آنتن دوقطبی متعامد دارای المان‌های پارازیتیک ترنج شکل با قابلیت قطبش دایروی و کاربرد در سیستم موقعیت‌یاب جهانی
محورهای موضوعی : مهندسی مخابرات
امیر سیاه‌چشم
1
(استادیار، گروه برق، واحد سلماس، دانشگاه آزاد اسلامی، سلماس، ایران)
کلید واژه: آنتن دوقطبی متعامد, المان پارازیتیک, سیستم موقعیت¬یاب جهانی, قطبش دایروی.,
چکیده مقاله :
این مقاله یک آنتن دوقطبی چاپی متعامد با قطبش دایروی برای گیرنده¬های سیستم موقعیت¬یاب جهانی (Global Positioning System) در باند L1 (1575 مگاهرتز) را ارائه می‌دهد. ساختار آنتن متشکل از دو عدد دوقطبی چاپی است که بصورت متعامد نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند و شامل دو بالن یکپارچه برای تغذیه دوقطبی‌ها و یک شبکه تغذیه متصل به بالن‌ها است. در این طراحی، شبکه تغذیه از یک تزویجگر شاخه‌ای (Branch-Line Coupler) با دو خروجی مربعی (Quadrature Outputs) تشکیل یافته است. بر این اساس، تغذیه دو دوقطبی متعامد با اختلاف فاز 90 درجه منجر به قطبش دایروی راست‌گرد می‌شود که برای کاربردهای سیستم موقعیت¬یاب جهانی امری الزامی است. با هدف بهبود قطبش دایروی آنتن، از چهار عدد المان پارازیتیک ترنج شکل در قسمت فوقانی بازوهای دوقطبی استفاده شده است. طبق نتایج عملی به دست آمده با تکنیک بکار گرفته‌شده، پهنای باند نسبت محوری (Axial Ratio) آنتن در حدود 21% افزایش یافته و هم‌زمان خلوص قطبش دایروی آنتن نیز بهبود قابل ملاحظه‌ای داشته است. نتایج تجربی تأیید می‌کنند که آنتن پیشنهادی برای سیستم موقعیت¬یاب جهانی دارای پهنای باند امپدانسی 28/46% (از 327/1 تا 126/2 گیگاهرتز)، پهنای باند نسبت محوری 36/41% (از 329/1 تا 022/2 گیگاهرتز) و حداکثر بهره 40/6 دسی¬بل است. ابعاد آنتن پیشنهادی کوچک بوده و این آنتن دارای الگوی تشعشعی پایداری است. در گام آخر آنتن پیشنهادی برای سیستم موقعیت¬یاب جهانی در آزمایشگاه آنتن ساخت و تست شده است.
This paper presents a circularly polarized (CP) printed crossed-dipole antenna for Global Positioning System (GPS) receptions in the L1 (1575 MHz) band. Its structure consists of two orthogonally printed dipoles, two integrated baluns to feed the dipoles, and a feed network connected to the baluns. The feeding network comprises a Branch-Line Coupler with two quadrature outputs. Accordingly, providing two orthogonal dipoles with a 90-degree phase difference leads to right-handed circular polarization (RHCP), a must for GPS applications. Four Torang-shaped parasitic elements have been used in the upper part of the dipole arms to improve the circular polarization of the antenna. Based on the practical results obtained with the technique, the antenna's Axial Ratio (AR) bandwidth is increased by about 21%. At the same time, the purity of the circular polarization can also be seen. The experimental results show that the proposed GPS antenna has an impedance bandwidth of 46.28% (from 1.327 to 2.126 GHz), an axial ratio bandwidth of 41.36% (from 1.329 to 2.022 GHz), and a maximum gain of 6.40 dB. The dimensions of the proposed antenna are compact, and this antenna has a stable radiation pattern. In the last step, the proposed GPS antenna is fabricated and tested in the antenna laboratory.
در این تحقیق یک طراحی جدید از آنتن‌های دوقطبی چاپی متعامد با قطبش دایروی ارائه شده است.
این آنتن جهت استفاده در گیرنده‌های سیستم موقعیت یاب جهانی در باند 1575 مگا هرتز کاربردی است.
در این طراحی جهت بهبود قطبش دایروی آنتن، از چهار المان پارازیتیک ترنج شکل استفاده شده است.
طبق نتایج عملی بدست آمده با تکنیک بکار گرفته شده، پهنای باند نسبت محوری آنتن در حدود 21% افزایش یافته است.
خلوص قطبش دایروی آنتن نیز با استفاده از تکنیک المان های پارازیتیک ترنج شکل، بهبود قابل ملاحظه‌ای داشته است.
[1] R. Xu, J.-Y. Li and J. Liu, “A design of broadband circularly polarized C-shaped slot antenna with sword-shaped radiator and its array for L/S-band applications,” in IEEE Access, vol. 6, pp. 5891–5896, 2018, doi:10.1109/access.2017.2788008
[2] A. Siahcheshm, J. Nourinia, Ch. Ghobadi and M. Shokri, “Circularly polarized printed helix antenna for L- and S-bands applications,” Radioengineering, vol. 29, no. 1, pp. 67–73, 2020, doi:10.13164/re.2020.0067.
[3] S. Fu, S. Fang, Z. Wang and X. Li, “Broadband circularly polarized slot antenna array fed by asymmetric CPW for L-band applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 1014–1016, 2009, doi:10.1109/lawp.2009.2031662.
[4] H. Govindarajan et al., “Design of a compact dual circular-polarized antenna for L-band Satellite Applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 19, no. 4, pp. 547–551, 2020, doi:10.1109/lawp.2020.2971322.
[5] M. Sekhar, E. K. Kumari and A. N. V. R. Kumar, “Wideband high-gain circularly polarized planar antenna array for L band Radar,” IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research (ICCIC), 2017, pp. 1-4, doi:10.1109/iccic.2017.8524447.
[6] M. Ameen and R. K. Chaudhary, “Electrically small circularly polarized antenna using vialess CRLH‐TL and fractals for L‐band Mobile Satellite Applications,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 62, no. 4, pp. 1686–1696, 2019, doi:10.1002/mop.32213.
[7] T. Hong, W. Jiang, S. X. Gong and Y. Liu, “Research on the L-band circularly polarized antenna with low RCS level,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 26, no. 14–15, pp. 1947–1955, 2012, doi:10.1080/09205071.2012.722751.
[8] M. Sun, Z. Zhang, F. Zhang and A. Chen, “L/S Multiband Frequency-reconfigurable antenna for satellite applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 12, pp. 2617–2621, 2019, doi:10.1109/lawp.2019.2945624.
[9] E. Brookner, W. Hall and R. Westlake, “Faraday loss for L-band Radar and communications systems,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-21, no. 4, pp. 459–469, 1985, doi:10.1109/taes.1985.310634.
[10] M. Shokri V. Rafii, S. Karamzadeh, Z. Amiri and B. Virdee, “Miniaturised ultra‐wideband circularly polarised antenna with modified ground plane,” Electronics Letters, vol. 50, no. 24, pp. 1786–1788, 2014, doi:10.1049/el.2014.3278.
[11] R. Xu et al., “Analysis and design of Ultrawideband circularly polarized antenna and array,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 12, pp. 7842–7853, 2020, doi:10.1109/tap.2020.2998922.
[12] H. Shirzad, M. Shokri, Z. Amiri, S. Asiaban and B. Virdee, “Wideband circularly polarized square slot antenna with an annular patch,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 56, no. 1, pp. 229–233, 2013, doi:10.1002/mop.28016.
[13] S. Mohammadi, J. Nourinia, C. Ghobadi, J. Pourahmadazar and M. Shokri, “Compact broadband circularly polarized slot antenna using two linked elliptical slots for C-band applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 1094–1097, 2013, doi:10.1109/lawp.2013.2280457.
[14] A. Siahcheshm, J. Nourinia and Ch. Ghobadi, “Circularly polarized antenna array with a new sequential phase feed network utilizing directional coupler,” AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 93, pp. 75–82, 2018, doi:10.1016/j.aeue.2018.06.006.
[15] W. Lin, H. Wong and R. W. Ziolkowski, “Circularly polarized antenna with reconfigurable broadside and conical beams facilitated by a mode switchable feed network,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 2, pp. 996–1001, 2018, doi:10.1109/tap.2017.2784452.
[16] W.-J. Yang, Y.-M. Pan and S.-Y. Zheng, “A compact broadband circularly polarized crossed-dipole antenna with a very low profile,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 10, pp. 2130–2134, 2019, doi:10.1109/lawp.2019.2938597.
[17] R.-Y. Sun and Q.-H. Chen, “Quadrature feed wideband circularly polarized cylindrical dielectric resonator antenna,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 28, no. 8, pp. 1011–1017, 2014, doi:10.1080/09205071.2014.902339.
[18] R. Tripathy, S. R. Patre, S. Sravan Kumar and S. P, "High Gain Cylindrical Cavity-Backed Crossed Dipole Antenna," IEEE Wireless Antenna and Microwave Symposium (WAMS), Ahmedabad, India, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/WAMS57261.2023.10242859.
[19] Z. Su, K. Klionovski, H. Liao, Y. Chen, A. Z. Elsherbeni and A. Shamim, "Antenna-on-Package Design: Achieving Near-Isotropic Radiation Pattern and Wide CP Coverage Simultaneously," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 7, pp. 3740-3749, July 2021, doi: 10.1109/TAP.2020.3044134.
[20] P. Shah and S. Kumar, "Compact Dual Circularly Polarized Swastika Shaped Antenna for L-band Small Satellite Applications," 12th International Conference on Computing Communication and Networking Technologies (ICCCNT), Kharagpur, India, 2021, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICCCNT51525.2021.9579943.
[21] A. Christodoulides and A. Feresidis, "3D Printed Anisotropic Metamaterial Substrates for Antenna Applications," Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), Daytona Beach, FL, USA, 2021, pp. 1-4, doi: 10.23919/AMTA52830.2021.9620598.
[22] Z. N. Chen, Handbook of Antenna Technologies. Singapore: Springer Singapore, 2020.
[23] M. Pourbagher, J. Nourinia and Ch. Ghobadi, “Circularly polarized printed crossed-dipole antenna using branch-line feed network for GPS applications,” AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 120, p. 153226, 2020, doi:10.1016/j.aeue.2020.153226.
[24] K. Wei, J. Y. Li, L. Wang, R. Xu and Z. J. Xing, “A new technique to design circularly polarized microstrip antenna by fractal defected ground structure,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 7, pp. 3721–3725, 2017, doi:10.1109/tap.2017.2700226.
[25] O. P. Falade, M. U. Rehman, Y. Gao, X. Chen and C. G. Parini, “Single feed stacked patch circular polarized antenna for triple band GPS receivers,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 10, pp. 4479–4484, 2012. doi:10.1109/tap.2012.2207354.
[26] X. Tian and Z. Du, "Dual-Feed Shared-Radiator Metal-Frame Full-Screen Mobile Phone Antenna for GPS and LTE Bands With a Dual-Function Capacitor," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 10, pp. 8314-8319, Oct. 2023, doi: 10.1109/TAP.2023.3294750.
[27] R. Sadiq, M. B. Qureshi and M. M. Khan, "De-convolution and De-noising of SAR Based GPS Images Using Hybrid Particle Swarm Optimization," in Chinese Journal of Electronics, vol. 32, no. 1, pp. 166-176, January 2023, doi: 10.23919/cje.2021.00.138.
[28] H. Zhang, H. Xiong, S. Hao, G. Yang, M. Wang and Q. Chen, "A Novel Multidimensional Hybrid Position Compensation Method for INS/GPS Integrated Navigation Systems During GPS Outages," in IEEE Sensors Journal, vol. 24, no. 1, pp. 962-974, 1 Jan.1, 2024, doi: 10.1109/JSEN.2023.3324019.
[29] M. Pourbagher, Ch. Ghobadi, J. Nourinia and R. Naderali,“ Wideband Circularly Polarized Antenna with Metallic Walls for L-Band Applications,” Circuit World, vol. 48, no. 4, pp. 502-510, 2022. doi: 10.1108/CW-10-2020-0271.
