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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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具有缺陷接地结构的可重构单极天线在认知无线电中的应用

Shital S. Bramhe1米琳·s·纳拉瓦尔2S. L. Badjate3.
  1. 研究生[CE]， YCCE ETC系。印度马哈拉施特拉邦那格浦尔
  2. YCCE电子工程系助理教授。印度马哈拉施特拉邦那格浦尔
  3. 印度马哈拉施特拉邦那格浦尔S. B. Jain学院工程系，ETC系
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摘要

提出了一种用于认知无线电应用的微带馈电天线，该天线主要由圆形单极子天线(CMA)构成，具有缺陷的接地结构。天线采用厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR-4衬底。该天线实现了2.98GHz的增强阻抗带宽。认知无线电领域的大部分工作都是在3.1GHz到10 GHz的频率范围内完成的，但本文提出了一种工作在0.6GHz到3.58GHz频段上的CMA。采用适用于认知无线电应用的HFSS (Higher frequency simulation software) 13.0软件对天线进行了设计和分析。

关键字
认知无线电，超宽带，缺陷地面结构，感应天线，可重构天线

介绍
通信系统的快速发展和对频带需求的增加导致了可用射频频谱的短缺。目前的频谱分配未得到充分利用，发现频谱可以在90%的时间内闲置。基于软件定义体系结构的认知无线电系统，其目的是通过改变发射机参数来提高频谱利用率，从而根据其与运行[8]的环境进行交互。对于认知无线电应用，既需要用于信道感知的宽带天线，也需要用于通信的可重构天线。
可重构天线的概念是指通过电气或机械手段改变天线的孔径尺寸或几何形状，从而改变天线的频率特性、辐射方向图、阻抗带宽和极化。具有可重构频率响应的天线既可以从一个频段突然切换到另一个频段，也可以连续地执行此任务。频率响应可重构性是通过主动控制天线的有效电长度来实现的，从而使天线能够在不同的频带中工作。这通常是通过电气、机械、光学或其他方式增加或移除天线的一部分或部分来完成的。
利用缺陷补片结构(补片中的缝隙或缝隙)减小天线尺寸。通过刻蚀导电贴片来实现缺陷贴片结构，通过刻蚀微带天线的导电接平面来实现缺陷接地结构。这会干扰屏蔽面电流分布，从而影响天线的输入阻抗和电流流动。缺陷贴片结构的几何形状可以是一个或几个蚀刻结构，它更简单，不需要很大的面积来实现。
天线在不同的共振，揭示其依赖于天线的尺寸和形状。为实现陷波带特性[1]，设计了一种集成DMS-BSF和倒π型槽的认知无线电天线。采用左侧l型阶梯缺陷和右侧阶梯缺陷带弯曲接地面天线，实现了两种阻抗性能优异的谐振模式[2]。
新型缺陷地面结构的蜘蛛微带天线。与哑铃形状的[4]相比，DGS形状的尺寸减小了约41%。
建议采用两个独立的天线，一个方向用于通信，另一个全向用于传感。单天线认知无线电平台也被提出。天线既用于传感又用于通信使用可调谐滤波器实现频率敏捷功能与多个天线或单个宽带天线相比，可重构天线可能通过结合宽窄带功能和允许一些额外的预滤波而有用，这现在被认为是成功的认知无线电操作[1]的潜在关键。提出了一种适用于WLAN应用的三波段单极天线一种具有双带陷波特性的超宽带印刷单极天线设计用于避免微波接入(Wi-Max) (3.4 -3.69 GHz)和无线局域网(WLAN) (5.15- 5.825 GHz)的全球互操作性干扰该天线工作在s波段和x波段，具有三个谐振频率。该天线在用于卫星通信的x波段有两个共振，另一个在4.98GHz频率的s波段有两个共振。

天线设计流程
所提出的圆形单极天线如图1所示，其设计参数的计算步骤如下:
A. patch半径(A)
根据，CMA的大小可由下式[6]计算:
图像
其中fL=800MHz为下带边频率，P为50Ω馈线长度，单位为cm，本设计优化为1.8mm， εeff的近似值为[6]:
图像
对于厚度为1.6 mm的FR4衬底，εeff =2.7。L分别为CMA的长度。使用公式(1)，P=1.8mm, fL=800MHz，我们估计A=4cm。为了保持边缘在fL内，半径选择4.5cm (45mm)。
B.微带线宽(WStrL)
微带线宽度由以下公式[10]计算得到
图像
式中Z0为微带线的特性阻抗，h为衬底厚度，取1.6mm为典型值，t为金属化厚度，为0.035mm, Wstrl为微带馈线宽度，FR4衬底的εr为4.4。因此，根据式(4)，为50Ω的特性阻抗。直径必须等于3毫米。
C.接地平面长度(Lg
图像
图像
fL= 800MHz， εeff =2.7，我们计算出约等于50mm的Lg值。辐射斑块的总体积为110 × 160 ×1.6 mm。

天线几何结构及仿真结果
A.圆形单极天线几何结构及仿真结果
本文提出的圆形单极天线可以采用部分地平面设计，如图1所示。在FR4基板的一侧打印半径为45 mm的圆形单极天线和50 Ω微带馈线。介质基板的长度和宽度为160x110 mm。微带馈线的宽度固定在3mm，以实现50Ω阻抗。
图像
仿真结果表明，该电路的阻抗带宽约为1.53 GHz (0.31-1.84 GHz)。最小回波损耗为-58.58db，谐振频率为1.40GHz，驻波比为1.0091，如图3所示。
图像
在谐振频率1.4GHz时，阻抗为50.42欧姆，电抗为0.1422欧姆，分别接近于期望值50欧姆和0欧姆。三维模式近似全向，二维模式为垂直模式，即在θ =90度，phi=90度处呈8形，在θ =90度，phi=90度处呈水平模式。
B.使用狭缝缩小贴片尺寸
通过在贴片中加入狭缝，可以在一定程度上减小贴片的尺寸，从而实现较宽的带宽。如果在贴片的上侧增加狭缝，则由于贴片的上侧存在最小的表面电流分布，因此辐射方向不会发生实质性的变化。
图像
CMA工作在0.31GHz到1.84 GHz的频率范围内，即带宽等于1.53GHz。通过在贴片中加入狭缝，可以将带宽提高到2.87GHz。
图像
C.带狭缝和Dgs的圆形单极天线的几何结构
利用缺陷补片结构(补片中的缝隙或缝隙)减小天线尺寸。通过刻蚀导电贴片来实现缺陷贴片结构，通过刻蚀微带天线的导电接平面来实现缺陷接地结构。这会干扰屏蔽面电流分布，从而影响天线的输入阻抗和电流流动。缺陷贴片结构的几何形状可以是一个或几个蚀刻结构，它更简单，不需要很大的面积来实现。
图像
VSWR图显示了阻抗带宽从0.32GHz到3.57GHz，在0.9GHz频率处，VSWR的最小值为1.10，考虑VSWR在1到2之间计算阻抗带宽。阻抗图显示，在0.9 GHz时阻抗值为54.43，接近50Ω。该天线作为超宽带传感天线，工作频率范围为0.32GHz ~ 3.57GHz。因此，天线显示约3.25GHz的宽带宽。阻抗带宽是通过考虑低于-10dB的频率范围来计算的。在0.9 GHz时，天线的最大回波损耗为-28.2dB。天线的增益为1.469e+001dB，三维辐射方向图在E面几乎呈全向辐射方向图，二维辐射方向图在H面几乎呈圆形方向图。
图像
阻抗带宽通过考虑低于-10dB的频率范围来计算。在0.9 GHz时，天线的最大回波损耗为-28.2dB
图像
天线的增益为1.469e+001dB，三维辐射方向图在E面几乎呈全向辐射方向图，二维辐射方向图在H面几乎呈圆形方向图。
表1为天线在不同阶段的比较。在每个阶段，带宽都会比前一个阶段不断增加，其他参数都在标准范围内。
图像
D.带狭缝、双极、四根和开关的圆形单极天线的几何结构
该天线通过将存根与开关连接起来进一步改进。通过适当的开关组合，天线作为可重构天线工作。通过添加开关进一步修改了几何形状。图22所示的具有4个开关s1、s2、s3、s4的可重构天线。通过在不同的开/关位置操作开关，研究了响应，它们的组合响应也如图24所示。它清楚地表明，随着开关开/关位置的变化，天线的工作频率范围也会发生变化
图像
仿真结果表明，该电路具有0.644 ~ 3.58GHz的宽阻抗带宽。
图像图24中绿色表示开关s1和s4处于开启状态，s2和s3处于关闭状态。对于这种情况，带宽范围为1.08至1.95 ghz .e0.87 ghz。在1.5GHz时，回波损耗、驻波比、增益、阻抗等天线性能参数分别为-25db、1.12、5.19db、45.13ohm。蓝色表示s1off, s2s3s4on。在这种情况下，带宽范围从(2.16到3.31)GHz，即1.15GHz。在2.55GHz时，天线的回波损耗、增益阻抗分别为- 31db、1.05、6.7db和49.53 ohm。
图像

结论和未来范围
该天线可用于感知和通信目的的认知无线电应用。可重构功能通过4个交换机实现。通过切换四个开关的ON和OFF状态，天线可以在四种情况下工作，用于底层模式应用。因此，它们可以很好地满足WB认知无线电的要求，并有效地改变模式，以防止次要用户和主用户之间的潜在干扰。在未来，我们将研究真实的开关，如PIN二极管或开关电路网络。
在未来，其他的重新配置技术可以使用，如电气，机械。天线的制造可以用PIN二极管、变容二极管、MEMS开关、光导开关等来完成。
还可以讨论用于软件定义和认知无线电的自动天线调谐单元系统(ATU)的实现。为了满足快速发展的无线和移动业务的需求，ATU天线系统可能需要进一步设计和优化，以确保在特定应用中高效率(低损耗)、低功耗、低外形、高速调谐和无杂散辐射。

参考文献
  1. 李颖松，李文星，叶秋波，“一种集成有缺陷微带结构带阻滤波器的超宽带认知无线电可重构三陷波天线”，《国际天线与传播学报》，2013年第1卷，第1页。
  2. Sakshi Kapoor, Davinder Parkash，“基于缺陷接地结构的微型三波段微带贴片天线在无线通信中的应用”，计算机应用杂志(0975 - 8887)卷57 - No.7, 2012年11月。
  3. M. M. Sharma, Ashok Kumar, Sanjeev Yadav, Y. Ranga，“基于DGS和SRR的超宽带印刷单极子天线”，第2届国际通信与计算与安全会议[ICCCS-2012]。
  4. r.s. Ghoname, m.a. Mohamed, a.l.。Hennawy，“可重构小型蜘蛛微带天线与新的缺陷地面结构”，国际计算机应用杂志(0975 - 8887)卷54 - No.5, 2012年9月。
  5. Pavan Kumar Sharma, Veerendra Singh Jadaun，“具有缺陷接地结构和金属带的多波段矩形微带贴片天线”，国际技术探索与学习杂志(IJTEL)卷1期1(2012年8月)。
  6. Khalil H. Sayidmarie, Yasser A. Fadhel，“基于阻抗匹配的超宽带印刷椭圆单极天线设计”，2012年Loughborough天线与传播会议，2012年11月12-13日，Loughborough, UK。
  7. Mohammed Al-Husseini, Ali Ramadan, Youssef Tawky, Christos Christodoulouy, Karim Kabalan, Ali El-Hajj，“面向超宽带认知无线电应用的多可控带槽平面超宽带天线”，第五届欧洲天线与传播会议论录(EUCAP)。
  8. J. Costantine, G. Balakrishnan，“基于光泵可重构天线系统(OPRAS)的认知无线电天线设计”，2011
  9. Youssef Tawk, Joseph Costantine, Sameer Hemmady, Ganesh Balakrishnan, Keith Avery和Christos G. Christodoulou，“使用光泵可重构天线系统(OPRAS)的认知无线电前端演示”，《IEEE天线与传播学报》，Vol. 60, no。2012年2月2日。
  10. Khalil H. Sayidmarie, Yasser A. Fadhel，“基于阻抗匹配的超宽带印刷椭圆单极天线设计”，2012年Loughborough天线与传播会议，2012年11月12-13日，Loughborough, UK。
  11. 陶志辉，S. Hemmady, C. G, Christodoulou, J. Costantine,G。Balakrishnan，“基于光泵可重构天线系统(OPRAS)的认知无线电天线设计”，2011 IEEE
  12. 巴尼斯，天线理论:分析与设计，纽约，John Wiley &Sons, 1997。
  13. J. Mitola，“认知无线电:软件定义无线电的集成代理体系结构”，博士论文，瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院(KTH)， 2000年。
  14. Manoj Joseph，“微带馈电紧凑双频平面天线”，博士论文，Cochin科技大学，Cochin-22，印度，2010年10月。
  15. M. Al-Husseini, Y. Tawk, C. G. Christodoulou, K. Y. Kabalan和A. El-Hajj，“超宽带认知无线电可重构带抑制天线的设计”，PIERS学报，2011年3月20日，Marrakesh, MOROCCO, 2011
  16. Mohammed Al-Husseini, Karim Y. Kabalan, Ali El-Hajj, Christos G. Christodoulou，“认知无线电的可重构微带天线”，Intech，开放科学，开放思想，2013。
  17. 李志强，“一种新的认知无线电可重构天线设计”，2009。
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