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超高效的宽带多层介质谐振器天线和阵列

2022-07-06 来源:微波射频网 编辑:罗杰斯企业 字号:

一些具有着43%的宽带网络、同轴馈电的多层住宅媒介谐振器全向天线(DRA),运转带宽的配置8-12GHz,可包涵整体X波长。1个DRA在10GHz时的表现出8.2dB的高增益值值,整体波长的使用率超出95%。1个DRA组合其中包涵同轴馈电和重金属漫反射腔,其媒介要素其中包涵导热系数为10.5的表层媒介和导热系数为2.1的外面媒介。1个DRA的规格尺寸是20×20公厘左右和22×22公厘左右,其rf射频特征参数衡量结局与逼真模型完成相符。衡量1个包涵Rotman-Turner透镜的5x5的DRA组合的可扫一扫阵列,其阵列衡量结局认同与逼真模型结局比较相符,在8-12GHz的頻率范围内内,均可改变0到30度的多方面扫一扫,10GHz时增益值值为21.5dB。

wifi外置定向定向天线是大位置电磁炉炉(EM)控制系统的根本位置,正是因为她们接近场与远场EM辅射结合在一起在一起。一般数老式的wifi外置定向定向天线采用废金属质材质中的电流值来有电磁炉炉辅射,只不过,考虑到趋肤相互作用和废金属质材质有粗糙度,废金属质材质wifi外置定向定向天线在中的频率下成绩出效果下滑。还有就是,对于PCB的二维wifi外置定向定向天线也兼备有限制的的资源带宽和收获。

DRA是由低自然损耗的媒质物料转变成的三维空间外置定向天线,应该有效果地发射卫星和读取电滋波辐射能。而对于DRA而言,与导电电压交流电相同,就是的”近区”的EM能量转换近乎齐全由位移电压交流电大力支持,它不受到趋肤相互作用的不良影响。最后,与应用于五金的PCB外置定向天线相对,DRA的工作任务机理是在媒质机构中增加许多谐振电滋波方式,这让在的频点下仍应该至关有效率。

于此,一旦设计的恰当,DRA的拓张三维图的形状是可以保证 僵板的、效率的宽带网幅射,在全部整个作业频段上更具高度的幅射方法。

介质谐振器的辐射和非辐射模式

媒介谐振器(DR)的谐振策略代表性了区别的电磁炉场分布图制作。他们的统计学代表被观点是麦克斯韦-亥姆霍兹式子在某类不对应点轴性和疆界具体状况下的解。不对应点轴性分类了统计学指数函数值公式的形式,疆界具体状况判定了策略。举例,但如果不对应点轴性是圆形、圆柱体形或矩形框,麦克斯韦-亥姆霍兹式子的解将分开 是曲面谐波、贝塞尔指数函数值公式或大部分的正弦指数函数和余弦指数函数值公式。

最喜欢见的谐振器是有一个柱体形的谐振器,也被被视为冰球,工做在其几乎的横电TE01δ模试,或最底的谐振频段。在柱体形的形壮和不对称性,几乎所有的症状态或震动模都由腔上下的首位和2、类贝塞尔方程来说,这之中边界线状况反馈在模试股价指数上。

随后,对於TE01δ传统模式,独这之中两只均值(0)指出径向呈对称性,不会有位子角时间格局。然后个均值(1)指出电场线有这之中两只最大程度值,由贝塞尔指标方程J1(kr)指出,这之中k是沿谐振器圆的圆弧的波数。更举例子地说,然后个均值带表了这之中两只半激发光谱线性拟合在谐振腔圆的圆弧内的贝塞尔型指标方程。接下来,3、个均值(δ)与沿纵向于柱体形谐振器最上层和下方面上的z导向的模态格局相关,并与沿z导向的模态指标方程方法相关。在”三文治”标准配置的冰球的状态下,媒质被储放在两只重金属间,δ=1;在更通常具体情况下的状态下,0<δ<1。

DR高阶传统格局的场的结构愈来愈缜密,有不同的方式来标识这些。上方解释的应用于ϕ、r和z坐标系的的方式是由Kobayashi-Senju和Zaki-Atia对于微波射频操作系統,Snitzer对于光学材料操作系統提供的。1-3孩子们也为混合物传统格局机遇了EH或HE的品牌,这决定于是电场线或电磁场在Z方向盘上功绩了最首要的成份。

相比之下,我们提出了一种基于基本TE01δ和TM01δ横磁(TM)模式的直观的模式指定方法。我们省略了第一个和第三个指数,因此将基模(即单元格)称为TE1和TM1,分别代表磁偶极和电偶极(MD和ED)。图1说明了基本TE1和TM1单元的电场和磁场分布。对于这些基模,XY平面内的场线平行于圆柱形谐振器的顶部和底部表面,并表现出圆柱对称性,因此它们非常接近于”纯”TE和TM模式。

图1. 基本TE1(a)和TM1(b)单元的电场和磁场分布。

任何高阶模式都可以被表示为多个ED或MD的组合。不过在我们的例子中,TE或TM意味着”准”TE或TM。高阶模式的例子是电和磁八阶模,即Kobayashi表示法中的HE22δ和EH22δ,如图2中所示。与这些模式相对应的模拟场如图3中。在拟议的表示中,它们被称为4TM1和4TE1,或四个ED和四个MD。

图2. Kobayashi代表法中的电和磁八阶状态,HE22δ(a)和EH22δ(b)。

图3. 仿真场4TM1(a)和4TE1(b)。

究竟策略多么的多样化,它都能够以用偶数的交叠电偶极或磁偶极来说。循坏数,即Kobayashi定名中的有一平均值,而且代表会贝塞尔函数值的方面结构特征,举例了你们说中交叠对的比例。假如,而对于HE22δ策略,有一平均值(2)代表着着有两对(方面角的十二个子域),故此在你们的标志中是十二个偶极子。交叠偶极子的比例是有一Kobayashi平均值的两倍。

所强调的认为办法没有Kobayashi办法的数学思维作风条理清晰,但从保证形象直观的表达、场可视化管理和追踪模式英文手机配置的弯度来讲,它有多优势:。那样认为办法以偶极子为核心,与电磁能学和麦克斯韦方程式的核心构造彻底一样的,尤为是前两只,要素上认为无穷小的电偶极和磁偶极构造。

这觉得手段也促使迭代状态-规律的级别划分。大量的电环或磁环是是由于着大量的交叉偶极子,如此响应的状态规律也较高。该手段还可以保证了对状态Q(品味指数公式)的太好掌握,是由于偶极子的量越大,场与谐振器的融入就越紧凑,Q就越取决于tan(δ)的倒数。该手段还促使可以保证和改良促进状态的手段。

最重要的是,该方法清楚地显示了模式的辐射特性,因为交替的偶极子代表了消失模,它们的远场会系统地抵消,形成非常低效的整体辐射器。只有由非配对偶极子代表的模式才能有效辐射,提供了TE和TM单元格模式的两个家族:TE01δ(TE1), TE02δ(TE2), TE 03δ(TE3), ... TE0nδ(TEn) 和TM01δ(TM)1, TM02δ (TM2), TM03δ (TM3), ... TM 0nδ(TMn)。从现在开始,我们省略最后一个指数δ,并将这些模式简单地称为TE01、TE02、TE03、...TE0n。如前所述,TE模式具有径向对称性,因此场线系统可以由金属表面(即电壁)上的半谐振器支持,同时也起到电镜的作用。

图4a彰显了TE01电场线线的这个相对性水平。在图4b中,该水平被这个电壁所转化成,如废金属,而另个半的谐振器被移除。这时边缘前提始终有满足了,始终苹果支持TE01模型(和TE家簇的那些其余成员名单)。半块谐振器都可以是这个半圆锥形体,这个半球体(或圆顶)或这个半正方形体。

图4. 中间一TE01模试相对性水平线磨的磁场线(a)及及该水平线磨被合金材料等电壁被淘汰并移除就不谐振器时的磁场线(b)。

那样结构设置被做为大家设置的知识基础,正是因为它提供数据了本身自然的措施来提高和解耦DR TE方法,并积极采取其经验丰富的辅射基本特征。由电壁生成的谐振器形壮和对应性的增加阻止了水平于砖面的磁场的DR方法。如本文原来基本概念的TM方法也被阻止。虽然,电壁的的存在生成了另一个地表面层,为新的增韧TM方法题材創造了有益的边界线条件。就像文中5图示,强磁场就可以来源砖面并由半谐振器层面支技。

图5. 物质半谐振器中TE和TM影响策略的电场线。

实际上,DRA的光光普及网络带宽是由光光普及TE和TM形式的彼此之间做用决定性的(见图6)。如上说明,就只有径向对称轴的TE和TM形式,即未联接的偶极子,究竟很好的光光普及器。我们总有极其多种的光光普及形式:TE形式在钻孔大小中光光普及最大化程度,在方面光光普及最低(见图6a),而TM形式的光光普及措施合适对立,钻孔大小光光普及最低,方面光光普及最大化程度(见图6b)。

图6. 纯TE(a)和纯TM(b)电磁光辐射模试的电磁光辐射图。

对于具有均匀介电常数空间分布的典型DRA,如金属地平面上的半圆柱体DRA,TE和TM模式以交替的顺序出现在频谱中(见图7)。TE01模式出现在频谱的低端,接着是TM01模式,TE02模式,TM02模式,依次类推。尽管这样的DRA结构有很宽的阻抗带宽,但由于频谱中TE和TM模式的交替出现,孔径辐射带宽受到严重限制。

图7. TE和TM经营模式频谱的主要交叉队列的关系。

设计和制造

根据不同的应用和所需的辐射方向,可能需要TE或TM模式。此外,在许多应用中,由同一类型的辐射模式形成的宽辐射带宽是可取的。本文介绍的DRA设计有一个空气中心(见图8),以提供一个由多个TE模式形成的宽辐射带宽。它通过抑制辐射频段内的侧向辐射TM模式,并将TM模式的频谱位置转移到更高的频率来实现这一目的。图9显示了DRA的典型增益和|S11|,并描述了TE模式的宽辐射带宽。这种DRA可以达到40%以上的TE模式辐射带宽。

图8. 配有热空气重心的DRA规划能提供了兼备多TE形式的宽福射服务器带宽。

图9. 代表性的DRA增益和|S11|显示TE模式的宽辐射带宽。

选文中简述的带宽DRA是很多层的,下有个气氛中和拥有有相对表面电阻率为10.5的表层和拥有相对表面电阻率为2.1的表面层的导电物料要素。表层是那种填色有鲍尔环填料颗粒剂的热延展性塑料制品,表面层是未填色的PTFE。各个的导电物料要素基本都是数控车床生产加工拍摄的,表层与表面层是根据负荷切合的。DRA还包括拥有同轴馈电和拥有铝质漫反射层层器腔,以供应阵列中相互邻近DRA相互间的隔離。图10界面显示了生产加工拍摄的结构件和制造的DRA。拍摄了每种类别的DRA,那种是合金重金属漫反射层层器底架寸尺为20×20mm(被分为象限1),另那种是合金重金属漫反射层层器底架寸尺为22×22mm(被分为象限2)。

图10. DRA的元件(a)和装设(b)。

结果和讨论

单个天线元件

DRA单元分别用矢量网络分析仪(VNA)进行测量;|S11|与频率的关系显示出与仿真的良好一致性(见图11)。从略低于8GHz到略高于12GHz,|S11|小于-10dB,提供了一个43%的阻抗带宽。此外,|S11|对金属反射器的尺寸不敏感,这表明介质结构和空腔的高模式抑制。此外,测量单元的|S11|在8至12GHz的匹配频段上表现出明显的最小值,这归因于DRA支持的各种TE模式。

图11. DRA单元在频率上的仿真与测量|S11|。

图12提示了DRA模快的孔经上的检测增加收益,它与模拟软件导致如此亲近,根据频谱中会有相距的TE形式 ,从约达8.75到12GHz的速率范围之内内一直持续较高的增加收益。单独DRA模快在10GHz时模拟软件和检测的孔经增加收益约为8.2dB。不仅如此,模拟软件导致提示,DRA在一部分8-12GHz频段的覆盖吸收率大过95%。

图12. DRA单元式在頻率上的模型制作与在测量的管径增益值。

为了能认为DRA来设计的3D优点所有的影响,一两个20×20mm外径的外径工作效率,在并没有扣除地面的的情形下,安全使用毫无疑问的公试核算:

之中G是外置wifi天线的增益控制,A是外置wifi天线内径的基低空间,λ是可见光波长。

在10GHz时,20×20分米DRA的测试收获为8.2dB,故而要根据该表格函数换算出的外径学习效果为118%。它少于100%,是由于该表格函数能提供的是二维外径的外径学习效果,而DRA的正真外径是收录DRApcb板的整体耐折3D反射表面能。

图13展现了考试的DRA单元式在10GHz时的E面和H面大范围地扩散趋势图。测定后果取决于,高于20×20mm毫米的反射层器尽寸对内径收获的不良影响太小,也进一次取决于大范围地扩散基本基本模式源最主要由DRA的物料有些的涡流基本基本模式把控好。

图13. DRA模块的E面(a)和H面(b)定向天线覆盖图测定。

阵列天线

是为了发现好几个DRA在于一些适用的典范可扫描拍照机阵列的性能参数,公司創建了一些5×5的DRA阵列。图14a是5×5的DRA阵列的照片视频,各举另一名DRA均有独立空间的同轴馈电。该元件涵盖在一些容下所有的DRA的架构设计内。图14b表明了5×5的DRA阵列,它由一些Rotman-Turner透镜馈电,其扫描拍照机角度来可以达到30度。

图14. DRA阵列(a)和有点Rotman-Turner透镜馈电的阵列器件(b)。

图15凸显了5×5 DRA阵列在10GHz下,Rotman-Turner透镜波束端口设置沿目标方向上机目标方向上水平面目标方向上机0度、10度、20度和30度的福射危害目标方向上图。数据凸显,测试和仿真技术的福射危害图相互有充分的一直性。

图15. 5x5 DRA阵列在10GHz时的模型制作与校正辅射图。

结论

因为两层媒质谐振器的覆盖危害的特点,在10GHz下装修制定了两个异常高效化、宽频和波束角度稳定的DRA。覆盖危害带宽起步在TE和TM覆盖危害玩法内的主动影响超过最大的化。谐振器的外观、两层组成和第一单元组成极为有有益于频谱近距的多家TE覆盖危害玩法。除外,应用废气主,覆盖危害的TM玩法被减缓并中移动到最高的的规律。该技艺在很宽的频段上出示了白皙和高的口径增加收益。DRA装修制定可拓张至C频谱到小车统计的规律,及最高的的规律范围内内。.我充满信心,该技艺出示了传统意义全向天线技艺始终无法草率实现了的有的价值的平衡。

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