一种新颖的小型Four-Ridged角与增强增益天线

文摘

小型化宽带天线的广泛应用引起了人们广泛的关注在现代社会。本文提出了一种新型宽带小型化four-ridged喇叭天线(FRHA)高增益操作从2.6到8.4 GHz。通过填充FRHA epoxy-laminated玻璃布板,减少孔径实现48%的边长比较传统脊喇叭天线。摘要聚乙烯透镜天线之间提供良好的阻抗匹配,空气在低频率和减少孔径相位误差在高频段,从而优化辐射特性在整个操作乐队。

1。介绍

在1950年代发明以来,脊喇叭天线(RHAs)已经得到全世界的关注ultrawide阻抗带宽、结构简单、高功率容量(1- - - - - -4]。因此,RHAs已经广泛用于电磁兼容测试系统、相控阵雷达、生物成像系统,等等5- - - - - -9]。然而,RHAs相对大型和重型比较其他天线形式,限制其在未来进一步的利用。因此,开发小型RHAs是非常必要。另一方面,RHAs的辐射特性还需要优化。RHAs的光圈是由最大的波长带宽,但中心和边缘之间的相位误差通常太大在高频率操作时,常常导致失真的辐射模式和正常的增益下降。在以前的报告,添加介质透镜的RHAs优化辐射性能是一种有效的方法。例如,土耳其和Keskin添加一个小镜头内光圈标准的双重RHA和增加了约5 dB的增益范围15 GHz,有效减少了模式失真10]。张等人提出了一种宽带双脊喇叭天线和介质透镜的孔径(11]。由于加载透镜,高频波段的辐射方向图畸变是极大地限制。2018年,迪亚兹和Mostafavi发明了一种宽带quad-ridge喇叭天线cross-polyrod透镜和扩展的球状晶体(12]。与镜头的结合,有效地提高天线的方向性。通常,介质透镜设计复杂形状(抛物线形、梯形、等等),这使它更昂贵的制造和集成。因此,结构简单、可靠性高和成本低的关键问题是广泛应用的介质透镜。除此之外,在微波应用程序和雷达系统中,更受欢迎使用双极化天线宽带范围和高功率容量的four-ridged喇叭天线(FRHA)是一个不错的选择。FRHA是两双脊的组合(互相垂直)和两个喂点,每一对山脊和馈电点负责一个偏振方向。

在这项研究中,提出了一种新颖的小型FRHA。FRHA充满epoxy-laminated玻璃布板(ELGC,ε_r= 4.5),和一个长方体聚乙烯(PE、ε_r= 2.2)块顶部添加介质透镜。由于相对较高的介电常数的填充材料,孔径的边长是减少48%相比,传统的RHAs操作在同一个乐队,和概要文件也降低。简单的摘要PE镜头提供了完美的FRHA和空气之间的阻抗匹配,在孔径减少回波损耗。更重要的是,介质透镜也能减少孔径相位误差之间的中心和边缘,和正常获得高频有效增强。

2。天线的几何形状和设计

如图1(一),小型four-ridged喇叭天线(FRHA)由以下部分组成:一个长方体PE块(ε_r= 2.2),保形ELGC填料(ε_r= 4.5)的角和空腔,传统的金属four-ridged角,两个同轴连接器,和一个金属盖板。两双脊是完全相同的除了喂养同轴连接器的位置。值得注意的是,长方体PE块是一个至关重要的部分,作为一个镜头。所以,而没有或块FRHAs是命名为常规和lens-loaded FRHAs,分别。的照片FRHA图所示1 (b)。内部边缘的指数方程见图2(b),详细参数如图2(一)和2(b)列出说明文本。

传统的脊喇叭天线的孔径大小是由操作带宽。通常,孔径的边长是最低频率的波长的一半。在这种情况下,从2.6到8.4 GHz操作带宽,这意味着边长超过58毫米。在我们的例子中,边的长度只有30 mm,达成孔径大小减少48%。FRHA的小型化可以归因于ELGC填满一个相对较高的介电常数。然而,由于大型ELGC和空气之间的介电常数差异,阻抗失配和强反射发生在界面,导致高电压驻波比(电压驻波比)。这个问题将在下面讨论。

3所示。结果与讨论

FRHA旨在从2.6到8.4 GHz。更好的解释的介质透镜,两种FRHAs,传统FRHA(不含镜头)和lens-loaded FRHA(镜头),进行了比较。图3显示了传统的模拟电压驻波比的数据和lens-loaded FRHAs。此外,为了更好的比较,模拟和实测数据的常规和lens-loaded FRHAs图所示4。

我们可以发现测量数据很适合模拟数据图4,传统的电压驻波比FRHAs太高操作应用程序的带宽。如上所述,大型ELGC和空气之间的介电常数差异导致孔径的阻抗失配和高回报的损失。通常,四分之一波长阻抗匹配变压器是一个有用的和实用的方法。四分之一波长变换器的特性阻抗的几何平均负载和源阻抗。无损的介质,介质的固有阻抗可以由以下公式计算: 在哪里η₀是真空的固有阻抗,μ_r和ε_r介质的磁导率和介电常数,分别。在这种情况下,ELGC介电常数为4.5,所以适当的介电常数为四分之一波长转换器是2.1。

FRHA四分之一波长变换器的设计作为一个立方体育与介电常数2.2块。块18毫米的厚度,对应的频率为4.2 GHz。模拟和测量电压驻波比数据lens-loaded FRHAs数据所示3和4。与传统FRHA相比,电压驻波比的lens-loaded FRHA正在下降,尤其是在2.6 6 GHz的范围。在整个操作乐队,测量两个端口的电压驻波比小于2.5,除了几个点。然而,传统的电压驻波比和lens-loaded FRHAs比较在高频范围。通常,四分之一波长转换器只能在细频率范围内运作。在这种情况下,阻抗匹配性能可以明显影响通过改变介质透镜的厚度(这里没有显示)。考虑到传统的电压驻波比FRHA更糟糕的是在低频波段和介质透镜的尺寸不能太大,厚度为18毫米。

传统的测量辐射模式和lens-loaded FRHAs图所示5。由于辐射的两个偏振模式是相当一致的,只显示端口1的辐射模式的比较。在2.6 GHz,传统的辐射模式FRHA扭曲和不对称E-plane和h面。由于高回波损耗,辐射特性差,可以严重影响和辐射模式误差的测量。4 - 8 GHz的频率,传统FRHA显示明显的辐射模式大3 dB波束宽度,这意味着低收益比lens-loaded FRHAs。介质透镜改善中扮演另一个重要的角色获得FRHA除了四分之一波长的变压器。

为了更好地理解介质透镜的性能,如图的正常收益6。在这个图中,我们可以发现lens-loaded FRHAs显示辐射特性优于传统的偏振。考虑到相对传统FRHAs恶化电压驻波比,很容易理解,涨幅低于lens-loaded的低频范围。然而,小混乱,lens-loaded FRHAs也显示更高的增益在高频范围内自两种天线的电压驻波比的比较。宽带脊喇叭天线的辐射模式在高频率可以受孔径大小的影响。一方面,孔径的边长大约是低端频率的波长的一半,所以大光圈大小对于宽带喇叭天线是必要的。另一方面,大光圈的大小会导致高阶模式的生成和高孔径相位误差,将强烈的辐射特性恶化在高频率。最近报道,增加介质透镜是一种有效的方法来优化辐射模式。介质透镜通常设计在特定的形状,但它更便宜,更难以集成天线。在我们的研究中,介质透镜设计作为一个简单立方块。 Besides providing better impedance matching as a quarter-wavelength transformer at low frequencies, the dielectric lens also decreases the aperture phase error, especially at high frequencies. The simulated aperture phase error at 8 GHz for the conventional and lens-loaded FRHAs is shown in Figure7。传统FRHA,相变迅速远离中心时,相位误差是在45°之间的中心和边缘的孔。lens-loaded天线的相位误差小于15°,这将有效地提高孔的效率。因此,介质透镜优化获得的辐射特性和提高整个操作乐队。

4所示。结论

在这项研究中,一种新型宽带小型化FRHA操作提出了从2.6到8.4 GHz。通过与ELGC填充FRHA,孔径的边长是降低48%比较传统的。与此同时,结构简单立方体育介质透镜。介质透镜的角色一个四分之一波长变压器在低频率作出更好的阻抗匹配孔径,同时也降低了孔径相位误差在高频率。因此,这两个港口的辐射特性进行了优化整个操作乐队。

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

这项工作得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(61704148)和江苏省博士后科研资助计划(2020 z403)。

引用

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