小型宽带和高增益天线平面维瓦尔第为未来无线通信的应用程序

文摘

本文提出了一种新的微型平面维瓦尔第天线(PVA)设计。该天线结构由一个光圈锥形轮廓和腔存根美联储用一个简单的50Ω条线网络。PVA提供了通用的设计优势,包括小型规模和简单的设计,并表现出一个杰出的性能相比,最新的报告文学。天线与电子占据最小的空间大小为0.92λ₀×0.64λ₀×0.03λ₀。天线达到一个很好的相对阻抗带宽117.25% 10 dB回波损耗,实现峰值增益为10.9 dBi,一个优秀的在特定的共振辐射效率95%。天线的最佳功能,宽带、高收益,和辐射效率,实现高效的基于槽的方法。除此之外,该天线也在时域分析结果,显示了优良的群延迟性能< 2 ns操作乐队。该天线表现出稳定的远场辐射方向图在正交平面和强劲的电流分布在多个共振。仿真和实测结果表明一个好的协议。该天线具有实现最优性能,适用于未来无线通信的应用程序。

1。介绍

在现代无线通信系统中,高数据率传输的实现和需求计划正在迅速增加(1]。天线系统,这可能表现出最佳性能和覆盖多个无线通信服务,非常适合现代通信系统。因此,为了满足需求,紧凑、高增益、宽带、辐射效率PVA是必需的。这种天线是现代通信系统的基本组成部分,获得实质性考虑由于最佳性能特性,也就是说,宽带、增益高、辐射效率、稳定的远场模式,低成本的优点,低调,和最小尺寸2]。

目前,PVA是一个很好的选择对未来无线通信的应用程序,包括超宽频光谱(UWB) (3,4),卫星间通信(5),医学成像(6),切口乐队(7),宽光束扫描相控阵(8),探地雷达(GPR)系统(9),和雷达(无线电探测和测距)[10]。PVA表明广泛的阻抗带宽(BW),增益高,良好的辐射效率,宽波束模式。通常,它包含一个条线或与径向微带馈线过渡腔存根。天线的辐射部分竖立成倍增长,椭圆,线性曲率,常数宽槽(11]。主要担心的有源天线设计领域相关研究人员主要是天线的电气和物理尺寸大,狭窄的阻抗BW,适度增加,和低辐射效率。因此,天线的主焦点设计师是精炼的天线结构的主要方面,如广泛的阻抗BW,紧凑的尺寸,增加,辐射效率性能和稳定的远场辐射特性(12]。

在过去的十年中,不同结构的紧凑的平面天线研究提高天线阻抗BW,获得性能和辐射特性13]。然而,很少有天线设计一个紧凑的大小与锥形轮廓和可以实现天线的最优关键特征。在文献中,各种天线的几何图形,如裂缝、锥形槽散热器,爆发过渡与修改腔存根(14- - - - - -17已报告。同时,几位设计基于不同槽形状18- - - - - -20.)提出了实现所需的增益,可接受的BW,辐射效率,和完美的阻抗匹配。报道天线由错综复杂的结构和表现出令人满意的性能而言,BW,峰值增益和辐射效率。美联储共面波导(CPW)领结槽孔天线与大尺寸达到triple-band响应报告(21]。锥子等人提出了C,微带天线X, Ku波段应用电子大小为0.687λ₀×0.492λ₀×0.1038λ₀在9.8 GHz (22]。semitriangular贴片形状的天线设计提出由CPW馈线和达到107%分数BW 5.3 dBi意识到获得性能。此外,紧凑的大小线性锥形槽天线设计与倾斜凹槽的方法是在(23]。设计天线实现了阻抗BW 15.5 GHz的广泛的光束特性。锥形槽天线(TSA)采用折叠形式技术实现增强阻抗BW和获得24]。该天线设计是复杂而达到可接受的增益和广泛的阻抗BW大电尺寸为4.0λ₀×2.4λ₀×0.032λ₀。

提出了另一个工作在TSA成像应用程序大小为2.09λ₀×1.566λ₀×0.034λ₀(25]。天线实现了77%的BW和有一个更大的规模。作者提出了天线阵和获得广泛的BW∼55%,和优秀的峰值增益与天线的尺寸1.8实现的λ₀×1.38λ₀×0.024λ₀(26]。基于基片集成波导(SIW)的新形天线宽带阻抗BW报道[27]。然而,发达天线在文献中报道的大小和使用高制造过程和复杂的装配。另一个工作在高增益领结缝隙天线实现多频段(28]。拟议的结构简单,印在FR4基板。作者提出了宽带线性加载TSA宽波束宽度(29日]。此外,常团队设计天线FR4基板与一个更大的尺寸为1.465λ₀×0.847λ₀×0.02λ₀BW和覆盖82.2%相对阻抗。报道天线包括三种类型的反向ℿ(omega-shaped)加载槽和与大型复杂结构的大小。克里希纳et al。30.]发达年代的天线,C、X,和Ku波段应用一个紧凑的尺寸为2.0λ₀×2.5λ₀×0.067λ₀并获得了15个GHz的阻抗BW峰值增益为7.0 dBi实现。然而,工作了30.)占领了大尺寸天线双指数有槽,导致计算复杂度。一个紧凑的宽带CPW-fed taper-shaped单极天线的L-slot一直在调查(31日]。天线FR4基板上实现了紧凑的尺寸是0.395λ₀×0.355λ₀×0.0315λ₀和狭窄的BW获得性能从3.8到8 GHz 3.4 dBi的以温和上涨。另一个高增益CPW-fed天线提出了(32]。作者取得了良好的性能,一个巨大的天线尺寸。

在本文中,一个新的小型PVA的结构设计,模拟和捏造。拟议的锥形结构是建基于交替槽技术,并获得广泛的阻抗BW,增益高,良好的辐射效率,稳定的远场辐射特性。该天线具有小型化的大小为0.92λ₀×0.64λ₀打印在聚四氟乙烯™与一层厚度为0.03λ₀。最近比较先进的工作。该模型实现了117.25%的相对BW |₁₁|比10 dB,意识到峰值增益为10.9 dBi, 95%的优秀的辐射效率,性能良好的群延迟< 2 ns,稳定的远场辐射方向图在E -和H-planes,和一致的强大电流分布在多个共振。

本文的主要贡献如下:(我)PVA紧凑的尺寸设计,克服了模拟和几何复杂性,并达到最优性能(2)基于健壮的沟槽的方法,提出了降低天线的设计和制造的复杂性(3)天线达到一个很好的相对BW的117.25%,实现增益为10.9 dBi,和优秀的辐射效率为95%(iv)该天线时域结果验证,也就是说,群时延,这显示了优良的性能< 2 ns横跨可操作的频率(v)该天线具有最优的性能特性,以及他们的比较提供了最近文献报道(比较表1),它显示了明显的优势

本文的其余部分组织如下:部分2提出建议的设计材料,天线的安排,并提出天线模型的策略。不同变量的影响和草图的表面电流分布也在这一节中提供的。部分3提供的模拟和测量结果的分析提出的天线。实现增益峰值、辐射效率、群延迟,和远场辐射方向图以及标准的飞机在本节进行了分析和讨论。最后,这项研究的结论是解释部分4。

2。该天线装置和几何学

在本节中,我们讨论了天线布局设计和仿真结果分析。拟议的原型是刻在聚四氟乙烯层压™2.1的相对介电常数和损耗角正切的0.001。它由一个金属板与锥形蚀刻线和径向腔存根。此外,一条线给网络玩家存根是用来连接50Ω超小型版本(SMA)的连接器。馈线是放在底部的底物。高频结构仿真器(基于)v - 17.1是用来设计拟议的结构。紧凑的天线模型旨在产生一个广泛的阻抗BW,增益和辐射效率高、稳定的远场模式,强大的电流分布在多个共振。

图1展示了三维(3 d)的设计和模拟天线模型,组成的介质衬底,金属板,条线将馈线框架。金属板与锥形蚀刻线,槽和径向腔存根,条线馈电网络与变压器腔存根放在底部的底物。开幕式锥形轮廓取决于孔径H,其宽度必须大于自由空间波长的一半。一个槽线是刻在金属接地板半径(r₁)和一个矩形槽(l_{1 sl})锥形概要图中描述2。

平行矩形槽线段是用来执行耦合。此外,逐渐指数剖面的自由空间辐射稳定开放部分不可避免的电磁波的锥形孔(H),这主要是电磁波的传播。逐渐指数剖面的自由空间辐射稳定开放部分不可避免的电磁波的锥形孔(H)。

介绍了金属板,两个凹槽与0.3毫米宽在剖面影响降低操作乐队从6到7 GHz。然而,采用截断线在100年Ω传输线实现负载终端匹配等于地面终端。

指数的线性表达式是由锥形轮廓曲线 在哪里

两个锥形点可以计算线性指数锥形的概要文件 和 和R指定的开盘价指数因子。的参数c₁和c₂确定的常数开盘价的坐标。此外,缝隙线过渡由(表示W_{1 sl})和(W_{2 gr})和条线过渡是陈述W_{3 fl},W_{4 fl},W_{5 fl}。此外,锥度线T_SL确定是和孔部分的高度”H”是 。当开孔率R接近零,指数递减的结果吗 为锥形的斜率。锥坡“s”不断的变化来定义的指数递减方程(1),和锥坡的吗 和 和 为 的角锥形耀斑的特点是 参数是相互关联的W_{1 sl},T_SL,H,开放率R。

从锥形概要的电磁波分开,从层压板结构辐射到自由空间。TSA的辐射,它必须像距离地波天线。为了达到这个目标,有效介质厚度t_eff= ( )t,在那里t显示实际的层压板的厚度参数必须符合以下要求(33]: 在哪里λ₀是自由空间波长的中心频率。薄介质衬底,更广泛的宽度,而波束宽度将打破如果衬底厚。此外,在许多无线应用程序,交替美联储网络性能需要一个窄BW (34]。因此,微带线等不同的馈电网络,环形腔存根,条线存在。提出了设计,带换行系统兴奋通过50ΩSMA连接器包含变压器存根变压器部分,如图3。该天线的结构提供了一个广泛的阻抗BW 6-23 GHz具有良好的辐射特性。

提出了天线的几何优化值见表2。

2.1。槽线宽的变化(W_{1 sl})和槽宽(W_{2 gr})

本节解释发达天线的阻抗匹配模型。返回|损失年代₁₁|情节与各种值见图4(一)和4 (b)。可以看出包容阻抗BW获得的模拟结果共振性能。值的范围从0.5毫米到0.8毫米;槽的宽度(W_{1 sl}过渡是不同的。阻抗匹配的最佳结果是获得0.7毫米的值,如图4(一)。径向腔存根和锥形概要文件用于实现天线参数的准确性。通过应用变化从0.1毫米到0.4毫米的槽宽(W_{2 gr}),取得了最优结果在0.3毫米的值,如图4 (b)。

2.2。电流分布

图5显示了拟议的天线表面电流分布。可以分析,强烈的电流密度出现在可操作的BW的频率就越高。图5(一个)显示表面电流密度在6.6 GHz的第一共振。给水管路兴奋50ΩSMA连接器底部的衬底层压板和运送由于径向腔和锥形概要文件可以看到从图5(一个)。此外,第二个谐振点表示在12.3 GHz显示了高的电流强度的槽线和沟槽锥度线如图5 (b)。因此,电流强度非常高,集中在20.2 GHz和22.3 GHz的高频率,如图5 (c)和5 (d)。

3所示。模拟和测试结果

3.1。回波损耗|年代₁₁|

年代参数,实现增益峰值,天线输出索引和辐射特性是至关重要的。最优天线设计及其效率高,这些相互依赖的指标需要平衡。年代装配式结构的参数测量与校准安捷伦矢量网络分析仪N5244A。模拟和测量的结果返回|损失年代₁₁|见图6。模拟结果显示多个共振,表明提出的天线实现了综合阻抗BW性能。虽然有轻微的变化频率,模拟结果(黑色和红色曲线)有几个共振观察到6.6 GHz, 12.3 GHz, 20.2 GHz, 22.3 GHz。

此外,一个小变化计算和模拟结果图中可以看到6。这些错误主要是由于装配误差和公差实验配置。此外,天线的模型是由一个实际的SMA连接器的金属(造成损失由于不正确的焊接和寄生损失的电容和电感)。因此,一个可接受的测试和仿真是观察之间的区别。一个可以控制通过使用有效的基质,喂养高精密连接器,准确性和质量好的电缆监控性能。这轻微的错误的计算结果通常确保制造原型实现。制造原型与SMA连接器如图7(一)和7 (b)这是测量在消声室。此外,测量和模拟返回损失在可操作的频率是描绘在图6。它可能被观察到的广泛BW 6 - 23 GHz,即(∼117.25%)与未来无线通信的应用程序。

3.2。意识到峰值增益、辐射效率和群延迟

本节讨论的模拟和测量结果分析辐射效率,实现增益峰值和群延迟。天线增益措施如何天线辐射能量在一个特定的方向。相比之下,辐射效率衡量天线使用接收功率发射的能量在各个方向。它可以看到从图8了该天线实现增益的最大值达到了顶峰。然而,由于导体损失和减少由于大小将连接到一个更小体积的半波,低于零度的获得规定的频率范围。造成的干扰辐射匹配网络在这些特定的频率可能增加减少的原因。图8显示了模拟和测试的比较提出了天线的增益和辐射效率。天线的辐射效率的定义是接受能力和辐射功率的比值。下面的方程是用来计算测量的效率: 在哪里和意味着制造原型测量效率和增益,分别表示设计原型模拟的方向性。95%的优秀的模拟效率和测试实现了87%在可操作的BW更高的频率。此外,提出的增益为3.41 dBi天线显示6.6 GHz的第一共振,指出获得12.3 GHz 3.7 dBi的20.2 GHz的高增益9.35 dBi第三共振,最后取得共鸣与一个优秀的22.3 GHz 10.9 dBi的增益。因此,提出了天线收到实现增益的峰值在多个共振为未来无线通信的应用程序。

图9描述了群时延(ns)性能参数的时域分析。进行了分析,提出了天线表现出一个常数群延迟的< 2 ns可操作的频率范围,确认天线的宽带能力。

3.3。辐射特性(E、H)飞机

二维(2 d)模式在E - H-planes天线的决心与远场条件在消声室的房间。消声室环境和制作原型的位置如图所示10。电缆是连接到传输信号的锚地VNA N5244A和可调信号发生器标准喇叭天线。数据11(一)-11(c)显示模拟和测量高程E-plane辐射模式( )和方位h平面( )在多个共振。该天线表现出稳定的多个共振辐射模式。根据需要,E - h平面光束引向自己方向。此外,它辐射,同样在另一个平面。

同样的,结果是稳定的显示方向在海拔飞机 和方位平面 。这是观察到的数据11(一)-11(c)等在不同的共振测量结果在6.6 GHz, 12.3 GHz, 20.2 GHz和模式在E -波束角H-planes是一致的。

3.4。对比的研究

表1提供了一个比较的天线主要特点与现有的先进的工作。优秀的BW C和温和的增益天线,X,和Ku波段应用研究(22,30.采用大空间。基于SIW的锥形槽天线研究(27),占领一个大的尺寸。提出了天线提供充足的维度与长期的制造过程和复杂的装配。此外,锥形槽阵列天线为水下通信研究(26]。提出了天线覆盖4.0 GHz - 8.0 GHz的微波带一个大的物理尺寸。在[29日),一个宽带锥形天线加载一个广泛的波束宽度和改进FBR调查。这项技术使用宽带三种类型的加载ℿ槽技术和足够的空间。报道工作是费时和复杂。在本研究中,使用槽技术,和广泛的BW。由于天线关键特性之间的权衡,结果发表在《文学,它是确定性能分析结果不会比结果的天线。结果表明,天线的方法可以产生广泛的BW,增益高,稳定的远场模式,强大的电流在锥形概要文件。

4所示。结论

本文提出了小型化宽带和高增益PVA。拟议的结构由聚四氟乙烯™介质衬底,锥形部分,将馈线与腔和条线存根。馈线部分是焊接标准50ΩSMA连接器。单一倾斜槽是刻在锥的顶部轮廓,该结构阻抗BW性能改善。0.92的宽带天线具有紧凑的尺寸λ₀×0.64λ₀×0.03λ₀。该天线在实时环境中制造和测试。天线表现出良好的117.25%,相对阻抗BW 10.9∼dBi的峰值意识到获得更高的共鸣。此外,95%的天线结构表现出优秀的辐射效率和更好的性能的群延迟(< 2 ns)在时域。稳定的性能和有力的电流强度的辐射模式天线在实现多个共振。最后,提出了天线主要特征最近一直在与最先进的工作。设计天线提供了通用的优势,表现出最佳性能特性使其成为合适的人选为未来无线通信的应用程序。此外,拟议的PVA可能被进一步扩展到宽带高增益天线阵列拓扑和一个高效的威尔金森功率分配器的方法。

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有关出版的手稿。

确认

作者Permanand Soothar,郝Wang博士徐春燕,羽泉大大承认的技术支持和帮助延长其余作者在最后的手稿。

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