Multi-Band Rechteckige Patch-End-Fire Antennen-Array
1 Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik, Purdue University, West Lafayette, USA; 2 Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität von Colorado, Colorado Springs, USA.
Stichwort: Multi-Band; End-Fire; Antennen-Array; Rechteckige Patch-Antenne; Drahtlose Kommunikation
Traditionelle Basisstationen verwenden omnidirektionale Antennen, wo die Sendeleistung gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt wird. Die gleichmäßige Verteilung führt zu einem Teil der Leistung in der Zelle übertragen wird, aber nicht durch den Benutzer empfangen werden. Diese verschwendete Energie wird dann Vorwärtsverbindungs Interferenz mit anderen Basisstationen oder Benutzern in anderen Zellen. In ähnlicher Weise jeder neuer Benutzer zu einer Zelle hinzugefügt erhöht die Interferenz und Rauschpegel auf der Rückverbindung. Dies führt zu einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnis, was wiederum die Leistungsfähigkeit der Erkennung und Demodulationsoperationen abbaut. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen ist in der Konstruktion der Antenne mit Mehrbandende-Brandeigenschaften mit sektorisierten Abstrahlmuster (wide Strahlbreiten) und einem hohen Verstärkung (über 5 dBi), um ein hohes Front-zu-Last-Verhältnis zu erzeugen und zu lindern Ausbreitungs Verlusteffekte.
Die rechteckigen Patch-End-Fire-Array-Antenne besteht aus einer Halbwellenlänge von 0,12 Wellenlängen-Mikrostripelementen auf der oberen Substratschicht gedruckt und auf eine Viertelwellenlänge-Mikros Corporate Feed-Leitung verbunden. Die Erdungsebene ist auf dem unteren Substrat gedruckt. Dies vermeidet eine halbe Wellenlänge Balun verwendet, wodurch die Antennengeometrie vereinfacht. Das Multiband-Verhalten erzielt wird, wenn TM-Modi können gleichzeitig angeregt werden. Durch geeignete Auswahl der Lage der Unternehmensspeiseleitung auswählt und die Elementbreite zu optimieren, wobei die Antenne bei mehreren Frequenzen resonant kann [7]. End-Feuervorgang durch Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen den Elementen in festen Abständen Element und der Unternehmensspeisenetzwerk aufgebaut. Die gewünschten Elementphasenverschiebungen werden dann durch die gegenseitigen Kopplungseffekte erreicht. Für gedruckten Mikros Elemente kann die gegenseitige Kopplung unter Verwendung von Mikrostrip-Antennen praktische Theorie berechnet werden, wodurch die Analyse einer rechteckigen Patch-End-Fire-Array-Antenne ermöglicht.
In diesem Papier präsentieren wir die theoretische Beschreibung und Entwurfsverfahren verwendeten bei der Modellierung der rechteckigen Patch-End-Fire-Array-Antenne. Der Vergleich mit dem hergestellten End-Fire-Patch-Antennenarray beschrieben.
2.1. Phasendifferenz und Array-Faktor
End-Feuerbetrieb eingerichtet, wenn die Richtung der Strahlung für den Hauptstrahl von der Phasendifferenz abhängig ist, α, zwischen den Elementen des Arrays. Daher ist es möglich, den Hauptstrahl in eine beliebige Richtung zu lenken, indem α zwischen Elementen variieren. Wir beginnen mit einer linearen Array-Antenne Berücksichtigung bestehend aus N Elementen, ebenso eine Entfernung d beabstandet. Die Richtung einer Welle wird durch den Winkel θ zwischen den Strahlen und Array normalen beschrieben. Daher wird der Gruppenfaktor, AF (θ) für einen Empfänger linearen Array-Antenne gegeben ist durch
Die normierte Array Faktor ist gegeben durch
Also für ψ = 0, ein End-Feuer Betrieb bei θ0 = 90 # 730; und θ = -90 # 730 ;, die jeweils die Phasendifferenz, α, zwischen zwei benachbarten Elementen ist [8,9]
2.2. Grating Lobes
Hohe Front-to-Back-Verhältnis für einen effizienten endfire Betrieb erforderlich. Dies wird durch eine Verringerung des Auftretens von Gitterkeulen auf unter Null erreicht. Nach Antennentheorie treten Gitterkeulen, wenn das Argument ψ ein ganzzahliges Vielfaches von 2π. Daher wird bei End-Fire-Betrieb treten Gitterkeulen für
Für eine Mehrbandantenne linearer Anordnung konnten wir Raum der Elemente so weit auseinander wie eine Wellenlänge, bevor irgendwelche Gitterkeuleneffekten zu sehen. Jedoch ist für eine lineare Längsstrahlergruppenantenne die maximal zulässige Elementabstand auf die Hälfte einer Wellenlänge reduziert das Auftreten von Gitterkeulen zu vermeiden. Wenn wir reduzieren den Elementabstand noch weiter, um weniger als die Hälfte einer Wellenlänge, die Gitterkeule bei θ = -90 # 730; wird weniger sichtbar.
Der Hauptvorteil der rechteckigen Patch-End-Fire-Array-Antenne liegt in der Einfachheit des Designs. Dies ermöglicht eine modellbasierte Analyse in kürzester Zeit, und einige benutzerdefinierte Parameter angegeben, kann das Design optimiert werden. Diese Antenne wurde entworfen und unter Verwendung von Ansoft HFSS simuliert, einen 3-D elektromagnetischen Simulator [10].
Die Antenne besteht aus acht strahlenden Elementen zu einer vollständigen Netzwerkspeisung Konfiguration verbunden sowohl Zweig und die Hauptspeise umfasst. Die Figuren 1 (a) und (b) zeigen Abmessungen und ein Foto der Mehrbandende-fire-Arrayantenne bei seiner optimalen RF Platinenkonfiguration vorgeschlagen, hergestellt ist. Die Resonanzfrequenz für den transversalen magnetischen (TMmn) Modus kann aus bewertet werden [7]
Abbildung 1 (a) optimierten Abmessungen und (b) Foto der hergestellten Mehrband-Längsstrahlerantennenanordnung.
wobei c die Lichtgeschwindigkeit; m und n ganze Zahlen sind; L und W die Länge und Breite des Patchelementes verbunden sind; und & epsi; r die relative Permittivität des Substrats. Die Breite des Patchelementes kann als [11-13] beschrieben.
Die vier Moden niedrigerer Ordnung, nämlich TM01. TM20. TM30. und TM40. ist durch die Gleichung (8) und die Resonanzfrequenzen der Antenne vorgeschlagenen Änderungen leicht mit der Änderung der Breite, W, also nach Erhalt grobe Schätzung aus Gleichung (9), HFSS-Optimierung durchgeführt wurde vorhergesagt worden ist. Der Optimierungsprozess ist in 2 (a) gezeigt. Da die Breite ändert sich von 0.1λ 0.4λ kann die Resonanzfrequenz des TM01-Modus angeregt abgestimmt werden, um optimale minimale Reflexion bereitzustellen. Durch Anordnung sind die Hauptvorschub im Abstand 0.17λ des ersten Elements, die zusätzlichen Moden angeregt gleichzeitig, während eine Breite von 0.12λ minimale Reflexion bietet. Dies führt zu einem Multi-Band-Verhalten. Für Strahlung in Längsstrahlerrichtung wird die Länge eines Patch-Elements bestimmt durch
Basierend auf der obigen Diskussion über Antennen Breite und Länge, eine Länge von 0.5λ und eine Breite von 0.12λ für das Element rechteckigen Patch wurden ausgewählt.
Der Elementabstand, d, die End-Feuer Betrieb entlang der x-y-Ebene sicherstellen würde wurde dann gefunden. Unter Verwendung von Gleichung (11), wobei D die Antennenrichtwirkung ist, wurde d im Bereich von 0.04λ bis 0.05λ gefunden und dann mit HFSS optimierte [14]. Der optimierte Wert von d ergab 0.04λ.
Der Rest der Maße (A, B, C, E und F) wurde mit HFSS Optimierungsroutine bestimmt.
4. Messergebnisse
Um die Analyse zu überprüfen, präsentiert für diese Antennenstruktur wurde die Antenne gemessen. Das Design wurde von Advanced Circuits hergestellt und im Mikrowellenlabor der Technik und angewandte Wissenschaft (EAS) Gebäude an der University of Colorado in Colorado Springs gemessen. Die Antenne wurde in FR-4-Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 4,25 und einer Dicke von 62 mil hergestellt. Das Strahlungsmuster wurde in der schalltoten Kammer des EAS Gebäudes gemessen. Die Antenne wurde auf einer Polystyrolschaumplattform mit einem Standard-durchsichtigen Klebeband befestigt und mit einem Koaxialkabel verbunden. Die Antenne unter Test (AUT) diente als die Empfangsantenne, während eine rechteckige Hornantenne verwendet wurde, um die Welle zu übertragen. Aufgrund der Konstruktion der Plattform nur eine E-Ebenen-Messung im Bereich von -178 # 730; ≤ θ ≤ 178 # 730; könnten getroffen werden. Dies war ausreichend, um den Hauptstrahl und den rückseitigen Strahlungspegel zu vergleichen. Figur 2 (b) zeigt simulierte und gemessene Strahlungsdiagramme für die Mehrband-Längsstrahlerantennenanordnung in einer azimuthalen Ebene (Längsstrahlerrichtung bei θ = 90 # 730; # 730 und -90; Ebene, die die xy-Ebene ist, in 1 (a)) bei 2,45 GHz gezeigt. Die gemessene maximale Verstärkung betrug 6,9 dBi in der End-Fire-Richtung, die in guter Übereinstimmung mit dem Simulationsergebnis war. Für die Rückflussdämpfungsmessung mit einer kanten montiert SMA Verbinder wurde den Rand der Platine verlötet, und 2,0 bis 4,5 GHz bei einer Frequenzwobbelung auf einem Netzwerkanalysator gemessen. Figur 2 (c) zeigt die simulierte und gemessene S11 von
Abbildung 2 (a) Simulation der Ergebnisse S11 als Funktion der Frequenz für unterschiedliche Breite (W) Werte zeigt; (B) Strahlungsmuster gemessen in Längsstrahlerrichtung (gezeigt in 1 (a) als θ = 90 # 730; # 730 und -90, in der x-y-Ebene) bei 2,45 GHz; (C) gemessenen und simulierten S11 der Mehrbandende-fire-Antennengruppe.
Mehrband-Längsstrahlerantennenanordnung. Die vorgeschlagene Antenne erzeugt einen End-Feuerstrahl und ist eine Multi-Band im Frequenzbereich von 2,0 bis 4,5 GHz abgestimmt über. Multi-Dips in S11 gemessen, die Impedanz bei Frequenzen von 2,9, 3,4, 3,7 und 3,9 GHz passenden enthält.
5. Schlussfolgerungen und Diskussion
Das Design, die Herstellung und Charakterisierung einer rechteckigen Patch-End-Fire-Array-Antenne vorgestellt. Verwendung von acht Elementen der Halbwellenlänge und eine Breite 0.12λ in FR-4-Substrat Die Antenne wurde entwickelt und optimiert. Gemessene Ergebnisse zeigten End-Fire-Betrieb mit einer gemessenen maximalen Verstärkung von 6,9 dBi im stirnFeuerRichtung. Die vorgeschlagene Antenne für Multiband-Anwendungen eingesetzt werden, die ein Strahlungsmuster in der Längsstrahlerrichtung erfordern.