高增益宽带天线设计与分析使用方形和圆形广场寄生贴片的数组

Bhagyashri甘蓝,j·k·辛格

卷学生E&TC系、VACOE Ahmednagar,马哈拉施特拉邦,印度浦那大学。
Asst.教授,E&TC系、VACOE Ahmednagar,马哈拉施特拉邦,印度浦那大学。

文摘

摘要广场的广场的设计与比较分析寄生贴片(PPs)和圆形阵列的方形PPs superstrate层由微带天线(MSA)的基础上增加,带宽、效率和所需的PPs数量来获得所需的性能。第一个结构由MSA、提要平方的5×5平方PPs打印下面FR4 superstrate和定位在0.5λ0高度从地面飞机。而其他结构由MSA,提要的圆形阵列18平方PPs打印下面FR4 superstrate和定位在0.5λ0高度从地面飞机。结果表明,圆形的广场PPs有更好的性能。分析是有用的在选择天线结构的特定应用程序需要更高的性能和较小的天线尺寸。几种无线通信系统天线结构是有吸引力的解决方案,如基站蜂窝系统、卫星系统、点对点的链接。

关键字

高增益宽带天线,指令天线、多层堆叠天线,ISM法布里-珀罗腔。

介绍

MSA是最可用的天线频率大于1 ghz。MSA有许多优点喜欢低调,成本低、易于制造,容易养活旁边等。所有这些优点MSA患有缺点像低增益、低带宽、低效率等[1]。

高增益天线通常由美联储线天线阵列实现但高增益天线单馈电系统始终是可取的,因为它提供了低复杂度相比,给网络中使用传统的天线阵列。Reflectarray天线提出了[2 - 4]。Reflectarray避免了给水管路网络和可以持平或保形但患有低效率由于介电损失。基于法布里-珀罗腔的增益增强技术(FPC),部分反射表面(PRS)由介电层或周期性的屏幕上大约0.5λ使用地平面之上。PRS的增益天线的反射系数取决于PRS和辐射特性的饲料天线(5 - 8)。

高增益天线用人工磁导体基于FPC模型提出了[9]。使用频率选择表面高增益天线,电磁波带隙谐振器(- 11)。高增益天线使用PPs superstrate报告。这些天线提供了高效、低旁瓣水平和避免馈电网络,但狭窄的带宽(12 - 13)。提高增益和带宽的技术安排寄生在喂养MSA元素调查(14 - 17)。高增益、宽带FPC的圆形阵列天线提出了方形PPs superstrate层[18]。

这里高增益天线结构和宽的带宽应用程序设计使用一个数组的PPs约0.5λ0高度以方形和圆形的方式。进行比较分析和提出了。MSA的第一天线结构由提要平方的5×5平方PPs打印下面FR4 superstrate和定位在0.5λ0高度从地面飞机。而其他天线结构由MSA,提要的圆形阵列18平方PPs打印在FR4 superstrate和定位在0.5λ0从地上飞机。天线结构设计操作超过5.15 -5.875 GHz乐队,涵盖5.15 -5.25 GHz, 5.25 -5.35 GHz -5.875和5.725 GHz ISM波段。结构很容易制造给水管路网络是完全可以避免的。增益和带宽提高了共鸣MSA, PPs和FPC在不同频率。结构产生共鸣的不同的元素在不同频率附近导致增益和带宽的改善。天线设计和优化是使用商业IE3D软件[19]。以下部分处理天线几何、设计理论、仿真结果。 Radiation pattern and impedance variation of antenna structures are also described.

二世。天线设计方法和几何

在本节中,天线设计方法和几何描述。广场的侧面的5×5平方PPs低于superstrate层天线结构是图1所示。提要补丁(FP)是一个金属块0.5毫米厚度。它被放置在一个高度h = 3毫米从地平面。PPs是捏造出来的底部的一面FR4 superstrate层h = 0.5λ0高度,其中λ0是自由空间波长对应于中部5.5 GHz频率。相对介电常数和损耗角正切FR4 superstrate分别为4.4和0.02。为目的的效率高、空气之间使用FP和地平面,superstrate层和FP作为电介质。一个50ΩFP同轴探针用于饲料。天线设计经营超过5.15 -5.875 GHz频段。几何PPs的方格图2所示(一个),而几何圆形阵列的广场PPs(前视图)图2 (b)所示。与圆形阵列天线结构的侧面平方PPs是相同的,如图1所示。

结构可以被视为与FSS或superstrate空腔谐振器。半波长的结构是一个扩展FPC组成的地平面和部分反射表面结果superstrate之间的多次反射和地平面。侧向指令辐射模式结果如果地平面之间的距离和superstrate就是这样,它导致海浪来自superstrate法线方向的阶段。

如果反射系数的superstrateρejψ和f(α)饲料的标准化领域模式天线,然后归一化电场E和权力S在正常导出一个角α[5]

这0¯¹是表达程度和N = 0, 1, 2, 3等。

当一系列MSA提要圆形的广场PPs superstrate层,可以实现高增益侧向辐射如果PPs美联储在当前阶段和补丁的诱导阶段。由于PPs FP定位在不同的地点和不同的距离,因此,给每个元素包括振幅逐渐减少和相位延迟。旁边的振幅逐渐减少由于距离,有额外的振幅逐渐减少由于MSA的辐射模式。振幅逐渐减少导致降低增益,但提高了带宽和旁瓣水平。几乎没有相位延迟在PPs饲料不同,导致带宽的改善。因此,高增益宽带阵列天线与所需的SLL可以实现。

这种结构的增益和带宽取决于superstrate的反射系数。收益增加,但带宽减少superstrate的反射系数。因此,PPs介电层上的增强反射系数和增益。随着海浪来自superstrate必须是同相的,天线的增益取决于间距补丁和他们的尺寸。相同大小的PPs导致不同的接近共振频率产生了广泛的带宽。

三世。比较分析在无限地平面

MSA使用金属块高度h = 0.5毫米厚度2毫米的无限地平面设计,然后一层superstrate FR4 h = 0.5左右λ0高度放置。结构优化操作超过5.15 - 5.875 GHz。MSA提供增益为8.5 dBi时增加到11.45 dBi FR4 superstrate 1.59毫米厚度的放置MSA上面。上面放置superstrate MSA成果转化为电容阻抗的增加。补偿,h是增加到3毫米和hs优化30.9毫米,这是λ0略高于0.5。因此,阻抗带宽提高和电压驻波比小于2获得超过5.15 -5.875 GHz。然后5×5 PPs的方格被放在下面FR4 superstrate。广场页阵列天线结构提供了13.8%的阻抗带宽决定从史密斯圆图和最大增益为15.7 dBi 3 dB的增益带宽的10%。

类似的,第二个结构,内部组成的圆形广场PP数组的数组放置6 PPs MSA之上。优化结构提供电压驻波比小于2 dBi获得超过5.15 -5.875 GHz和12.5。外循环12个元素的数组广场PPs放在superstrate层和结构优化。15 dBi的结构提供了获得3 dB的增益带宽14.3%和阻抗带宽的13.8%,涵盖5.15 -5.25 GHz, 5.25 -5.35 GHz -5.875和5.725 GHz ISM波段。最优尺寸h = 3毫米,hs = 30.9毫米,而广场PPs的16毫米×16毫米。距离PPs优化来获得所需的增益带宽性能。

比较两种结构对增益、带宽和无限地平面上的PPs数量列表在表i阻抗变化的结构是图3所示。然而,增益变化对结构如图4所示。矢量电流分布在5.5 GHz的饲料和PPs结构如图5所示。当前感应的电流分布表明,振幅在PPs减少饲料元素增加距离。superstrate影响的相位和振幅分布的领域。字段的相位分布与superstrate观察superstrate比没有更均匀。superstrate有聚焦或阶段使平滑效果,从而增加了有效孔径面积,导致获得的改进(7 - 8)。也可以看出当前循环数组是比这更统一的PPs的方格,贡献更多的增益和带宽的改善。

四、设计和比较有限的地面上

5×5平方PP的天线结构数组和圆形阵列的广场PPs与18个元素设计在广场有限地平面的大小3λ0×3λ0。广场页阵列天线结构提供了13.8%的阻抗带宽决定从史密斯圆图和最大增益为16.4 dBi 3 dB的增益带宽的9.8%。而圆形阵列广场PPs提供相同的阻抗带宽和最大增益。然而,3分贝增益带宽是14.54%更比广场PPs的数组。增益带宽增加由于统一喂养PPs的FP受到循环安排。这是观察到的增加略有增加有限的地平面。是由于辐射和反射波之间的建设性干涉特定尺寸的有限的地面。比较两种结构对增益、带宽、效率和有限地平面上的PPs数量列在表二世。图6所示的阻抗变化。获得变异图7所示。 The radiation efficiency of square array is about 90% and circular array provides efficiency more than 90% radiation efficiency as shown in Fig. 8. Radiation patterns of 5×5 square PP array and circular array of square PPs on finite ground at 5.5 GHz are shown in Fig. 9 and Fig. 10 respectively. Radiation patterns are symmetrical in broadside direction. SLL is less than -20 dB and F/B is about 18 dB in Square PP array and about 20 dB in circular array of square PPs with cross polarization less than -18 dB which is appreciable for high gain wideband antennas.

诉的结论

本文设计和比较分析广场的广场PPs和圆形的广场PPs superstrate层由MSA执行。可以看出,圆形广场PPs的安排更好的性能增益带宽、效率和数量的pp。圆形阵列的PPs数量小于广场的广场的PPs获得类似的性能。这是由于统一喂养从FP PPs在循环安排见电流分布。大小的圆形阵列天线相比较小方形阵列天线。分析是有用的在选择天线结构的特定应用程序需要更高的性能和较小的天线尺寸。分析了天线结构是适合卫星以及陆地通信。

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