关键字 |
| 微带天线,超材料、开口环谐振器小型化、窄带天线。 |
介绍 |
| 尽管天线领域的工程有80多年的历史仍然是[1]中描述“…. .充满活力的领域,是充满活动,并有可能在可预见的未来仍然如此。”声明有相关性。天线设计的范围进入新的牧场的技术。 |
| 天线是无线通信系统中的主要组件。根据定义,天线是一个设备用于将一个射频信号导体上旅行,到一个电磁波在自由空间。当一个信号被送入一个天线,天线的辐射分布在空间以某种方式。天线的性能等各种参数可以定义的辐射模式,输入阻抗、回波损耗、带宽、方向性和增益,波束宽度,侧叶、极化等。到目前为止,天线一直是最被忽视的个人通信系统的所有组件。然而,射频能量分布的方式,收集从太空中有深远的影响频谱的使用效率,建立新的个人通信网络的成本和这些网络提供的服务质量。根据应用,天线的性能包括物理结构不同。有不同类型的天线,他们都有自己的位置。每个系统要求紧凑和高效组件嵌入。微带贴片天线是一个组件,很受欢迎,它紧凑的尺寸。 |
| 或微带贴片天线是一种低剖面天线有许多优点超过其他天线。微带天线发现应用程序在不同领域由于其紧凑的尺寸。像一枚硬币的两面,一个补丁天线也有一些缺点。带宽和增益天线的两个最重要的因素是低贴片天线。有很多方法可以解决这个问题,但他们每个人会导致另一个问题需要进一步关注。 |
| 天线设计的趋势在今天的无线应用程序向紧性,鲁棒性和易于集成射频电路元件。一个补丁天线需要进一步减少为了使用先进的技术。这个调查[1]-[20]处理现有的方法来增加贴片天线的带宽和增益。还提出了一个新兴的词叫做超材料可以改变贴片天线的参数[8],[20]。使用超材料衬底背后的主要兴趣是: |
| •改善贴片天线的带宽和增益 |
| •微带贴片天线的小型化 |
| 这些是这个调查的两个目标[1]-[20]:改善微带天线的性能参数,使用材料和比较基于超材料的贴片天线与传统贴片天线。 |
微带天线 |
| 微带贴片天线是其中最常见的天线类型使用的今天,特别是在1到6 GHz的频率范围。德尚首次提出微带天线的概念(MSA)是在1953年。然而,实际的天线是由老李和豪厄尔在1970年代。经常微带天线也被称为微带贴片天线,或者只是贴片天线。微带贴片天线的独特属性是它的二维结构[2]。 |
| 微带天线在其最简单的形式包括辐射贴片的一侧介质衬底和地平面在另一边。辐射元素和饲料线通常在介质衬底光刻。微带天线辐射相对广泛的梁侧向平面衬底。因此,微带天线有一个非常低调,可以组合使用印刷电路(照相平版印刷的)技术[1]。直角,辐射贴片可能薄带(偶极子)、圆、椭圆、三角形或任何其他配置。有很多配置,可用于饲料微带天线。这四个最受欢迎的是微带线,同轴探针,孔径耦合和邻近耦合。主要有两种分析方法对贴片天线——传输线模型和空腔模型[3]。图1显示了一个补丁天线的配置。 |
| 贴片天线背后的工作原理可以解释如下[4]。电场为零的中心,最大的在一边,和最低(-)对边。根据应用信号的瞬时相位,字段的标志的补丁不断变化。扩展的外边缘电场补丁被称为边缘领域,导致辐射的补丁。一块长方形的基本模式是TM10模式。谐振长度,地平面尺寸、金属(铜)厚度、补丁(阻抗)的宽度,和介电常数的几个参数影响谐振频率。 |
| MSAs有几个优势相比传统的微波天线。的主要优点[5]MSAs列出如下: |
| •他们是重量轻,体积小,一个低调的平面配置 |
| •易于大规模生产的使用在技术会导致较低的制造成本 |
| •他们更容易与其他中等收入国家集成在同一衬底 |
| •他们允许线偏振和圆偏振 |
| •他们可以紧凑的用于个人移动通信 |
| •他们允许双和三频操作 |
| 在这些好处,MSAs遭受一些缺点也比传统的微波天线以下[5]: |
| •窄带宽 |
| •低增益 |
| •低电源处理能力 |
| MSA的窄带宽,通常1 - 5%,这些天线的广泛应用的主要限制因素。增加的BW MSAs一直是研究在这一领域的主要推力。调查出来的解决这个问题。 |
| 各种技术用于提高带宽微带贴片的[6]中描述的)降低品质因数补丁通过增加底物高度和降低介电常数,b)使用多个谐振器位于一个平面,c)使用多层配置多个谐振器垂直堆叠和d)阻抗匹配网络的使用。与使用相关的问题multiresonator配置是面积较大需求和辐射的变化模式。宽频带阻抗匹配网络的困难与应用程序所需的方法是需要更大的衬底区域整合匹配网络。最直接的方法增加的带宽微带元素是使用一个厚,低介电常数衬底[1][7]。但是,这就不可避免地导致不可接受的假饲料辐射,表面波代,或饲料电感。因此,一个合理的厚度应考虑在衬底的选择和带宽使用额外的技术将会增强。最常见的和有效的,是:a)的表面印刷元素的加载与适当形状的槽b)窄或宽缝的变形的边界微带贴片[7][5]。然而,这些方法也有缺点像前面解释的那样,导致复杂结构的形成。 |
超材料 |
| 最近,已经有越来越多的兴趣,超材料的研究在理论上和实验上。超材料(MTM)人工材料工程性质,不得在自然界中发现。超材料的发明是始于1960年代末。1967年,维克多Georgievich Veselago研究物质的电动力学,同时负的介电常数(ε)和磁导率(μ)[8]。积极的磁导率和介电常数在本质上是传统材料的基本性质称为双阳性(DPS)材料。超材料被称为双重否定(DNG)材料由于负ε和μ的财产。v . g . Veselago发现的坡印亭矢量平面波反平行的相速度的方向,这是与传统相反的情况下平面波传播自然媒体。他使用术语“左撇子物质,“记住,这一项等于一项“物质和负群速度”。尽管超材料不存在于自然、有趣的特性从理论上预言了这些物质,如逆转的斯奈尔定律,多普勒效应,和切伦科夫辐射等。超材料有时也被称为负折射率材料(NIM),因为他们表现出负的折射率。复合介质进行,非磁性元素可以形成一个左撇子频带,(E)的电场、磁场强度(H)和传播相关向量(k)左规则[9]。 |
| 超材料结构由开口环谐振器(从)产生负磁导率和细线元素产生负的介电常数。SRR是一个新颖的设计两个同心圆组成的每个环上的分裂。结构被称为谐振器,因为它表现出一定的磁共振在特定频率。开口环谐振器可以导致一个有效的负磁导率在一个特定的频率区域。SRR结构是由两个同心金属环分两边。这个行为作为一个LC谐振器分布电感和电容,可以兴奋时变外磁场分量的谐振器的正常方向。该谐振器电小LC谐振器[10]一个高质量的因素。左手超材料(综述)可以被用来构建一个完美的透镜sub-wavelength决议[8][10]。 |
| 主要有4种类型的超材料结构天线基板: |
| •一维开口环结构 |
| •对称环形结构 |
| •ω结构 |
| •S结构 |
| 所有的超材料天线设计基于这些底物结构。一维结构更容易制造和构造。对称环形结构倾向于产生清洁检索响应减少振铃效应从时域仿真。也有少和H E场之间的耦合。Omega-shaped结构是一种新型超材料结构。增加了复杂性的结构是这个结构的问题。没有任何更多的年代结构明显的环或杆部分,因此检索结果相对干净。Symmetrical-Ring结构与其他三个结构相比,显示了更好的定向波束,更容易调整其渗透率以来环是对称的[11]。 |
| 超材料有广泛的应用。超材料天线表面技术(MSAT)提供了一个负担得起的和有效的方式来连接各种移动customers-airborne宽带通信、宽带互联网服务在任何铁路系统等。超材料可以用于构建可穿戴天线材料嵌入可穿戴RMPA [12]。 |
| 可以使用超材料结构以及为了提高贴片天线性能参数。研究高增益圆波导阵列天线与超材料结构提出了[13]。超材料是由铜网格平方晶格。当电磁波在自由空间传播,电场增强利用超材料结构。天线的增益与超材料结构从最初的9.053 dB增加到17.34 dB。圆波导缝隙天线的增益与超材料结构已经非常接近理论最大值大小相同的天线和操作频率。数组结构结合metamaterial-mantled技术是一种更有效的方法来提高增益。仿真结果验证了理论分析,显示出7 dB除了在天线阵增益与传统天线阵相比,所以天线阵列的辐射特性与超材料结构显著改善。 |
| 超材料用于微带贴片天线进一步小型化。贴片天线使用超材料可以用于C波段的应用程序。这种天线的大小减少了获得2.4倍和方向性增加从4.17 dBi在常规设计方法在超材料5.66 dBi设计[14]。 |
| 几个形状可以被认为是使材料衬底,以在不同的频率运行。陷害平方戒指,不同C模式,方形和圆形模式等被认为是超材料天线基板。所有这些形状的设计意图改善带宽和回波损耗的大小减少。有几种方法来找出天线的磁导率和介电常数。波微扰法,Nicolson罗斯水坝方法,NIST迭代技术,新的非迭代技术和短路技术。拟议的结构最复杂的介电常数和磁导率的调查已经被Nicolson-Ross-Weir提取(NRW)方法[15][16]。 |
| SRR不是主要成分在左手介质。有时它的互补结构的作用。[17]提出了一种新颖的补丁与矩形阵列天线安装互补开口环谐振器(CSRRs)。阵列天线由两个补丁。基于巴比内原理和二元性的概念,CSRR SRR的负面形象。结果表明,添加CSRRs转移典型贴片阵列天线的谐振频率5 GHz 3.8 GHz不改变辐射贴片的大小。的大小减少47%是观察到的新结构。 |
| 电路设计有广泛的材料参数导致负折射率导致创新的天线。左手传输线段结合传统(惯用右手)输电线路导致小说配置优势传统天线的设计。左手的输电线路基本上是一个高通滤波器相位超前。相反地,右手传输线是低通滤波器相位滞后。这个配置指定复合左/右(CRLH)超材料。宽频带天线设计是超材料的主要应用之一。复合右/左手传输线方法是使用超材料天线设计提高天线的性能[18]。大小减少61.11%与蘑菇可以实现结构化综合右/左手传输线(CRLH - TL)超材料[19]。此外,宽带也可以通过降低天线的地平面。一个紧凑的超宽带(UWB)天线可以使用超材料结构设计。 The antenna exhibits a wide bandwidth of 189%. The bandwidth of a single patch antenna can be raised by placing a number of metamaterial unit cells [20]. |
结论 |
| 微带天线是其中一个最创新的主题在天线理论和设计多年,和越来越多的发现应用程序在一个广泛的现代微波系统。像任何其他系统或在这个世界上发明直到现在,微带贴片天线在其众多优点也有一些局限性。一些调查继续提高贴片天线的增益和带宽。现有的解决方案会导致虚假的辐射和高复杂性的问题。研究提出一个新的解决方案称为超材料。 |
| 超材料实现了天线设计的主要角色由于其有趣和不寻常的属性。从这个调查[1]-[20],很明显,使用超材料天线可用于微带天线的性能增强。超材料天线是由反应性地加载在衬底材料结构。有各种类型的超材料基质。对超材料衬底的任何更改将导致天线的参数的变化。宽带天线可以构建使用超材料单元的数量。贴片天线的增益增加价值为1.5 db - 7 db的超材料结构。小型化是超材料的主要功能。在这里提到的所有作品表明,使用超材料导致的贴片天线的大小减少50%。窄带宽和低增益微带贴片天线的两个主要缺点。 Metamaterial antenna is a good solution to overcome the above mentioned problems of microstrip patch antenna along with miniaturization. |
数据乍一看 |
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| 图1 |
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引用 |
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