优化相位补偿表面和侧壁的低剖面高效发射阵列天线设计及性能分析

⃝× × × ××可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）501www.elsevier.com/locate/icte使用优化的相位补偿表面（PCS）和PEC侧壁的低剖面高效发射阵列天线朴正贤、李载坤韩国昌原庆南大学电子工程系接收日期：2021年1月22日;接收日期：2021年3月17日;接受日期：2021年4月5日2021年4月19日网上发售摘要提出了一种采用优化相位补偿面和PEC侧壁的低剖面高效率发射阵列天线。TA通常由源天线和平面PCS组成，PCS使发射相位通过PCS的波是同相的，导致高度定向的波束。PCS的单位单元不能在所有透射相位具有100%透射率。由于可以存在进行各种同相的PCS的组合，因此可以提高TA的发送效率。此外，四个PEC侧壁用于最大化从源天线到达PCS的功率量。结果，实现了100%的溢出效率，而没有减小锥形效率。为了验证其可行性，在5.8 GHz下设计并测量了方形TA，通过上述设计方法获得了54%的高孔径效率c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：发射阵列天线（TA）;相位补偿面（PCS）; PEC墙;高效率1. 介绍近年来，由源天线和相位补偿表面（PCS）组成的发射阵列天线（TA）已经被大量研究以实现高方向性天线和波束控制[1这些类型的天线是传统的高方向性天线的非常有吸引力的替代品，例如阵列天线[13]，抛物面天线[14]和介质透镜天线[15]。TA具有使通过PCS的发射波的相位在期望方向的法向表面处同相的设计方法。为了操纵波前，PCS需要具有良好的透射率和360nm的全透射相位变化的特性。同时，TA的一个重要性能指标是孔径效率。孔 径 效 率 （ ηa ） 是 溢 出 （ ηs ） 、 锥 度 （ ηt ） 、 透 射（ηtranss）、相位（ηph）、偏振（ηpol）和随机（ηr）效率的乘积（ηa=ηsηtη反式ηphηpolηr）。其中，溢出、锥度和透射效率是影响孔径效率的主要因素。溢出效率和锥形效率由功率的大小决定∗ 通讯作者。电子邮件地址： jaegonlee@kyungnam.ac.kr（J.- G. Lee）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.04.002从源天线到达PCS及其均匀性。因此，当源天线和PCS（F）之间的距离增加时，溢出和锥形效率分别减小和提高。另一方面，当PCS（D）的直径增加时，溢出和锥形效率分别提高和降低。这就是为什么喇叭天线在许多研究中被用作源，因为天线具有高增益，并且与平面贴片天线相比，在溢出和锥形效率方面具有优势[1在这些情况下，当F/D值在0.8至1.2的范围内时，通常可以获得高孔径效率[16]。因此，这些类型的高效TA在获得高效率的同时固有地遭受体积的影响。为了设计一种低剖面的高效率TA，已经研究了许多论文[17它们需要大的馈电结构、与PCS几乎相同尺寸的复杂附加结构或不同类型的单元电池。本文提出并设计了一种低剖面高效TA，采用优化的PCS和4个PEC侧壁。优化的PCS和PEC壁分别用于最大传输效率和100%溢出效率。通常，PCS的单位晶胞难以在5.8GHz下具有完美的透射率通过应用2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J. - H.帕克和J. - G. 李ICT Express 7（2021）501502×=-Fig. 1. 具有用于PCS的等间隔电容性圆形印刷贴片的单元电池的结构（a）侧视图（b）俯视图。优化后的PCS既能实现最大透过率，又能实现同相，从而使传输效率最大化。此外，PEC侧壁用于阻挡来自源极的泄漏，使得到达PCS的功率量为100%，并且溢出效率为100%。建议的电讯局长的运作时间如下：5.8通过仿真和测量验证了天线的性能。2. 相位补偿面的单胞设计本文提出了一种用于相位补偿面的圆形贴片阵。圆的晶胞图二、四 层 P C S 的 等效电路模型。图3.第三章。 具有4个PEC侧壁的拟定TA的结构。表1在5.8 GHz下，单位单元的全波模拟传输幅度和相位对圆形贴片半径（a）。贴片阵列基于金属-电介质PCS [21]。如图在图1中，单位单元由具有等间隔的电容性圆形印刷贴片的介电层形成。如圆形贴片半径（a）（单位：mm）传输幅度（单位：线性）传输阶段(Unit：度）从微波滤波器理论中众所周知，每一层的存在当电介质层的数量增加时，传输相位的范围更宽，使得利用四个电介质层和五个印刷贴片来确保360μ m的全相位范围。此外，圆形几何形状提供偏振独立性。 图图2示出了具有四层的PCS的等效电路模型，并且PCS的单位单元可以有效地建模为工作频率下的串联电感和并联电容。通过PCS单元的等效电路模型，我们可以控制和期望PCS的工作频率。表1给出了在5.8 GHz下单位单元的全波模拟传输幅度和相位与圆形贴片半径（a晶胞的厚度（4h）和尺寸（W）分别为12.8 mm和20 mm（0.38λ0）。此外，所用的衬底和模拟器 是 TLY-5（ εr2. 2 和 tanδ 0.0009 ） 和 商 业 ANSYSElectronics桌面软件。当圆形贴片半径从0.5 mm变化到9mm时，透射幅度大于0.8，透射相位范围约为380Ω。3. 发射阵列天线（TA）图图3示出了具有四个PEC侧壁的所提出的TA的结构。该TA由贴片天线作为源，PCS控制源的相位，0.5 0.96 −1291 0.96 −1301.5 0.96 −1312 0.96 −1332.5 0.96 −1363 0.97 −1403.5 0.98 −1444 0.99 −1514.5 0.99 −1615 1 −1745.5 0.98 −1896 0.94 −2076.5 0.87 −2292019年12月25日7.5 0.94 −2838 1 −3258.5 0.82 −4229 0.94 −510和四个PEC侧壁，如图3所示。贴片天线被设计为长18mm、宽16 mm的矩形贴片，工作频率为5.8 GHz。同轴馈电并且距离中心4.5mm。此外，用于源天线的所用基板是RT/duroid 5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。可以通过PCS的直径（D）和源天线的增益来考虑焦距（F），以获得最大孔径效率。当F/D值变为J. - H.帕克和J. - G. 李ICT Express 7（2021）501503∼≈≈图四、各 种 P C S 的 传输幅度（a）0 Hz（b）90 Hz（c）180 Hz(d)270度约1时，具有高增益性能的源天线由于高溢出效率而有利于实现高效率。本文以贴片天线等低增益天线为了克服与高增益源天线相比的低溢出效率，4个PEC侧壁被用于所提出的低轮廓高效率TA，如图1所示。3 .第三章。当源天线由诸如贴片天线的低增益天线设计时，对于最大孔径效率，最佳F/D可以计算为0.2 0.25 [16]。因此，PCS的焦距（F）和直径（D）被确定为50 mm（在5.8 GHz时为1λ0）和200 mm（在5.8 GHz时为4λ0）。5.8GHz），使得F/D为0.25。如表1所示，PCS的单位晶胞在5.8GHz下难以具有完美的透射率。由于存在PCS的单元格的组合，其产生各种同相，所以由于PCS的单元格的不完美透射率，TA的透射效率可以被最大化。图图4示出了同相操纵到0μ m、90μ m、180μ m和270μ m的各种PCS的单位单元的透射幅度。发射效率（ηtranss）可以通过等式（1）计算。（一）.∫⏐Eout(x, y)⏐2d S图五. 所利用的PCS与单元电池的组合制造180个同相电池。见图6。在5.8 GHz（a）x-z下，针对唯一贴片天线、无PEC侧壁的TA和具有PEC侧壁的TA的ηtranss=∫⏐E in（x， y）n =2d S（一）平面（b）y-z平面。其中Eout和Ein是PCS的顶面和底面上的电场。在不考虑源天线的情况下，按PCS单元的传输幅度计算，同相0Ω、90Ω、180Ω和270Ω的如果源天线在TA处集成，则发射效率将受到更大的影响因为PCS处的入射功率集中在中心。图图5示出了所利用的PCS与单元电池的组合，使得180欧姆同相。在应用图1的PCS之后。5，我们模拟并比较了在5.8 GHz时，仅贴片天线、没有PEC侧壁的TA和具有PEC侧壁的TA的远场辐射方向图。如图6、模拟J. - H.帕克和J. - G. 李ICT Express 7（2021）501504××−−⏐∫⏐∫×图第七章建 议 的TA的照片。表2比较了无和有4个PEC侧壁的TA无4个PEC侧壁带有4个PEC侧壁锥度效率百分之六十七百分之六十五溢出效应百分之七十七百分百发射效率百分之九十四百分之九十五孔径效率百分之三十六百分之五十六峰值增益18.3 dBi20.2 dBi具有和不具有PEC侧壁的TA的峰值增益是20.2 dBi和18.3dBi。此外，模拟峰值增益的建议TA与PEC侧壁是13.6与唯一的贴片天线相比，dB改善。由于溢出效率（ηs）和锥形效率（ηt）分别由从源天线到达PCS的功率的量和它们的均匀性决定，因此前者和后者可以由等式（1）计算。（2）和（3）。∫ |E（x，y）|二维S图八、建 议 T A 的 模拟和测量反射系数。TA和F/D分别为64.4mm和0.25。如图8所示，对所提出的TA的模拟和测量的反射系数进行了比较。使用安立MS46522B矢量网络分析仪获得测量结果。测量结果与模拟结果吻合良好，除了由于制造公差而导致的谐振频率偏移很小（30 MHz）。在全电波暗室系统中测量了远场辐射方向图电波暗室由屏蔽罩（尺寸为4 m2.5 m 2.5 m）、18英寸锥形吸波体、网络分析仪、无线通信测试装置、定位器、转台和双极化发射天线组成。图9提供了在操作频率下在x-z和y-z平面中天线的模拟和测量的同极和交叉极化辐射图案，其产生16.2dB的测量SLL交叉极化的图案被模拟和测量为小于15 dB的所有范围内的θ。模拟和测量的峰值增益分别为20.2 dBi和20 dBi。孔径效率可以基于最大方向性和PCS的单位单元被占据的面积来计算。 因此，测得的孔径效率为54%。证明ηs=1Prad（2）E（ x， y） d S2（三）提出的TA的性能，这项工作进行了比较和总结的性能与最近发表的一些ηt=S×|二维S|2 d S其中，S和Prad分别是PCS的面积和源天线此外，当PCS的尺寸为200 mm × 200 mm时，理论最大增益计算为22.7 dBi（5.8 GHz）。表2给出了没有和具有4个PEC侧壁的TA之间的模拟锥度、溢出、传输、孔径效率的比较。即使PEC侧壁位于源天线周围，从源到达PCS的功率均匀性保持，并且锥形效率没有显著影响。因为PEC侧壁阻挡来自源极的泄漏，使得溢出效率为100%。结果表明，由于PEC侧壁的影响，所提出的TA的模拟孔径效率从36%提高到56%图图7示出了具有优化的PCS和PEC侧壁的所提出的TA的照片。的总高度TA见表3。这种类型的TA既满足低姿态，尽管形状为正方形，但孔径效率高。1 dB增益BW与其他增益BW相比相对较窄，但认为这是由于PCS单位单元的特性4. 结论在本文中，TA，同时可以实现高效率的特点，同时具有低剖面提出使用优化的PCS和PEC侧壁。当PCS的单位单元在操作阶段不能实现完美的此外，PEC侧壁阻挡来自源的泄漏，导致100%的溢出效率和高孔径效率。建议的TA由100个元件组成，设计频率为5.8 GHz，J. - H.帕克和J. - G. 李ICT Express 7（2021）501505表3建议的TA与最近公布的设计的比较参考文献频率（GHz）F/D源类型增益（dBi）孔径效率（%）1 dB增益带宽（%）形状这5.80.2520544.3平方工作（平面）[1]第一章13.580.8（喇叭）23.9557.4圆形[二]《中国日报》11.30.8（喇叭）28.9309圆形[3]第一章10.30.9（喇叭）22.36224.27八角形[4]美国10.30.8（喇叭）24.85515.5平方[五]《中国日报》201.2（喇叭）33405.9圆形[6]美国100.2419.5425.2圆形（平面）见图9。模拟和测量的TA（a）x-z平面（b）y-z平面的同极和交叉极辐射图。F/D为0.25的低轮廓特性。制作的TA原型的孔径效率和峰值增益分别为54%和20 dBi。从结果可以得出结论，所提出的TA可以是各种现代无线技术的解决方案之一，例如5G无线通信、卫星通信和微波无线功率传输（MWPT）。J. - H.帕克和J. - G. 李ICT Express 7（2021）501506竞合利益声明作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作确认这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持 ， 该 基 金 由 韩 国 政 府 （ MSIT ） 资 助 （ 编 号 ：2020R1F1A1051217）。引用[1] G.作者：Liu，H.J. 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