文摘

但是奇函数对称双极化共面波导(CPW)美联储等边直角三角形槽打印宽带定向天线无线实验室测量的应用。该天线包括两个堆叠垂直奇函数对称等边直角三角形缝隙天线结构有两个堆叠反射地面飞机。小型化,简单,容易被伪造。测量结果表明,该天线可以实现宽近520%的阻抗带宽|₁₁|和|₂₂|;电压驻波比≦3实现了操作乐队从1.37到7.12 GHz的全球定位系统(GPS, 1.575 GHz),无线局域网乐队(2.4 GHz和5.8 GHz), 6 GHz无照光谱(5.925 GHz∼7.125 GHz),长期演进上乐队(LTE, 1710 - 2690 MHz),和增速低于5克乐队(3.5 GHz和4.7 GHz)应用程序。测量带内两个输入端口之间的隔离性能|₁₂|≦−17 dB显著成就,与此同时,天线辐射方向图,增益峰值,提出天线测量的效率。最后,辐射模式数据与仿真结果进行比较和分析。

1。介绍

的爆炸性发展移动和无线通信行业近年来,无线系统支持更广泛的带宽已经变得越来越流行和挑战性。加强信息可访问性较高的用户的需求有经验的数据吞吐量,低延迟,和宽带多功能移动和无线技术变得更加富有挑战性,尤其是高度集成的移动和无线系统性能度量。来满足系统的需求,方便测量,宽带和多波段天线被广泛用于移动和无线通信系统覆盖多个通信乐队,如移动无线通信系统(2 G / 3 G / 4 G)乐队在698 - 960 MHz / 1710 - 2690 MHz无线局域网(WLAN)波段操作-5.825 GHz 5.15 2.4 -2.484 GHz / 6 GHz无照光谱5.925 GHz和6.425 GHz之间的欧洲市场和美国市场在5.925 GHz和7.125 GHz之间,在3.5 GHz和增速低于GHz 5 G带操作/ 4.7 GHz。为了有效地提高无线测量能力的实验室,测试设备(DUT)链接天线更小体积,低成本、宽带、双极化天线结构的这种是我们研究的主要考虑。在[1),第一种方法的操作乐队tripolarization天线提出了2.4 GHz 2.6 GHz,但该天线的频带覆盖和隔离一些端口不够,需要改进在多波段无线性能测量的应用。几个文件(2,3)已经出版获得更好的隔离在一些双极化天线的应用程序中,但是这两个提议天线的阻抗带宽仍不够宽,涵盖现代移动和无线通信系统。为了更广泛的操作带宽和简单的平面天线配置,蝴蝶结偶极子和缝隙天线结构是好候选人参考研究[4- - - - - -7]。在文献[8),一个双极化共面波导(CPW)美联储的蝶形领结缝隙天线已经证明,天线结构简单,宽的带宽和高规格的隔离可以轻松地完成。定向天线和双极化的最后的方法是设计考虑和应用程序。在这些文献中,天线的方向性的特点,提出了宽带,双极化。但是,操作带宽不足以覆盖更广泛的带宽,和应用程序场景只是有限的移动基站(9- - - - - -13]。总结所有的参考论文如上所述,我们提出一种新的设计高增益、高隔离、和宽带定向天线,它是由等边直角三角形槽的奇函数对称的一对存根;有四个堆叠层组成的两个天线和两个反射镜。水平和垂直极化的方向取决于CPW-fed线,天线是垂直于顶部和底部。细节的规范提出了天线的设计和实验结果提出了构建原型和讨论。

2。天线结构和设计

一开始,我们深入研究了天线结构在文献[4,8)并使用Ansys模拟高频结构仿真器(基于)来验证天线宽带性能。我们发现,最低工作频率可以由以下公式计算: 在哪里C光速和槽长度代表了等边直角三角形槽边缘总长度。

天线结构进行深入的调查,我们知道的结构是由两个对称的蝶形领结槽结构,可以与偶数和奇数相关功能。在数学,甚至功能和奇函数是函数满足特定的对称关系,因此,我们遵循合理考虑进一步开展建设性的研究。顶部的观点提出了天线的基本几何图所示1。天线结构由一个奇函数对称CPW-fed等边直角三角形槽与一个100×100毫米的整体尺寸²。天线模式是印刷厚度为1.6 mm FR4玻璃环氧树脂基质(相对介电常数为4.4)和损耗角正切是0.02。的辐射单元部分两个等边直角三角形槽相反的长度定义为L1 / L2,斜边长度定义为R2 / R1和相邻的长度定义为W3 / W1。修改的基本谐振模式等边直角三角形槽结构设计最低操作带1.5 GHz和槽的长度和宽度可以确定完整的一半,四分之一波长的长度的每个共振频率。L和W的天线尺寸大约是0.5λ(= 100毫米),可以确定所需的最低频率的乐队。每个直角三角形槽边缘的天线以其总长度为0.75λ(L1 + R2 + W3≈147毫米)是专为宽带覆盖操作,它可以确定所需的最低频率的乐队。CPW-fed是最好的天线结构获得更广泛的阻抗匹配,所以CPW-fed线设计为50Ω(S1 = 3毫米),距离的差距( ),带锥度的数据信号长度应该是0.25λ(W2 = 46毫米),参数取决于所需的最低频率乐队。最后一个表列出每个参数的优化值1,比较表波长之间的关系和等边直角三角形槽路径长度表所示2。

的比较提出了天线的模拟电流分布{(R1 + W1 + L2): (R2 + W3 + L1) = 1: 1)}对应于等边直角三角形槽长度来证明宽的带宽性能是如何工作的,以及天线体如图2。在1.575 GHz,λ_l可以通过方程(近似计算1)和长度的关系可以视为L1 / L2相当于四分之一波长;结果是与三角槽的总长度所需的最低频率1.575 GHz的乐队。在2.4 GHz,长度的关系可以被认为是R1 / R2相当于半波长。结果是与三角槽的总长度的2.4 GHz频率所需的乐队。3.5 GHz的频率几乎是1.575 GHz频率的两倍,所以长度的关系可以视为L1 / L2相当于半波长。结果是与三角槽的总长度在1.575 GHz频率。4.7 GHz和6.5 GHz的频率几乎是三倍,四倍1.575 GHz的频率,所以长度的关系可以视为L1 / L2相当于四分之三的波长和波长。5.8 GHz的频率几乎是2.4 GHz的频率的2.5倍,所以长度的关系可以视为R1 / R2相当于半波长。结果是与三角槽的总长度在2.4 GHz频率。

图3说明了最终的配置提出了无线高增益和宽带定向天线实验室应用。有四个堆叠层组成的两个天线和两个反射镜,每个天线关节与CPW-feed端口,这两个天线是由互相垂直。蚀刻在顶层,天线是垂直极化辐射CPW-fed在端口1。在底层,天线旋转90°的水平极化辐射CPW-fed在端口2。为了确保隔离性能,D1(= 15毫米)之间的距离两个主要天线应该是0.075λ所需的最低频率减少耦合效应。此外,两个反射镜堆积下的奇函数对称双极化等边直角三角形槽打印宽带定向天线结构,顶部和底部天线层之间,距离D2(= 25毫米)和D3(= 15毫米)应该是0.2λ在所需的最低频率的乐队。天线的优化参数值包括反射镜表中列出3。

3所示。实验结果和讨论

验证设计的参数和辐射模式模拟的结果提出了天线利用电磁场仿真软件Ansys同时基于CST微波。天线与鹰原型也被制作并测量了视图如图4。

图5显示了两个垂直的隔离性能奇函数对称等边直角三角形槽与两位美联储端口宽带天线。D1的参数变量被认为是两个天线之间的耦合效应降到最低。在实验中,我们观察到D1 = 10毫米,两个输入端口的隔离性能仿真结果可以实现<−17 dB所需的乐队,但模拟和测量的差异降到最低,D1 = 15毫米距离是最好的选择在最后的测量结果。

数据6- - - - - -8显示的电压驻波比和隔离性能提出了基础课奇函数对称双极化等边直角三角形槽打印宽带定向天线。因此,天线性能基于电压驻波比,CST仿真工具也有类似的曲线在端口1和端口2。只有两个乐队阻抗失配在端口2的1.4 GHz范围∼∼1.7 GHz和1.9 GHz 2.05 GHz,和两个仿真曲线是相同的除了数值结果。进一步检查天线性能,可以实现宽的阻抗带宽∼520%输入回波损耗|₁₁| |年代和输出返回损失₂₂|,电压驻波比小于或等于3和两个输入端口之间的隔离好|₁₂|等于或小于−17 dB覆盖1.37 GHz频率为7.12 GHz∼。在D2和D3的参数,最好的间距需要考虑天线层顶部和底部的平衡反射器性能和降低了耦合效应。因此,D1和D2必须等于D2 + D3 = 40毫米增加隔离在两个天线和宽带宽。在实验中,顶部天线层依赖于第三层反射器反射波辐射集中在轴。出于同样的原因,天线底部层依赖于第四层反射器反射大部分的波辐射,包括低波段天线层顶部。请注意,第三层反射器的形状是一样的第一层天线,即减少第二层和第三层之间的耦合效应。此外,高隔离两个feeding-ports和高定向增益由于奇函数对称结构。D1的参数+ D2 + D3 = 55毫米也满足天线反射器的定义理论;也就是说,天线之间的距离必须大于六分之一的差距λ所需的最低频率的乐队。这是证明了耦合效应可以最小化和反射器顶部和底部天线的性能进行了优化。

图9介绍了(我)电压驻波比和|₁₂|实验测量被测天线的照片(AUT),这是与山铜技术测量C4209矢量网络分析仪(VNA)。(2)三维辐射模式测量实现了3 d ETS-Lindgren消声室。

提出支持双极化天线是主要目的,所以二维辐射模式xz-plane的端口1和端口2的yz平面应该类似于期望是什么。端口1和端口2上喂养时,提出了天线的辐射模式自由空间数据所示10- - - - - -12。端口1,垂直极化是占主导地位的极化。半功率波束宽度(3 dB) 60°和40°E1-plane (xz-plane)和E2-plane (yz平面)和最大辐射功率(MRP)集中在0°+ z轴在1.575 GHz。端口2的水平极化是占主导地位的极化。3 dB波束宽度40°和40°xz-plane和yz平面和MRP是集中在同一轴端口1 1.575 GHz。在频率为2.4 GHz, 3 dB波束宽度60°xz-plane和yz平面在端口1和50°在端口2 xz - yz平面,和两个端口的MRP是相同的,他们都集中在0°+ z轴。从5 G的角度和更高频率的辐射模式,当工作频率高于5 GHz, 3 dB波束宽度几乎限于大约20°xz-plane和yz平面,MRP是散射更严重,因为5 G和更高频率的波长相对增加了两倍,达到所需的最低频率乐队。

总结所有的辐射模式的测量结果在xz-plane和yz平面,该天线辐射图当喂养端口1和端口2相似。两个天线之间的相位差90°将辐射模式有明显极化多样性。E-plane分析的结果,证明了奇怪的对称天线获得了极化多样性和模式的多样性特征具有良好的隔离。

3 d模式效率和峰值增益的天线也测量。测量结果是通过使用模式集成采用ETS-Lindgren消声室如图13。在1.575 GHz的GPS频带,效率和峰值增益为61.4%和5.2 dBi端口1和端口2和5.8 dBi 58.6%。在2.4 GHz的WLAN波段,5.8 GHz, 6.5 GHz,效率是69.3%,69.1%,63.6%,端口1和72.6%,70%,57%,端口2。峰值增益为5.6,7.1和5.3 dBi端口1和5.3,6和4.6 dBi端口2。增速低于5 G带的3.5和4.7 GHz,效率分别为52%和76%为端口1和端口2 52.5%和75%。峰值增益是4.2和7.7 dBi端口1和端口2 dBi 5和6.5。

在图12,发现出血性的辐射模式。这可能是因为,更高频率的上频率乐队,一些不受欢迎的多层结构的高阶模式感到兴奋,这可能会导致一些扭曲产生的辐射模式。基于无线的辐射模式要求消费者产品,太多的扭曲的辐射模式没有说服力。但该天线是一个两口的双极化天线测量的应用。只要一两架飞机- z和z x的峰值增益天线,它可以发送和接收能力,符合要求的测量天线在测试实验室14]。

表4显示之间的比较提出了天线和其他宽带天线。电传飞控(大多数的参考天线有一个更广泛的部分带宽,FBW)约为85.7% (2 - 5 GHz)和双极化方向辐射。移动基站或实验室测量的应用,天线在[9)不支持双极化,即使10- - - - - -13,15有更好的天线增益在1 - 6 GHz的频率范围,但是这些天线带宽不足以覆盖现代无线技术和需要额外的喂养网络设计和昂贵的材料。不同于(10- - - - - -13,15),该天线利用奇函数对称等边直角三角形槽实现1.37 -7.12 GHz的ultrawide带宽(135.5%)。可以看出,该天线具有的优势ultrawide带宽、低成本、平面和结构简单,在隔离和天线增益足够好的表现。

4所示。结论

但是奇函数对称双极化等边直角三角形槽打印宽带定向天线的无线实验室测量的应用已经证明和测量。天线的结构是由两个等边直角三角形槽奇函数对称的一对存根;有四个堆叠层组成的两个天线和两个反射镜,每个天线关节与CPW-feed端口,这两个天线是由互相垂直。通过正确选择槽的长度和宽度,它可以获得更广泛的阻抗带宽,双极化和高隔离。测量结果表明,该天线的性能可以达到广泛的阻抗带宽∼520% |₁₁|和|₂₂|;电压驻波比≦3实现了GPS操作乐队从1.37到7.12 GHz (1.575 GHz), WLAN乐队(2.4 GHz和5.8 GHz),和6 GHz无照光谱(5.925 GHz∼7.125 GHz),长期演进上乐队(LTE, 1710 - 2690 MHz),和增速低于5克乐队(3.5 GHz和4.7 GHz)应用程序。测量带内两个输入端口之间的隔离性能实现|是有价值的₁₂|≦−17 dB。尽管最初的天线规格为1.5 GHz - 7.125 GHz频率应用程序而设计的,设计理念也可以扩展到其他感兴趣的频段。

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

作者感谢项目技术的研发和服务团队,东莞理工,智能终端产品研发和技术服务团队(没有。CXTD201802)。这项工作是由Wieson corp .)技术。http://www.wieson.com),台湾,根据合同jw109 - f - 315 - 018。