文摘
一个2×2宽带圆极化天线阵(CP)操作在毫米波(mmWave)乐队。数组元素是一个宽带CP阿基米德螺旋散热器与异形环槽。元素是由一个不平等的振幅(UA)喂养网络基于微带线(韩剧)功率分配器。旁瓣水平是提高UA喂养网络。此外,十字槽是用来隔离元素解耦。原型是捏造的,测量结果表明,该数组实现阻抗带宽(IBW)的6.31 GHz(22.5%指的是28 GHz)和7.32 GHz的轴比带宽(ARBW)(26.1%指的是28 GHz)。提出阵列的峰值增益是11.3 dBic和增益大于9.3 dBic内所需的整个乐队(从25 GHz 31 GHz)。该数组包含只有一个衬底层,可以由传统的印刷电路板技术。归因于广泛的带宽的特点,结构简单、低调,和低成本,提出了天线阵mmWave无线通信的巨大潜力。
1。介绍
快速普及的第五代(5克)无线通信技术和无线数据流量的增长,毫米波(mmWave)通信已成为最具吸引力的技术之一5 g移动通信系统(1]。天线通常排成阵列的高增益补偿路径损耗大mmWave乐队。此外,由于圆偏振(CP)天线可以抑制多路径干扰,防止雨和雾,mmWave CP数组与宽的带宽受到了学术界和产业界的广泛关注。
近几十年来,许多研究人员已经研究了mmWave宽带CP数组。使用最广泛的技术之一,实现CP数组顺序旋转阶段(SRP)喂养。在一个典型的SRP喂养数组,四个single-feeding辐射元素是顺时针或逆时针方向旋转,和美联储元素等于振幅和相位差90度。SRP喂养技术有利于改善CP的带宽和极化纯度数组。SRP喂养的报告结构网络mmWave乐队可以分为三类:(1)微带线(韩剧)SRP喂养网络(2- - - - - -5),(2)衬底集成波导(SIW) SRP喂养网络(6- - - - - -9),(3)接地共面波导(GCPW) SRP喂养网络(10,11]。61 GHz光束控制与左撇子线性极化天线极化(LHCP)火星科学实验室由顺时针SRP网络提出了(2]。一个4×4宽带CP cross-aperture-coupled堆数组操作60 GHz和一个4×4 CP交叉槽与寄生贴片阵列操作提出了28个GHz (3,4),分别。一个4×4 mmWave宽带CP微带阵列与右旋圆偏振(RHCP)提出了5),由edge-coupled寄生贴片结构和一系列小说逆时针SRP喂养网络。低调背腔槽CP 2×2数组和一个2×2在x波段宽带RHCP钻戒缝隙天线阵列实现了采用SIW SRP喂养,网络结构(6,7),分别。剑锋朱提出了一个双重CP平面孔径阵列操作60 GHz美联储通过与SRP喂养两个输入端口连接网络(8]。45 GHz宽带CP数组使用斜槽SIW开发利用SRP喂养网络(9]。此外,美联储mmWave CP不同偶极子数组(10)和mmWave CP数组truncated-corner广场补丁作为辐射元素(11)是实现通过使用GCPW SRP喂养网络和衬底集成波导的差距(SIGW) SRP喂养网络,分别。SRP喂养可以提高CP的轴比带宽(ARBW)数组,即使元素有一个狭窄的ARBW。然而,上面的设计表明,SRP喂养的结构网络和天线元素的布局是复杂的。
另一个喂养方法实现宽带CP数组是企业全额(FC)喂养技术基于功率分配器。在FC喂养的网络中,元素兴奋以同样的振幅和相位相等。明Du提出宽带CP补丁数组是美联储通过韩剧FC喂养网络与低温微量陶瓷高瓦斯)技术在12]。宽带CP 4×4 mmWave数组操作45 GHz实现火星科学实验室利用FC喂养网络激发微带元素(13]。SIW技术也被应用于FC网络。在[14),一个60 GHz 2×2平面阵列与RHCP由SIW FC网络。长张提出mmWave宽带CP 4×4天线阵由SIW FC喂养网络和S-dipole元素(15在[],这种设计是改善16),一个8×8与S-dipole辐射元素数组。16×16和8×8高增益宽带CP数组操作60 GHz开发利用磁电的偶极子(17,18),分别辐射元素被SIW兴奋FC网络。悦赵提出一个高增益CP可伸缩的数组操作60 GHz (19,这个数组包含cross-slot-coupled补丁元素由SIW FC网络。FC喂养网络可能遭受高旁瓣水平,和不平等的喂养网络可以缓解这个问题。mmWave低副瓣线性偏振SIW数组是由使用宽带不平等喂养网络设计(20.]。然而,宽带CP阵列由不平等喂养网络很少报道。此外,大多数的上述设计包含多个衬底层增加制造的复杂性。
在这篇文章中,一个2×2 mmWave宽带CP提出了天线阵。这个数组有单层结构,它是由平行喂养网络以同样的阶段不平等的振幅(UA)可以提高旁瓣水平。数组操作28 GHz的阻抗带宽(IBW) 22.5%, ARBW的26.1%。这个数组是11.3 dBic的峰值增益。一个原型是用简单的印刷电路板(PCB)制作的技术。模拟和测量结果一致认为很好。拟议中的mmWave宽带CP阵列具有结构简单、低调,和低成本,这使得它在该领域有很大的应用前景mmWave通信的未来。
本文的内容安排如下。该数组的设计过程提出了部分2。部分的验证和测量结果进行了讨论3。部分4是整个论文的结论。
2。天线设计
提出的几何mmWave宽带CP阵列如图1。这种天线阵是建在基片上有两个铜层。基质是罗杰斯RT /特耐用5880厚度为0.254毫米,2.2的介电常数和损耗角正切的0.0009。数组的宽带CP辐射单元由一个平面阿基米德螺旋的表层基质和异形环槽底部蚀刻层。4这些辐射元素排列的 数组中。此外,十字槽的宽度引入铜层底部的数组来隔离每个辐射单元解耦。韩剧喂养网络基于不平等的功率分配器是用来喂数组,每个元素和喂养网络提要但UA与平等的阶段。GCPW结构连接到实验室饲养网络为测量同轴连接器山。连接器安装孔的直径在双方GCPW 2毫米。上的所有模拟提出了阵列是由计算机仿真技术(CST)工作室2019套房。
2.1。辐射单元
图2显示视图顶部和底部的观点提出了辐射单元。这种辐射单元是基于我们以前的工作21),顶部平面阿基米德螺旋层和异形环槽底部层用于生成环形电流对CP辐射。CP辐射可以生成阿基米德螺旋和异形环槽,这两个散热器夫妇在一起,显著改善ARBW和辐射模式。元素的ARBW达到8.35 GHz 23.85 GHz 32.2 GHz(29.82%指的是28 GHz),这有利于构建宽带CP数组。元素的获得是6.49 dBic 28 GHz,大于5.2 dBic内所需的频段。在这封信中,四个这样的辐射元素是用来构造一个2×2天线阵。辐射单元的尺寸如表所示1。
(一)
(b)
2.2。阵列设计
四个辐射元素排列成一个 数组,相邻单元之间的距离表示在图1。是一个关键参数,数组的辐射性能影响很大。大会导致栅瓣,而强大的元素之间的相互耦合可能发生如果太小,将数组的总体性能恶化。在这工作,将来 ,在哪里是自由空间波长在中央28 GHz频率约为10.7毫米。图3展示了反射系数和轴向比率(AR)不同 。可以看出,更广泛的IBW和ARBW时可以获得将8毫米。与此同时,一个十字槽的宽度引入的底层辐射元素减少相互耦合(22),其长度表示 , ,和在图1。
该天线阵列是由平行的网络由一个四通韩剧功率分配器和GCPW输电线路,如图1。连接器安装GCPW边缘的测量。特性阻抗的 ,提要线宽GCPW和实验室将0.74毫米,宽度和差距在GCPW结构将是0.2毫米。火星科学实验室四路功率分配器由双向功率分配器在第一阶段火星科学实验室和两个平行双向功率两脚规在第二阶段。四分之一波长阻抗变压器的长度应用于连接功率分配器的两个阶段。波长火星科学实验室的发现是在28 GHz 7.22毫米,所以的价值设置为1.8毫米。阻抗变压器的宽度锥形提高阻抗带宽。剩余的长度与韩剧被指示为 , , , , , ,和 。
数组元素是美联储通过FC功率分配器等于振幅和相位在第一23]。为了进行比较分析,提出阵列模拟的结果和FC功率分配器。图4显示了模拟增益和拟议的数组和FC功率分配器。很明显,这个数组没有功率分配器已经广泛ARBW和更高的收益比FC的功率分配器。
功率分配器不仅影响提出了阵列的带宽,但也会影响其辐射模式。拟议的数组模拟辐射模式的比较有和没有功率分配器在25日,28日和31日GHz数据所示5(一个)- - - - - -5 (c),分别。红色实线的人物5(一个)- - - - - -5 (c)显示该数组的旁瓣水平增加了介绍FC功率分配器。特别是,旁瓣在60度31 GHz只是−5 dB低于主瓣水平。
(一)
(b)
(c)
抑制旁瓣,一个不平等的喂养网络设计与平等的阶段但UA养活每个元素。分配给每条微带线的特性阻抗的FC喂食网络和UA网络数据所示6(一)和6 (b),分别。特性阻抗的值,每个实验室的宽度表示的 , , , , , , ,和在图1可以由以下方程: 在哪里特性阻抗,底物的相对介电常数,衬底的厚度,微带线的宽度,是铜层的厚度在这里。
(一)
(b)
模拟的参数的大小和相位的四通FC功率分配器和UA功率分配器是如图7(一)和7 (b),分别。在图7(一)透射系数的大小,周围的四个输出端口是−7 dB,略低于理论值的−6 dB的四种方法FC由于火星科学实验室的损失功率分配器。每个输出端口的阶段是完全相同的FC功率分配器。在图7 (b),四个输出端口的传输系数的大小是不同的,从8.9−−5.9 dB数据库所需的带内25 GHz 31 GHz。自从UA喂养网络不对称,互相相背离一个输出端口。这个偏差小于20度内所需的乐队,为简单起见没有额外相位补偿。
(一)
(b)
模拟提出了阵列的辐射模式与FC 31 GHz喂食网络和UA网络如图8。在60度有一个大的旁瓣辐射模式,和旁瓣水平大约是−5 dB当使用FC网络(黑点虚线图8)。相比之下,旁瓣水平提高是9 dB UA喂养网络图(红色实线8)。UA喂养网络是受雇于这封信,及其维度表中列出2。
3所示。实验结果
一个原型是来验证提出的制作的 mmWave宽带CP组根据参数表所示1和2。原型是通过制作印刷电路板(PCB)技术具有低成本。与一个数组西南微波2.92启动连接器测量结束。图9显示的顶部视图和视图的原型,以及测量现场的消声室。被测天线(AUT)传输CP波辅助天线(线性极化喇叭天线)。控制偏振器与辅助天线连接,以便辅助天线可以从0°- 360°旋转。辅助天线接收功率的最高纪录 ,和记录的最小接收功率(指定:和dBm)。与这些结果,拟议的阵列可以通过以下方程(指定:在dB):
(一)
(b)
图10显示了模拟和测量反射系数和拟议的数组。红色虚线显示的带宽低于-10分贝从25.01 GHz 31.32 GHz,这意味着IBW的数组是6.31 GHz(22.5%指的是28 GHz)。如图所示,测量ARBW,在其中低于3 dB,从24.47 GHz 31.79 GHz。测量ARBW是大约7.32 GHz(26.1%指的是28 GHz)。模拟结果与测量结果普遍认同。
模拟和测量成果的数组是如图11。结果表明,测量峰值增益是11.3 dBic在26.5 GHz,和收益的变化小于2 dB操作频带内25 GHz 31 GHz。测量的增益是大约1 dB低于模拟获得,这可能是由于连接器衬底的损失和不准确的参数模拟。拟议的数组模拟辐射效率94%,28 GHz,大于88%所需的乐队。
基于图的坐标系统1模拟和测量归一化辐射模式,25 GHz, 28 GHz, 31日GHz飞机和飞机在数据描述12(一个)- - - - - -12 (c)和(13日)- - - - - -13 (c),分别。实测与模拟的结果吻合较好。它可以观察到该数组的主要极化LHCP顶部和底部RHCP。操作波段内的辐射模式相似的最大辐射方向的除外平面瓷砖从 - - - - - -轴随着频率的增加。例如,最大辐射31 GHz指向14°的角度 - - - - - -轴,如图12 (c)这是由于不对称的平面螺旋。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
表3展示了该数组之间的比较和一些类似mmWave宽带CP数组。该数组实现带宽和增益与其他类似的设计通过应用一个UA喂养网络,并且它可以用低成本制作的PCB技术。因为数组在这个工作只有一个衬底层和一个进料口,其结构比其他更简单的设计,很容易被集成到一个电路板。
4所示。结论
低调mmWave宽带CP 2×2提出了天线阵。四通UA喂养网络基于韩剧功率分配器是每个平面阿基米德螺旋散热器应用于饲料。UA喂养网络导致大约4 dB减少旁瓣水平与FC网络。十字槽引入底层为解耦隔离辐射元素。一个原型是用PCB制作技术,及其性能测量和评估。测量结果与模拟结果显示良好的协议。该数组获得IBW的22.5%和ARBW 26.1%指的是28 GHz。提出的测量峰值增益约11.3 dBic数组。宽带的特点,结构简单、低调,和低成本制造该数组在mmWave通信应用程序作为一个潜在的候选人。
数据可用性
没有数据被用来支持本研究。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作的部分支持由中国国家自然科学基金,格兰特在61701061,和61801070,和自然科学基金会的重庆,在格兰特cstc2019jcyj-msxmX0606。