Geprinte monopoolantenne met hoge versterking en dual-bandkarakteristieken met FSS-belasting en hoge hoedconstructie

conventionele monopoolantenne

Een conventionele monopoolantenne bestaat uit een stralende patch, voedingslijnen en een ronde basis. De uitgestraalde patch van een conventionele monopoolantenne is meestal ontworpen voor een kwart golflengte, d.w.z. 1/4_G (waar λ_G komt overeen met golflengte). Voor toepassingen in de maritieme omgeving bevindt het basisstation zich meestal enkele meters boven het op de boot gemonteerde antennesysteem, waarvoor antennestructuren met schuine straalpatronen nodig zijn. De stroomverdelingen voor een dipool- of monopoolantenne met een lengte van respectievelijk 1,5 en 0,75 resulteren in een maximale bundelkanteling in opwaartse richting. Dus in dit werk is de lengte van de unipolaire patchradiator ontworpen op 3/4 λ_G (1/4 λ afgeleide_G) om bundels met schuine stralingspatronen te genereren. Een conventionele monopoolantenne heeft een impedantiebandbreedte van | S.₁₁| <10 dB bij 1,35 tot 1,6 GHz en 2,1 tot 2,4 GHz. Bovendien wordt een lage versterking van minder dan 3 dBi bereikt in de lagere frequentieband van de antenne.

Om de impedantie-aanpassingscondities van een conventionele monopoolantenne te verbeteren, worden rechthoekige armen met een open cirkel toegevoegd aan de zijkanten van de rechthoekige patchradiator, zoals weergegeven in afbeelding 2. Elke stomp is ontworpen met een lengte naar₄ En de voorstelling w₃.

De resultaten van de gesimuleerde reflectiecoëfficiënt (S₁₁) en staande golfverhouding (VSWR) en de vergelijking met conventionele SSWR in respectievelijk figuur 3a, b. Impedantiebandbreedte van | S.₁₁| <10 dB en VSWR ≤ 2 in het lagere frequentiebereik van 1,32 tot 2,3 GHz, en een hoger frequentiebereik van 2,6 tot 2,9 GHz wordt bereikt door toevoeging van apter.

Kruisplaat ontwerp

Een van de nadelen van een conventionele bedrukte monopoolantenne is dat het azimutstralingspatroon (xoyHet vliegtuig) heeft geen uniform omnidirectioneel patroon. Dit komt doordat er meer op het stralingspatroon wordt gericht jezus-vliegtuig vergeleken met xoz-vliegtuig. Bovendien vervormen de omnidirectionele stralingspatronen van een conventionele monopoolantenne met frequentieverandering binnen het werkbereik van de antenne. Een manier om uniforme omnidirectionele stralingspatronen te verkrijgen, is door de breedte van de gelijkrichtende straler te verkleinen. Deze benadering vermindert echter de bandbreedtekarakteristieken van de antenne.

Om deze uitdaging aan te gaan, is een kruisplaat geïntegreerd in een conventionele monopoolantenne, zoals weergegeven in figuur 4. De kruisplaat bestaat uit een metalen plaat die loodrecht op het gedeeltelijke grondvlak is geplaatst en een kruisstructuur vormt⁶. De dwarsplaatstructuur op de ronde basis van de antenne biedt een reflecterend gat voor de elektromagnetische golven die worden uitgezonden door de monopoolantenne, waardoor kan worden voorkomen dat de azimutstralingspatronen in een bepaalde richting samentrekken (dat wil zeggen, jezus-vliegtuig).

Illustratie van de kruisplaat geïntegreerd in het ontwerp van de monopoolantenne (A) zijaanzicht en (B) bekijk het waar-perspectief naar_doorgang= 18 f w_doorgang= 44 (eenheid: mm).

Voor verdere overweging van de materiële betekenis van de dwarsplaat, bekijk de dwarsplaat, w_doorgang die een cruciale rol speelt bij het realiseren van een vlak, multidirectioneel stralingspatroon. Zoals weergegeven in figuur 5a, wordt het azimutale stralingspatroon breder om een ​​omnidirectioneel stralingspatroon te vormen met toenemende w_doorgang. Ook is te zien dat de beste afvlakking van het azimutale stralingspatroon wordt bereikt wanneer w_doorgang= 44mm. Het verschil echter w_doorgang Het lijkt geen significant effect te hebben op de impedantiebandbreedte van de monopoolantenne, zoals weergegeven voor S₁₁ De VSWR-resultaten staan ​​in de figuur. 5b, c, respectievelijk.

Anisotropie dwarsplaatbreedte (w_doorgang(voor)A) azimut stralingspatroon, (B) gesimuleerde ingangsreflectiecoëfficiënt (S₁₁) En (C) Spanning staande golf (VSWR) resultaten.

De resultaten van het azimutstralingspatroon worden getoond in Fig. 6. Voor het gemak van referentie staat een conventionele monopoolantenne met toegevoegde stompen bekend als een structuur. Aterwijl een conventionele monopool met beide armen en dwarsplaten toegevoegd een structuur wordt genoemd B. Uit de azimutresultaten blijkt dat stabiele stralingspatronen worden bereikt wanneer de kruisplaat wordt toegevoegd in vergelijking met de conventionele monopoolantenne. Bovendien onthullen de resultaten van de 3D-piekversterking die worden getoond in Fig. 7 een lichte afname van de versterking bij hogere frequenties wanneer het dwarspaneel wordt toegevoegd. Er wordt echter een significante toename in versterking waargenomen voor lage frequenties.

Resultaten van het azimutstralingspatroon van een conventionele constructie A en structuur B in (A( 1,7 GHz, )B( 1,8 GHz, )C( 1,9 GHz en )dr) 2GHz.

Gerealiseerde versterkingsresultaten voor conventionele antennestructuren.

Hoed structuur ontwerp

Om de versterking van de conventionele monopoolantenne te verbeteren, met name voor het lagere frequentiebereik (d.w.z. frequenties tussen 1,6 en 2 GHz), is aan het uiteinde van de monopoolantenne een afdekconstructie toegevoegd. Figuur 8. De configuratie van de hoge hoedstructuur wordt geïllustreerd. De structuur van de hoge hoed bestaat uit drie metalen platen die in een hoedachtige vorm zijn gerangschikt. Sleuven in het bovenaanzicht van de hoge hoedstructuur vormen de invoegpunten voor het Taconic-buffersubstraat.

hoge hoed structuur configuratie (A) zijaanzicht en (B) bovenaanzicht waar de_hoed= 50 f S_hoed= 30, w_hoed= 35, S₅= 0,57, S₆= 6 (eenheid: mm).

De motivatie achter het gebruik van de metalen bovenkap is om een ​​grote stralingsopening voor de monopoolantenne te bieden om de gerichtheid te verbeteren, zonder de algehele antennegrootte te vergroten. Na het opnemen van de hoge hoedstructuur verslechtert de bereikte versterking van de monopoolantenne echter, hoewel een hoge directiviteit wordt bereikt. Dit wordt voornamelijk toegeschreven aan de slechte afstemming van de antenne na het toevoegen van de hoge hoed.

Om alle voordelen van de hoge hoedstructuur te benutten en tegelijkertijd goede antenne-afstemmingsomstandigheden te bereiken, wordt een laag frequentieselectief oppervlak (FSS) bestaande uit drie metalen eenheidscellen met vierkante lus aan de achterkant van de unipolaire uitgestraalde patch geplaatst. FSS-structuren zijn frequentieafhankelijke oppervlakken die zijn samengesteld uit periodieke structuren die de eigenschappen van elektromagnetische golven die er doorheen gaan kunnen manipuleren.²⁴. Het unieke frequentieschakelvermogen van de FSS wordt gebruikt om de antenne-afstemmingscondities te verbeteren vanwege zijn eenvoud en fabricagegemak. Bovendien hebben FSS-structuren extra voordelen van resonantiekarakteristieken die kunnen worden gebruikt om de impedantiebandbreedtekarakteristieken van de antenne te verbeteren. De FSS-eenheidscel kan afhankelijk van de afmetingen fungeren als een overgangs- en reflecterend oppervlak. Daarom is elke cel ontworpen met geoptimaliseerde afmetingen van 34 mm x 34 mm (0,3°_Gx 0,3λ_G) om de gewenste kenmerken van de doelband van de monopoolantenne te bereiken.

De hoge hoedstructuur gekoppeld aan de FSS-eenheidscellaag resulteert in een piekversterking van ongeveer 5,2 dB in de doelband zoals weergegeven in Fig. 9. Opnieuw kan worden geconcludeerd dat de hogere versterking van de resultaten in Fig. 10 kenmerken is bereikt door de bijdragen van elk van de FSS-laag en hoge hoedstructuur. langer | S.₁₁| De VSWR-resultaten worden getoond in respectievelijk Fig. 10a,b waar de voorgestelde antenne de impedantiebandbreedte | toont S₁₁| <10 dB en VSWR ≤ 2 bij 1,35–2,1 GHz en 2,4–2,75GHz.

Verkrijg resultaten van voorgestelde en conventionele monopoolantennes.

Simulatieresultaten voor (A) reflectiecoëfficiënt (S.₁₁) En (B) permanente spanningsverhouding (VSWR) voor voorgestelde en conventionele monopoolantennes.

Frontier studie

De invloed van de belangrijkste ontwerpparameters van de hoge hoedstructuur, d.w.z. lengte, breedte en spatiëring (de_hoedEn S_hoed En w_hoedrespectievelijk), een gedetailleerde parametrische studie in termen van de reflectiecoëfficiënt (S₁₁), VSWR en winst bereikt in Fig. 11a-c. Met betrekking tot het doelbereik van de antenne (d.w.z. lage frequenties), kan worden gezien dat de versterkings- en impedantiebandbreedteprestaties verbeteren met toenemende lengte (de_hoed) zoals weergegeven in afb. 11a. De beste winst- en bandbreedteprestaties worden bereikt wanneer de_hoed= 40mm.

simulatieresultaten | S.₁₁| , VSWR en variërende versterking (A) de_hoed(B) w_hoed En (C) S_hoed grens.

Verder het vergroten van de breedte van de hoge hoed (w_hoed) antenneversterking neemt toe in de doelfrequentieband zoals getoond in Fig. 11b. De wisselwerking tussen impedantie en versterkingsbandbreedte wordt bereikt in het geval van w_hoed Divergentie met impedantiebandbreedteprestaties neemt toe met afnemen w_hoed. In dit geval worden de beste prestaties bereikt, rekening houdend met zowel versterking als impedantie wanneer w_hoed= 30mm.

Bovendien is de afstand tussen de verticale metalen platen van de bovenkap (S_hoed) om hun impact op de prestaties van de versterkings- en impedantiebandbreedte te bepalen, zoals weergegeven in figuur 11c. Wederom kan een soortgelijke opmerking worden gemaakt S_hoed Zoals in het geval w_hoed Er vindt dus een wisselwerking plaats tussen de prestatie van de versterkings- en impedantiebandbreedte. Uit de resultaten gepresenteerd in Fig. 11c, worden de beste versterkings- en bandbreedteprestaties bereikt wanneer S_hoed= 30mm.