微波技术与天线课程设计—— 角锥喇叭天线 ：吴爽 学号：1206030201
目录 一．角锥喇叭天线基础知识 (3) 1. 口径场 (3) 2. 辐射场 (4) 3.最佳角锥喇叭 (7) 4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (7) 二．角锥喇叭设计实例 (7) 1. 工作频率 (8) 2.选用作为激励喇叭的波导 (8) 3.确定喇叭的最佳尺寸 (8) 4.喇叭与波导的尺寸配合 (9) 5.天线的增益 (10) 6.方向图 (10)
一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定角开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H。 1. 口径场 角锥喇叭的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在x和y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x和y两个方向均为平方律变化。
按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)2(022)cos( （1.1） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1） 其中：
超宽带天线的研究与设计 李庆娅李晰唐鸿燊 摘要：本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。 关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性 Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed. It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground. The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz. Also, it has good radiation characteristics. Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved. Key word s: Ultra-wideband antenna; differential antenna; band-notch characteristics 1 引言 近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a 和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。 在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。 本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。 2 天线设计 本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
摘要 超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。 本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。 所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是 2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。 所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.8~9.5GHz的频率范围。 天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。 两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。 关键词: 超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法
Abstract UWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 ~ 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technology The study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation
微波技术与天线课程设计——角锥喇叭天线 姓名：吴爽 学号：01
目录 一．角锥喇叭天线基础知识............. 错误!未定义书签。 1.口径场 错误!未定义书签。 2.辐射场 错误!未定义书签。 3.最佳角锥喇叭.................... 错误!未定义书签。 4. 最佳角锥喇叭远场 E 面和 H面的主瓣宽度错误!未定义书签。 二．角锥喇叭设计实例................. 错误!未定义书签。 1.工作频率 错误!未定义书签。 2.选用作为激励喇叭的波导....... 错误!未定义书签。 3.确定喇叭的最佳尺寸........... 错误!未定义书签。 4.喇叭与波导的尺寸配合......... 错误!未定义书签。 5.天线的增益................... 错误!未定义书签。 6.方向图....................... 错误!未定义书签。
一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定张角张开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R H。 1.口径场 角锥喇叭内的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在 x和 y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变
而逐渐扩展的， 因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭内的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x 和 y 两个方向均为平方律变化。 按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H - ==+-) 2(022 )cos( （） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ] )cos 1([cos 2] )cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （）
一个宽带双脊喇叭天线的设计方法 引言 对喇叭天线而言，最常用的展宽频带的方法是在波导部分及喇叭张开部分加入脊形结构。虽然该天线已应用于某些工程实际中，但是此类天线在频率大于12 GHz 时，增益下降，方向图主瓣出现分裂，并且随着频率的升高，主瓣凹陷得越来越厉害。这对方向图要求高的场合，如将天线用作主反射面馈源、EMC测试，已不能满足要求。针对这一问题，本文利用Ansoft公司推出的HFSS电磁仿真软件，通过做大量的仿真实验，设计了一幅频率范围为1～18GHz的宽带喇叭天线，它的增益在整个频段大于10 dB，方向图在15 GHz时，主瓣才开始出现分裂，并且随着频率的升高，直到18 GHz主瓣也没有出现大的凹陷，这样的结果比较理想，可以满足更高的工程要求。 1 宽带双脊喇叭天线的设计 基于电磁仿真软件HFSS，通过做大量的仿真实验，得到宽带双脊喇叭天线结构模型如图1所示，它由3部分组成：馈电部分，脊波导部分，喇叭张开部分。各部分的具体设计过程如下。 1.1 脊波导部分设计 脊波导部分的横截面示意图如图2所示，波导的横截面尺寸为a×6，脊宽为a1，脊间距为b1，设计时主要依据脊波导理论。在设计时，首先确定b/a，b1 /b，a1/a 的值，然后参考文献[4]的曲线就可得λCE10/A匹，λCE30/a及频率为无穷大时TE10模的特性阻抗z0∞的值，通过式(1)算出在给定工作频率f下的特性阻抗以便于馈电段的设计： 为了改善馈电段到喇叭段的匹配，让它的横截面尺寸逐渐增大，所以这部分的整体结构设计成一个E面的扇形喇叭，再在两个窄壁面上加2个楔体以改善高频端的方向图。 1.2 馈电部分的设计 馈电部分的结构示意图见图3，通常采用N型同轴接头馈电，同轴线的外导体连在波导的侧壁上，同轴线的内导体通过第一个脊的腔体，连到第二个脊上形成短路，内导体在波导腔内可看作一单极辐射器，由于普通波导的阻抗远大于同轴线的阻抗，因此内导体必须终止在远离波导壁的地方，以防止失配，而脊波导的阻抗与同轴线的阻抗相一致，所以同轴线的内导体必须接在相对的脊上以利于匹配。最后，再在脊波导的后端加一段直波导(长度应小于最高工作频率的半个波长)，作为滤除被激励出来的TE20模，因此脊波导的可用带宽应是λc10/λc30，而不是λc10/λc20.显而易见，单模工作带宽被大大的加宽了。 1.3 喇叭段的设计 喇叭段的长度应大于最低工作频率波长的一半，这样才能保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭的口面按照常规喇叭的设计方法，根据增益与口径面相差的要求来确定，因为场分布主要集中在两个脊的附近，所以考虑加工后实际喇叭的重量可以将两个窄壁面去掉，这样对低频端的方向图稍有影响，经过反复的调整，最后两个窄壁面采用介质板，并在其上均匀分布6条很窄的金属片，脊的形状根据阻抗匹配原则设计。为了使馈电点阻抗能够平滑的过渡到喇叭口自由空间阻抗，基于大量的实验发现，阻抗变换形式为如下所示，具有较好的效果 式中：l是喇叭段的长度，k是常数，它可由喇叭中点的阻抗为两端阻抗的平均值这样的条件来确定。因此脊结构的形状曲线一般也为指数形式，如式(6)所示。附加的线性项，可起到扩展低频带宽的作用。
超宽带天线的研究与设计 中文摘要 近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。 关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真 I
Research and design of ultra-wideband antenna Abstract In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications. Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation 目录 I
高效宽带喇叭天线的设计 丁晓磊 (中国航天科技集团公司704所，北京100076) dxiaolei@https://www.doczj.com/doc/456118718.html, 摘要为满足电磁兼容测试对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理，设计了一种结构紧凑的局部加脊宽带喇叭天线。和相同尺寸的普通加脊喇叭天线相比，增益提高约1-3dB。 关键词加脊喇叭、宽频带、高效率 The Design of High Efficient Broadband Horn Antenna DING XIAO LEI (Institute of No.704, China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100076,China) Abstract: The paper presents a horn antenna with ridges located at the start of flare. In addition to the broad bandwidth, a substantial increase in antenna gain over that of common ridged horn has been achieved for the design in this paper. The designed antenna can be used not only for electromagnetic compatibility measurement but also for broad-band communication system. Keywords: ridged horn , broadband , high efficiency 1 引言 常见的宽带天线包括：加脊喇叭天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi天线等。加脊喇叭因其具有频带宽、结构紧凑、辐射口径稳定的特点，是电磁兼容测试的理想天线。 加脊喇叭天线的设计方法和理论分析都有较多的文献报道，但对于在缩短天线轴向长度的同时提高天线增益的设计方法还未见报道。众所周知，一般的加脊喇叭天线的脊都是从馈电点延伸到辐射口面，由于辐射口径内脊结构的二次效应，其增益一般比相同口径的普通光壁喇叭的增益低1-3dB。为满足实际应用时对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理和常见加脊喇叭天线的缺点，本文设计了一种结构紧凑的高效宽频带天线。其剖面图如图1所示。和相同频带、相同增益的普通加脊喇叭天线相比，该天线具有体积小、重量轻的优点。 图1 局部加脊喇叭天线结构示意图 2 设计原理 根据宽频带天线的工作原理，要实现天线的宽频带工作必须满足输入端的宽频带阻抗匹配和辐射性能的宽频带特性。借鉴普通加脊喇叭天线的设计思路，本文设计的天线通过同轴到双脊波导的变换实现信号能量的馈入，通过脊曲线和喇叭参数的优化设计实现脊波导到辐射喇叭阻抗的平滑匹配
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计 学院（系）：电子工程与光电技术学院 姓名、学号：郝晓辉1104330111 席家祯1104330126 白剑斌1104330105 指导老师：钱嵩松
摘要 天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。圆锥喇叭天线属于面天线。 本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。 本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。 关键词：圆锥喇叭天线；仿真 Abstract Antenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna. In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presented firstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS. This paper provides the reference to cone horn antenna. Keywords：conic horn antenna;simulation
题目：喇叭天线 作者1：胡庭班级11级通信五班学号1110405012 作者2：宋恒阳班级11级通信五班学号1110405029 喇叭天线的设计 一、实验目的： 1、熟悉CST软件的使用； 2、掌握喇叭天线分析和求解方法，喇叭天线基本设计方法； 3、利用CST软件对喇叭天线进行分析，掌握喇叭天线的规律和特点。 二、预习要求 1、喇叭天线原理。 2、CST软件基本使用方法。 三、实验原理 1天线的辐射场可利用惠更斯原理由口面场来计算。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。可用几何绕射理论计算喇叭壁对辐射的影响，从而使计算方向图与实测值在直到远旁瓣处都能较好地吻合。它的辐射特性由口面的尺寸与场分布决定，而阻抗由喇叭的颈部（始端不连续处）和口面的反射决定。当喇叭长度一定时，若使喇叭张角逐渐增大，则口面尺寸与二次方相位差也同时加大，但增益并不和口面尺寸同步增加，而有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就叫作最佳喇叭。 2 喇叭和角锥喇叭传播的是球面波，而在一个面（E或H面）张开的扇形喇叭中传播的则是柱面波。喇叭口面场是具有二次方相位差的场，二次方相位差的大小与喇叭的长度和口面大小有关。 为了扩展喇叭的频带，必须减小喇叭颈处与口面处的反射。口面尺寸加大，则反射减小。此外，把波导与喇叭的过渡段尽量做得平滑些，也可以减小该处的反射。由于该位置附近的喇叭尺寸还很小，因此，不能传播高次模，一般都传输单模。为了控制辐射方向图，有时口面上需要多模场分布，这时应在喇叭内适当位置引入能产生高次模的器件。这种喇叭叫作多模喇叭，可用作单脉冲雷达或高
效率天线馈源。由于各模在喇叭内的相速不同，多模喇叭的频带比常规喇叭的要窄。 四、实验内容与步骤 1.点击打开软件选择如下图所示的图标 2.选择天线模板 3.设置单位
第13卷,第3期 中国传媒大学学报自然科学版 Vol.13,No.3 2006年9月 JOURNAL OF C O M MUN I C ATI O N UN I V ERSI TY OF CH I N A S CI E NCE AND TECHNOLOGY Sept.2006 小型E MC宽带喇叭天线设计 邓晔辉,逯贵祯,刘俭 (中国传媒大学通信工程系,北京100024) 摘 要:混波室(Reverberati on Cha mber)作为一种新型的电磁兼容的测量设备,由于其自身的优越性,受到越来越多的关注。应用于混频室内的天线对频带宽度的要求比较高,需要天线能覆盖很宽的频带。本文提出一种工作频率为2GHz-10GHz的宽带加脊喇叭天线的设计方法,利用Ans oft HFSS9软件进行建模仿真,从简化设计以及降低加工难度的角度出发,将喇叭天线的物理尺寸尽可能的减小以方便在空间有限的混波室内使用。将仿真结果与现有喇叭天线实测结果相比较,结果表明,该天线在所设计频带内匹配良好!物理尺寸仅为现有商用喇叭天线的2/3左右。 关键词:电磁兼容(E MC);混波室(Reverberati on Cha mber);宽带加脊喇叭天线;HFSS电磁仿真软件 中图分类号:T N82 文献标识码:A 文章编号:1673-4793(2006)03-0067-04 The D esi gn of S ma ll E M C Broadband Horn An tenna DENG Ye2hui,LU Gui2zhen,L I U J ian (Communicati ons Engineering Depart m ent,Communicati on University of China,Beijing100024,China) Abstract:B r oadband antennas,due t o the large frequency bands required by standards,are the work horse of electr omagnetic compatibility testing.The size of the traditi onally horn antenna are t oo large t o used in the reverberati on cha mber.The paper suggests a si m p lify design of a s mall2G～10G br oadband ridged horn which t o be used in the reverberati on cha mber,it gets s ome ideal result using Ans oft electr omagnetic si m ulati on s oft w are.The test results show that the antenna matches well in the frequency band. Key words:E MC;reverberati on cha mber;br oadband ridged horn antenna;ans oft HFSS E M si m ulat or 1 引言 用混波室进行电磁兼容测量实验是电磁兼容中的一种测量方法。随着对敏感度测试和辐射测试的越来越高的需求,混波室作为一种更低成本却更高效的测试设备无论在军工还是民用都受到广泛关注。混波室作为一种新型的E MC测试设备,与传统的设备相比,不仅测试是操作简单,还能极大的降低测试成本,缩短测试周期,且与开放的测试相比还可以使EUT免受外界电磁环境的干扰、提供可靠的测试结果。 与其他很多领域对天线的增益以及方向图性能的要求比较高不同,应用于混波室内的天线对频带宽度的要求比较高,需要天线能覆盖很宽的频带。这样可以不必为了测试不同的频率而停下来调整甚至更换天线。另外由于空间的限制,其物理尺寸也需要尽量小。用于电磁兼容测试的宽带天线有很多 收稿日期:2005-11-30 作者简介:邓晔辉(1979-),男(汉族),山西襄汾人,中国传媒大学硕士研究生.E-mail:dengyh_79@https://www.doczj.com/doc/456118718.html,.
Characterization of Millimeter Wave Phased Array Antennas in Mobile Terminal for 5G Mobile System Jakob Helander, Daniel Sj?berg, Mats Gustafsson Department of Electrical Information Technology LTH, Lund University Lund, Sweden Kun Zhao, Zhinong Ying Network Technology Laboratory SONY Mobile Communications AB Lund, Sweden Abstract — This paper presents a characterization method for millimeter wave (mmWave) phased array antennas in the mobile terminal for 5G communication. Arrays of different antenna designs, operating at 28 GHz, are evaluated according to novel characterization methods in this context - the total scan pattern of the phased array and its respective coverage efficiency. The results show the relevance of evaluating antenna array designs according to these characteristics, and illustrate, by introducing pattern diversity through sub-array schemes, that the coverage efficiency can be enhanced. I. I NTRODUCTION For supporting high quality multimedia applications in future smartphones, the massive increase in mobile data rates creates new challenges regarding the development of the 5th generation mobile system. Due to shortage of frequency spectrum below 6 GHz, bands at the mmWave frequencies (10 – 300 GHz) have been widely suggested as candidates, as the considerably larger bandwidths could be exploited to increase the capacity and enable the user to experience several gigabits per second data rates [1-3]. However, moving from the much lower cellular carrier frequencies used today (700 MHz – 2.6 GHz) up towards the mmWave bands results in a much higher free space path loss, as can be seen from Friis’ formula: R T T R 20log . (1) Here, is the distance between the antennas, the carrier frequency, the speed of light, and R,T and R,T the power and gain for receiving and transmitting antenna, respectively. In order to compensate for this increase in path loss without applying additional power, the antenna gains in both base station and mobile terminal need to be much higher than current cellular antennas. In the mobile terminal, the high gain could be realized by employing an antenna array, which is made possible as the physical antenna element aperture decreases with the increase of frequency. However, as gain is increased the resulting beamwidth will be narrowed accordingly, which will reduce the coverage of the mobile terminal array. Phased array configurations introduce the beamsteering function, and enable the system to achieve a good link when incoming signals are coming from different angles [2, 3], but the steering range will still be limited. Beamsteering using phased arrays as a concept is not new, but the idea of utilizing it in mmWave spectrum using small form factor antennas in the mobile terminal is just starting to be considered [4-6]. Thus, it is of great value to characterize mmWave phased arrays in mobile terminals, not only according to classical standards, but also to consider their total scan pattern and achievable coverage with respect to a gain threshold level , see Fig. 1. This paper introduces the total scan pattern and coverage efficiency, and presents simulated results of different phased arrays implemented in the mobile terminal and operating at 28 GHz, Moreover, some sub-array schemes have also been investigated in order to achieve pattern diversity and illustrate how the coverage efficiency can be enhanced. II. C HARACTERIZING A RRAY P ERFORMANCE Since mobile terminals are hand-held in non-fixed positions, incoming signals are assumed to be isotropically distributed. Our simplified physical model assumes urban cell sizes of ~200 m with a link being established either through line-of-sight (LOS) or minimum number of reflections. A. Total Scan Pattern and Coverage Efficiency ( ) The total scan pattern is obtained from all array patterns corresponding to the different phase shifts, by extracting the best achievable gain at every angular distribution point ( , ), such as to the right in Fig. 1. The coverage area of a mobile terminal phased array antenna can be found from the total scan pattern coverage with respect to . The coverage efficiency can thus be defined such as: C A . (2) The total area is the whole surrounding sphere. will depend on the parameters in (1), with the flexibility of adding Fig. 1. Left: The total scan pattern of phased array gain, and how its coverage is evaluated with respect to a gain threshold level. Right: Example of total scan pattern of phased array. 7978-1-4799-7815-1/15/$31.00 ?2015 IEEE AP-S 2015