一种新型双超宽频CPW-Fed印刷天线为物联网(物联网)应用程序

文摘

本文提出一种双频共面波导(CPW)美联储印刷天线设计矩形块有超宽频特性,提出并实现FR4基板。提出了天线的大小是25毫米×35毫米。小说圆角技术不仅用于提高天线的阻抗带宽,还获得。拟议中的天线设计涵盖了两个ultrawide乐队包括1.1 -2.7 GHz -3.65和3.15 GHz,因此覆盖2.4 GHz蓝牙/ wi - fi乐队,乐队的大部分3 g, 4 g,以及未来预期5 g带,即3.4 - -3.6 GHz。是一个非常低调的天线很适合未来5 g网络(物联网)便携式应用的东西。一步一步的设计过程进行了获得良好的阻抗匹配的优化设计两个乐队。电流密度和反射系数在不同阶段的设计过程,讨论了接受良好的洞察最后提出天线设计。这个天线表现出稳定的辐射模式在两架飞机,在低交叉极化和低背叶最大增益为8.9 dB。测量发现根据模拟结果良好。

1。介绍

物联网(物联网)应用程序将计算机网络的主要发展,微电子学和现代通信系统。这一技术使物理传感和驱动设备通过互联网远程控制。实现可靠通信,这些设备需要紧凑,节省成本,和节能为LTE操作多波段,WLAN (IEEE 802.11 a / b / g / n), WiMAX (IEEE 802.16),无线个域网(内部IEEE 802.15.4)提供服务,GSM (800 MHz、850 MHz和1900 MHz),等等。物联网的范围(物联网)作用于这些乐队可以被视为2003年;世界人口人均63亿和连接设备是0.0793%,虽然与人口增长到72亿年的2015人,人均革命性的连接设备增加到3.4%。这一趋势预计将增长指数所以对小型设备的需求以及更好的天线模块也会增长。由于嵌入式系统的小型化,多个模块可以聚集在这些小设备来提高效率,可靠性和健壮性的各种场景环境监测、智能城市、智能医疗、智能电网、军事、国防等等(1,2]。

除了权力的许多优势的选择,灵活性,易于安装,和替换的可伸缩性有很多挑战,容错,能量收获,全球安全问题需要解决的可接受性(3]。天线系统,前端的手持通讯设备预计将覆盖所有主要频段的IEEE 802.11 (2.4 -2.48 GHz)和IEEE 802.15.4 (2.5 - -2.69 GHz / 3.4 - -3.69 GHz 5.25 -5.85 GHz)与可接受的增益和辐射模式,多个集成服务。此外,预计现代天线设计应该足够灵活调节阻抗带宽不同中心频率独立(4]。

一些著名的辐射贴片技术,如槽,叛逃地面结构(DGS),雕刻条天线,和带切口的感应结构设计一直采用满足上述特征(4,5]。除了这些传统的方法,使用超材料和补充开口环谐振器(CSRR)技术用于文学获得更高的增益,以减少交叉频率干扰。艾哈迈德等人实施了磁电(我)偶极子天线显示广泛的阻抗带宽,更好的获得,辐射模式匹配E-plane和h面(6]。但这种cross-magneto-electric结构不适合大规模生产物联网(物联网)由于大尺寸和敏感的设计参数。另一方面,共面波导方法具有宽的带宽,位于同一平面的设计和易于安装与MMIC和活性成分,使其更适合目标物联网应用程序。

各种CPW-fed天线已报告文学等多波段(3- - - - - -8),数据与添加带天线WLAN (9- - - - - -11),和非对称共面带天线(12- - - - - -20.]。然而,大多数这些设计大型天线尺寸,不包括所有的主要乐队WLAN / WiMAX和LTE [13- - - - - -16,18]。双频天线(21)与平均增益为2.5 dB维度25毫米×25毫米被紧凑的大小只在WLAN波段操作。此外,在一些其他的设计,天线增益和反射系数参数不令人印象深刻的天线尺寸相比15- - - - - -20.,22- - - - - -25]。在[26),CPW-fed多波段天线尺寸70.4毫米×45毫米实现阻抗带宽127 MHz的WiMAX乐队。同样,一个70毫米×70毫米CPW-fed WLAN天线实现(27)运行在2.4 GHz,峰值增益为6.5 dB很低阻抗带宽。圆角的概念在文学提高整体收益,与稳定的辐射模式(22- - - - - -25]。此外,减少频率色散和电流均匀分布在辐射表面角落使用这个过程。可调带在我们的设计使数据设计提高带宽更高的频段不影响总体规模的875毫米²。为了减少尺寸和避免复杂性,提出的主要介绍了重叠槽天线设计以及上下两条主辐射贴片。紧凑地平面天线的长度比例的整体优化达到50欧姆阻抗匹配通过调整微带宽度和微带和双方差距的地平面6,8,24]。在表1现有数据,比较不同设计中发现文学和我们建议的工作。设计工作原理和天线尺寸在以下部分解释以及详细的模拟和实验结果。

2。设计规范

给水管路计算在数据设计是描绘在图1,而该天线的详细几何图所示2。天线是FR4基板上制作的相对介电常数为4.4有一个标准的1.6毫米的厚度。长度、宽度和波长的主要计算矩形贴片,逐步修改通过计算第一和第二共振的共振频率乐队使用以下表达式共面波导的设计。

,““是光速,是底物的有效的相对介电常数等于2.7,和““是引导波长取决于上下条的长度为两支乐队。特性阻抗的给水管路有限宽度地面飞机FR4基板的两侧是由范Caekenberghe et al。28]。

,““完成第一次迭代的椭圆积分和“”和““是因变量数据行。这两个参数计算如下:

中心频率和计算(3)和优化利用Ansoft高频结构仿真器(基于)软件包。

带长度和接近四分之一波长的中心频率优化考虑吗在2.1 GHz和在3.6 GHz。地面和饲料元素”之间的差距“是1毫米和给水管路的长度为18.7毫米,而小圆角的半径主要天线部分是1.4毫米。详细的天线设计参数值见表2。之间的差距的一个地面飞机和给水管路优化通过仿真软件为1毫米。乐队停止函数实现了通过添加重叠的矩形和圆形槽在主矩形散热器。这减少了干扰并创建创下2.4 GHz和3.4 GHz乐队之间的频率。类似的反应性地加载数据天线(29日)显示了有前景的结果与y形和u形槽矩形贴片。在文学、各种形状的槽用于提高数据的带宽设计包括广场波长线槽,分形形状的槽,不对称数据槽,环形槽(25- - - - - -27,29日- - - - - -32]。广场的形状槽中实现(33]显示超宽频天线带宽和降低总体规模有效。

重叠的方法对称矩形和圆形槽嵌在我们提出的天线来减少干扰相邻频带获得高效的天线参数。确定良好的阻抗匹配,顶部和底部的电子波长带保持接近四分之一波长随着宽带微带共面带线夫妇的电磁能量辐射效率更好。类似的小缝隙加载天线(31日,32,34)使用系列感应缝和矩形和圆形形状的槽改善阻抗带宽。通过迭代模拟,是经历了大范围的重叠圆形和矩形槽在扩大更有效率的阻抗带宽和提高天线增益。

3所示。天线性能

两个最终设计的制作原型如图所示3。Ansoft仿真执行的基于该天线的反射系数测量使用矢量网络分析仪(E5072A)。SMA连接器是仔细加上地面和饲料结构获得测量。

3.1。天线演化

最终的进化过程天线数据所示4(一)- - - - - -4 (d)。模拟反射系数结果所有天线设计步骤/类型是描绘在图5。天线设计过程从共面波导美联储印刷天线与给水管路通过附加一个矩形块,达到一个非常广泛的部分阻抗带宽超过100% (1.1 GHz - 3.9 GHz dB阈值没有第二个共振乐队。然而,我们的设计目标是使一个双频天线,每个乐队调整/修改相对独立而不明显影响其他乐队按我们的设计需求。第二设计目标是提高天线的增益CPW-fed印刷天线通常是全向天线。为了实现这些设计目标,通过添加额外的矩形天线1修改创建第二个共振的带3.4 GHz,如图4 (b)。天线3是由添加另一个前地带和蚀刻重叠的位置在第一矩形贴片显示共振2.4 GHz的阻抗带宽1.0 GHz 2.7 GHz和第二共振与各地的阻抗带宽3.4 GHz 3.1 GHz 3.7 GHz。最后,天线4(提议)是模拟和捏造嵌入圆角技术来提高性能的反射系数和增益。这个设计达到双重乐队的模拟结果部分带宽约80% (1.1 GHz - 2.8 GHz)在第一个乐队,大约23%部分阻抗带宽(3.0 GHz - 3.75 GHz)在第二个共振乐队。这是值得一提的已经显示出更好的取得两个乐队之间的频率特性。另一方面,它是指出,引入圆角对共振频率的影响很低,但却有效地改善了部分阻抗带宽和增益的天线设计。详细的参数研究进行了包括所有主要的长度、宽度,饲料生产线,和矩形带的位置来实现更高的增益的设计。

3.2。电流分布和阻抗匹配分析

图6显示天线上的电流分布在2.4 GHz和3.4 GHz的天线设计得到更好的洞察力描绘了当前不同天线设在维度以最小电流末端由于“结束效应降低。“事实上,天线辐射能量,因为辐射电阻。阻力损失的天线辐射电阻相比很小,通常被认为是可以忽略不计的测量。输入脉冲和相应的电场强度计算了以下表达式: ,““是输入信号和“”是接收信号的天线远场。利用Ansoft的基于全波时域结果进行了研究。最大电流在上面带了两个频率的90度相位偏移,证明前复合带材的电感。圆角的概念是它反映了越来越多的能源的金属条共振乐队。然而,持续的大电流密度集中在带两个频段的共同特征。

图7节目的真实和虚构的成分最终两个设计的输入阻抗。圆角模型紧密地少50Ω行实部和宽容的虚部。整体更好的阻抗匹配是通过圆角设计的第一和第二共振乐队。

3.3。结果和参数研究

图8显示了反射系数的模拟和测量结果 而最后提出CPW天线的频率。结果表明,天线覆盖两个ultrawide乐队包括1.1 GHz - 2.7 GHz -3.65和3.15 GHz,因此覆盖2.4 GHz蓝牙/ wi - fi乐队(IEEE 802.11, 2.4 -2.48 GHz)和大多数乐队3 g, 4 g如IEEE 802.15.4 (2.5 -2.69 GHz, 3.4 - -3.69 GHz), WiMAX (IEEE 802.16),无线个域网(内部IEEE 802.15.4)提供服务,DCS(1800)、电脑(1900 MHz),扩展IMT (2100 MHz),和LTE(1700年,1900 MHz),和未来的预期5 g带,即3.4 - -3.6 GHz。通常是一个好的协议模拟和测量结果,模拟和测量结果之间的差异可以归因于因素如天线尺寸小,SMA连接器质量,焊接效果,并在衬底介电常数的不确定性。大矩形/环形槽的大小和长度/宽度的顶部和底部带设计过程中进行了优化。底部带的宽度变化的影响在反射系数绘制在图9。经验丰富,第一共振频率增加而减少底部带的宽度和微不足道的影响第二个乐队,而变化的地带控制3.4 GHz共振频率(第二共振乐队)使它简单,容易为其他相邻的频率如果需要重新配置设计。天线的增益和没有圆角/圆形槽在dB和频率如图10。天线3和天线4相比,峰值增益的值从6.2 dB随后提高到8.9 dB。这表明获得合理增加当底部带边缘圆润循环槽上带的重叠的一些角落,描绘了增益之间6.2 dB的变化和8.9 dB的兴趣。

双频天线的辐射模式在第一和第二共振乐队见图11对于这两个- - -飞机。高阶模式负责生成分布效应在更高的频率。它显然是明显的从2 d模式,作为一个定向天线执行散热器飞机,非常接近双向飞机。这些特征使这部小说设计一个强有力的候选人和有效地适用于深厚的物联网(物联网)应用程序。

4所示。结论

在本文中,一种新型矩形数据与重叠圆形槽天线,圆边提出和实施。顶部地带和底部带有效控制2.4 GHz和3.4 GHz共振乐队。圆角技术用于实现ultrawide带宽1.1 GHz - 2.71 GHz的第一共振乐队和3.15 - -3.65 GHz第二共振频带,提高天线增益。这些乐队可以单独调整通过顶部和底部带尺寸的变化。提出天线显示定向辐射模式,良好的回波损耗,更好的获得可接受的辐射效率。提出的设计非常小(875毫米大小²),使其成为一个合适的竞争者不同的便携和手持物联网应用程序。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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