文摘

一个新的紧凑的超宽频bioinspired (UWB)天线提出了这项工作。该天线由葡萄叶子(葡萄)形状辐射贴片,叛逃地面结构(DGS),和一个垂直的矩形槽(工具)在地上飞机。葡萄叶形状实现了从一个圆形贴片(引发剂)这项工作。该天线是建立在一个FR4衬底介电常数为4.4,损耗角正切的0.02,厚度为1.5毫米。的总尺寸提出bioinspired天线是35×27.6毫米2。该天线具有115.43%的部分带宽(3.7 GHz - 13.8 GHz) 10 dB回波损耗,辐射效率在78%和97%之间,峰值增益为6.7 dB,和一个稳定的辐射模式。这项工作对现有文献的贡献如下:(i)调查葡萄叶子形状的超宽频天线应用程序;(2)适应传统的单极贴片天线设计方程来确定较低的边缘频率(LEF)一个任意形状的单极天线;(3)表示的一个紧凑的超宽频天线部分高带宽与最近的文学作品相比,和(iv) FR4基板的使用达到97%的峰值辐射效率,结构紧凑。

1。介绍

超宽频天线以来吸引了微波工程师注意联邦通信委员会(FCC)的声明,使其可用于商业用途。这在雷达天线容易发现应用程序,军事,医疗,和移动通信。根据FCC,超宽频带指定为3.1 GHz - 10.6 GHz (1]。尽管这乐队干扰等现有标准wi - fi, WLAN, WiMAX,和上层的ISM波段,其低功耗等优点,相当便宜的设备成本,和它的更大的噪声免疫力使它成为流行在无线通信系统中,特别是在短距离通信(2,3]。

多年来,研究人员一直在研究如何实现一个紧凑的天线有ultrawide带宽。印刷单极子天线的一个主要技术被用来实现如此大的部分带宽。一些补丁的形状在文献中常用的矩形,三角形和圆形。近年来,天线的研究人员开始看的方向bioinspired结构如离开形状(4- - - - - -8),动物的外形9),或动物内脏器官的形状10一直在探索。作者在4,7)提出了一个基于bioinspired超宽频天线Igna Marginata叶子。天线提出了(7)尺寸40×30毫米2是建立在一个FR4基板的高度1.5毫米。模拟阻抗带宽9.9 GHz的实现,但是作者没有报告天线的辐射效率。

作者在2]探索枫叶形状设计超宽频天线。天线是建立在罗杰斯RT 5880衬底相对介电常数为2.2,0.0009的损耗角正切,高1。575毫米。整个天线尺寸为30.5×35.5毫米2和达到的阻抗带宽ghz-6 3.1 GHz 13.15 GHz和5 GHz乐队切口。报告也没有作者的辐射效率。作者在6)提出了一个bioinspired天线基于甘蔗叶、运行速度为700 MHz,反射器被用来提高增益的天线。在[11),作者调查了郁金香花的形状尺寸56.25×35.7毫米2对于超宽频应用程序,和阻抗带宽9.45 GHz的实现。茉莉花,银杏叶,番木瓜,拜登Pilosa设计,制造,为超宽频应用和分析。

天线的辐射效率是一个关键的天线性能指标在移动应用全向辐射是至关重要的。与获得不同,这是因为,辐射效率是衡量天线性能不考虑辐射的方向。尽管,没有一个bioinspired超宽频天线在公开文献给关注报道天线的辐射效率。

因此,在寻求增加超宽频带宽和提高效率,这工作调查葡萄叶(葡萄)形状bioinspired超宽频无线应用程序的结构。这背后的动机调查的锯齿边缘葡萄叶子。在下一节中,葡萄叶形状天线设计过程提出了然后被用作辐射贴片形状。部分3介绍了该天线的参数研究;并给出了测量结果4;提出了天线的比较分析与现有相关工作在公开文献提出了部分5提出了部分,结论6。

2。天线设计过程

提出的辐射贴片天线是基于葡萄叶子形状的环氧玻璃(FR4)衬底介电常数为4.4,损耗角正切的0.02和1.5毫米的高度与叛逃地面结构(DGS)和一个矩形(VR)槽地面垂直平面。该天线是美联储 馈线。提出了天线尺寸是35×27.6毫米2。图1显示了一个典型的葡萄叶的照片。该天线以后应称为葡萄bioinspired超宽频天线(VBi-UWBA)。


图1
一个典型的葡萄叶的形状。

发起者VBi-UWBA结构是一个圆形。一块圆形的半径( )选择10毫米作为发起者,如图2(一个)达到一个较低的边缘频率(LEF)约3 GHz使用方程(1)这是改编自文献[12]。如图1,藤叶看到边缘和圆形边缘是摄动实现像边缘如图2 (b)。因此,的最大边缘长度VBi-UWBA辐射贴片的中心是10毫米,演示图2 (b)。使用圆的面积给出方程(2),发起者的面积是314.2毫米2但合成葡萄叶的面积形状测量221.32毫米2基于模拟器的使用测量工具。这意味着结果半径是8.39毫米。达到减少16.1%相比,发起者(CMPA)。使用合成半径来确定葡萄叶子形状的中位数从方程(1预计3.22 GHz),中位数与3 GHz CMPA相比。同时,较低的天线谐振频率也与其辐射相关补丁周边使用方程(3)和(4在文献[5]。 D是圆的直径在毫米, 是辐射贴片的边缘之间的差距和地平面毫米, 底物的介电常数, 的周长是补丁, 共振频率, 占衬底介质介电常数的影响,并被1.15 [12]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
葡萄叶形状实现过程:(一)发起者圆片;(b)意识到葡萄叶的形状。

拟议中的VBi-UWBA几何呈现在图3。表1介绍了XY-points提出的坐标葡萄叶辐射贴片的从图形中提取技术用于重复性。


图3
提出了紧凑bioinspired超宽频天线。
表1
点坐标的方法葡萄叶状的辐射贴片。

标记在图的设计参数4是在桌子上吗2。


图4
衬底的VBi-UWBA分离辐射贴片和地平面。
表2
VBi-UWBA优化设计参数。

3所示。VBi-UWBA的参数研究和分析

在本节中,VBi-UWBA的参数分析。这样做是为了评估设计参数对共振频率的影响。

3.1。叛逃的长度的影响

评估的影响 ,槽被淘汰 从20毫米到5毫米不等间隔的3毫米。响应如图5。它可以观察到地平面的长度有一个巨大的拟议的结构对性能的影响。可以看出,118.1%的超宽频-10 dB部分带宽(3.21 GHz - 12.47 GHz)可以只有当实现 = 10毫米。当 = 11毫米,反射系数的反应了一个超宽频带隙8.41 GHz和9.46 GHz之间。为 ,第一共振模式是在2.87 GHz的最低共振模式 变异。


图5
的影响 变化的反射系数。

它可以观察到 增加,基本共振频率增加。这种效应可以追溯到50天线阻抗匹配的变化与Ω馈线因为容抗dielectric-filled差距形成的辐射贴片和地面随地平面的长度的变化,有一个相应的整体天线阻抗的变化可以导致阻抗失配。它也可以观察到 从5毫米增加到14毫米,中位数是同时增加。尽管如此,LEF又开始下降 = 17毫米及以上。因此, 可用于调优单极天线的中位数。因为这项工作的重点是超宽频,优化 因此被10毫米基于此参数分析。

3.2。槽长度的影响( )

图6显示的效果 反射系数,同时保持 和W年代分别在10毫米和2.18毫米。可以看出VR槽在地面平面回波损耗的影响共振而不是创建另一个新的频率共振。可以看到,在谐振频率越低,最好的回波损耗(31.3 dB)时取得l年代= 4毫米。尽管,在这个价值l年代回波损耗是相对贫穷的约9.2 GHz和3毫米时相比,5毫米,6毫米。


图6
的影响 变化的反射系数。

不过,可以看出,回波损耗时的反应l年代= 6毫米是下垂的3.22 GHz 12.47 GHz。因此,选择6毫米的优化值l年代。可以看出槽在地面平面上提高了回波损耗是由于天线阻抗匹配的馈线阻抗降低电容电抗引入的给水管路,从而提高了天线的阻抗匹配。

3.3。槽宽度的影响( )

槽宽的地平面的效果呈现在图7。可以看出W年代随着槽长度几乎相同的效果。观察到超宽频是可实现的在1毫米,1.5毫米,2毫米,2.182毫米的值W年代没有3.1 GHz - 12.38 GHz之间的缺口,分别。与此同时,2.5毫米和3.25毫米的值W年代展示一个在超宽频带切口8.55 GHz和9.60 GHz之间。2.182毫米的损失有更好的回报,响应。因此,优化的参数W年代是2.182毫米。需要指出的是,W年代没有LEF拟议的结构影响很大,但对回波损耗是一个显著的影响。因此,槽的宽度可以用来提高VBi-UWBA的回波损耗。


图7
的影响 变化的反射系数。

因此,叛逃地平面的优化值表2。

4所示。结果与讨论

提出了天线的原型如图8。图8(一个)显示顶层(葡萄辐射贴片和馈线)和地平面如图8 (b)。反射系数测量设置如图9。罗得和Schwaz ZVA50矢量网络分析仪用于拟议中的VBi-UWBA的反射系数测量。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
提出的原型VBi-UWBA (a)顶层和(b)地平面。

图9
测量VBi-UWBA反射系数的设置。
4.1。模拟和测量反射系数

图10显示了模拟和测量反射系数的提出bioinspired超宽频天线。从仿真可以看出,VBi-UWBA部分带宽的117.9% (3.26 GHz - 12.62 GHz) 10 dB的回波损耗。它可以观察到模拟的中位数(3.26 GHz)同意LEF预测(3.22 GHz)部分2。在测量的情况下,提出证明超宽频天线部分带宽的115.43% (3.7 GHz - 13.8 GHz)−10 dB。


图10
VBi-UWBA的反射系数。

测量的中位数的转变可以追溯到SMA连接器和焊接的影响。尽管如此,模拟和测量阻抗带宽−10 dB是在良好的协议。的测量结果提出VBi-WBA表明它非常适合超宽频应用程序,因为它涵盖整个乐队用于超宽频和优于现有bioinspired超宽频天线在公开文献报道。

4.2。辐射方向图

的辐射模式提出VBi-UWBA调查在4.5 GHz, 5.5 GHz, 7.5 GHz, 10.5 GHz,提出如图13.5 GHz11(一)-11分别(e)。它可以观察到,在4.5 GHz和5.5 GHz的辐射模式是双向在XZ-plane XZ-plane辐射模式在7.5 GHz, 10.5 GHz, 13.5 GHz quasi-omnidirectional。在yz平面,全向辐射模式在所有调查的频率。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图11
模拟辐射的提议VBi-UWBA模式。

在4.5 GHz,主瓣在的方向 和角宽度(3 dB) 对于XZ-plane如图11(a),可以看到在图11(b), 5.5 GHz XZ-plane辐射模式有其主瓣方向 和3 dB角宽度 。此外,在7.5 GHz,主瓣方向 和3 dB角宽度 在XZ-plane如图11(c),如图11(d),在10.5 GHz,主瓣方向 和角宽度(3 dB) 在XZ-plane。在13.5 GHz的情况下,主瓣方向 及其3 dB角宽度 如图11(e)。因此,该VBi-UWBA具有一个稳定的辐射模式在整个带宽。这些特征使VBi-UWBA适合移动应用程序。

4.3。拟议中的VBi-UWBA的增益和辐射效率

天线增益显示天线辐射能量在一个特定的方向,但辐射效率表明,天线的接收功率利用辐射向四面八方扩散。方程(5)和(6)目前的增益和辐射效率的理论公式,分别。VBi-UWBA的增益 呈现在图12。峰值增益为2.9 dB, 3.5 dB, 4.7分贝,达到3.4分贝,6.7 dB ,分别。这表明提出的超宽频天线有一个合适的增益。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图12
提出的模拟3 d获得VBi-UWBA GHz 4.5 (a), (b) 5.5 GHz, (c) 7.5 GHz, (d) 10.5 GHz, (e) 13.5 GHz。

提出的辐射效率和轴向比率VBi-UWBA呈现在图13。它可以观察到,该天线高辐射效率从78%到97%不等。据我们所知,这是最高峰辐射效率报告文学的紧凑的超宽频天线FR4基板上的应用程序。它可以观察到在图13在11.5 GHz,拟议中的VBi-UWBA演示了圆偏振2.2% 3 db轴比带宽(ARBW)。 在哪里 是辐射强度,


图13
模拟的辐射效率和轴向比率VBi-UWBA求婚。
4.4。VBi-UWBA的电流分布

为了有一个完整的理解的操作提出了VBi-UWBA,执行其电流分布的研究,提出了在这一节中。从部分3.1,它可以观察到,有四种激励模式发生在4.6 GHz, 8 GHz 10.8 GHz,分别和11.5 GHz。因此,调查的操作方式提出VBi-UWBA完成使用其表面电流分布在这些频率。图14显示当前在上述频率分布。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
(d)
图14
模拟矢量表面电流分布的VBi-UWBA GHz 4.6 (a), (b) 8 GHz, (c) 10.8 GHz, (d) 11.5 GHz。

当前分配的基本模式是如图(14日)。它可以观察到当前的流向顶部的散热片高密度电流沿边缘。此外,在地平面,电流对VR槽的边缘附近的辐射贴片。这种激励模式相当于一块圆形的基本模式(TE11)(引发剂)。这种模式的谐振频率计算是4.7 GHz使用圆形贴片天线设计方程给出如下,同意该计算结果: 在哪里 是辐射贴片的半径,在我们的案例中是8.39毫米, 是米零的导数 。

图14 (b)显示当前在8 GHz分布;它可以观察到,不同的模式感到兴奋导致一个空的中心辐射贴片。这个场景证明为什么共振频率几乎消失了。在这个频率,目前被认为是流动向两个底边的地平面。

10.8 GHz的电流分布,如图14 (c)。就像在8 GHz的情况下,许多由天线模式感到兴奋,因此可以观察到一个空的中心辐射贴片以及地面的两半平面,因此可怜的共振。在11.5 GHz,电流分布与时间被认为是旋转。因此,在这个频率实现圆偏振。取得的CP频率(11.5 GHz)是由于两个线性模式的激发与90年°相移,见图14。这可以追溯到的不对称拓扑葡萄叶状的,而不是喂养技术(13]。这种分析,可以明确表示,激励的几种模式添加建设性地导致的超宽频特性提出VBi-UWBA在这工作。

4.5。的群延迟VBi-UWBA

群时延是另一个性能指标显示了失真度的超宽频天线在天线发射和接收天线之间。为了评估VBi-UWBA的群延迟,面对面的配置两个VBi-UWBAs设置在300毫米远场情况如图15。从图可以看出16的群延迟VBi-UWBA大约是0.1 ns从3 GHz 12.4 GHz。有一个小高峰在13.2 GHz 1.2 ns,但仍在可接受的极限。因此,有一个微不足道的失真信号的超宽频系统。通过这种分析,提出VBi-UWBA适合高速超宽频通信。


图15
面对面的两个VBi-UWBAs的配置。

图16
模拟VBi-UWBA的群延迟。

5。与近期作品VBi-UWBA文学的比较分析

表3介绍了VBi-UWBA结构的比较分析与现有文献中工作。虽然天线提出了(1,4,8,16,22,23]在这个工作比提出天线相对较小,这是观察到的峰值增益天线提出高于峰值增益报告的作者和辐射效率不报道。天线提出了比天线相对紧凑的工作报告(15,17,19,24,25如表所示3。尽管提出的天线(20.)有一个紧凑的尺寸还是峰群时延和最小4 ns和辐射效率35%,在这个工作中,群时延和最小辐射效率峰值1.1 ns和78%,分别。它可以观察到天线提出了(21)也有类似的尺寸较小的天线提出了工作,但峰值增益。可以观察到VBi-UWBA超过报道bioinspired超宽频天线的大小,部分带宽、峰值增益和辐射效率。因此,提出VBi-UWBA很适合高速超宽频应用程序。

表3
VBi-UWBA与现有文献的比较分析。

6。结论

小说紧凑bioinspired超宽频天线进行这项工作。传统的磁单极子天线设计公式是适应确定LEF bioinspired天线提出的这项工作。分析结果与计算结果一致。测量同意仿真结果。拟议中的VBi-UWBA部分带宽的115.43%在10 dB回波损耗,一个合适的增益在宽带,高辐射效率,和一个稳定的全向辐射模式,使它成为一个合适的人选等超宽频无线应用程序传感、成像、地面穿透雷达和个人区域网络(PAN)。

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

这项工作是由非洲联盟通过赞助和支持泛非洲大学研究所的基础科学,技术和创新。