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      一種新型縫隙同軸電纜的仿真設(shè)計

      2019-03-22 02:35:30陳佳星肖高標
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年6期

      陳佳星 肖高標

      摘? 要:文章介紹一種工作在2.4GHz頻率的新型縫隙同軸電纜,其特點是頻帶較寬,輻射場分布較均勻,可以應(yīng)用在某些特定場合,例如相控陣失效單元監(jiān)測和射頻標簽(RFID)讀取。縫隙結(jié)構(gòu)是蝴蝶結(jié)型,容易優(yōu)化。仿真結(jié)果表明,該縫隙同軸電纜在2.4GHz處的頻帶寬度約500MHz。

      關(guān)鍵詞:縫隙同軸電纜;近場輻射;HFSS仿真

      中圖分類號:TM248+.3 文獻標志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2019)06-0107-02

      縫隙同軸電纜廣泛使用在高鐵、隧道、室內(nèi)通信等環(huán)境下無線通信系統(tǒng)中[1]。其特點是電磁波沿著電纜傳播的同時,可以漏泄部分電磁波出來,具有收發(fā)天線的功能。縫隙同軸電纜外導(dǎo)體上不同縫隙結(jié)構(gòu)的輻射特性差別很大,因此,近年來出現(xiàn)了多種新型縫隙結(jié)構(gòu)。

      文獻[2]提出一種UHF波段同軸縫隙天線,主要應(yīng)用于近場RFID系統(tǒng)。通過在外導(dǎo)體上開周期性的三角形和波浪形縫隙,使得這種結(jié)構(gòu)的近場耦合大大提高,可以在一定范圍內(nèi)有效地識別無源RFID標簽??p隙同軸結(jié)構(gòu)應(yīng)用于相控陣失效單元監(jiān)測由文獻[3]提出,在相控陣附近放置縫隙同軸電纜作為接收天線,代替遠場監(jiān)測的方案。本文在上述兩種應(yīng)用場景下提出了一種新型縫隙同軸結(jié)構(gòu),通過幾種簡單縫隙結(jié)構(gòu)的組合,使得該縫隙同軸電纜的設(shè)計靈活性大大提高。與此同時,該縫隙結(jié)構(gòu)還具有工作頻帶較寬,輻射較均勻的特點。

      1 縫隙電纜結(jié)構(gòu)

      本文設(shè)計的縫隙結(jié)構(gòu)為蝴蝶結(jié)型,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。同軸線一端短路,一端為波端口,縫隙開在外導(dǎo)體。為了模擬天線與輻射源的近場耦合特性,在離天線一定距離處(近場范圍內(nèi))添加了一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線。

      縫隙同軸電纜外導(dǎo)體上的縫隙結(jié)構(gòu)有許多種,比如垂直縫隙、八字形縫隙,還有三角縫隙。而這些單一性縫隙結(jié)構(gòu)的缺點就是可調(diào)節(jié)參數(shù)少,靈活性較差。因此我們通過組合幾種簡單縫隙結(jié)構(gòu)的方式設(shè)計新型縫隙結(jié)構(gòu),增加優(yōu)化設(shè)計的靈活性。

      蝴蝶結(jié)型縫隙的結(jié)構(gòu)如圖2所示,該縫隙結(jié)構(gòu)可以看作是八字形與垂直縫隙的組合。蝴蝶結(jié)型縫隙結(jié)構(gòu)主要由以下幾個參數(shù)決定??p隙的寬度w1,縫隙間距w2,垂直縫隙的高度為2wz,縫隙關(guān)于xoy面對稱,縫隙的形狀還與兩個夾角有關(guān),分別是α和β角。在本文中,縫隙同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體半徑和外導(dǎo)體內(nèi)半徑分別是a=4.9mm和b=12.5mm,外導(dǎo)體的厚度為1mm,電纜中絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr=1.4。中心工作頻率設(shè)為2.4GHz,工作波長為125mm??p隙結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

      表1 縫隙同軸電纜中縫隙參數(shù)值

      2 縫隙同軸結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化

      本文采用商用仿真軟件HFSS,依據(jù)上述參數(shù)建立仿真模型,工作頻率設(shè)為2.4GHz,同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網(wǎng)絡(luò),縫隙同軸電纜的一端作為輸入端,設(shè)置為端口1,另一端設(shè)置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領(lǐng)帶結(jié)天線設(shè)置為端口2。dx為領(lǐng)帶結(jié)天線沿著縫隙同軸電纜一端(端口1)到另一端(短路端)縫隙同軸電纜的回波損耗(匹配特性)、耦合損耗可以由|S11|、|S21|來分別表示。

      本文采用商用仿真軟件HFSS,依據(jù)上述參數(shù)建立仿真模型。同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網(wǎng)絡(luò),縫隙同軸電纜的一端作為輸入端,設(shè)置為端口1,另一端設(shè)置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領(lǐng)帶結(jié)天線設(shè)置為端口2。dx為領(lǐng)帶結(jié)天線沿著縫隙同軸電纜一端(端口1)到另一端(短路端)縫隙同軸電纜的反射系數(shù)可以由

      |S11|表示,與領(lǐng)帶結(jié)天線之間的電磁耦合強度可以由|S21|表示。

      優(yōu)化前后的縫隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,優(yōu)化后的S參數(shù)如圖3所示。由圖3(a)可知,優(yōu)化后的縫隙電纜在2.4GHz左右具有約為500MHz的-10dB帶寬。在圖3(b)中,優(yōu)化后耦合強度有所增加。雖然單個縫隙輻射有較強的方向性,其監(jiān)測范圍較窄,但多個縫隙的輻射場疊加覆蓋,可以有效地使輻射場沿電纜方向擴展,使同軸電纜的監(jiān)測范圍大幅度增加,而且輻射場強比較均勻,可用于相控陣單元監(jiān)測,以及較寬范圍內(nèi)分布的射頻標簽的讀取識別。

      3 結(jié)束語

      本文提出了一種工作在2.4GHz處新型縫隙同軸結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化縫隙參數(shù),得到了一種匹配特性良好并且輻射較均勻的縫隙同軸結(jié)構(gòu),可以有效地擴展縫隙同軸電纜的電磁耦合范圍。

      參考文獻:

      [1]Xiao-Dong Yang, Yan-Fei Jia, Hai-Yu Chi. Research on the resonance points of leaky coaxial cable for mobile communication[C]. International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing, 2007:1008-1011.

      [2]J. Jiang, L. Wang and G. Wang. Leaky coaxial cable for near-field UHF RFID applications[C]. 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP).Xi'an, 2017:1-3.

      [3]L. Infante, S. Danilo Quintili and C. Romanucci. A real-time diagnostic tool for phased array antenna systems[C]. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham, MA, 2013:725-730.

      [4]王均宏,簡水生.漏泄同軸電纜輻射模式分析及高次模抑制[J].通信學(xué)報,2000(12):17-22.

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