设计、仿真、制造和较低的测量天线阵互耦ISM波段无线应用程序

麻省理工学院Ahmed * 1 e·a·Abdallah1 h . m . Elhennawy2

电子研究所、微带、埃及开罗
Ain Shams大学电子与通信工程系,埃及开罗

文摘

紧凑的哑铃形叛逃地面结构(DGS)应用于减少相互之间的耦合微带阵列元素的ISM波段和无线应用程序0.47λ0元素间距。插入新的分销的哑铃DGS arrayscoupled相邻元素之间的E-plane表面波抑制明显。研制出数组与哑铃形DGS设计,装配在一个衬底介电常数为10.2和1.27毫米的厚度,和测量。结果表明,减少相互之间的耦合35.6 dB的元素在数组的操作频率。表面电流分布有或没有DGS的阵列进行了探讨。与没有DGS微带阵列波导模拟器研究的方法,通过光刻技术制作的。

关键字

叛逃地面结构、ISM波段微带天线阵,相互耦合

介绍

无线技术在过去几年的快速扩张引起了新的要求集成组件还包括天线。存在一个巨大的2.4 GHz的全球基础设施工业、科学和医疗(ISM)乐队一起发布的5.6 GHz的ISM波段,加上其越来越受欢迎,蓝牙和/或相关WLAN系统的应用程序

在这篇文章中,一个紧凑的哑铃形叛逃地面结构(DGS)是应用于减少数组元素之间的相互耦合,降低0.47λ0数组元素间距。哑铃DGS邻E-plane耦合元素之间插入数组中的表面波抑制明显。线性和平面fourelement数组没有哑铃形DGS进行了研究。结果表明,减少相互之间的耦合35.6 dB的元素在数组的操作频率。

二世。LITEARTURE调查

在1990年代末,叛逃地面结构(DGS)是由韩国学者首先提出j . i公园et al。[1]。它是基于光子带隙结构的概念,并应用于平面电路的设计。DGS的蚀刻周期或非周期级联配置缺陷地面的平面传输线[2](e。gmicrostrip、共面和导体共面波导)的支持,这扰乱了保护电流分布在地上飞机。这个扰动会改变传输线的特征线电容和电感等获取慢波效应和带阻属性(3 - 6)。控制高阶模式第三谐波的基本工作频率在微带line-fed贴片天线[7]。天线小型化是通过加载补丁与互补的开口环谐振器(CSRR) [8]。提高极化纯度(合作crosspolarized隔离)在调查美联储矩形微带贴片(9、10)。有两种主要方法的设计和分析DGS[11]:商业EM的软件是主要的模拟软件设计和分析DGS,和等效电路的方法。

三世。单一的元素

中科数值模拟器用于模拟单微带贴片天线在介质衬底εr = 10.2, h = 1.27毫米,tanδ= 0.0035。得到共振频率为5.562 ghz,补丁的大小是7.5毫米x 6毫米。地平面是80毫米x 60毫米(1.48 x 1.1λ0λ0)在共振频率,以避免边缘效应,如1.图所示。补丁由同轴探针喂饲料的技术。模拟反射系数| S11 |提出了图1. b。1.3%的带宽。E -和h面辐射模式如图2所示。

第四,两个元素的数组

E-plane耦合微带贴片天线阵列遭受强烈的相互耦合,因为表面波。由于DGS抑制表面波的能力,一个哑铃形DGS之间插入两个天线元素为了减少相互耦合。DGS单元可以通过并行建模R, L, C谐振电路连接到传输优先权的双方,如图3所示。等效电路参数L C R的哑铃形DGS单元可以由[1]:

,ω0角共振频率,ωC 3-dB截止角频率,Z0is微带线的特性阻抗,S11(ω)的输入反射系数等效电路网络。

LCR DGS给出等效电路参数如下:1)共振频率ω0,截止频率ωC和终端阻抗Z0are获得的频率响应曲线;2)计算C等效电容和等效电感L方程(1)和(2);由方程(3)和3)计算R。

可以减少更多的相互耦合增加哑铃形DGS单元5细胞,如图4所示。中科数值模拟被用来模拟E-plane耦合微带天线在介质衬底εr = 10.2和h = 1.27毫米。得到共振频率为5.64 GHz,矩形贴片的尺寸是7.375毫米x 6毫米,并避免光栅叶,补丁之间的距离是25毫米(0.47λ0)。叛逃地平面是80毫米x 60毫米(1.5 x 1.2λ0λ0)在共振频率,以避免边缘效应。每个补丁是TM10模式匹配兴奋的同轴饲料0.7375毫米远离中心。结构参数的最优值的哑铃形DGS哑铃(a) = 3.6毫米,b = 4毫米,槽长度之间的哑铃(w) = 1.24毫米,和槽宽度(g) = 0.85毫米。

模拟相互耦合| S21 | |和反射系数S11 |在这两种情况下(即。,有或没有DGS)如图5所示表1中进行比较。可以看出DGS天线谐振频率变化下对传统的天线。这个小频移是由于DGS慢波的影响。传统的天线显示了很强的耦合为-15.13 dB由于表面波明显厚,高介电常数衬底。因为天线的谐振频率正好落在DGS带隙,这样会抑制表面波,模拟显示,互耦降到-42.24 dB 27.11 dB低于传统,但随着减少增益和效率如表1所示。

的减排空间波的DGS结构明显观察到在图6中,在地平面上的表面电流分布时绘制一个贴片天线是兴奋而其他补丁天线终止与50Ω阻抗负载。清楚地看到,没有DGS,美联储终止补丁强烈兴奋而DGS的存在,是很弱的兴奋。提出5细胞DGS配置确保垂直极化电场的抑制(空间波)之间的两个补丁。

诉线性四个元素数组

如图8所示,四个元素微带贴片天线在介质衬底εr = 10.2, h = 1.27毫米,tanδ= 0.0035。补丁之间的距离是25毫米(0.47λ0)。叛逃地平面是130毫米x 60毫米(2.4 x 1.2λ0λ0)在共振频率。每个补丁是TM10模式匹配兴奋的同轴饲料0.7375毫米远离中心

,模拟| S11 | | S21 |, | S32 |, | S41 |,和| S43 |在dB E-plane线性四个元素数组没有DGS,和DGS如图9所示。从表2,注意到DGS天线谐振频率略向下变化对传统的天线。

Fig.10显示的表面电流分布antennaarray DGS的存在和缺乏细胞。显然,赋予的补丁好耦合共振频率whichbecomes限制DGS细胞插入和couplingeffect会降低。中心DGS细胞阻塞surfacewaves沿着E-plane方向和贡献在缓解当天算元素之间的耦合。传统的天线阵在-15分贝E-plane显示了很强的耦合由于表面波明显厚,高介电常数衬底。自谐振频率天线DGS带隙内,面波压制和模拟显示,互耦降到-35 dB 20 dB低于传统,但随着增益和效率降低,如图11所示。另一方面,传统的天线阵在h面相互耦合与DGS增加,但增益和效率略有增加

VI。平面四个元素数组

四元素微带贴片天线阵列的设计与εr = 10.2介质衬底,h = 1.27毫米。补丁之间的距离是25毫米(0.47λ0)。叛逃的地平面是80 mm x 85 mm (1.5 x 1.6λ0λ0)在共振频率。每个补丁是TM10模式匹配兴奋的同轴饲料0.7375毫米远离补丁中心,如图12所示。

,模拟| S11 | | S21 |, | S31 |, | S42 |,和| S43 |在dB E-plane线性四个元素数组没有DGS,和DGS图13所示。如表3所示,可以看出DGS天线谐振频率变化下对传统的天线。这个小频移是由于DGS慢波的影响。

图14显示了天线阵列的表面电流分布有或没有DGS单元。很明显,这两个补丁都耦合的共振频率也成为限制DGS细胞插入和耦合效应降低。传统的天线阵在E-plane显示了很强的耦合为-14.9 dB由于表面波明显厚,高介电常数衬底。自谐振频率天线DGS带隙内,面波压制和模拟显示,互耦降到-22.08 dB 7.18 dB低于传统,但随着轻微的降低获得的效率提高和小如图15所示。也减少h平面数组中有一个小的相互耦合,轻微减少增益和小增加效率

七世。实验结果和讨论

从仿真来验证结论,两个微带天线印制在罗杰RT /特耐用6010基质。底物的介电常数为10.2,衬底厚度是1.27毫米(50毫升)。可以看出这两种天线产生共鸣与回波损耗比5.646 GHz 10 dB。

图16显示的照片制作的两个元素没有DGS的天线和。天线的尺寸是7.375毫米x 6毫米,和天线之间的距离的中心是25毫米(0.47λ0)。天线是捏造的地平面80毫米x 60毫米(1.5 x 1.2λ0λ0)。比较测量值没有和DGS报道在表4。

线性四个元素数组也对前面的衬底制作参数如图17所示。测量结果没有和DGS比较图18所示。比较测量值没有和DGS报道在表5。

没有DGS结构的天线的互耦在5.86 GHz是-15分贝。相比之下,天线的互耦的DGS结构是-35分贝。减少约20分贝达到相互耦合的共振频率为5.646 GHz。这个结果同意与模拟的结果。从这个演示实验,可以得出结论,可以利用DGS减少天线阵列元素之间的相互耦合

八世。结论

低两个和四个元素相互耦合设计提出了微带天线阵。哑铃形缺陷的新分布的地平面天线插入补丁之间创建一个带隙操作频段的天线。通过抑制表面波,它提供了一个非常低的数组元素之间的相互耦合。DGS天线进行了分析使用一个有限的集成技术(适应)和相互耦合减少35.6 db。分析表明,越来越多的哑铃减少了相互之间的耦合元素。辐射模式最小侧向方向的变化但叶水平增加。然而,增益和效率下降是由于渗透DGS的地平面。获得的结果同意这些波导模拟方法。

引用

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