国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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j·p·辛德1,RajKumar2, m.d. uplan3
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在贴片边长为20 mm的六角形微带天线(HMSA)中采用各种微扰结构产生圆极化(CP)，用于在移动卫星业务(MSS)波段中心频率为2 GHz的共振。实现CP的六角形几何以四种不同的方式扰动:第一在中心有一个矩形槽，第二在相反的顶点有两个窄缝，第三在相反的顶点有两个导电存根，第四在一个顶点有一个导电存根。任何这些摄动结构嵌入六角形几何和单探头馈电天线沿对角线的正方形基板尺寸60毫米x 60毫米，天线辐射左手圆极化波。分析了四种六边形天线结构，确定了谐振频率、阻抗BW、轴向比、增益和e面和h面辐射模式。通过将从动天线与相似的寄生贴片单元叠加，进一步提高了所有天线参数在单层结构中的性能。叠加后，天线整体阻抗带宽(BW)提高了10db，轴向比(ARBW)提高了3db，天线增益分别提高了2.58%、1.71%和0.1615 dB。
关键字 |
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| 中心矩形槽，六角形微带天线，左手和右手圆极化，窄缝，调谐导电根 | ||||||||||||||||||
介绍 |
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| 具有单一馈电点的标准几何形状贴片，通常是辐射线偏振(LP)波。CP操作与LP相比具有对发射机和接收机之间的方向不敏感的明显优势，因此被广泛应用于无线通信系统中。为了辐射CP，必须激发两个等幅、相位正交的贴片模。如果同时激发两个正交的贴片模式，振幅相等，且±90ïÂ‑°相异，符号决定旋转感，则可以使单个贴片天线辐射CP。单馈CP天线可降低馈电电路的复杂性、重量和尺寸，在功率分配器网络[1]-[4]难以容纳双正交馈电的情况下是可取的。这可以通过在与同轴进给有关的适当位置的任何规则形状斑块中引入轻微扰动来实现。有各种各样的贴片扰动方法用于实现CP，即嵌入狭缝、槽、匹配存根和有缺陷的地平面。许多单馈贴片，使用很少的扰动方法，已经报道了规则形状的矩形[5]，圆形，方形[6]和三角形微带天线[7]。一些增益增强天线也有研究，但大多数需要增加antennaÃ①Â′Â′s的高度，如寄生贴片[8]。 | ||||||||||||||||||
| 上述扰动方法可在HMSA中实现生成CP，未见文献报道。六角形几何的面积几乎等于圆形结构的面积;圆极化HMSA在远场辐射图[9]、[10]变化较小的情况下，有望具有更高的指向性、更好的阻抗和arbw。先前的研究已经报道了使用厚度为1.6 mm、相对介电常数为4.4的FR4薄介质衬底的单层贴片天线可实现4 ~ 6%的[11]阻抗BW。单馈HMSA在不同结构扰动下可产生圆极化波[12]、[13];尽管传统的HMSA有窄带特性和较低的天线增益的缺点。为了克服这些缺点，在堆叠配置中使用HMSA。所提出的堆叠结构由一个驱动的和一个带有摄动元件的寄生的HMSA组成，并相互覆盖。目前还没有文章详细讨论堆叠的HMSA。 | ||||||||||||||||||
| 本文研究了单同轴进给条件下各种圆极化HMSAs的增益和BW增强。设计并进行了实验测试。 | ||||||||||||||||||
圆极化hmsa结构 |
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| CP辐射可以通过插入狭缝，沿顶点匹配存根和六角形贴片中心的槽来实现。在本节中，设计和研究了使用各种摄动技术对HMSA产生CP辐射的天线参数，如谐振频率、阻抗BW、ARBW和天线增益。图1 (a)至(d)描述了四种不同构型的HMSA在单馈下使用不同扰动获得CP。在这些构型中，当进给点位置和在贴片中引入的扰动长度得到优化，并使用仿真工具HFSS -V.11进行微调时，可以实现CP辐射。进给点位置安排提供了右手CP (RHCP)或左手CP (LHCP)。如果进给点位于第一象限的正方形衬底的对角线上，并具有优化的扰动长度，则在每种构型的HMSA中都可以得到LHCP。图1 (a) - (d)所示的构型产生LHCP波。对于MSS频段(1990 MHz至2200 MHz)，所有HMSA配置的边长S = 20 mm，以在2 GHz[14]的中心频率共振。HMSA配置蚀刻在尺寸为60 mm x 60 mm的FR4衬底上，厚度h = 1.59 mm，电介质常数ï ¥r = 4.3，下面有一个有限的接地平面，通过SMA连接器同轴馈电。 | ||||||||||||||||||
| A.带中心槽的HMSA(天线1) | ||||||||||||||||||
| 这是实现CP的技术之一，在HMSA的中心，一个狭窄的矩形槽沿x轴嵌在六角形几何中，进料点沿正方形衬底的对角线，如图1(a)所示。这里六角形贴片的电长度不受干扰，与简单六角形贴片的电长度相等，因此其谐振频率与线极化贴片的谐振频率相匹配。在这种配置中，由于在中心嵌入矩形槽，并通过优化沿对角线的馈电位置，HMSA沿x轴和y轴观察到不平等的电流分布。图2 (a)和(b)比较了HMSA的模拟和实测S11特征随频率的变化。嵌入的矩形槽尺寸为长×宽= 9mm × 2mm，位于贴片的中心位置。这是由于中心槽扰动造成的;六角形贴片产生两个大小相同但相位正交的模，共振频率为2.16 GHz。进给位置优化为(5.2 mm, 5.3 mm)相对于原点作为HMSA的中心。从图2中，带中心矩形槽的HMSA描述了120mhz的10db阻抗BW。如图6所示，该配置的3 dB轴向比BW测量为30 MHz，图7显示了在2.15 GHz时，天线增益为2.88 dB的模拟e面和h面辐射图。 | ||||||||||||||||||
| B.顶点有两条窄缝的HMSA(天线2) | ||||||||||||||||||
| 在这种结构中，一个简单的六角形贴片有两个嵌入的缝，长度为l，宽度为w，如图1 (b)所示，嵌入在x轴的相反顶点上。由于沿对角线馈送，这些缝在几何上造成了不对称;当对进给点位置进行适当的优化时，可实现CP。图3 (a)和(b)为HMSA对顶点沿x轴插入长度为l = 9.711 mm、宽度为w = 0.35 mm的窄缝时，模拟和实测的反射系数随频率的变化情况。微扰长度与HMSA边长之比为(l/S) = 0.485。在其他谐振频率下，这个比例对HMSA获得CP是有用的。利用这个微扰维度，沿对角线优化了从贴片中心(7.5 mm, 7.5 mm)处的进给位置，以实现LHCP的两种简并模式和最大3 dB ARBW。在中心谐振频率2.12 GHz处观测到CP辐射，得到10db阻抗BW为120 MHz, 3 dB ARBW为31.2 MHz，增益为2.74 dB。 | ||||||||||||||||||
| C.顶点有双存根的HMSA(天线3) | ||||||||||||||||||
| 在这种情况下，HMSA几何结构由长度l，宽度w的两个顶点沿x轴匹配的导电存根组成，并沿对角线馈送，如图1(c)所示。这些存根在几何上造成了不对称。短宽度是固定的w = 2毫米，其中其长度l是变化的阻抗匹配在谐振频率。对于短长度l = 4.57 mm, CP在中心谐振频率为2.15 GHz时实现，其中谐振基模退化为两个大小相等的正交模，如图4 (a)和(b)所示。馈电位置沿着正方形衬底的对角线在距HMSA中心(7.6 mm, 7.6 mm)的坐标处进行优化。这里确定了10db阻抗BW为110 MHz, 3dB AR BW为20 MHz，天线增益为2.646dB。如图4 (a)和(b)所示，这种HMSA也在3.5 GHz和4.3 GHz的更高频率下共振。 | ||||||||||||||||||
| D.顶点有单根的HMSA(天线4) | ||||||||||||||||||
| 同样，双存根几何形状，单存根几何形状是类似的，只有在这个几何形状中，不对称性是由单存根在六角形补丁的一个顶点上匹配而产生的，如图1(d)所示。这种结构提供了额外的制造公差，因为一次只需要调整一个存根，而不是像2.3节中讨论的那样同时调整两个存根。图5(a)和(b)显示了长度l = 5.57 mm，宽度w = 2 mm的单根匹配的HMSA沿x轴嵌入顶点时S11特性的模拟和实测变化。当沿对角线馈电于距离HMSA中心(7.15 mm, 5.15 mm)坐标处时，HMSA在中心频率2.13 GHz处共振，给出10db阻抗BW为120 MHz, 3db ARBW为94 MHz，天线增益2.61 dB。 | ||||||||||||||||||
hmsa各种构型的结果及讨论 |
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| 本节对四种类型的HMSA进行了参数化研究，在对顶点和斑块中心进行了stub匹配和窄缝插入。表1列出了用于实现CP的几种具有不同摄动几何形状的HMSA参数。所有这四种构型的HMSA都是在FR4衬底上制作的，其地平面尺寸为60 mm x 60 mm，高度为1.53 mm，介电常数为ï ¥r = 4.3，探头沿正方形衬底的对角线馈电。图6显示了四种构型的HMSA模拟轴比随频率的变化对比。天线1 ~ 4的3db arbw分别为30 MHz、31.2 MHz、20 MHz和94 MHz。对于每一种HMSA配置，最小轴比的频率与10db阻抗中心频率相匹配。 | ||||||||||||||||||
| 这表明，3 dB ARBW在10 dB阻抗BW范围内，保证了该频率范围内CP纯度。表1和表2中描述的百分比10 dB阻抗bw和百分比3 dB arbw是根据每个HMSA配置的中心频率计算的。图7显示了在所有构型的HMSA的中心谐振频率处测量的模拟H面和E面辐射图。HMSA在FR4衬底上的效率为73%，可以通过采用堆叠结构来提高。天线1 - 4提供的LHCP辐射图的总增益分别为2.88 dB、2.74 dB、2.646 dB和2.615 dB。贴片上的表面电流分布可以用来识别天线的极化感。如果电流矢量沿时钟方向移动，则表示天线为LHCP。为了实现RHCP, feed必须被90ï °移动，并且位于第三象限，与补丁[12]的中心距离相同。图8给出了HMSA天线1、2、3和4在中心共振频率分别为2.16 GHz、2.12 GHz、2.15 GHz和2.13 GHz时的模拟表面电流分布。 | ||||||||||||||||||
堆叠圆极化hmsa结构 |
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| 对于CP天线来说，采用寄生单元的叠片天线是增强BW的典型配置。通过在驱动补丁上叠加寄生补丁，原始补丁的BW和增益增强[15]，[16]。堆叠的贴片天线对于驱动贴片和寄生贴片具有几乎相同的配置。由于寄生贴片的极化依赖于驱动贴片的极化，因此激发贴片和寄生贴片都能辐射出CP波。单探针馈电的HMSAs可以通过在六边形结构中嵌入扰动产生圆极化波。传统的HMSA的缺点是轴比窄带特性。通过将CP HMSA与相似寄生单元叠加，研究了所有结构CP HMSA的天线性能。所提出的圆极化叠加HMSA的侧视图如图9所示。该叠置天线由一个六角形驱动单元和一个类似的六角形寄生单元组成。驱动元素由一个50 ï Â下一页SMA连接器同轴馈送。 Generally, for CP, the two degenerate mode currents are distributed on the metal surface flowing at the centre of the driven patch. The amplitudes of the two mode currents at each resonant frequency are almost same so that the currents flowing perpendicular to each other ideally would not affect each other. However, the amplitudes for the two current at the same frequency, for example at first degenerate mode, they are not same and the phase difference is not 90ï°. Hence, the driven patch itself does not radiate circularly polarized waves. The equivalent network of the stacked configuration composes of two resonators and one reactance. The reactance is divided by two orthogonal currents, which represent resonant phenomenon to each orthogonal direction. The two resonators represent the resonance caused by the driven and parasitic element, and the reactance represents the coupling between the elements [17]. In this section a study is performed by the use of stacked HMSA to determine the antenna parameters after stacking it with a similar parasitic patch. In this analysis, all configurations of HMSA as discussed in section 2 are stacked with the same type of driven patch of similar side length dimensions (S = 20 mm) and their results are compared. The investigation of these parameters is detailed in Table 2 for comparison with the parameters of Table 1. | ||||||||||||||||||
| 从表2天线1中，当与同一类型的HMSA堆叠时，具有中心槽的HMSA;该天线的10db阻抗BW为8.7%，3db ARBW为3%，增益为2.986 dB。堆叠HMSA天线的这些参数分别增加了3.15%、1.62%和0.106 dB;与与相同寄生元件叠加前的HMSA相比。在天线2中，当HMSA与同类型HMSA堆叠时，在相对顶点嵌入窄缝;叠加天线的10db阻抗BW为7.59%，3db ARBW为2.82%，增益为2.89 dB。与同类型寄生元件叠加后，单层HMSA分别增加1.93%、1.35%和0.15 dB。在天线3中，叠加寄生单元前的10db阻抗BW为5.1%，叠加相同寄生单元后的BW为7.66%，叠加后BW提高了2.56%。天线3的3 dB ARBW和增益分别提高了3.46%和0.244 dB。天线4的单根堆叠HMSA也有类似的特征; the 10 dB impedance BW enhancement of 2.69 %, 3 dB ARBW improvement of 0.41 % and gain increases by 0.146 dB in comparison with its corresponding unstacked HMSA. | ||||||||||||||||||
结论 |
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| 研究了边长为20 mm的HMSA中产生CP的四种结构，使六角形贴片在MSS波段的中心频率为2 GHz处共振。在这些结构中，天线沿其对角线馈电，扰动以中心矩形槽的形式出现，在相反的顶点上有两个窄缝，在相反的顶点上有两个导电存根，在一个顶点上有一个导电存根。设计、制作和测量了四种这样的六边形天线结构，发现天线辐射LHCP波。采用相似的寄生贴片元件对从动天线进行堆砌，可以提高从动天线在单层结构中的参数。平均而言，由于与类似类型的寄生元件叠加，HMSA配置的10 dB阻抗BW、3 dB ARBW和增益的整体改善分别为2.58%、1.71%和0.1615 dB。通过实验验证了反射系数的理论计算结果。 | ||||||||||||||||||
鸣谢 |
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| 作者非常感谢DIAT和Shivaji大学的副校长以及Sinhgad工程学院的校长，为他们提供了实验室设施和所有必要的支持。 | ||||||||||||||||||
表格一览 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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