 g),和第五代(5克)技术,以及无线局域网和导航的应用程序。该天线是基于传统的单极天线的结构特点,结合的优势喂养的狭缝结构和微带线结构。采用一个圆形的补丁缝结构放置在它,这是类似中国古典窗格结构。这种结构允许一个有效的降低天线的大小。四面“回”差距改变电流的路径和相互耦合,提高整个目标的阻抗匹配和辐射特征频段。天线覆盖了1.58 - -1.77 GHz的频率范围(12%),2.1 - -2.50 GHz (17%), 3.61 - -4.09 GHz(12%), -6.5和4.75 GHz(36%),允许超过10这四个频段的无线应用程序。这个天线使用FR-4介电材料;介质板的相对介电常数为4.4,与实际尺寸的天线是85×70×1.6毫米³。测试和仿真结果有很好的一致性,从而确认该设计方法满足各种无线应用程序的需求。

1。介绍

与无线应用程序变得越来越受欢迎,天线小型化的要求,多个频段,方便装载大幅度增长。为了实现多个频段,天线通常与多个提要点设计,和一个u形反射器包含底部扩展频带(1]。天线也可以用于多个迭代改善他们的表现。例如,正方形和圆形天线设计类似中国古代硬币已被证明具有良好的性能在一个五层迭代(2]。多波段和宽带天线的特性可以实现通过使用耦合和feed-matching电路(3]。目前,许多多波段天线提出了(4,5]。此外,不同的喂养方法利用:尽管微带线喂养表现良好的损失,由此产生的频带窄(6- - - - - -8]。共面波导(CPW)设计也有一些优点和缺点9,10]。

因此,有必要消除微带馈电的短缺。许多方法也被用来设计多波段天线,天线,如分形结构,几何形状,科赫雪花,希尔伯特曲线。分形天线主要设计以下两种不同的方法,即自相似性(11,12和空间填充13,14]。自相似性的分形天线允许实现类似的表面电流分布在不同的飞机和多频特征;空间填充使天线电长度的增加(15,16]。此外,它已被证明,频带天线可以增加通过添加分支和狭缝(17,18]。为了减少天线的大小,重要的是要注意,介质谐振天线的大小(DRA)参数成正比 。增加天线介质的相对介电常数可以有效降低天线的大小(19]。改善阻抗匹配和辐射特性而言,一对加载槽可用于相同的存根辐射单元,和存根是耦合的当地地20.]。还可以加载一个双t形结构在椭圆环结构改善−10 dB天线的阻抗带宽而不影响天线的密实度(21]。

然而,传统磁单极子天线的频带和偶极子天线往往狭窄,不能满足需求由于天线共振。因此,为了设计一个小型,低调的多波段平面天线可用于移动终端,有必要结合片开槽或分形几何与传统天线。本文对比和先前的研究显示在表中1。

这项工作提出了一种多波段平面与一个圆形的单极子天线贴片为主要散热片和开槽的设计。它的形状类似于一个中国古典窗格“回”模式。天线覆盖多个频段:GPS (1.575 -1.625 GHz)、DCS (1.71 -1.88 GHz),蓝牙(2.4 -2.485 GHz)、无线局域网(2.4 -2.4835 GHz), LTE Band40 (2300 - 2400 MHz), ISM波段(2.420 -2.4835 GHz), WiMAX (2.3 GHz), SCDMA(1.880 - -2.025兆赫和2.300 -2.400 MHz), LTE42/43 (3.4 -3.8 GHz), WiMAX (3.3 -3.8 GHz)、无线局域网(/ n: 802.11 5.15 -5.35 GHz),和5 g (5.725 -5.825 GHz)。如表所示1,这项工作的规模和天线的性能比较与那些提到的引用。

2。天线结构和设计过程

2.1。天线结构的特征

散热器的长度和宽度计算根据著名的数学方程: 在哪里l是天线辐射体的长度,f在操作过程中是天线的中心频率,c是光在自由空间中的传播速度(3×10吗⁸m / s),ε_r的介电常数介质板。

微带馈电平面天线的结构和参数在图所示1,大小如表所示2。天线连接到一个50Ω微带馈线上缝一块圆形,背面近地面层,和它的模式类似于古代中国“回”模式面板,如图2。在中国传统文化中,窗口窗格通常是雕刻在菲比,装饰门,窗户,和分区,雕刻着不同的模式来增加房间的照明表面,增加空间的透明度。“回”模式最初来源于雷霆模式古代陶器和青铜器。在中国,行是灵活、间歇排序意味着无尽的生命,吉祥,平安。此模式可以用于提高散热器的长度为了延长电长度和天线的辐射效率。天线设计在一个FR-4衬底厚度为1.6毫米,4.4的介电常数和损耗角正切的0.02。

如图3“回”是雕刻在天线结构。这种结构的原则也是来源于传统的单极天线。因此,低辐射贴片的长度可以计算的

在高频率,电流流经所有的空白。和它共鸣周围的空白。电流流过的三分之一l₄。从数据表中给出2,

2.2。仿真结果

使用高频仿真软件Ansoft仿真执行(基于)(版本18.0)。图4(一)演示了一个cross-slit里面一块圆形的单极天线。狭缝的尺寸是固定的,导致四个共振频带,即1.5,1.9,2.4,4 GHz。从图4(b),可以看出,一阶缝被放置在四个方向的循环,导致四个频段,即。1.90 - -2.68 GHz 3.50 - -4.11 GHz, 5.48 4.32 -4.65 GHz, -6.17 GHz。隔离的两个频段低,中部和高频波段的回波损耗性能很差。图4(c)显示了一个二阶缝隙图的基础上4(b),这样天线谐振频率乐队会稳定在1.7,2.4,3.8和4.95 GHz。图4(d)显示三个参数的变化l₁,l₂,W。上面的四个参数优化和分析为了获得天线回波损耗性能适用于GPS的适用范围,WLAN, 5 g和其他商业频段。衍生化天线时天线频带的变化如表所示3。

如图5的长度,l₄被从4.4毫米到8.2毫米。根据不同的长度,发现S11高频波段的变化不明显。当的长度l₄改变,从1.2到1.8 GHz频段转变。比较后,l₄= 5毫米是最好的频带。如图6,没有明显的改变在低频范围l₇在5.2 - -6.8毫米。5 - 6.5 GHz频段时,l₇= 6毫米达到最佳性能。

如图7的长度,H被从10毫米到85毫米改变背景平面的大小。当H= 10毫米,低频带的回波损耗性能差,不能满足商业需求的频带。逐渐增加的长度H地面板块。当H= 55毫米,有多个频段频率较低,但频带之间的隔离很穷,很容易导致频带之间的互相干扰。基础板的最大大小H= 85毫米,获得的回波损耗是不适当的。因此,最合适的大小H= 20毫米用于设计基础板。

如图8,该天线可以工作在四个不同的频带:中心频率点是1.6,2.35,3.8,和5.85 GHz,和相应的返回损失−23.5−21.5,15.2−−22.5 dB。模拟−10 dB回波损耗第一频带带宽是25% (1.36 -1.77 GHz), 24%为第二个乐队(1.96 -2.50 GHz),第三乐队14% (3.54 -4.09 GHz),和20%在过去的乐队(5.07 -6.25 GHz)。这些频段覆盖商业频段,如GPS、无线局域网,4 g lte, 5 g, WiMAX,蓝牙,和卫星通信(见表4)。

表面电流幅值图和电流矢量图分布天线辐射体的中心频率为1.6,2.35,3.8,和5.85 GHz数据所示9(一个)- - - - - -9 (d)。频带的中心频率为1.6 GHz,左和右槽磁单极子表现出更大的电流(见图9(一个))。随着频率的增加,当前更集中在四个方向的差距。频带的中心频率为5.85 GHz,目前达到一个相对最大值四缝的散热器(见图9 (d))。

3 d增益模式和E / h平面辐射模式天线的中心频率为1.6,2.35,3.8,和5.85 GHz数据所示10和11。显示收益3、3.74、5和4.99 dBi,分别。可以看出E-plane和h面全向低频波段的1.6和2.35 GHz,而其他两个频段几乎是全方位的。旁瓣产生的中心频率3.8和5.85 GHz, cross-polarisation程度低。

3所示。制造和测量结果

该天线设计在一个FR-4衬底厚度1.6毫米和损耗角正切的0.02;此外,30µ米厚的铜层是雕刻两岸的天线。天线的前后观点和实验测试装置如图所示12。实际的天线的性能测量微波电磁消声室。

测量和模拟天线−10 dB回波损耗频带,如图13。−10 dB的带宽回波损耗包括大致相同的频带模拟,如表所示3。回波损耗的测量和模拟结果有很好的一致性,和观察到的小差异可以归因于以下几个原因。

数据(14日)- - - - - -14 (d)显示三维辐射模式,和数字(15日)- - - - - -15 (d)显示E / h平面辐射模式的天线为1.6,2.35,3.8和5.85 GHz。测量结果是在良好的协议与模拟。制造天线展品良好的各频段辐射特性,是全方位的h面。然而,一些实验和模拟数据之间的差异也可以观察到在这种情况下,可以是由于以下几个原因。

如图16,实际的天线增益和辐射效率测量消声室。照片中的可用频段的背景是淡蓝色的。实际获得的频率为-1.77 GHz 1.58 0.5 - 2 dBi和辐射效率是45 - 65%,实际获得的2.1 - -2.50 GHz频段是2 - 3.6 dBi和辐射效率是55 - 75%,实际获得的频率为-4.09 GHz 3.61 3.8 -4.1 dBi和辐射效率为62 - 81%,和实际获得的4.75 - -6.5 GHz频段是3 - 5.9 dBi和辐射效率是58 - 72%。实际天线的效率是10%到70%之间,在低频范围内,而实际的高频范围效率超过69%。效率和获得可用的范围内满足要求,和频带覆盖在别的地方不受影响。在1.9 GHz阻带的存在导致了10%的效率,这可以更好地提高天线频带的隔离。

4所示。结论

在这项研究中,一个小多波段平面天线与古典窗格“回”模式是为应用在商业开发的频带,如GPS、DCS、蓝牙、无线局域网,LTE Band40, WiMAX, SCDMA, 5 g, LTE42/43。的频段和带宽是1.58 - -1.77 GHz (12%), 2.1 - -2.50 GHz (17%), 3.61 - -4.09 GHz(12%), -6.5和4.75 GHz (36%)。天线的辐射方向是全方位,和天线仿真和性能测试证实了性能良好的天线。总的来说,这是发现,该天线具有良好的辐射特性,是小和轻,因此适合大多数无线应用程序。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持国家重点研发项目(没有。2020 yfc1511805),中国国家自然科学基金(没有。61663014),河北省高等教育教学改革项目(批准号2018 gjjg477),中央大学和基础研究基金(批准号3142018048和3142018048)。