Multibande rectangulaire Patch réseau d'antennes de fin d'incendie

1 Département de génie électrique et informatique, Université Purdue, West Lafayette, États-Unis; 2 Département de génie électrique et informatique, Université du Colorado, Colorado Springs, États-Unis.

Mots-clés: multi-bande; Fin-feu; Réseau d'antennes; Rectangulaire Patch antenne; Communications sans fil

des stations de base classiques utilisent des antennes omnidirectionnelles où la puissance d'émission est également rayonnée dans toutes les directions. La répartition égale mène à une partie de la puissance étant transmise à travers la cellule, mais pas reçu par l'utilisateur. Ce gaspillage d'énergie devient alors l'interférence de liaison directe vers d'autres stations de base ou les utilisateurs dans d'autres cellules. De même, chaque nouvel utilisateur ajouté à une cellule augmente les niveaux d'interférence et de bruit sur la liaison inverse. Cela se traduit par une réduction du rapport signal sur bruit, ce qui à son tour dégrade la performance des opérations de détection et de démodulation. Une façon de remédier à ce problème réside dans la conception de l'antenne ayant des propriétés de bout en feu multibande avec des diagrammes de rayonnement sectorisées (large des ouvertures de faisceau) et un gain élevé (supérieur à 5 dBi) afin de créer un rapport élevé avant-charge et à atténuer la propagation effets de perte.

L'antenne réseau end-fire pièce rectangulaire est constitué d'une demi-longueur d'onde par des éléments de microbandes de longueur d'onde 0,12 imprimées sur la couche de substrat supérieure et reliés à un quart d'onde microbande corporate ligne d'alimentation. Le plan de masse est imprimée sur le substrat inférieur. Cela évite d'utiliser un symétriseur à demi-longueur d'onde, ce qui simplifie la géométrie de l'antenne. Le comportement multi-bande est obtenu lorsque les modes TM peuvent être excités simultanément. En choisissant convenablement l'emplacement de la ligne d'alimentation d'entreprise et l'optimisation de la largeur de l'élément, l'antenne peut résonance à des fréquences multiples [7]. fonctionnement en feu de fin est établi par la création d'une différence de phase entre les éléments à des distances d'éléments fixes et par le réseau d'alimentation collective. Les déplacements souhaités de phase de l'élément sont alors accomplies par les effets de couplage mutuel. Pour les éléments de microbandes imprimées, l'accouplement mutuel peut être calculée en utilisant la théorie des antennes microruban pratique, permettant ainsi à l'analyse d'une antenne réseau de bout feu timbre rectangulaire.

Dans cet article, nous présentons les méthodes de description théorique et de conception utilisés dans la modélisation de l'antenne réseau de bout en feu rectangulaire Patch. Comparaison avec le réseau d'antennes patch fin feu fabriqué est décrit.

2.1. Différence de phase et facteur de réseau

fonctionnement en feu de fin est établie lorsque la direction du rayonnement du faisceau principal est fonction de la différence de phase, α, entre les éléments de la matrice. Par conséquent, il est possible de diriger le faisceau principal dans une direction quelconque en faisant varier α entre les éléments. On commence par l'examen d'une antenne réseau linéaire constitué par N éléments, également espacées d'une distance d. La direction d'une onde est décrite par l'angle θ entre les rayons et le réseau normal. Par conséquent, le facteur de réseau, AF (θ), pour une antenne réseau linéaire de réception est donnée par

Le facteur de réseau normalisé est donné par

Donc, pour ψ = 0, une opération-feu fin à θ0 = 90 # 730; et θ = -90 # 730 ;, respectivement, la différence de phase, α, entre deux éléments adjacents est [8,9]

2.2. Lobe caillebotis

Haut rapport avant-arrière est nécessaire pour une opération de endfire efficace. Ceci est réalisé en réduisant l'apparition de lobes de réseau au-dessous de zéro. Selon la théorie de l'antenne, lobes de réseau se produisent chaque fois que le ψ argument est un multiple entier de 2π. Par conséquent, lors de l'opération-le-feu final, lobes de réseau se produisent pour

Pour une antenne réseau linéaire à bandes multiples nous pourrions espace des éléments aussi éloignés que une longueur d'onde avant de voir les effets du lobe de réseau. Cependant, pour un réseau de bout en feu linéaire antenne de l'espacement d'élément maximal admissible est réduit à une demi-longueur d'onde pour empêcher l'apparition de lobes de réseau. Si nous réduisons l'élément d'espacement encore plus loin, en moins d'une demi-longueur d'onde, le lobe de réseau à θ = -90 # 730; devient moins visible.

L'avantage principal de l'antenne réseau de bout feu patch rectangulaire réside dans sa simplicité de conception. Cela permet une analyse basée sur un modèle dans un court laps de temps et, compte tenu des paramètres définis par l'utilisateur, la conception peut être optimisée. Cette antenne a été conçu et simulé en utilisant Ansoft HFSS, un simulateur électromagnétique 3-D [10].

L'antenne est composée de huit éléments rayonnants connectés à une configuration d'alimentation collective complet englobant à la fois la branche et l'alimentation principale. Les figures 1 (a) et (b) les dimensions de spectacle et une photo de la proposition fabriqué antenne réseau de bout en feu multi-bande à sa configuration optimale de la carte RF, respectivement. La fréquence de résonance pour le mode magnétique transverse (TMmn) peut être évaluée à partir de [7]

Figure 1. (a) dimensions optimisées et (b) photo de l'antenne réseau de bout en feu multi-bande fabriquée.

où c est la vitesse de la lumière; m et n sont des nombres entiers; L et W sont la longueur et la largeur de l'élément de raccord, respectivement; et sr est la permittivité relative du substrat. La largeur de l'élément de raccord peut être décrit comme [11-13].

Les quatre modes d'ordre inférieur, à savoir TM01. TM20. TM30. et TM40. ont été prédite par l'équation (8) et les fréquences de résonance des changements d'antenne proposées légèrement avec la modification de la largeur, W, d'où, après avoir obtenu estimation approximative de l'équation (9), l'optimisation HFSS a été effectuée. Le processus d'optimisation est représenté sur la figure 2 (a). Étant donné que les changements de largeur de 0.1λ à 0.4λ, la fréquence de résonance du mode TM01 excité peut être réglé pour fournir une réflexion minimum optimale. En plaçant l'alimentation principale à une distance 0.17λ du premier élément, les autres modes sont excités simultanément, alors qu'une largeur de 0.12λ fournit une réflexion minimale. Il en résulte un comportement multibande. Pour un rayonnement dans la direction de bout en feu de la longueur d'un élément de correction est déterminée par

D'après la discussion ci-dessus sur la largeur et la longueur de l'antenne, une longueur de 0.5λ et une largeur de 0.12λ pour l'élément de plaque rectangulaire ont été choisis.

La distance de l'élément, d, qui permettrait d'assurer un fonctionnement au feu d'extrémité le long du plan x-y a ensuite été trouvé. En utilisant l'équation (11), où D est la directivité de l'antenne, d dans la plage de 0.04λ à 0.05λ a été trouvé et ensuite optimisée avec HFSS [14]. La valeur optimale de D a abouti à 0.04λ.

Le reste des dimensions (A, B, C, E et F) ont été déterminées en utilisant la routine d'optimisation HFSS.

4. Résultats Mesuré

Pour vérifier l'analyse présentée pour cette structure d'antenne, l'antenne a été mesurée. La conception a été fabriqué par Advanced Circuits, et mesurée en laboratoire à micro-ondes du bâtiment génie et sciences appliquées (EAS) à l'Université du Colorado à Colorado Springs. L'antenne a été fabriqué dans un substrat FR-4 avec une constante diélectrique de 4,25 et une épaisseur de 62 millièmes de pouce. Le diagramme de rayonnement est mesurée dans la chambre anéchoïde du bâtiment EAS. L'antenne est montée sur une plate-forme en mousse de polystyrène avec un ruban adhésif transparent standard et connecté à un câble coaxial. L'antenne sous test (AUT) a servi de l'antenne de réception, tandis qu'une antenne cornet rectangulaire a été utilisé pour transmettre l'onde. En raison de la conception de la plate-forme, seule une mesure E plan dans la gamme de -178 # 730; ≤ θ ≤ 178 # 730; pourraient être prises. Cela suffit pour comparer le faisceau principal et le niveau de rayonnement de la face arrière. La figure 2 (b) montre des diagrammes de rayonnement simulées et mesurées pour le réseau d'antennes de bout feu multi-bandes dans un plan azimutal (direction end-fire à θ = 90 # 730; et -90 # 730; plan qui est le plan xy représenté sur la figure 1 (a)) à 2,45 GHz. Le gain maximal mesuré était de 6,9 ​​dBi dans la direction de bout feu, qui était en bon accord avec le résultat de la simulation. Pour la mesure de la perte de retour, un connecteur monté bord-SMA a été soudé sur le bord de la plaque, et mesurée sur un analyseur de réseau à un balayage de fréquence de 2,0 à 4,5 GHz. La figure 2 (c) montre la simulation et mesurées de S11

Figure 2. (a) Les résultats de simulation montrant le S11 en fonction de la fréquence pour des valeurs différentes largeurs (W); (B) Diagramme de rayonnement mesurée dans la direction de bout feu (représentée sur la figure 1 (a) en tant que θ = 90 # 730, et # 730 -90, dans le plan x-y) à 2,45 GHz; (C) de mesure et S11 simulée du réseau d'antennes de fin d'incendie multi-bandes.

le réseau d'antennes de fin d'incendie multi-bandes. L'antenne proposée produit un faisceau de feu d'extrémité et est mis en correspondance sur un multi-bandes dans la gamme de fréquences de 2,0 à 4,5 GHz. On mesure multi-creux dans S11, qui comprend l'impédance correspondant à des fréquences de 2,9, 3,4, 3,7 et 3,9 GHz.

5. Conclusions et discussion

La conception, la fabrication et la caractérisation d'une antenne réseau de bout en feu rectangulaire Patch ont été présentés. L'antenne a été conçu et optimisé à l'aide de huit éléments de demi-longueur d'onde et une largeur 0.12λ dans le substrat FR-4. Les résultats mesurés montrent le fonctionnement des feux de fin avec un gain maximal de 6,9 ​​dBi mesurée dans la direction de bout en feu. L'antenne proposée peut être utilisée pour les applications multibandes qui nécessitent un diagramme de rayonnement dans la direction de bout en feu.