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磁偶极子天线阵列
作者：IEEE会员Shulabh Gupta，IEEE高级成员 蒋丽君，IEEE院士 Christophe Caloz
摘要
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一种平面磁电（ME）偶极天线阵提出并通过两个全波分析和实验证明。所提出的结构利用了平衡的条件下复合右/左旋传输线，以形成高增益磁辐射器的操作，具有径向常规电散热器，其中，整体结构是由一个单一的差分进料激发组合。所提出的ME-偶极子天线的traveling-波浪型性质使指令阵列的具有高增益特性和扫描功能的形成。 10.84 dB和5.73分贝峰值增益分别展示了电偶极和磁偶极子辐射元件。
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关键词：阵列天线；CRLH传输线；频率扫描；漏波天线；磁电（ME）偶极子；行波结构
第一章 绪论
最近同位电偶极子和磁偶极子辐射器的概念引起了一定的关注，由于需求增加，因此研制和切换在现代通信系统特点[1]。应用包括车辆运输[2]防碰撞系统，多输入多输出（MIMO）系统的高速通信在[3]，和增强的极化分集的MIMO系统[4]。例如，而传统的相位阵列天线已零星的应用场合，巧妙的组合两个基本类型散热器，即磁和电偶极子，在磁电（ME）的天线，可以提供增强的每—性能功能。
天线的概念介绍了[8]，在相同的E和H面辐射模式是由前引同时电偶极子和磁偶极子的获得。这一概念是进一步探索在[9]槽结构分析中[10]数组和最近的超宽带（UWB）在[11]和[12]谐振型配置的应用。这些我的天线S是平面的和难以伪造。一个平面的我的单极配置为基础的在复合右/左手传输线（CRLH）在[13]和[14]提出的，但它需要一个双馈机制激发电子和M-偶极子分开。此外作为一个理索纳新台币类型（相对于一个行波类型），它不能用于形成一个单一的进料阵列。
本文在基于CRLH传输线的平面配置提出了一个偶极子天线结构，其中电散热器兴奋同时使用唱同时和磁乐差分。虽然电子和散热器通常用于叠加的配置在两散热器互相加强，形成一个单一的类风湿性关节炎的饮食元素[11]、[12]、本文提出的结构作为一个结构和个体两个不同的天线的辐射特性。此外，相比传统的谐振型我的天线，该天线是波的性质，这使得它适合于形成简单的高增益我偶极天线阵列的双极化辐射特性[15]，[16]。最后，由于CRLH的漏波结构，该结构提供了频率扫描E-偶极子和M-偶极子。
本文组织如下。第二部分介绍了基于CRLH结构的偶极子天线的概念。使用一个基于CRLH-结构典型的实施，辐射特性了我-偶极天线进行了详细的描述和模拟阵列因子理论提供进一步的洞察结构的特点。第三部分介绍了实验样机PES的波束切换偶极天线阵列及其特点。最后，第四节给出了结论。
偶极子天线阵
2.1结构及工作原理
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考虑图2的结构。图1（a）由一个磁环偶极子和电线偶极子放置在其内沿径向方向，其中，每两个偶极子都有自己的，独立的差分激励。当两个偶极子被同时激发，组合磁性和偶极窗体顶端
考虑图2的结构。图1（a）由一个磁环偶极子和电线偶极子放置在其内沿径向方向，其中，每两个偶极子都有自己的，独立的差分激励。当两个偶极子被激发同时，组合磁性和偶极辐射在结构。这样的远场组合散热器称为ME-偶极天线。虽然是直向前实现的，这种配置是不实用的，因为它需要两个单独的和交织网络。但是，这种天线可通过在图1（b）与0（直接环路连接）中所示的合并的结构，其中环是由两个对极点差异激发，环路电流的，其中的一部分被替换用于驱动的电偶极子在环的中心。这种结构更实用的，因为它使用单个差分激励。此外，如果第二差分端口，阻抗的，被放置在环的另一侧，这种结构从谐振型天线到行波型天线变换。
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众所周知，一个磁环偶极子的增益小，但通过增加环路的尺寸，同时保持沿环路恒定电流可以在理论上提高[17]。这实际上可以通过使用复合右实现/左手（CRLH）的传输线结构中的平衡状态下操作[14]，[18] - [20] .一个CRLH传输线是周期性的结构，其单元电池由串联电容和另外一个分流电感的一个串联电感和旁路电容，如在图2的电路模型中。图1（c）[21]。一个复合左右手传输线路的一个共同实现是金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）实现的网络连接古尔还示出。平行板MIM电容器提供并连接通过使用导电接地分流存根提供。其他元素，并且使用一系列传输线部分和并联短截线分别建模。传输线作为一个左手（LH）的传输在低频率线和右旋（RH）传输在高频率线。它已在实现两个导波辐射元件被广泛地应用，包括移相器[22]，[23];紧耦合器;以及漏波相阵天线[14]，[7]，以及许多其他应用。一个复合左右手传输线路，其特征在于由以下色散关系[14]：
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当。当并且，这相当于CRLH辐射空间谐波的色散关系，0、特色在过渡频率之间的LH和RH乐队。根据LH和RH的贡献的相对价值，这种传输线可以不平衡或平衡，即表现或不表现出两条带之间的间隙。平衡条件要求的各个元素是这样设计的，,这也是宽带匹配条件[ 14 ]。在均衡状态下，CRLH传输常数简化。。窗体顶端
其中，色散曲线从LH频带到RH带通频率，，，被称为过渡频率。在此频率，结构的平衡状态下运行，并支持与行波。窗体顶端
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有某些相似之处，在波导的截止制度，但它支持恰好为0的行波的本质区别。因此，在结构上的网络连接的视场的相位是沿这CRLH传输线结构宏观均匀，它的长度无关。此外，复合左右手传输线路也可以操作在一个辐射漏波模式时开放的自由空间，由于CRLH色散曲线渗入快波区域，其中相速度比光速[14]大， [24]，[25]。所得漏波天线（LWA）从背面音响再结束网络连接重，包括宽边辐射，由于频率是从向后扫描转发区域[26]，[27]。但是应当注意的是，存在以实现从LH频带到右手频带，无缝过渡，以确保有CRLH结构是均衡的严谨条件下，不同时扫描从背面病房以宽边任何增益降前部区域[28]。这些独特的性质可以利用变换图的ME-偶极结构。 1（b）至图1中所示。图2（a），其中该复合左右手传输线路的串联辐射元件形成电流环路，也就是，在M-偶极和分路辐射部件形成的E-偶极子。然后，由于在过渡频率的复合左右手传输线路的平衡状态，该环的尺寸可以做得不改变电流相位或波传播方向任意大。因此，相对于传统的谐振环形天线，该CRLH循环的操作频率不依赖于该环的大小，而且取决于取决于CRLH结构的单位单元设计的过渡频率。在M-偶极增益可以逐渐增加通过增大电流回路的尺寸，如图所示。图2（a），与单元电池的数量较多，而在频率上，分流辐射分量的圆形阵列有助于电子偶极贡献设计的平衡状态，其中所有径向电偶极子具有可吊顶在水平方向上的部分，以产生一个全局垂直偶极，如图所示。图2（a）。但是应当注意的是，相比于图1的ME-偶极子。 1（b）所示，基于CRLH-执行通常需要地平面限制辐射到半空间与常规的偶极天线的双向辐射。图。2（b）示出典型的S参数和这种CRLH结构的色散图。良好的匹配是显而易见在很宽的频带，包括过渡频率.A接缝从LH到RH带图的分散图中清楚地观察到较少的过渡。图2（b）。色散曲线穿越快波区域的部分对应于漏波辐射。特别是过渡频率点宽边方向[21]。而CRLH结构宽带从S-为明显图参数。图2（b），为ME-偶极辐射的可用带宽是围绕限制则操作从离开时，箭头围绕过渡频率频带由于均匀的电流分布的灰度。
2.1特点和好处
与传统的偶极子天线相比，该天线提供的优势，结合所有以下的好处：
1.很容易制造，由于其平面结构，并与MMIC工艺兼容。
2.它有一个简单的配置，只需要一个单一的微分饲料激发E和M偶极子。
3.相对于谐振型我偶极天线，该结构是行波型，因此，可以扩展到一个单一的饲料阵列配置高增益和扫描性能曼斯。
4.该天线的辐射特性，能够扫描频率在两个正交的平面正交偏振场分量。固定频率扫描可以自然集会是利用压控变容二极管集成在天线[ 14 ]了。
5.由于其固有的性质不同，该天线具有高密度电路[ 29 ]和兼容，在细致，可与差动放大器ng和波束形成应用[ 30 ] [ 32 ]。
2.3天线阵列配置
正如在前面的章节中提到，将二微分端口，图1的电流回路（b）和（c）将我的偶极天线为行波天线。这使日如图所示，我实现了一个我的偶极天线阵列图3（a），由 6环、1、提供的可能性，提高增益和方向性的表现。这种结构可以被看作是一个相位阵列天线，其中每个单元循环状G的电场和磁场的偶极天线，辐射波在CRLH色散特性[ 33 ]。
这样的一个数组的典型辐射模式如图3（b）和（c）的跃迁频14.25 GHz频率。在这个频率，我偶极子阵列约4.6在方向，以及相应的6.5 CRLH结构的环周型。图3（乙）显示电子元件和每个频率，和图3（c）显示相应的二维模式三本金的削减。观察可以从这些模式如下
- 的场分量对应唯一的m-偶极子贡献及具有典型的环形天线的辐射模式在 空接地面。
- fi组件对应的领域主要的e-偶极子贡献并具有最小。
- 全空间扫描从后向前的区域，包括宽边，是E -实现m-偶极子，在CRLH漏波天线的典型。
- 而e-偶极子组件 扫描在平面，与 极化平面m-偶极子扫描。
- 而e-偶极子模式在 空间单梁的m-偶极子模式表现出两束，一个正平面象限。
- 在只有一个占主导地位的领域构件和飞机，随着零交叉极化 。
本阵设计增益性能示于图3（d）。良好的匹配得到周围的过渡频率，与无缝从LH RH频带的过渡，是明显的从相应的连续传输阶段在，图3显示（D）。电子-和-偶极子在过渡频率的带宽内，在带宽内的峰值增益大于10分贝。例如，大量增加的增益在舷侧相比，单环结构来实现的，从图3看出（C）。m-dipole增益的地图显示，在个别频率OC的最大增益在由于存在的小有限尺寸的接地平面，而不是。在整个频率范围内，过渡频率具有最高的增益，E和m-dipole辐射元件，具有增益平滑掉啊在它的一边。这是预期的统一。
只有达到电流分布。在其他的频率，电流分布偏离均匀分布；因此，增益随后下降由于空间色散。T他对环结构的电流分布的敏感性，使我提出的偶极天线窄带。图4总结了图3天线的性能。一个相当稳定的蚂蚁约69%的天线效率的利益在带宽视。
图5（a）显示全波场图计算在天线的近场区，在正交平面10毫米和 0在过渡频率。正如预期的那样，一个统一的野外剖面观察到的结构，确定CRLH结构平衡操作。领域的减少在幅轴由于漏波辐射损耗和导体的功耗和介质。相应的总电场分布的天线上面的天线的两个不同的位置表明，平面波开始在 10毫米，相当于大约半波长与天线的距离。即在，图5（b）显示的大小和电场的优势分量相位和对应的电偶极辐射，与近均匀相位分布按照的CRLH结构平衡操作。
2.4一种较理想的偶极辐射阵
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如前所述，所提出的CRLH ME-偶极天线，基于CRLH结构，可以被看作是均匀的电流的均匀的电流环路的阵列，与短电偶极子并置，如图所示在图2. CON组fi RM此等价的有效性，理想的电流回路和偶极子的阵列被认为是，如图6所示（一）。该阵列由6半径和圆周的差异兴奋环，具有并置的短电沿长度的偶极子，用自己的差分激励，在一个接地的衬底的顶部类似于辐射单元之间的提议的ME-偶极structure.The分离取为相同，在图中使用的单向辐射图形建模。 3公平的比较。此外，所有的辐射元件被同时激励效仿array.Consequently的宽边操作，所有提出来的比较是在过渡频率制成，具有0中，ME-偶极阵列，即，14.25千兆赫。图6（b）示出与所提出的ME-偶极阵列提供了理想结构的仿真辐射图案的比较，两种不同的条件下的：
（1）方案I：在这种情况下，以往的环路天线具有接近均匀的电流分布[17]。以下观察可制成：bull;宽边空在磁回路部件都理想和CRLH ME-偶极子阵列。当提供了理想小，CRLH阵列具有大得多的环周长。这进一步结构的ME-偶极阵列回路具有均匀的电流分布，虽然它有电的大尺寸。 bull;有在两种情况下，平面没有元件，由于电偶极子是或在这两种情况下交叉极化。 bull;一个典型的电偶极子的响应被认为是在平面中这两种情况下，与在宽边最大值。此外，形成在平面上的定向波束由于定向电偶极阵列。这种结构的馈电位于环的中心的等效电偶极子的存在。
- 案例二：在这种情况下，循环电场可以进行如下。 1）宽边最大在理想阵列分量（即，在）观察到，如在CRLH ME-偶极阵列的情况下不是空。 2）有一个在其不建议CRLH阵列中存在的平面的强交叉极化分量。他们证明相比，所提出的结构或由电小偶极子的理想结构得到非常不同的辐射图案。
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但应注意的是，这里考虑接地阵列结构仅用于对辐射图的定性比较，来验证其与CRLH ME-偶极阵列链路。这些理想阵列否则，一个远场辐射散热器主要是由于地平面的散热循环和偶极子的接近，这缺体连接ES的远场辐射的存在是由于相等，方向相反的辐射当前图像。因此，他们可以忽略不计收益和非常低的辐射科学[17]。所提出的CRLH ME-偶极阵列，基于漏波辐射，可以被看作是一个实用的方法来实现具有高增益等性能放射模式特性，使用单一的差动网络。
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第三章 测量结果
通过实验证明在ME偶极天线阵列，MIM 6-环阵列类似于图的。图3（a），制作，如图所示。图7（a）。在ME-偶极阵列的差分激励是使用四端口环形波导耦合器在中心频率设计，用一个50-负载端接隔离端口实现。天线阵列的第二端口是由一个匹配100-负载终止。它可以被看作是，其中在该结构的端部留下的功率由负载吸收截短结构。原型由两个可尼克的RF-30基板3.0，分别是0.508
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