低调的宽带线性极化贴片天线使用Metasurface:设计和描述

阿什拉夫•赛义德•阿卜杜勒•哈利姆^*

部门的沟通,加拿大国际学院(CIC)开罗,埃及

*通讯作者:: 阿什拉夫•赛义德•阿卜杜勒•哈利姆
部门沟通,工学院
加拿大国际学院(CIC)开罗,埃及
电子邮件:Ashraf_sayed@cic-cairo.com

收到日期:06/08/2019;接受日期:20/08/2019;发表日期:27/08/2019

文摘

低调的宽带线性极化贴片天线使用meta-surface建议在5 ghz无线宽带过程。天线由一个矩形网格之间的补丁说情3 3周期meta-surface和地平面。公认的同轴探针馈电是简单的制造和比赛。模式特征分析(CMA)用于评估和研究建议天线的作用机制。我们发现2主要独特的模式有效地兴奋导致宽带过程和线性偏振辐射。低调的建议dielectric-filled天线0.057λ0(λ0是工作在自由空间波长在5.7 GHz)涨幅约30%计算-10分贝阻抗带宽7.28 (4.89 - -6.62 GHz)与dBi平均成绩。在带宽、天线性能是> 90%,交叉极化水平< 18分贝。

关键字

低调的天线、宽带贴片天线,线性极化贴片天线

介绍

微带天线(MSAs)是普遍的,在无线通信系统中,移动、GPS、武装目标,卫星通信,其吸引力的特点,低调,不复杂,轻量级的,简单的生产,和明确的保证。但微带天线也有缺点就像一个小成就,效果有限,小带宽由于其固有的特性。许多研究已经进行提升各种微带天线的带宽(1- - - - - -4]。但是,它是复杂的实现大带宽时保持低调。Metasurface (MTS)作为一个令人鼓舞的解决已经调查夸大了带宽和几个介绍了贴片天线利用Metasurface低调和宽带过程(5- - - - - -8]。很多技术包括等效电路(9,10[],有效介质理论11),表面阻抗提取(12,13)和模态色散曲线(14,15)是用来描述工程metasurface。然而这些技术不适合研究天线利用metasurface几个单元组成的细胞。特征的理论模式(TCM)目前建立的方法(MOM)实际上是一个有利的技术天线计划由于物理判断它交付到天线辐射现象发生。巧特征模式的理论已被用于调查和计划各种天线(16- - - - - -21]。林等。22),使用特征模式的理论建模、分析和判断的低调的宽带metasurface天线是由在孔径耦合微带线。此外,特征模态分析(CMA)是用来抑制不良metasurface在多端口天线系统的高阶模式改善辐射法(23]。

本研究的目的是计划一个低调的宽带微带天线利用metasurface和使用CMA检查和解释的作用机制建议天线。的矩形贴片天线是由夹在中间metasurface飞机和地面。采用同轴探针供应商,内部导体的诱导与补丁和外导体与地平面。模态综合权重系数(mvc)考虑电场耦合测量检查宽带过程和辐射特性。

材料和方法

特征模式(CM)理论与多层介质天线

传统的特征模式理论是进化为压电陶瓷对象在自由空间24]。与电场积分方程(EFIE)压电陶瓷在自由空间对象,混合电位积分方程(MPIE)与空间域格林函数(GFs)建立多层介质是进化的特征根方程(25]。空间域的混合电位积分方程GFs多层介质提供了精确的能力模型在金属导体表面电流埋葬在多层介质。地平面和电介质混合电位积分方程的基础应该是永远在横向路径中。记住在压电陶瓷框架条件,也就是说,压电陶瓷上的切向电场的成分表面是零,分配的混合电位积分方程不明当前J和事件字段Ei可以写成画报》(26- - - - - -29日]。

(1)

Ga和《Gq》是空间域,GFs矢量和标量势,分别。空间域的封闭项GFs可以获得利用离散复图像方法(26- - - - - -31日]。采用典型的加勒金操作的混合电位积分方程(1)的重要续集阻抗矩阵Z可以说明如下:

在调频(r)是著名的RWG基本功能

已知三角形对辐射贴片上。操作后的压电陶瓷对象的传统特征模式理论,广义特征值方程的混合电位积分方程可以写成如下:(2)

[R]和[X]的实际和虚幻组件矩法阻抗矩阵Z,分别。约特征向量和特征值λn可以得到解决(3)。(MS)情态意义说明如下:

(3)

特有的模式形成一系列完整的解决方案,因此整个当前可以显示这些模式电流的线性叠加

(4)

其中αn表示模态可以计算权重系数(mvc)和(5)

的表达式(5)说明了模态激励系数,和Ei表明外部激励。利用相互关系定理,(6)的提名者也可以重写如下:(6)

En表明电场由于模态电流密度约和耦合器霁意味着一个电流密度的影响。相反,delta-gap电压源,如果我们利用探针耦合器,提要探针在提要位置可以建模为一个统一的电流(33]。采用这种解读和更换(7)到(6),模态加权系数(mvc)考虑探测器饲料耦合可以说明如下:(7)

在r0表示提要情况和l表示探针的长度。因此我们可以利用(8)计算模态加权系数的模态加权系数的建议probe-feed metasurface天线。

天线设计

的建设建议天线中说明了图1。天线由金属层,3 metasurface,驱动补丁,和地面上降低。2的厚度F4BM350基质(r = 3.5和tanδ= 0.001)是1.5毫米。获得一个低调,容易制造、2基质层堆栈相互没有气隙。内部的一部分50-SMA连接器连接到补丁和外部导线连接到地平面。采用metasurface是周期性结构。

图1:建设建议天线。

与九个矩形金属板3 3布局。计划在5 GHz wi - fi乐队(4.9 GHz - 5.9 GHz)、天线使用全波模拟器基于测量计算。最终实现天线测量中所示表1。

Lp	Wp	年代	h1	h2	PL	PW	低频	Lg	工作组
9.1	7	0.8	1.5	1.5	12	7	5.3	50	50

表1。天线的测量(毫米)。

方法

天线设计模式特征分析:采用模式特征分析解读metasurface天线的作用机制。同轴探针供应商撤回和其他几何测量补丁和维护metasurface相同。特征模态分析过程可以实现利用moments-based特征模式的方法要求在商业仿真软件FEKO,地平面和电介质层无限扩展的x和y维利用平面多层基板。矩量法对无限平面多层基板可以解决在FEKO使用格林函数。这种独特的模式结构、电流、远程字段,邻域和特征模式请求允许。测量模态(MS)的意义^圣十个模式的组合,而供应商说明图2。

engineering-technology-antenna-construction

图2:情态意义的天线结构。

模态电流和辐射安排J1-J7见图3 (g)和4 (g)。

图3:当前模态评估。(一):在5 GHz j - 1;在6.5 GHz (b): J2;在6.5 ghz: (c): J3;在6.5 GHz (d):阁下;在6.5 GHz (e): J5;在6.5 GHz卫星(f);(g): J7 6.5 GHz。

图4:模态辐射安排。(一):在5 GHz j - 1;在6.5 GHz (b): J2;:(c): J3 6.5 GHz (d):在6.5 GHz阁下;在6.5 GHz (e): J5;在6.5 ghz (f):卫星;(g): J7 6.5 ghz。

馈点由一个黑色圆圈表示。它可以注意到j - 1的模态电,J7饲料现场大约是最大的领域的模式太小了图5 (g)。同轴探针馈电的电场耦合可以注意到一个电容耦合元素(CCE),和一个随机模式刺激电容如果电容耦合元素位于网站的电场的峰值(34,35),j - 1和J7将最大限度地刺激图6 (a - c)。计算每个模式的添加当前整个辐射功率,模态加权系数(还)考虑电场耦合测量使用方程(6)

图5:模态电毗连领域的安排。(一):在5 ghz j - 1;在6.5 GHz (b): J2;在6.5 GHz: (c): J3;在6.5 GHz (d):阁下;在6.5 GHz (e): J5;在6.5 GHz (f):卫星;(g): J7 6.5 GHz。

图6:生产天线的照片。(一):优越的观点;(b):中间补丁视图;(c)视图。

(3)

它可以注意到从收获的结果见图7j - 1(劣质乐队)和J7(上级乐队)非常刺激,这将协助宽带程序和一个线性侧向辐射排列。此外,一些不必要的模式一直抑制由于饲料的情况,这将减少crosspolarization水平。

图7:模态天线结构的加权系数。

结果

制造天线所示图6。辐射安排在全波模拟器ANSYS模拟基于18.0和另外计算可变频率的消声室。模拟和计算结果图8有良好的接受。

图8:模拟和计算结果。(一):返回损失;(b):收入和有效性。

此外,它可以注意到图7和8(一个)和8 (b)回波损耗的双模宽带过程一致的有效刺激2主要模式。-10分贝计算阻抗带宽约为30% (4.89 -6.62 GHz),通过计算收入达到峰值从6.96到8.21 dBi和模拟辐射效果是90%以上。归一化辐射安排所示图9 (a)和9 (b)5 GHz,图9 (c)和9 (d)6.5 GHz。

图9:辐射的安排。(一):5 GHz x z平面;(b): 5 GHz - z平面;(c): 6.5 GHz x z平面;(d): 6.5 GHz - z平面上。

此外,交叉极化水平低于18分贝的带宽,因为抑制不必要的模式所示特征模式分析过程。相关的行动建议天线和其他几个线性偏振metasurface天线所示表2。

天线结构	大小(λ₀₃)	-10分贝\| S11 \| BW (%)	效率	瞄准线获得(dBi)
裁判(5) 裁判(11) 裁判(14) 裁判(21) 建议天线	1.1×1.1×0.061 0.88×0.88×0.069 1.05×1.05×0.06 0.72×0.72×0.075 0.95×0.95×0.057	25 15 28 20. 30.	> 76% > 70% > 92% > 90% > 90%	> 9.0% > 7.5% > 6.0% > 7.6% > 6.96%

表2。相关的行动建议天线和新颖的双层利用metasurface宽带贴片天线。

结论

宽带低调的线性极化贴片天线利用metasurface为5 - GHz无线过程引入了检查和分析证实。采用同轴探针供应商是简单的制造和比赛。CMA的天线的建设提出了一个好的解释和描述的作用机制涉及宽带过程和辐射特性。另外特征模式分析过程可以被拖延到其他补丁天线利用同轴探针馈电。

引用

梁Z,等。设计和特征模式使用metasurface低调宽带贴片天线的分析。J电磁波和应用》2018。
黄西KL。紧凑和宽带微带天线。2002年。
晨祷的马,et al .探针美联储堆叠贴片天线宽带应用。IEEE反式天线Propag。2007; 55:2385 - 2388。
杨F, et al .宽带e型贴片天线无线通信。IEEE反式天线Propag。2001; 49:1094 - 1100。
刘W, et al .蘑菇Metamaterial-based低调的宽带天线。IEEE反式天线Propag。2014; 62:1165 - 1171。
胡锦涛J, et al .宽带quad-polarization可重构metasurface天线。IEEE访问。2018;6:6130 - 6137。
朱HL、张SW涌KL, et al。使用metasurface Linear-to-Circular极化转换。IEEE反式天线Propag。2013; 1:4615 - 4623。
助教SX和公园l .低调使用metasurface宽带圆极化贴片天线。IEEE反式天线Propag。2015; 63:5929 - 5934。
朱霍奇金淋巴瘤,et al。使用metasurface极化可重构天线的设计。IEEE反式天线Propag。2014; 62:2891 - 2897。
科斯塔F, et al .概述频率选择表面的等效电路建模技术和metasurfaces。:第一版Electromagn Soc j . 2014; 29:960 - 976。
钟KL和Chaimool s .抗磁性metasurfaces微带贴片天线的性能增强。天线和第五届欧洲会议Propag》2011。
Pandi年代,et al .标量阻抗设计全息metasurfaces与理想极化天线波束形成。IEEE反式天线Propag。2015; 63:3016 - 3024。
普费弗C和Grbic a亚波长厚度的平面透镜天线:准直与metasurfaces leaky-waves。IEEE反式天线Propag。2015; 63:3248 - 3253。
刘W, et al . Metamaterial-based低调的宽带aperture-coupled gridslotted贴片天线。IEEE反式天线Propag。2015; 63:3325 - 3329。
科斯塔F,等。高阻抗表面基于TE表面波共振天线:分析和建模。IEEE反式天线Propag。2011; 59:3588 - 3595。
梁Z, et al .车牌RFID标签天线的设计使用特征模式模式合成。IEEE反式天线Propag。2017; 5:4964 - 4970。
Cabedo调频,et al。特征模式的理论重新审视:贡献为现代天线的设计应用程序。IEEE天线Propag杂志。2007;49:52 - 68。
陈王Y和氟。Characteristic-mode-based改善圆偏振U-slot和e型贴片天线。IEEE天线和无线Propaga信件。2012;11:1474 - 1477。
Obeidat KA,等。设计的频率可重构天线使用网络特征的理论模式。IEEE反式天线Propag。2010; 58:3106 - 3113。
基肖尔KK和哼SV。多口多波段chassis-mode天线设计使用特征模式。IEEE天线和无线Propaga Lettr。2017; 16:609 - 612。
Manteuffel D和Martens r .紧凑多模多天线室内超宽频天线系统。IEEE反式天线Propag。2016; 64:2689 - 2697。
林跳频和陈锌。低调的宽带metasurface天线使用特征模式分析。IEEE反式天线Propag。2017; 65:1706 - 1713。
林跳频和陈锌。的方法抑制高阶模式改善metasurface多端口天线的辐射性能使用特征模式分析。IEEE反式天线Propag。2018; 66:1894 - 1902。
哈林顿射频和Mautz JR .)理论的模式进行的身体特征。IEEE反式天线Propag。1971; 19: 622 - 628。
陈Y和王CF。特征模式:在天线理论和应用工程。2015年。
方DG, et al .离散图像理论水平电偶极子在多层介质。IEE诉讼h . 1988; 135:297 - 303。
Chow YL, et al .封闭空间格林函数的厚微带基片。IEEE反式Microw理论科技。1991;39:588 - 592。
王CF, et al。快速的全波分析散射和辐射从大型有限阵列的微带天线。IEEE反式天线Propag。1998; 46:1467 - 1474。
凌F,等。一个高效的算法分析大规模微带结构使用自适应积分方法结合离散复图像的方法。IEEE反式Microw理论科技。2000;48:832 - 839。
凌F, et al。高效的电磁建模的三维多层微带天线和电路。IEEE反式Microw理论科技。2002;50:1628 - 1635。
陈Y,等。基于混合电位积分方程的特征模式分析微带天线。Int J天线Propag。2016; 2016:1-8
Famdie CT, et al .数值分析的特征模式的底盘上手机。诉讼的第一次欧洲天线与Propag会议。2006年。
杨B,亚当斯JJ。计算和可视化的任意平面天线通过特征函数的输入参数。IEEE反式天线Propag。2016; 64:2707 - 2718。
Martens R, et al。电感和电容的励磁特性模式的小型终端。美国LAPC学报》上。2011年。
Martens R, et al .选择性激励模式特征的小码头。天线和第五届欧洲会议Propag》2011。