28GHz串联馈电贴片天线阵列电磁仿真

综述

在本例中，所提出的天线由八个串联馈电贴片元件组成，每个贴片包含八个贴片，这些贴片以这样一种方式连接以产生驻波和行波行为。该阵列产生一个单波束，该波束可以通过改变元件输入处信号的相位而在该阵列的水平轴上被扫描。

对阵列的标准性能指标进行评估，如s参数和增益以及有效各向同性辐射功率(EIRP)。EIRP实际上是天线的输入功率乘以天线的增益。它表示各向同性天线必须辐射的总功率，以匹配所评估天线的主波束的信号强度。本文采用XFdtd® EM Simulation Software电磁仿真软件进行仿真。

仿真案列

最后的阵列由8个独立的1x8串联贴片元件构建而成，如图所示：每个贴片尺寸为3.539 mm × 3.539 mm，间距为3.539 mm。在线路的最后一个单元在连接侧有一个0.6269 mm x 2.727 mm的缺口。连接贴片的微带线宽度为0.494 mm。初始进料线长2.215毫米，宽0.72毫米。元件的总长度为55.3 mm。该天线位于介电常数为2.2、损耗正切为0.0009、厚度为0.254 mm的基板上。

单列仿真

 

使用XFdtd中的PrOGrid特性将几何图形网格化到FDTD网格中。几何图形的每个元素都具有自动固定点，可以使结构的角与FDTD网格完美对齐。

 

阵列的输入是一个激励，该激励由26至30 GHz的宽带信号激发，用于s参数结果。通过对s参数的模拟计算，发现回波损耗由于匹配差而具有弱响应。通过添加由串联电感和并联电容器(0.22 nH和0.09 pF)组成的匹配电路来纠正这一点。匹配的输入回波损耗在28ghz附近产生零点。

 

单元件的远场增益图表明，与峰值增益为16.77 dBi的贴片垂直的中心瓣较强。如图所示，旁瓣的峰值比主瓣低约13 dBi。

 

阵列仿真

阵列由8个单个1x8元素间距为5.352 mm，形成一个尺寸为55.3 mm x 41 mm的阵列，为了产生宽带s参数数据，对8个输入端口中的每一个都施加脉冲激励。与单个元件相似的匹配电路应用于阵列的所有输入端口。所有8个端口的回波损耗非常相似，而相邻端口之间的隔离度低于每个端口的-15 dB；

 

在每个馈电中加入简单的LC匹配电路后，每个端口的回波损耗被调谐为28 GHz。

 

对于所有可能的组合，相邻端口之间的隔离显示小于-15 dB。

 

阵列波速扫描

当所有输入都同相馈电时，阵列的增益图将产生增益为24 dBi的最大中心波束。

 

根据每个输入端口信号的相位，可以定义许多不同的波束。当所有端口同步馈电时，形成的波束垂直于阵列平面，最大增益为24 dBi。由于地平面结构限制，波束只能在一个平面上转向，平行于输入端口的线。为了调整相位，采用Butler矩阵方程计算元件间相位差。定义为:

 

式中αi为单元间相位差，i为巴特勒矩阵的波束数或输入端口号，M为端口数。在这种情况下，波束1-8的相位为-157.5度，-112.5度，-67.5度，-22.5度，22.5度，67.5度，112.5度和157.5度。相移应用于输入端口，因此第一个端口将有0度的位移，第二个-157.5度，第三个-315度，等等波束1的情况。这些相移是在28 GHz的正弦输入下施加的。在YZ (e平面)产生的光束如图9所示为一系列线图，其主瓣方向为+/- 55度，+/- 37度，+/- 21.5度和+/- 7度。在三维中，所有八个波束显示为一个三维图像。

 

 

由巴特勒矩阵相位形成的波束1(每个端口相位差-157.5度)的具有宽波束，最大增益为55度。

 

由巴特勒矩阵相位形成的波束2(每端口相位差-112.5度)的具有更聚焦的波束，最大增益为37度。白色箭头表示峰值增益的方向。

 

由巴特勒矩阵相位形成的波束3(每端口相位差-67.5度)波束的最大增益为37度在21.5度；

EIRP的CDF结果

通过计算有效各向同性辐射功率的累积分布函数，可以对所有可能的相位组合的总增益进行进一步分析。给定输入功率时阵列所覆盖的三维远场球体的分数面积。对于该阵列，EIRP图的CDF显示，当输入功率为23 dBmW时，该阵列的远区增益约为27.4%。峰值EIRP约为46.4 dBmW，这表示波束具有正增益的扫描区域，它受到阵列下的地平面的限制，该地平面阻挡了50%的辐射体积。由于阵列的地平面设计，远区区域的上半部分仅在一个轴上被波束扫描，因此扫描区域相对有限。

 

 EIRP的累积分布函数图显示，当输入功率为23dbmw时，三维远场球面的增益约为(1 ~ 0.726)或27.4%为正。

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