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⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2(2016)199www.elsevier.com/locate/icte无线MIMO应用中的双频方向图可重构天线郑根智EMW公司研发中心,有限公司、大韩民国首尔接收日期:2016年5月30日;接收日期:2016年7月18日;接受日期:2016年8月8日2016年8月20日在线发布摘要在这项研究中,提出了一种双频方向图可重构天线2.4和5.8 GHz的无线多输入多输出(MIMO)应用。所提出的天线包括四对有源元件和寄生元件加载在PIN二极管上。通过切换PIN二极管,寄生元件充当导向器或反射器,并且天线的辐射方向图被优化。该天线在5.8 GHz频段内提供三种模式和九种辐射波束方向图所有波束方向图的测量峰值增益范围从5.6到10.4 dBi。在2.4GHz频带处,产生具有约4.5dBi的测量峰值增益的全向波束图案。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社:Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/)。关键词:波束控制天线;波束形成天线;可重构天线;可重构辐射方向图;开关寄生阵列1. 介绍无线多输入多输出(MIMO)通信市场的快速增长已经导致研究新技术以最有效的方式改进应用的可用频谱的性能和使用。方向图可重构天线是一个很好的候选者,因为它能够更好地重用信道并提高系统性能[1]。它的辐射方向图可以成形为将能量集中到目标,并最小化不需要的方向上的增益。通常,还提供全向图案用于所有方向上的通信。最合适的模式可以使用模式可重构天线按需配置[2]。提出了一种具有六个辐射方向图的介质嵌入式电子可操纵无源阵列辐射器(DE-ESPAR)天线阵列[1]。在文献[2]中,介绍了一种具有双频可重构频率选择性反射器的双频方向图分集天线。具有可切换缝隙的八木贴片天线可以改变反射器和导向器之间的寄生元件的性质[3]。另一种双频方向图可重构电子邮件地址:hyatlas@emw.co.kr。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《新兴市场特别问题》的特刊的一部分。医学诊断技术由Ki H.Chon,Sangho Ha,Jinseok Lee,Yunyoung Nam,Jo Woon Chong and Marco DiRienzo.基于电感电容并联电路和双寄生元件设计了八木宇田天线研究在[5]中提出了一种具有四个可切换反射器和寄生条的方向图可重构偶极天线。折叠偶极子被用作有源元件,但由于螺旋结构的限制,它只能产生两种辐射模式[6]。在[7]中,提出了具有八个可切换的印刷寄生元件的图案可重构条形图。在文献[8]中,基于共线偶极子阵列设计了另一种方向图可重构天线。然而,只产生了三种辐射模式。上述方向图可重构天线仅在单频带中可用,或者尺寸相对较大。在这项研究中,我们提出了一个双波段方向图可重构天线2.4和5.8 GHz的无线MIMO应用。该天线在5.8GHz频段提供三种工作模式和九种辐射方向图,在2.4GHz频段提供全向辐射方向图。有关这些研究的详细信息见以下章节。2. 设计考虑所提出的紧凑型双频带方向图可重构天线的设计基于开关寄生阵列(SPA)天线[9]。所提出的天线的配置如图1所示。该天线由有源元件、加载在PIN二极管上的寄生元件和DC线构成。有源元件由两个偶极子结构组成http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.08.0022405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/)。200J.K. Ji / ICT Express 2(2016)199××× ×××Fig. 1.所提出的紧凑型双频方向图可重构天线的几何结构。用于2.4和5.8 GHz操作。寄生元件由线性结构和两个PIN二极管组成。直流线由带状线和集总电感组成,用于隔离RF/DC信号。四对有源元件、寄生元件和DC线以90μ m的间隔对称地放置在方位平面中。双频带谐振频率由有源元件和寄生元件的长度和宽度确定。阻抗匹配由有源元件和寄生元件之间的距离、PIN二极管的位置以及集总电感的值来因此,可以通过改变有源和寄生元件的长度和宽度、这些元件之间的距离、PIN二极管的位置以及集总电感器的值来调谐和优化天线的辐射性能。DC线连接到寄生元件和有源元件,以便切换PIN二极管。如果向DC线提供DC控制信号,则寄生元件中的两个如果不是,则寄生元件处于断开状态。因此,寄生元件在PIN二极管接通时用作反射器,并且在PIN二极管关断时用作导向器在模式I中,具有所供应的DC控制信号的两个相邻寄生元件处于短路状态并且充当反射器。另外两个相邻的寄生元件处于开路状态,并且用作导向器。在x-y在模式II中,提供DC控制信号的一个寄生元件处于短路状态,并且用作反射器。其他的是开放状态,并作为董事会的职能。在x-y模式I和模式II的波束图以45μ m的间隔分开。在模式III中,所有寄生元件都处于断开状态,并作为导向器工作因此,在x-y因此,天线提供了三种模式,九个辐射波束方向图,如图所示。 二、图二.建议天线的辐射方向图重新配置方案。图三. 制作天线的照片。3. 实验结果所提出的天线是在具有低介电损耗角正切的特氟隆衬底(ROGERS RO4350B)上制造的,如图3所示。天线的总体积为22 mm 22mm95 mm,即0.17 λ00。17λ0 0。76λ0,其中λ0是2.4 GHz处的自由空间波长。每个印刷电路板(PCB)的尺寸为22 mm95 mm0. 8 mm和两个PCB正交组装的长度J.K. Ji / ICT Express 2(2016)199201+见图4。(a)模式I、II和III的模拟和(b)测量回波损耗。有 源 元 件 中 的 较 长 和 较 短 偶 极 子 结 构 分 别 为 60 和25.5mm。结构的宽度和间距分别为1 mm和1 mm。使用具有SMA连接器的同轴电缆将RF信号馈送到积极的元素。将上、下有源元件组合并分别连接到同轴电缆的内、外导线。寄生元件的长度为26.5mm,其为0. 212λ0,并且每个寄生元件被分成具有0.5mm间隙的三个短元件(10、5.5和10mm),元件的宽度为2 mm,寄生元件中使用的PIN二极管是具有低损耗和高隔离特性的MACOM MADP-008120- 12790 T。有源元件和寄生元件之间的距离为4mm,其为0. 032λ0。直流线路通过圆形PCB连接, 五针连接器、寄生和有源元件以及地。圆形PCB也是直径为18mm的Teflon基板五针连接器的四个针用于向每条DC线提供3V DC电压。另一个引脚用于直流接地。DC线的宽度为0.5mm。用于隔离RF/DC信号的集总电感器位于下部DC线的中间、下部DC线和寄生元件、寄生元件和上部DC线、上部DC线和有源元件以及有源元件的中心表面贴装技术图五.在x-y202J.K. Ji / ICT Express 2(2016)199见图6。 模式I、II和III的实测峰值增益。片式电感器用于集总电感器。的值的两个电感分别为22和5.1 nH。这些值经过优化,可在2.4和2.5时隔离RF/DC信号。5.8 GHz频段。因此,两个芯片电感器串联连接,以便同时隔离2.4和5.8 GHz的双频带。图4示出了根据本发明的实施例的模拟和测量的回波损耗。制造的天线。分别使用ANSYS HFSS全波模拟器和KEYSIGHT E5071C矢量网络分析仪模式I、II和III的谐振频率约为2.4和5.75 GHz,并且针对模式I和模式II进行了优化。I.在低频段的测量结果与模拟结果吻合较好。然而,模拟结果似乎比在上频带的测量更好。 众所周知,具有SMA连接器、PIN二极管和集总电感器的同轴电缆对结构参数高度敏感。在制造过程中,参数可能会受到一些因素的影响,如焊接产生的条件和同轴电缆,PIN二极管和芯片电感器的公差。测量的总辐射增益方向图的天线在5.8在图5中绘制并比较了GHz。当使用两个DC控制信号时,模式I在x-y当使用一个DC控制信号时,模式II还在x-y当不使用DC控制信号时,模式III在x-y见图8。在模式I下,应用于器械的天线的实测回波损耗。考虑到天线的对称性,模式I和模式II的波束方向图在x-y在所有三种模式中,峰值辐射方向在90°在2.4GHz频带的情况下,所有三种模式在x-y因为寄生元件的长度在2.4 GHz频段,所有寄生元件仅在5.8 GHz频段起作用。图6中示出了根据工作频带的测量的峰值增益。对于2.4GHz频带,所有三种模式下所有波束图案的峰值增益约为4.5 dBi。在5.8 GHz频段上,所有波束方向图的峰值增益在模式I中从8.6 dBi变化到10.4 dBi,在模式II中从7.0 dBi变化到8.8 dBi,在模式III中从5.6 dBi变化到7.6 dBi。研究了该天线在不同接地尺寸的无线通信设备中的应用。如图7所示,分别在铝金属体和丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂中制造设备和天线盖。天线安装在设备的角落。病例I、II和III的器械尺寸分别为130 mm × 100 mm × 55 mm、130 mm × 200 mm ×55 mm和260 mm×200 mm×55 mm。图8示出了在模式I中应用于设备的天线的测量回波损耗的比较。情况I、II和III的谐振频率也为约2.4和5.75GHz,并且反射系数小于在2.4和5.8 GHz频段分别为−10和−6dB见图7。所制造器械的照片:(a)病例I、(b)病例II和(c)病例III。J.K. Ji / ICT Express 2(2016)199203见图9。应用于x-y4. 结论在本研究中,提出并研究一种双频方向图可重构天线该天线在5.8 GHz频段内提供三种模式和九种辐射波束方向图中2.4 GHz波段,全向波束方向图的产生。此外,天线的尺寸非常紧凑。我们的研究表明,实现了良好的辐射性能。因此,所提出的天线可以用于各种无线MIMO应用。引用见图10。在模式I下,应用于器械的天线的实测峰值增益。此外,在工作频带上的阻抗匹配几乎不变。在图9中绘制并比较了应用于设备的天线的测量的总辐射增益模式。当设备的地面尺寸增加时,在所有情况下测量到类似的波束图案。还测量了其他模式下的辐射图案,并且在所有模式下都看到类似的波束图案,如图5所示。图10示出了在模式I中应用于设备的天线的测量峰值增益的比较。对于2.4 GHz频段,峰值所有器件的所有波束图案的增益约为5.0dBi。在5.8GHz频带中,对于情况I,所有波束图案的峰值增益从8.5到10.2dBi变化,对于情况I,从9.4到10.2dBi变化。对于情况II为10.9 dBi,对于情况III为8.6至10.3 dBi这清楚地表明,所提出的天线是较少依赖于地面尺寸的设备比传统的天线结构。[1] J. Lu,D.爱尔兰河Schlub,用于无线通信的电介质嵌入式ESPAR(DE-ESPAR)天线阵列,IEEE Trans. 科洛纳斯·普罗帕格 53(8)(2005)2437-2443。[2] C.H. Ko ,I.Y. Tarn,S.J.Chung ,一种紧凑的双频模式分集通过具有最小数量开关的双频带可重构频率选择性反射器的天线,IEEE Trans. Propagation 61(2)(2013)646-654。[3] X. S. Yang,B.Z. Wang,W.Wu,S.小,八木贴片天线与双频和模式可重构特性,IEEE的MSNNAS Wirel。传播Lett. 6(2007)168[4] N. Gagnon,双频方向图可重构八木宇田天线,in:2015IEEE Radio and Wireless Symposium,RWS,2015,pp.89比91[5] Y. 胡安,W。切,W。杨,Z.Chen,具有多个辐射方向图重新配置的紧凑型偶极天线,在:2015 IEEE计算电磁学国际会议112比114[6] S. Lim,H.林,电性小型化方向图可重构八木天线之设计,电子期刊。43(24)(2007)1326-1327。[7] Z. 什河,巴西-地Zheng,J. Ding,C.一种新型方向图可重构天线使用开关印刷元件,IEEE MSNNAS Wirel。传播Lett. 11(2012)1100-1103。[8] 新罕布什尔Chamok,M. Ali,一种用于便携式无线的MIMO 应 用 , 在 : 2014 IEEE 网 络 和 传 播 协 会 国 际 研 讨 会 ,APSURSI,2014,pp. 1656-1657年。[9] A. Kalis,A.G. Kanatas,C.B. Papadias,Parasitic Antenna Arrays forWireless MIMO Systems,Springer,New York,2014。
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