一种宽带L型圆极化可重构微带贴片天线外文翻译资料

 2022-11-12 19:31:47

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一种宽带L型圆极化可重构微带贴片天线

Shing-Lung Steven Yang 和 Kwai-Man Luk

摘要:提出了一种由L形探针馈电的宽带圆极化可重构微带天线。右旋圆极化和左旋圆极化可以通过馈送扰动方形贴片的L形探针来激发。L形探针连接到在地平面下方制造的开关,使得可以实现圆偏振辐射图案重新配置。制作了一个天线原型,其SWR 2和轴比为3 dB时带宽超过10%。

索引术语 ——宽带天线,微带天线,可重新配置

一介绍

圆极化常用于雷达跟踪,全球定位系统和卫星通信;已经针对这些类型的应用提出了各种类型的天线。在[1]中已经报道了一些常规设计,其可以通过激励两个退化正交模式来产生圆极化。单馈圆极化(CP)贴片天线可以通过扰动贴片来激发两种正交模式,然而窄轴比(AR)带宽降低了天线的有利性。因此,扩大CP天线的AR带宽是相当有意义的。在[2]中提出了L形探针馈电技术,以增强微波探针的阻抗匹配带宽。此外,由L形探头开发的几个宽带CP天线是在[3],[4]中提出,并且已经证明了增强的AR带宽设计。然而,他们提出的设计基于多个馈电结构,这需要宽带馈电网络的设计。

另一方面,近年来在可重构天线的设计中存在新兴趣。已经证明了几种能够在右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)之间进行电气切换的天线设计[5] - [7]。可以通过控制RF PIN二极管的状态来执行极化分集。然而,大多数报道的设计都是基于带限结构,其中在实际应用中不太有利。

本文介绍了一种宽带CP可重构微带贴片天线。L形探针[2]用于激发扰动的贴片,以实现宽阻抗匹配带宽和宽AR带宽。此外,可以通过SPDT开关选择两个CP极化LHCP或RHCP。SPDT开关由PIN二极管构成,并制造在接地平面的背面。将在以下部分中介绍和比较该天线的模拟和测量性能。

二天线结构

图1所提出的可重构天线的几何形状

所提出的天线的几何形状如图1所示。贴片的宽度(Wp),长度(Lp)和高度(Hp)分别为68mm,68mm和15mm;它的长度(a)为28毫米。L形探针的长度(LLP)和高度(HLP)为24mm和11毫米。L形探针穿过接地平面并焊接到接地平面下方的馈电网络。为了防止探针接触地平面,在地平面的铜上铣削两个孔;孔的半径为3毫米,与探头位置一致。接地平面的尺寸为150mmtimes;150mm,其尺寸与FR4基板相同。FR4基板的厚度和相对介电常数分别为1.6mm和4.6。CP偏振由开关控制。通过喂入探针1,可以激发LHCP;另一方面,RHCP可以通过喂食探针来激发。因此,可以通过馈送到指定的探针来简单地实现极化分集。

图2. SPDT开关的原理图

SPDT开关设计用于切换馈电路径,并且它可用于控制所提出的天线的极化。SPDT开关的原理图如图2所示。二极管的型号为BAR64-02V,由英飞凌科技公司制造。输入和输出隔直电容(Co)的电容为20 pF,电感(L)的电感为68 nH,(C1)和(C2)的电容为1 pF和82 pF,以及限流电阻使用(R)电阻470。两个串联PIN二极管用于增强交换机的隔离。可以通过向SPDT开关(U1和U2)施加合适的偏压来控制天线的辐射方向图。当向U1施加3V并且向U2施加0V时可以产生RHCP,并且当分别向U2和U1施加3V和0V时可以产生类似的LHCP。

三模拟和实验结果

图3.拟议天线的回波损耗和增益

图4.所提出的天线的轴比(宽边方向)

通过商业可用的仿真软件Zeland IE3D 10.2版研究了天线的性能,并制作了天线原型以验证仿真结果。通过对SPDT开关施加合适的偏压来测量天线的性能,同时通过假设空转馈电探针为开路来获得模拟结果。辐射模式和增益由Emco 3102锥形对数螺旋天线在紧凑的天线测试范围内测量。图3显示了天线的回波损耗和增益。当LHCP模式接通时,测量的阻抗匹配带宽在1.67-2.17GHz范围内为26.0%;而RHCP模式覆盖1.75-2.26 GHz(25.4%)。在阻抗匹配带宽上测得的天线峰值增益约为6-7 dBic。模拟增益与1.7-2 GHz的测量增益之间约为1 dB,差异可能是由于开关引入的插入损耗。测量和模拟的AR在图4中进行了比较。当LHCP模式接通时,测量的AR带宽为1.58-1.9 GHz(18.4%),而RHCP为1.54-1.95 GHz(25%)模式打开。由于天线的几何形状关于phi = 135轴对称,因此两种操作模式的模拟回波损耗和AR具有相同的结果。然而,两种操作模式的实验结果中存在差异,这可能是由于天线原型制造中存在的容差和开关的影响。

图5.测量的辐射模式,(a)当切换LHCP模式时(1.38 GHz)切换 上 或(b)切换RHCP模式时(1.39 GHz) 上。模拟辐射模式为1.90 GHz。[黑色实线:LHCP(测量),黑色虚线:RHCP(测量),灰色实线:LHCP(sim。),灰色虚线:RHCP(sim。)]

测得的回波损耗和AR都向低频移动,这可能是由于开关输入阻抗的影响。这种现象的细节将在下一节中讨论。中心AR频率的模拟和测量辐射图如图5所示。测得的辐射方向图与模拟的辐射方向图很吻合。

四讨论

图6.当空闲馈电端口的负载阻抗变化时,对所提出的天线的回波损耗的仿真研究

在上一节中,发现与模拟结果相比,测量结果向较低频率移动。预计开关在关闭时不会出现理想的开路。已经进行了仿真研究,以研究当空转探头(“关闭端口”)的负载阻抗变化时回波损耗的灵敏度;结果如图6所示。当空转馈电探头的负载阻抗从无穷大(开路)变为零(短路)时,发现天线的回波损耗发生变化并向低频移动。通过将如图6所示的模拟结果与制造的天线的测量结果进行比较,可以预测OFF状态开关的阻抗不是完全开路的。这可以解释为什么模拟结果和测量结果之间存在频率差异。

该宽带CP可重配置天线适用于需要RHCP和LHCP用于发送和接收的系统,例如卫星链路,射频识别(RFID)或无线局域网(WLAN)的链路。它可以减少所需的天线数量,这也可以降低安装成本。

五结论

提出了一种宽带CP可重构贴片天线。通过用两个L形探针激发一个扰动的贴片,并用SPDT开关,可以进行宽带CP极化分集。制造的天线原型实现了宽阻抗匹配和轴比率带宽超过10%。

参考文献

[1] JR James和PS Hall,微带天线手册.英国伦敦:Peter Peregrinus,1989.

[2] CL Mak,KM Luk,KF Lee和YL Chow,“带有L形探头的微带贴片天线的实验研究”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.48,no.5,pp.777-783,2000年5月.

[3] KL Lau和KM Luk,“用于双频段操作的宽带圆极化L探头耦合贴片天线”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.53,no.8,pp.2636-2644,2005年8月.

[4] L. Bian,YX Guo,LC Ong和XQ Shi,“宽带圆极化贴片天线”,IEEE Trans。Antennas Propag.,vol.54,no.9,pp.2682-2686,2006年9月.

[5] M. Boti,L.Dussopt和JM Laheurte,“具有可切换偏振感的圆极化天线”,Electron.Lett.,vol.36,no.18,pp.1518-1519,2000年8月.

[6] F. Yang和Y. Rahmat-Samii,“使用可切换槽进行圆极化分集的可重构贴片天线”,IEEE Microw.无线组件.Lett.,vol.12,no.3,pp.96-98,2002年3月.

[7] T. Fukusako,N.Kitamura和N. Mita,“使用Y分支馈电电路的圆极化可重构贴片天线”,Proc.IEEE APS Int.Symp.,Jul.2005,vol.2B,pp.597-600.

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