Yeni bir EBG düşük profilli mikroşerit baz istasyonu anten tasarımı
Mobil iletişim sistemlerinin hızla gelişmesiyle birlikte, her yinelemeli güncelleme, sinyal iletim hızı, minyatürleştirme ve iletişim ekipmanının zekası için daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır. Mobil iletişim antenlerinin mevcut gelişme yönü aynı zamanda geniş bant ve minyatürleştirme üzerine odaklanmıştır. Baz istasyonu antenleri, mobil iletişim antenlerinin temel bileşenleridir. Baz istasyonu antenlerinin nasıl daha ince ve daha küçük hale getirileceği, baz istasyonu iletişim sistemlerinin entegrasyonunu iyileştirmenin anahtarı haline gelmiştir.Sadece bu değil, baz istasyonu antenlerinin minyatürleştirilmesi de düşük rüzgar direncine, kolay kurulum ve maliyete sahiptir Düşük avantajlar.
Baz istasyonlarının minyatürleştirilmesi için, bilim adamları birçok yöntem ve teori önermişlerdir.Genel olarak kullanılan yöntemler arasında ortamın antene yüklenmesi, yayılan elemanların sayısının azaltılması ve dizi elemanlarının tasarlanması yer alır.Ancak, geleneksel yöntemlere dayalı baz istasyonu anteninin yüksekliğini çoğu zaman kırmak zordur. Bir dalgaboyu sınırı. Bu bağlamda, son yıllarda bilim adamları, orijinal elektromanyetik teorinin sınırlarını aşmak için solak malzemelerin, yeni elektromanyetik bant boşluk yapılarının, plazma yapılarının ve diğer teorilerin kullanılmasını önermişlerdir.Plazma anten hala teorik araştırma aşamasındadır ve ilgili teoriler, büyük ölçekte ticari olarak temin edilebilecek kadar olgun değildir. Sol taraftaki malzemeye dayalı anten, anten profilini etkin bir şekilde düşürebilmesine rağmen, bu aşamada yeterli çalışma bant genişliğini elde etmek hala zordur ve LTE (dördüncü nesil mobil iletişim sistemi) ve hatta 5G mobil iletişimin mevcut piyasa gereksinimlerini karşılamak; öncekilere kıyasla zordur. Anten gelişiminin yükleme (elektromanyetik bant boşluk yapısı) yapısına dayanan bu yöntem, anten profil yüksekliğini dalga boyunun onda birinin altına düşürebilir, çalışma bant genişliği geleneksel baz istasyonu anteninden daha düşük değildir, ayrıca işlenmesi kolaydır. , Hafif, basit üretim maliyeti vb. Yaygın olarak kullanılmış ve tanıtılmıştır. Literatürde, antenin düşük profilini korurken anten bant genişliğini etkin bir şekilde genişleten EBG yapısına ferrit malzemeler EBG yapısına eklenir, ancak ferrit malzemenin büyük manyetik kaybı nedeniyle anteni çalışma frekansı bandında tutmak zordur. Yüksek radyasyon verimi ve kazancı; Literatürde EBG yapısına aktif bileşenler eklenmiştir, bu da antenin kazancını etkin bir şekilde artırabilir ancak aktif bileşenlerin eklenmesi, işlenmesi çok zor olan ve promosyon değeri az olan anten yapısının karmaşıklığını arttırır. Literatürde, çok katmanlı ortam yükleme yöntemi benimsenmiştir, ancak çok katmanlı ortamın eklenmesi elektromanyetik bant aralığı yapısının bant genişliğini daraltmıştır ve antenin çalışma bant genişliğini garanti etmek zordur; literatür, bir profil ile yeni bir EBG yükleme yapısı önermektedir. Düşük bant genişliği ve geniş bant genişliği avantajlarına sahiptir ancak polarizasyon izolasyonu yeterli değildir ve baz istasyonu antenine uygulandığında anten ana sınıflandırmaları arasındaki izolasyonu sağlamak zordur.
Bu makale, EBG yapısının baz istasyonunun yüksekliğinin azaltılmasında uygulanmasına odaklanmaktadır.İlk olarak, mevcut anten besleme yöntemi değiştirilmiş ve besleme için düzlemsel yapı kullanılmıştır. Bu temelde, EBG yapısı derinlemesine incelenir ve yöntem, anten bant genişliğini temelde değişmeden tutarken antenin yüksekliğini büyük ölçüde azaltmak için kullanılır, yani mevcut baz istasyonu anteninin yüksekliği yaklaşık 40 mm'den 22 mm'ye düşürülür. Yaklaşık% 45 oranında azaltılır ve geniş bant (1650 ~ 3000 MHz) performansı temelde etkilenmez. Anten bant genişliği performansından ödün vermemek temelinde, antenin yüksekliği büyük ölçüde azaltılır, bu da sistem entegrasyonunu kolaylaştırır ve rüzgar tarafındaki alanı büyük ölçüde azaltabilir, maliyetleri etkili bir şekilde azaltabilir ve baz istasyonlarının yer seçimini ve kurulumunu kolaylaştırabilir.
1 EBG ünitesi tasarımı
Bu makale, yapısı Şekil 1'de gösterilen yeni bir EBG yapısal birimi türünü önermektedir. Yapının kalınlığı 0,98 mm'dir, dielektrik dielektrik substrat olarak Rogers 4350'dir ve bağıl dielektrik sabiti 3,6'dır. Dielektrik substrat ile zemin arka düzlemi arasında 15 mm kalınlığında bir hava katmanı bulunur. EBG yapısı ve zemin bakır direklerle birbirine bağlanmıştır.Dış dikdörtgen yama uzunluğu L1, iç dikdörtgen yama uzunluğu L2, yama yüzeyindeki serpantin izlerinin kol uzunlukları L3 ve L4 ve serpantin şekli İz genişliği L5'tir.Yamanın içindeki serpantin izinin kol uzunluğu ve genişliği ayarlanarak, rezonans frekansı, metal bağlantı ile yama arasında zemine olan boşluğun oluşturduğu rezonans frekans noktasının yakınına ayarlanabilir. Bant genişliğini genişletmede bir rol oynayın. Aynı zamanda, EDA düzeni ve kablolama prensibinden esinlenerek, serpantin izlerinin köşeleri pahlanır ve pah = 47 °, böylece yüzey akımı köşelerden akarak akım yansımasını azaltır, bu da EBG ünitesinin çalışmasını etkili bir şekilde genişletir. Bant genişliği, ayrıntılı yapı boyutu Tablo 1'de gösterilmiştir.
Yeni EBG yapısının yansıma aşaması ile frekans arasındaki ilişkiyi araştırmak için CST tam dalga elektromanyetik simülasyon yazılımı kullanılarak simülasyonu hızlı bir şekilde tamamlamak için çevresinde birim hücre sınırı kullanılmıştır.Simülasyon sonuçları Şekil 2'de gösterilmiştir.
Şekil 2'deki PMC eğrisi, ideal bir manyetik duvarın simülasyon sonucudur ve PEC eğrisi, ideal bir elektrik duvarının simülasyon sonucudur. Şekil 2'deki simülasyon sonuçlarından, yeni EBG yapısının faz içi yansıma fazının, LTE'nin çalışma bant genişliğini karşılayabilen 1.85 GHz ~ 2.45 GHz olduğu ve bağıl bant genişliğinin% 28.5'e ulaştığı görülebilir.EBG yapısının prensibi, ideal bir manyetik arka düzleminkine benzer. Arka düzlem, arka düzlemin yüzeyindeki olay elektromanyetik dalganın yatay akımı, ayna akım yönüyle aynıdır, böylece birbiri üzerine bindirilen ikisinden sonra yansıyan dalga sinyali radyasyon yoğunluğu en güçlüdür ve ideal manyetik arka düzlem, antenin profil yüksekliğini 0'a düşürebilir. İdeal bir elektrikli arka düzlemin anten profili yüksekliğinin çeyrek dalga boyunu aşması zordur ve yeni EBG yapısına dayanan anten arka düzlem yüksekliği, anten profili yüksekliğini azaltma etkisini elde edecek şekilde aralarında bir yerdedir.
2 EBG yapısına dayalı düşük profilli baz istasyonu anten tasarımı
Mevcut mobil iletişim sisteminde, çok yollu solmaya direnmek için, baz istasyonu antenleri çoğunlukla çift kutuplu antenleri tercih etmektedir.Antenin ağırlığını azaltmak ve toplu işlemeyi kolaylaştırmak için, baz istasyonu antenlerinin dizi elemanı antenleri genellikle ± 45 ° çift kutuplu mikro şerit kullanır. Yama anteni. Bu yazıda kullanılan anten, doğrudan beslemek için mikro şerit saplamasının bir bölümünü kullanan U şeklinde bir çift kutuplu antendir. Dielektrik alt tabakanın ön ve arka taraflarına sırasıyla iki U-şekilli dipol oyulmuştur. Ortam, yaygın olarak kullanılan Roger 4350 malzemesinden yapılır ve anten birlikte yerleştirilir. Düzlem yansıtıcı arka düzlem, yukarıda açıklanan EBG birimlerinden oluşan 7 × 7'lik bir dizi iken, dizi öğeleri arasındaki mesafe 15 mm, EBG yansıtıcı arka düzlemin kendisinin yüksekliği 15 mm'dir ve öğeden arka düzleme olan uzaklık Yükseklik sadece 7 mm yani antenin toplam yüksekliği 22 mm'dir.2 GHz'de çalışan geleneksel baz istasyonu antenine göre yüksekliği en az 40 mm'dir, bu nedenle yeni EBG yapısının yüklenmesi anten yüksekliğini% 45 azaltır. Baz istasyonu anten yapısı tasarımı Şekil 3'te gösterilmektedir.
Baz istasyonu anteninin yapısal boyutunu optimize etmek için zaman alanlı tam dalga elektromanyetik simülasyon yazılımı CST'yi kullandıktan sonra, nispeten ideal bir simülasyon etkisi elde edilebilir.
3 Simülasyon sonuçları
Antenin S parametresi, Şekil 4'te gösterildiği gibi CST tam dalga elektromanyetik simülasyon yazılımı kullanılarak elde edilebilir.
Şekil 4, antenin simülasyonunu ve ölçülen eğrilerini göstermektedir Antenin dönüş kaybı 1.6 GHz ~ 3 GHz frekans bandında -10 dB'den azdır Bu frekans bandı TDD LTE, FDD LTE ve 5G düşük frekans bantlarını tamamen kapsayabilir. Sadece bu da değil, aynı zamanda, antenler arasındaki izolasyonu tamamen garanti eden antenin tüm çalışma frekansı bandında 12 port arasındaki izolasyonun 37 dB'den büyük olduğunu simülasyon sonuçlarından görmek zor değildir. Kısacası, EBG yapısının yüklenmesi, yalnızca antenin yeterli çalışma bant genişliğini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sistemin entegrasyonunu büyük ölçüde geliştiren antenin yüksekliğini etkili bir şekilde azaltır.
Ek olarak, Şekil 5'te gösterildiği gibi anten kazancının frekansla ilişki eğrisi elde edilebilir.
Şekil 5'teki simülasyondan, çalışma frekansı bandındaki antenin kazancının 6 dBi'den daha büyük olduğu görülebilir.Gerçek baz istasyonu anten uygulama senaryosunda, genel dizi sayısı 6 ~ 8'dir, bu da tüm baz istasyonu anteninin kazancını 14 ~ 15'e ulaştırır. dBi, baz istasyonunun yeterli kapsama alanına sahip olmasını sağlar.
Son olarak, Şekil 6'da gösterildiği gibi, baz istasyonu anteninin uzak alan radyasyon modelini uzak alandaki görüntüleyebilirsiniz.
Şekil 6'dan görülebileceği gibi, antenin FDD 2.1 GHz frekans bandındaki yönlülük katsayısı 8.13 dBi'dir.
4. Sonuç
Bu kağıt, EBG yapısına göre yeni tip bir mikroşerit baz istasyonu anteni tasarlar.EBG yapısının yüklenmesi nedeniyle antenin yüksekliği 40 mm'den 22 mm'ye düşürülür.Aynı zamanda, anten hala bant genişliği özelliklerine ve normal radyasyon kabiliyetine sahiptir. Benzer mikroşerit yama anteni.
Referanslar
TSE S, IZQUIERDO B S, BATCHELOR J C, ve diğerleri.Elektromanyetik bant aralıklı yapılar için küçültülmüş boyutlu hücreler. Electronics Letters, 2003, 39 (24): 1699-1701.
ABEDIN M F, AZAD M Z, ALI M.Geniş bant daha küçük birim hücreli düzlemsel EBG yapıları ve uygulamaları.IEEE İşlemleri Antenler ve Yayılma, 2008, 56 (3): 903-908.
FOROOZESH A, SHAFAI L. Düşük profilli ve geleneksel tek kutuplu antenlerin bant genişliği genişletme, kazanç artırma ve ışın şekillendirme için yapay manyetik iletkenlerin uygulanmasının araştırılması.IEEE İşlemleri Antenler ve Yayılma, 2011, 59 (1): 4-20.
BELL J M, ISKANDER M F. Geliştirilmiş hibrit EBG / ferrit yer düzleminin etkili yayılma özellikleri IEEE Antenleri ve Kablosuz Yayılma Mektupları, 2008, 7: 74-77.
KERN D J, WERNER D H, WILHELM M J. Ultra geniş bant yapay manyetik iletkenlerin gerçekleştirilmesi için aktif negatif empedans yüklü EBG yapıları IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003, 2: 427-430.
STEARNS S D. Besleyici olmayan devreler ve kararlılık teorisi IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), 2011: 1942-1945.
GREGOIRE D J, BEYAZ C R, COLBURN J S. Destekleyici olmayan negatif indüktörlerle yüklü geniş bant yapay manyetik iletkenler IEEE Antenleri ve Kablosuz Yayılma Mektupları, 2011, 10: 1586-1589.
EUN Y K, JI H Y, YOUNG J Y, ve diğerleri.Çift rezonant AMC'ye sahip düşük profilli çift bant reflektör anten.IEEE Uluslararası Antenler ve Yayılma Sempozyumu (APSURSI), 2011: 1800-1803.
yazar bilgileri:
Yang Bo 1, 2, Meng Qingdong 3
(1. Elektronik ve Bilim Okulu, Jilin Üniversitesi, Changchun 130.000, Jilin; 2. Telekomünikasyon Okulu, Changchun Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Changchun 130.000, Jilin;
3. Optik ve İnce Mekanik Okulu, Changchun Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Changchun, Jilin 130000)
