可重构磁电的偶极子天线在现代无线通信系统基站

文摘

磁电(我)偶极子天线,改变天线的功能特性,如频率、极化,或辐射模式,进行了综述。电力的重构性是通过改变美国的二极管或变容器改变表面电流分布或反射器天线的大小。设计的目的是获取敏捷天线特性与定向辐射性能好,低交叉极化等层面,前后的比例高,而稳定的收益。通过对天线能够支持多个无线频率标准,可切换的偏振光,或覆盖可调地区,可重构我偶极子天线能够开关功能随着任务的变化。因此,它可以帮助提高沟通效率,降低建设成本。这说明非常有吸引力的特性在现代无线通信基站天线的应用程序。

1。介绍

由于无线通信的巨大发展,电磁频谱越来越拥挤和通信环境越来越复杂。提高通信质量,第五代(5 g)移动通信提出了几年前,将在2020年初商用。在5 g移动通信、更高的传输速度,更高的可靠性和更低的延迟是必需的。

有三种方法可以提高沟通能力,如图1:使用新的频带较宽的带宽;提高频谱效率;使用更多的无线电频率(RF)细胞较小的尺寸。正因为如此,5 g移动通信、毫米波乐队将用于增加频率带宽;多输入多输出(MIMO)天线将被应用到网络密度增加。在过去的几年中,重构技术应用于射频系统来有效地提高频谱效率已经证明。因此,重构技术能够提高频谱利用率已引起巨大的工业和学术领域的研究兴趣。作为前端,天线在任何无线通信系统中起到非常重要的作用。与可重构天线特性可以有效地提高系统的性能,因为它们能够自动调整天线的特点,使它们适合复杂的场景。天线与函数动态地改变他们的操作频率、极化或辐射模式是需要改善通信系统的信道容量。根据Friis传输方程, 发射机和接收机之间的传输效率主要取决于三个因素:阻抗匹配( , )、天线增益( )和极化匹配( , )。因此,可重构天线可以基本上分为三种类型:频率可重构天线(1- - - - - -5];极化可重构天线(6- - - - - -11];模式可重构天线(5,12- - - - - -18]。

尽管提出了许多可重构天线,它们通常是设计基于微带结构(1,3- - - - - -5,9- - - - - -13,15,16]。由于窄带宽,他们并不适合应用于基站。另一方面,随着无线通信的发展,天线带宽较宽、好方向辐射模式是必需的。因此,传统的定向天线候选人不能满足可重构的需要基站天线。

陆教授在2006年发明了一种新的天线类型指定为磁电(我)偶极天线19),它包含一个磁偶极子和一个电偶极子。通过激动人心的互补偶极子与合适的振幅和相同时,天线能够产生良好的辐射特性在一个宽的频带。利用我的偶极子天线,他们非常感激移动蜂窝网络的广泛应用。当结合我偶极子与重构技术,由此可重构我的偶极子天线的基站可以开发现代无线系统。本文综述了三种不同的可重构我偶极子天线,即频率可重构我偶极偶极子极化可重构我,波束宽度可重构我偶极子。节2频率可重构我偶极天线。节3综述了偶极子天线,几个极化可切换的我。节4,三波束宽度可重构我的偶极子天线进行了综述。这些设计展示吸引现代无线通信系统的特性。

2。频率可重构我偶极天线

在本节中,我们描述一个频率可重构我的偶极天线(2]。图2给出了天线的配置。wide-narrowband天线重新配置是通过系统地整合宽带我偶极子天线和频率可重构窄带偶极子天线。我偶极子作为一个整体天线结构的一部分,起着至关重要的作用在提供宽带业务。另一方面,length-switchable指示偶极天线设计功能可重构窄带操作。面向垂直的变压器是用来喂偶极子。通过使用一个盒子形状空腔,偶极子可以产生良好的单向辐射性能。通过动态切换的PIN二极管嵌入在薄薄的偶极子,一个多变的有效长度。此外,流传在薄表面电流偶极子和偶极子可以改变我的五组开关。因此,天线可以四个窄带和宽带模式之间进行切换的模式。值得注意的是,薄的偶极子是关闭时,我偶极辐射的宽带可以覆盖的操作频率四个窄波段。

测量反射系数都呈现在图3。从图中观察到的,部分阻抗带宽的宽带模式是89%,四个不同的狭窄的乐队出现在0.95,1.35,1.7,分别和2 GHz。此外,主声束的辐射模式总是固定在侧向方向前后的比率高于20 dB和交叉极化水平低于−22分贝。因此,设计可以工作在一个宽带模式传感和四个可重构窄带通信模式,即对认知无线电基站的吸引力。

3所示。偶极子天线极化可重构的我

在本节中,我们提出三极化可重构我偶极子天线。所有这三个设计(6- - - - - -8)是基于four-sectional我偶极几何相似,而偏振重构实现由不同的饲料结构和转换方法。基于我偶极结构是基于设计(20.,21]。

在[6),供给结构的end-curving交叉偶极子激发极化的天线提出了多样性,如图4(一)。PIN二极管嵌入交叉偶极子的怀抱。二极管可以实时的开启或关闭;因此,射频信号可以偶极耦合同轴电缆到我。因此,水平和垂直极化模式之间的极化多样性可以生产。一个重叠的阻抗带宽范围从1.86到2.35 GHz实现在两个正交偏振状态。此外,与一个8 dBi天线提供了一个良好的辐射性能增益在整个乐队。

在[7),另一个我偶极天线极化的多样性,可以操作之间线性极化(LP)和两个正交圆偏振(CP)。在这个设计中,四个PIN二极管嵌入到细线印在四个水平的对角位置控制金属板连接或断开。当所有的二极管,LP操作实现,这意味着没有细线连接。实现CP辐射,一个细线连接对角部分,因此扰动引入,然后相应的左旋圆极化(LHCP)或右旋圆极化(RHCP)可以出现。提出设计拥有令人钦佩的特性,比如获得稳定和良好的定向辐射模式。

在[8),我偶极子的天线组成,substrate-integrate波导腔(SIW),和一些直流线路图5。4平方的设计是由金属贴片,四个面向垂直金属的帖子,和一个地带。在这个设计中,两组PIN二极管(SW1和SW2)是用来帮助连接或断开的对角金属补丁地带。通过控制美国的两双开关,一个LP和两个CP模式可以切换如图6。当所有的二极管,LP辐射可以出现。激发CP模式,两个二极管组中的一个而另一个是关闭的。因此,三个偏振状态可以实现通过控制开关的状态。有效带宽是16%重叠覆盖5 g WiFi 5.07 -5.95 GHz的应用。测量天线增益保持稳定在大约8.2 dBi的乐队感兴趣的所有操作状态。

4所示。偶极子天线波束宽度可重构的我

如前所述,频率可重构和极化可重构天线可以设计的基础上我偶极子。在本节中,我们将讨论基于我偶极子辐射模式重新配置结构。一般来说,模式可重构天线主要是用来切换天线的辐射方向。此外,天线与电子的能力控制其辐射波束宽度,可以提高无线系统的通信质量。因此,波束宽度可重构天线要求现代基站。在本节中,介绍了三种不同的方法来实现波束宽度重新配置我的偶极子天线。

首先,三元素的线性我偶极子数组用于实现可调波束宽度(17]。如图7,线性阵列是由三个我偶极子和喂养网络。喂养网络能够重置阶段分布的功率分配比1:2:1三天线元素。1和3之间的相位差天线和天线2β= 0°/ 50°、108°。天线的工作原理可以用一个简化的三元素来解释线性数组。如图8,这三个元素是位于设在以及它们之间的空间 。在这种情况下,假设三天线元素都是相同的和well-isolated。的辐射场yoz飞机可以表示为 较大的振幅和阶段在哪里吗一个_n和 和是一个天线的辐射模式元素。为了实现对称辐射模式飞机,蚂蚁的振幅和阶段1和3将是相同的。假设 , ,而天线阵的因素是降低了

为不同的 ,数组的因素yoz飞机在图给出9与 和 。特别是利用数组的梁的变化因素,然后乘以一个元素的数组因素与模式,波束宽度的重新配置能够实现。

其次,LP和DP我偶极子天线和一个动态的财产平面波束宽度控制实现,如图10(14]。两个可调寄生偶极子上的驱动我沿着其偶极子飞机。加载变容二极管的寄生薄偶极相互耦合的强度变化。当改变变容二极管的状态,整个天线的辐射方向图可以调整。与第一种方法不同,本设计采用相位分布的大小分布而不是第一个方法获得波束宽度重新配置。图11描述了设计的简化等效电路。驱动和寄生偶极天线之间的互耦由变压器。自变容二极管中插入寄生偶极子,寄生元件的阻抗是能够变化通过改变变容二极管电容。因此,驱动和寄生的大小和相位分布偶极子决定的变容二极管。因此,整个天线的工作原理类似于一个三元素数组,我的中心元素是一个偶极子和偶极子左右元素相同的大小和相位分布。变容二极管电容值的确定耦合强度和,反过来,大小分布。因此,整个天线的辐射方向图可以通过调优偶极天线的功率分布不同。模拟的辐射模式飞机是呈现在图12与不同的(变容二极管的电容值)。我们可以看到,随着从4减少到0.8 pF, 3 dB拟议的天线波束宽度从80°- 160°。

最后,LP设计与实现波束宽度重新配置(18]。如图13的天线是由Γ-probe-fed我偶极子。沿着它的飞机有三双可调带光栅。每条切成16短部分和15 PIN二极管插入空白。当正向偏压,PIN二极管和条作为反射镜。当无偏,PIN二极管,是条辐射波可以看作是透明的。此外,由于PIN二极管在不同带是由分离的直流信号,通过改变直流信号的振幅,反射器的大小可以表示在图的不同而不同14。因此,提出了天线的波束宽度可以改变。应该强调,这种方法对波束宽度重新配置不同于前面提到的。前两种方法是通过调谐振幅和相位分布实现寄生的元素,而实现这个设计通过对反射器的大小。这个简单的天线的特点是极具吸引力的蜂窝系统的应用程序。它有一个宽40%阻抗带宽。的平面波束宽度可调从153°- 81°。

5。结论

本文回顾了一些可重构我偶极子天线。频率可重构设计首先回顾,显示宽带模式传感和可重构的窄带通信模式,即对认知无线电基站的吸引力。其次,极化可重构设计能够切换LP, RHCP, LHCP州了。设计自己的能力退化multipath-fading效果和提高系统稳定性和可用于室内无线通信系统,也可以用作户外基站天线元素。最后,三个不同的波束宽度和动态可重构设计了控制辐射波束宽度根据环境要求。这些设计有吸引力的室外基站在未来的无线通信系统。

与其他可重构定向天线的候选人相比,我偶极子拥有一些非常有吸引力的优势如表示1。我偶极子可以获得宽的带宽和优秀的单向辐射模式时,为可重构天线设计的。这是归因于我偶极子的优点。此外,由于直流偏置线可以隐藏在金属的帖子(磁偶极子),直流偏置线会导致可忽略的对天线性能的影响。因此,我偶极容易集成和优化机制,尤其是电子控制开关。正如上面所讨论的,我偶极子显示非常有吸引力的特性在其他定向天线的候选人可重构基站天线设计。这些设计可以用于基站在无线通信系统中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

工作是由中国国家自然科学基金(没有。61601303),深圳(没有基础研究的基础。JCYJ20160308095149392),深圳(没有基础研究的基础。JCYJ20170817095519575)和SZU R / D基金(没有。2016022)。

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