文摘

复杂的曲流线综合交叉偶极子金属结构dual-bandstop特性提出了手稿。研究了频率选择表面(FSS)展品bandstopping特征的蓝牙(2.4 GHz)和WLAN (5.5 GHz)应用程序与一个小型单位细胞9.7×9.7毫米大小²。提出设计具有偏振不敏感的功能为TE和TM偏振波的事件在0°-60°的间隔15°角。的等效电路模型提出了FSS单元细胞也和他们讨论一瘸一拐地元素值。金融监督院尺寸有一个紧凑的设计使它适合低调band-filtering系统和多路电磁波的不敏感。建议FSS配置具有良好的通信模型和测量结果。

1。介绍

在目前的短程无线通信场景如蓝牙、无线局域网和WiMAX是非常受欢迎的。这些窄带应用大大促进了电磁干扰在短程通信系统,在非常低的功率运行。如今,短程雷达也用于近距离探测和使用无线数据传输应用程序通信媒介。然而,利用超宽频或短程雷达应用的优势,有必要使EMI-free环境通过将FSS的屏蔽设备。这些设备被设计在一个紧凑的大小减少复杂性和遵循标准IEEE 802.11 [1]。我们的日常生活中已经变得明显更容易,更舒适的无线设备。然而,从这些无线设备电磁辐射伤害人体,不能打折。人体电磁辐射浸润和可能的癌症和许多医学疾病之前强调的部门和人员(2,3]。

产生共鸣的FSS可以定义为一个数组小单元的细胞可能通过特定的频段,而对其他频段表现得像一个bandstop过滤器。fs也提供所有的散射特征,如反射,吸收,和传输频率的函数。电磁波过滤由谐振器的形状,可以实现周期性金属设计,或叠加的介质(1]。

最近,介绍了不同种类的FSS结构对过滤应用程序。例如,圆形,矩形结构产生共鸣,偶极子,交叉偶极子,tripole,耶路撒冷十字,三或四条腿FSS偶极子(1,4,5]。金融监督院旨在停止或通过特定频段根据应用程序的要求1- - - - - -6]。fs也被称为空间滤波器通常用于选择所需频率的极化和过滤;然而,FSS包括足够数量的周期在实践中产生共鸣的结构。与单个或几个FSS设计多波段特征研究[6- - - - - -12]。减轻WLAN和其他邻近的无线应用程序之间的干扰无线安全,全面调查一直在探索(6,8- - - - - -12]。

由于电磁(EM)波的多径传播特性,这并不总是可能实现一个FSS结构垂直于入射电磁波。这实际限制FSS导致不稳定和摄动响应是至关重要的,以避免在bandstop FSS电磁波的应用下斜的事件。金融监督院是非常可取的偏振不敏感的实际应用,如吸收、反射镜,偏振转换器,AMC和电磁屏蔽光束整形。这种高要求FSS优化的特点,提出了通过几位研究人员在艺术的状态13- - - - - -22,22]。

triple-band取得polarization-independent紧凑型fs是一个过滤器,旨在削弱特定频段,同时允许其他频带通过。这种类型的过滤器通常用于超宽带(UWB)应用程序作为其宽带能力允许更多优秀的信号覆盖和传输。过滤器结合金属和电介质材料精心安排在一个特定的模式。这种模式允许过滤减少特定频段的幅值和线性和圆极化波的独立运作。这种类型的过滤器提供优势,如降低大小与传统过滤器相比,改进的性能对于超宽频应用程序,和更高的功率处理能力。这种滤波器的设计必须考虑几个因素,如规模、数量的元素,使用的材料,周期性,极化,和温度稳定,等等。此外,过滤器必须设计占反射,散射和辐射。(23]。

单面修改广场的设计和分析循环超宽频频率选择表面(FSS)电磁工程中是一个重要的研究领域。它涉及到频率选择表面的设计(模拟量)和高选择性,低插入损耗,和良好的阻抗匹配。FSSs薄金属表面结构与特定的频率选择性反射和吸收电磁信号,同时允许其他信号通过。单面修改广场组成的循环fs是一种FSS两平方环谐振器与介质板。它提供了一个良好的阻抗匹配,频带宽,和良好的反应。金融监督院等使用计算机辅助设计软件CST微波工作室,和参数之间的差距等元素,元素的大小、介质材料可以优化。模拟量的性能通常是测量插入损耗、回波损耗,和孤立。这些模拟量的设计和分析允许他们使用成功应用,如无线通信系统,超宽带系统和汽车雷达系统(24]。

频率选择表面(FSS)是一种先进的金属结构,可以反映或通过特定频率的电磁能量。它们通常用于光束控制、天线隔离,天线增益的提高,天线噪声降低。bandstop FSS的分析和设计移动WiMAX和x波段的卫星通信是一项具有挑战性的任务,由于应用程序的特定需求。设计的主要目标是实现最大抑制无用信号的同时仍然允许所需的信号通过。fs通常是由优化设计表面的大小,形状,和材料来实现所需的性能。第一步是识别所需的频率范围,必须拒绝。然后,表面的大小和形状可以根据频率范围和确定所需的特征,如无用信号的最小和最大拒绝。结合数学建模、模拟和测试将确定大小和形状的表面。选择的材料是基于频率范围,执行和分析材料的属性,以确保他们会满足所需的性能目标。材料属性也必须进行测试,以确保表面达到所需的性能。 The results from these tests and analyses are used to refine the design and manufacturing of the surface [25]。

这个手稿的FSS设计探讨了性能调查显示双bandstop特性和偏振不敏感事件的电磁波;60°。传统的交叉dipole-shaped金属条与复杂的集成meander-shaped金属结构。新奇的设计,传统的交叉偶极结构进一步结合复杂meander-shaped金属贴片,改变了有效的电感和电容的总体设计生产双bandstop蓝牙和无线局域网应用程序的特性。证明fs模型有一个可接受的双bandstop特点,同时也显示了小型单位细胞大小等低频应用蓝牙2.4 GHz。拟议的FSS可以提供完整的屏蔽高度使用蓝牙/ WLAN设备为乐队2.4和5.5 GHz。

2。设计和双频FSS的等效电路模型

单位细胞几何的FSS呈现在图1包括复杂的金属蜿蜒形状的衬底的一侧。蜿蜒的形状与中央cross-metallic连接模式,和交叉连接的每一端与非周期的曲流设计。曲流设计的非周期的性质提供了自由度改变有效电感和电容的耦合。拟议中的非周期的蜿蜒的形状使它有利于实现低频bandstop特性。设计变量的FSS单元细胞中提到的人物1。提出了FSS蚀刻在一个1.6毫米厚FR4基板的介电常数4.4和损耗系数为0.02。拟议的FSS单元细胞有一个紧凑的尺寸为0.0776λ×0.0776λ计算在2.4 GHz的共振频率降低。

拟议的FSS单元的等效集总电路模型细胞表现出图2。有效总电感和电容由于meander-shaped金属结构和交叉模式给出了L和C,分别。所包含的有效电容电容由于复杂的曲流线之间的差距。垂直极化的影响下,电场是一致的Y方向,它生产的两个平行组合系列LC谐振器。

等效电路模型产生2.4 GHz和5.5 GHz的双频谐振,谐振频率可以计算出每个系列LC谐振器与以下方程:

阻带的共振频率可以通过增加/减少控制电感或电容或两个FSS结构。增加金属meander-shaped长度增加电感,和小连续单元细胞之间的间隙尺寸可能会增加电容。同样,FSS结构应该polarization-insensitive以及产生角稳定的实际应用。

电感和电容的计算值在2.4 GHz共振等效电路模型l₂= 4.3 nH和C₂= 1.05 pF,同样在5.5 GHz,值l₁= 2.36 nH和C₁= 0.35 pF。相应的过滤集总模型和模拟FSS的性质进行比较,如图3;模拟FSS的结果是在协议与集总模型模拟的结果。特征或脉冲瞬态函数是由电路的响应函数。瞬态响应,它有几种类型,这取决于类型的脉冲响应电压或电流。一般情况下,脉冲响应表示如下。它没有独立的电源;这是这个电路的响应比nonunit电流或电压的影响跳到这跳的高度在零初始条件下:电路的瞬态响应数值相等。瞬态响应的维数等于响应的尺寸比外部动作的维数,所以瞬态响应可以是电阻,电导,或者一个无量纲的量。

介质衬底作为输电线路的Z_d特性阻抗和长度的1.6毫米(厚度”t”)。假定传输线的特性阻抗可以计算的Z_d= ,在哪里Z₀是空间阻抗和大约377Ω,ε_r底物的相对介电常数。介电损耗在FSS的传输是由“R_d”,从2到8ΩFR4基板不等。输入阻抗的传输线模型Z_在可以由以下公式计算:

反射和透射系数可以被描述为 在哪里ω是角频率,β代表了传播常数在中,“t”是电介质的厚度。

电介质的厚度与波长相比很少,所以晒黑βt在方程(被认为是零2)。然后,反射系数可以描述为Γ

基于等效电路模型,复杂meander-shaped双频FSS在全波模拟器可以模拟,和提出的FSS模拟CST微波工作室。

摆的平衡态等于电路电容器放电时的状态。此时,弹性力消失,而且没有电路中电容器上的电压。弹簧的弹性形变势能和电容器的电场的能量等于零。系统的能量由负载的动能或电流的磁场的能量。电容器的放电持续运动的极限平衡状态。电容器的充电过程类似于将负载从平衡态的过程到极端的状态。因此,系统的总能量是决定

自然电磁振荡的一个简单的系统可能被称为一个电容和一个电感组成的振荡电路连接到对方。电容器的电场的强度决定了多少能量变化伴随自然振荡电路中,就像一个机械振子像一个大的身体在一个弹性弹簧。动能的模拟移动身体能量的磁场。事实上,弹簧的能量成正比的平方平衡位置的位移,和电容器的能量成正比的平方。身体的动能正比于速度的平方,和线圈磁场的能量正比于电流的平方。还有更多要考虑的不仅仅是一个正式的相似性的数量描述振荡过程和电路过程,和极端状态等于电路的状态,当电容器的电荷是最大的。

3所示。模拟Dual-Bandstop FSS的结果

提出了FSS单元细胞停止蓝牙和无线局域网设计的频率,及其模拟快照呈现在图1。金融监督院原型是在FR4介电材料制作的1.6毫米厚度,相对介电常数ε_r= 4.4,介质损耗因子为0.02。修改传统cross-metallic地带与复杂的集成meander-shaped金属带材蚀刻生产dual-bandstop蓝牙和无线局域网应用程序的功能。总体单位细胞的大小是0.0776λ×0.0776λ这是一个单面印刷fs的配置。

拟议的FSS的传输和反射特征设计呈现在图4。它显示了FSS创建微不足道的传播在2.4和5.5 GHz。金融监督院覆盖了WLAN频谱范围从5.1 GHz 5.8 GHz。它还介绍了微不足道的传输频谱范围从2.3到2.5 GHz,包括蓝牙短距离无线应用程序/ WLAN波段。提出了横向FSS展览角一致性电气和极化电磁波从0°到60°角不同。

图4表明,拟议的FSS产生满意的band-filtering特性及其−3 dB带宽的广泛适应完整的蓝牙和无线局域网乐队。在2.4 GHz和5.5 GHz,−23.96 dB的透射系数。反射系数很高的蓝牙和WLAN波段光谱;这表明金融监督院设计反映了这些频段。

fs的对称设计使它polarization-insensitive并产生微不足道的差异与极化波的入射角度。调查提出了FSS的偏振不敏感TE极化入射波在不同角度展示在图5。它表明了FSS的传输系数的麻木不仁的行为在TE偏振波的入射角度范围从0°到60°15°的角度不同。

此外,建议FSS也检测了横向磁场极化入射波,和透射系数结果表现出图6。观察,提出了FSS没有变化TM极化波的传播特征在一个事件从不同的方向。中给出的结果数据5和6验证提出了FSS设计是对极化波的事件从不同的方向。

的表面电流特征提出dual-bandstop FSS展示在图7。证明,降低共振频率(2.4 GHz),巨大的表面电流集中附近的外边缘和内部蜿蜒线增加了有效电感和导致共振频率较低。表面流浓度仅在内部蜿蜒线降低了有效电感的一部分,在更高的频率产生共振(5.5 GHz)。电路的特点是时间的函数的值是数值取决于电路的响应一个典型的行动。响应给定电路的典型操作只取决于线路图和它的元素的参数,因此,可以作为其特征。时间特征确定线性电路没有独立的电源,在零初始条件下。时间特征取决于特定的类型一般影响。如果操作的形式给出一个电压跳和电抗也是一个电压,无量纲的瞬态响应,数值等于电路的输出电压,称为瞬态函数或传递系数。复杂的曲流线是一种波导用于过滤信号在特定频率。这种波导类型包括一系列的弯曲,并将创建一个inductive-capacitive (LC)过滤器。 The waveguide structure is designed to form a band-pass filter capable of filtering signals within specific frequencies. The design of the meander line filter is used to control the resonant frequency of the waveguide. The waveguide is constructed with a variable number of turns to create a variable inductance, which will determine the frequency of the filter. The capacitance of the filter is determined by the size of the waveguide and the amount of dielectric material used. The meander line filter filters out signals in the Bluetooth and WLAN bands. The filter is designed to have a loss in the Bluetooth and WLAN bands while allowing signals in other bands to pass through. It creates a band gap, which is the difference between the frequencies allowed to pass through and those blocked. The metallic surface filter is designed by creating a pattern of alternating meander lines on the surface of a metallic substrate. It creates an array of capacitors and inductors, which filter out the specific frequencies in the Bluetooth and WLAN bands. The capacitance and inductance of the filter are determined by the size and shape of the meander lines and by the amount of dielectric material used in the filter. The band gap is obtained by designing the meander lines to create a filter with a specific resonant frequency. The resonant frequency will determine the frequencies allowed to pass through the filter while blocking out other frequencies. It creates a band gap between the frequencies that are allowed to pass through and the frequencies that are blocked. The meander line filter creates a metallic surface filter for Bluetooth and WLAN bands. The filter is designed to have a loss in the Bluetooth and WLAN bands while allowing signals in other bands to pass through. It creates a band gap, which is the difference between the frequencies allowed to pass through and those blocked. The band gap is obtained by designing the meander lines to create a filter with a specific resonant frequency.

4所示。测量结果和讨论

进行身份验证的工作建议fs,模型已经在FR4基板上制作的。金融监督院制作模型(15×10厘米²)表现出图8,它由一组20×20单位细胞。制造原型是用来验证模拟特征等的测量年代₁₁和年代₂₁建议的fs。空间测量技术应用于测量的FSS的传输/反射系数;在这种技术中,两个相同的双脊在正常使用高增益天线角事件提出了FSS的电磁波。测量技术的空间(没有任何结构)和背景信号实现权力是记录在测试前FSS安装。后再次测试FSS的实现,信号功率记录,如果没有fs,功率是减去计算测试FSS的传输系数。测量和计算机模型模拟结果比较结果如图所示9。小偏差在模拟和测量结果发现由于测量设置的一个小错误的损失和在制造公差。测量结果密切跟踪模拟。也验证了建议FSS限制蓝牙和WLAN波段电磁信号传输。

一个比较年代₁₁(dB)提出了FSS的结果在图中进行了描述10。提出fs模型显示了有效的双频切口创造有足够宽的带宽。从图10可以看出,测量和模拟年代₁₁结果在本质上是关闭的,它允许其他乐队通过不包括蓝牙乐队和WLAN乐队。

两个相似的喇叭天线已经应用于实际测量和真正的测量设置如图11,它显示的实际测量安排建议fs模型。角和fs原型之间的距离调整以这样一种方式保持远场对相应的FSS频率。

制作的模型测量了横向电场和极化电磁波斜入射下。测量结果也确认建议FSS角一致性,及其横向电场和磁场极化研究的结果发表在数字12和13。然而,金融监督院计算和测量结果的可接受的协议。

的年代₂₁双bandstop FSS的执行与极化波阵面时不受影响;然而,它已经在其可接受的偏差范围年代₂₁功能60°的入射角度。测量和模拟TE和TM模式展示在表的反应1;这表明TE和TM模式近似等于带宽为蓝牙和无线局域网0.3 GHz 0.8 GHz,分别。如果TE和TM极化波的入射角改变,错综复杂的传输和反射特征曲流line-inspired金属表面过滤器将受到影响。入射角的变化会影响波的方向和方式与过滤器,交互可能改变的能量传播和反射。这可能导致滤波器的频率响应的变化,以及变化的插入损耗和回波损耗。金融监督院测量透射系数的不同角度提出了表2金融监督院已经接受的变化,表明并验证其偏振不敏感。比较研究提出FSS的共振频率稳定和使用提出了表的引用3。

5。提出了设计的性能分析

的性能分析复杂的曲流line-inspired金属表面过滤器(CMMSF)蓝牙和WLAN波段研究滤波器的有效性在阻止蓝牙和无线局域网信号。这个过滤器是用来提供高拒绝在蓝牙和无线局域网频带信号,允许这些乐队以外的信号通过。滤波器的性能分析是应对各种蓝牙和无线局域网信号和拒绝他们的能力在不影响其他频段的信号。性能分析也看着滤波器的插入损耗(损失的能量作为信号传递),回波损耗(反射的的能量过滤器),和其他参数。滤波器的总体性能测量和相对于其他相同类型的过滤器。它允许工程师确定最佳过滤解决方案的具体应用。

5.1。优势

(我)提高性能:复杂的曲流line-inspired金属表面过滤是为了减少从其他无线电频率干扰,从而提高蓝牙和无线局域网的性能。(2)紧凑的设计:过滤器设计紧凑,便于安装和使用与现有系统。(3)低成本:过滤器是由金属表面,不需要昂贵的组件,使它比其他便宜过滤器。(iv)低插入损耗:过滤器插入损耗低,这意味着它不会降低信号强度的经过。(v)高隔离:过滤器具有较高的隔离,有效地阻止了其他无线电频率的干扰信号。

5.2。应用程序

(我)使用它们来减少人口密集区域的干扰,排除不需要的信号。(2)使用它们来提高信噪比的蓝牙和WLAN波段降低带外噪声。(3)使用它们作为antenna-level过滤器来减少多径干扰的影响蓝牙和无线局域网传输。(iv)使用它们来保护敏感设备(例如,医疗设备)从电磁干扰。(v)使用它们作为一个建筑水平过滤器来减少外部干扰的影响蓝牙和WLAN网络。

复杂的大小曲流line-inspired金属表面过滤器可以在紧凑的系统限制其应用。过滤器的大小会影响其性能,因为更大的过滤器可以更有效地阻止某些类型的信号。此外,过滤器需要安装一些物理空间,这可能是一个问题,如果系统中空间有限。

6。结论

调查了FSS设计成功生产蓝牙双频反射特征和WLAN (2.4/5.5 GHz)。FSS单元的小型化设计细胞也反映出的总体规模FSS数组是一个紧凑的尺寸(0.0776λ×0.0776λ),适合低调的系统屏蔽EMI由于窄带无线局域网设备。FSS具有广阔的反射带宽对于蓝牙和无线局域网的应用程序,所以它可以有效降低电磁干扰的可能性由于相邻窄频带的应用程序。装配式FSS的原型模型的测量结果非常接近模拟模型,验证提出的可靠性设计。建议FSS的效果和检查表明它是多波段的增强的设计风格FSS的性能。

6.1。未来的工作

为了提高该模型的性能,有以下工作需要根据未来工作方面:(我)过滤器是局限于特定频段的蓝牙和无线局域网,不得有效地阻止其他频段。(2)过滤器的大小是有限的,不得适用于应用程序需要一个巨大的天线。(3)过滤器可能无法有效降低信号反射和多路径失真。

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

作者感谢教授k . v .斯利瓦斯塔瓦,印度理工学院,坎普尔,印度为提供测量设备。