特别提款权应用程序的多波段天线

文摘

我们现在多波段天线配置特别提款权的应用程序。使用复合折叠偶极结构作为起点,我们推导出更复杂的天线配置为移动应用程序支持多种通信协议与直线和圆偏振。原型与圆偏振单天线,可调单天线与PIN二极管和MIMO系统有三个和四个天线,所有衍生品的相同的基本结构,以迭代方式生产,直到所需的参数。这些天线适合微带电路实现,可以包含在印刷电路板(PCB)的装置,或作为独立。形状和测量结果呈现在纸上。从插图图可以看出,独立的天线表现出积极的为所有感兴趣的频段增益天线之间的分离,对多输入多输出(MIMO)情况下,比15分贝。

1。介绍

符合要求的便携式手持设备启用多种通信协议,是高度期望的多波段天线解决方案。目前手持设备中使用的大多数现有的天线有负增益的几个dBs在基带处理努力恢复的最后十分贝增益通过更复杂的算法。然而,考虑到天线性能要求和与操作相关的权衡在多个不同的频带,限制大小和商业的低成本材料的限制,通常需要在手机设计,这个任务将变得极具挑战性和高度困难。本文介绍的多波段天线配置SDR平台的一部分由Sandbridge技术(1]。

超宽频天线和多样性技术深入调查和文献中给出的目标不仅优化增益和带宽2),但也通过优化天线的数量和位置固定和移动设备。多输入多输出(MIMO)天线系统和多样性技术成功地应用在当今无线通信作为努力的一部分,提高整体可靠性数据吞吐量和链接(3,4]。然而,对于空间的多样性,要求之一是把天线至少1/2波长分开。这一限制提出了重大挑战,当两个或两个以上的天线放在今天的手持设备。发布和将来的版本标准如高速包装访问(HSPA),长期演进(LTE),和全球互操作性微波访问(WiMAX),所有指定开放和/或闭环MIMO系统。

在我们的方法中,我们开始修改印刷偶极子天线的天线设计微型偶极子与分裂的手臂,针对无线局域网(WLAN) 2.45和5 GHz频率乐队(5- - - - - -7]。一个双模微带天线8)使用一个开关来选择一个描述的两个天线的9]。为了避免额外的组件和相关的能耗成本,在我们的解决方案,我们选择两个偶极子在不同频率和美联储由微带线在同一位置。这个配置看起来像小型微带偶极子与分裂的胳膊。我们应用这种技术首次陆地/手持数字视频广播(优质/ H)频带通过使用复合结构,微型指令与高增益天线所示(10,11),类似于超材料天线介质支持(12,13作为解决方案扩大频率乐队。第二种方法,类似于八木天线应用于微带结构(14),我们使用选择性反射器放置在折叠偶极子在多层介质衬底为了扩大de频带。我们已经重新设计了复合天线为多个通信标准的手持设备,支持指定频段dvb - h, GSM, WCDMA和我们合并天线设备的印刷电路板(PCB) (15]。早期努力实现MIMO天线系统介绍了汽车(2),和手持设备10,11,16]。我们的形式因素WLAN和WiMAX天线设计,有两个接收和发送天线,描述在17]。

一个共同的解决方案优化多波段天线PIN二极管开关技术(18,19]。在添加一个PIN二极管我们第一次努力我们的天线提出了(20.]。天线极化也可以由PIN二极管,如图所示后,纸,这样维修GPS L2乐队。

本文的结构如下。部分2描述我们的方法对天线设计、测量方法是部分所示3虽然部分4对不同的天线提出了实际实现和测量结果。部分5总结了纸。

2。天线设计

新天线配置是基于我们以前的工作在多波段复合天线支持DVB和WLAN频带。基本思想是首先复合天线,并添加一个选择性反射器的有源天线的近场位置(活跃在主散热器的感觉不是在活跃的设备层)。建设性的,它是一个天线的两个导电层相似的印花图案,顶部和底部,一个复合介质衬底的一个或多个介质层具有不同的介电常数10,11]。在顶部放置一边的匹配电路微波线。匹配电路的等效原理,顶部和底部的PCB天线(相关维度)见图1。和由于PCB分布值,,,是集总表面安装组件。的线路阻抗和偶极子阻抗分别是50和200欧姆。

事实上,天线是一个归纳多种的偶极结构(5),展示多个共振频率,有一个共同的馈点位于零电压和最大电流。在图1馈点顶部一侧和相关的馈点底部一侧。馈点的负载阻抗反射器可能是短或开路,一个阻抗负载,。位置(饲料的顶部multiresonance频率的天线是至关重要的。复合介质的电特性两个导电层之间的直接关系到增益以及频带的宽度由天线。这种天线配置可以覆盖所有频段要求一个特定的应用程序,几乎没有改变的基本模式。各种各样的天线设计维度从10到25毫米宽,20到50毫米长度和PCB厚度从0.8到2.54毫米。电介质介电常数从2.8到10也不同。在下面,我们现在只有最天线产生的代表。不同频段的通信标准如图2。

3所示。测量

最重要的参数特点天线回波损耗()或驻波配给(SWR),增益和方向性。所有测量进行使用安捷伦N5230A (PNA-L) VectorNetwork分析仪(VNA)。的直接与VNA (SWR)测量。之间的SWR有以下众所周知的转换公式(8]: 相当好的天线SWR必须小于3。

获得计算,Friis传输方程与描述的远场条件被认为是(21,22]:

在上面的方程中,接收天线的功率测量输出端口,在传输功率测量天线输入端,发送和接收天线的增益,被认为是相同的,是波长,是天线之间的分离,是最大的天线的物理尺寸。从(2),知道通过简单的代数运算,得到: 在哪里以dBi,传输参数吗在数据库中,在cm中,在GHz。

的方向性的测量是定向天线各向同性天线相关的属性。方向性增益中定义的,与各向同性偶极子也(8] 在哪里e天线的辐射效率。

指令增益计算关系(3)。的使用两个相同的天线或天线参数测量系统。获取指令一天线增益图旋转方向如图3。在天线系统的天线之间的隔离与VNA通过直接测量两个天线之间的传输参数考虑到。

4所示。天线

4.1。GPS天线

GPS卫星传输右旋圆偏振(RHCP)带信号被称为在1575.42 MHz。最低信号功率在地球表面的瓦分贝。GPS信号的功率很低需要几分贝收益的无源天线接收机的直接接近,或者一个活跃的最低15分贝增益的天线天线放置在屋顶上的一辆汽车,建筑,或船。实现圆极化天线配置,我们引入了一个延迟线的两个分支之间折叠偶极子在两边,顶部和底部,如图4。

顶部进料是通过一个微带而底部饲料是归纳。转变的顶部和底部层之间添加,如图4,以弥补双方之间的相移。

我们首先建立two-prototype天线,在rt - 6010 lm衬底:2.45毫米厚,15毫米宽,27毫米高,介电常数,耗散因子,第二常见的PCB基板:1.5毫米厚,18.5毫米宽,33毫米高,。图中所示的天线5的值()和(),以毫米(如图1)展示在表1。

我们首先测试天线性能后的实验室。实验室性能测试整体性能的评估是真正的GPS接收器。图6说明了仿真和测试结果的PCB基板GPS天线。从图6可以看出,回波损耗是在1.5753 GHz dB。1.5753 GHz的测量带宽大约是4 MHz时dB 67 MHz带宽。

天线的现场试验进行特别提款权Sandbridge技术平台,描述图7。的总灵敏度与无源天线的GPS接收器是估计dBm (23]在添加一个27分贝信号辅助天线之后,总灵敏度下来dBm。

4.2。PIN二极管多波段天线

复合折叠偶极子天线可以通过添加PIN二极管电子调谐的频率匹配电路的有源层,如图8。样机的天线我们使用相同的rt - 6010 lm衬底和物理维度毫米。天线配置呈现在图8。

直流耦合输入射频线(1)(2)天线的顶层(8)。偶极子的两个分支由延迟线(4)相转移。PIN二极管(3)阻抗匹配,频带选择,同时也改变了偶极子极化。二极管通过直流调线(5)和电感(6),(7)底层的天线是完全分开的介电材料厚度如图9。天线与PIN-DC连接器的图片呈现在图10。

图中所示的天线10的值()和(),以毫米(如图1)展示在表2。

这个设计配置回波损耗测量是主要的反馈参数。图11描述天线的回波损耗作为频率的函数对不同PIN二极管的偏振光,,在那里V,V,V。可以看出,不同频带的回波损耗随PIN二极管极化。这个属性将被利用来优化各种频段的天线要求特定的通信标准。

下一个图说明描述电场测量执行模式的函数的PIN二极管极化感兴趣的频段。该指令获得天线测量的计划,正常天线层,如图12。

WiMAX的频带,图12显示了一个增益提高6 dB相应的开关销极化来。主要的辐射方向保持不变(到正常)。

WLAN频带,PIN二极管极化,切换来,造成正常方向增益的增加()dBi dBi如图3.713。

在GPS频带销极化电压的变化更显著。随着极化电压的变化来方向性的模式将改变从定向无方向性。收益维持在休息增加,但平均5 dB在其他方向(图14)。如果电压改变来定向模式保持不变,但将改变辐射方向从来增益提高1.5 dB。

在GSM乐队,6 dB的增益改进极化时观察到的变化来(实际上一个反向辐射方向)。也从定向(在改变全向模式()可以观察到(见图)15)。

4.3。MIMO系统

多个折叠偶极子复合天线可以被放置在同一电路板给分布式天线系统的方法。三个这样的天线,两个在接收端和一个在传送端使用特别提款权Sandbridge技术形式平台能够执行WiMAX和WLAN (17]。

SDR平台的框图见图16虽然卡与天线的图片如图17。顶层包括微带馈电点和每个天线的阻抗匹配电路系统中50欧姆线路阻抗。底层作为频率选择性反射器,类似的打印模式的顶层。为了减少天线之间的互耦,2.5毫米的自由空间添加到介质衬底附近的天线。

分布式天线系统中的天线定位的方式最大化的空间多样性。为了增加天线之间的隔离,中间天线系统中的定位是偏振垂直于侧天线极化。

天线系统是建立在12层全球PCB与总厚度1.2毫米,介电常数和耗散因子小于。PCB天线之间的差距是2.5毫米宽。

图中描述的MIMO天线系统17的值()和(),以毫米(如图1)展示在表3。Rx1天线开路和短路(欧姆)为Tx和Rx2天线。

一个2×2的MIMO系统,能够和FDD TDD通信模式,可以通过添加天线,如图18。four-antenna系统是之前的一个改良版本三天线设计,Rx1天线在对称复制。在这种情况下,设计的复杂性会增加由于天线之间的互耦。减少相互耦合金属盾牌添加如图18。

两种类型的测量进行了MIMO天线系统的特征:回波损耗和隔离天线之间。回波损耗测量如图19三个天线的MIMO系统。

在图19可以看出,回波损耗M和R(图17)天线小于dB的GHz乐队。最好的天线系统是Tx (L在图17)天线dB的GHz乐队。在WLAN乐队驻波比小于dB天线。

我们估计的相互耦合通过使用一个天线作为发射天线和其他两个接收天线。天线之间的隔离测量是呈现在图20.。它可以看到一个隔离比所有天线之间dB。

理论的分析天线配置关于天线之间的隔离表明,天线之间的隔离是最严重的1和4,天线1和3,如图21。

5。结论

我们已经表明,从一个基本的天线设计有许多可能性为实际配置针对移动应用程序。一个复合天线可以配置为GPS定向和全向天线。与形状的打印了一些小的改动和添加一个自适应/调谐电路用大头针二极管可以显著提高天线增益,极化,选择性礼节。的转变和扩大频率乐队也被观察到。从天线方向性图,指示获得取决于PIN二极管极化。也可以观察到的改善天线增益和天线辐射方向图的变化分布。我们证明了通过改变PIN二极管直流电压也可以选择一个特定的指向性和选择一个数量的同时频带或扩大一个或多个频段。

我们还表明,从单天线配置一个系统MIMO天线也可以取得很好的性能。

引用

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