طراحی و شبیه سازی آنتن GPS چندلایه با تغذیه بالن باریک شونده وقطبش دایروی و الگوی تشعشعی ویژه به منظور کاهش اثرات تداخل

حیدری فرد, حمیده; فلاح, محسن; عباسی آرند, بیژن

طراحی و شبیه سازی آنتن GPS چندلایه با تغذیه بالن باریک شونده وقطبش دایروی و الگوی تشعشعی ویژه به منظور کاهش اثرات تداخل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

حمیده حیدری فرد ¹

محسن فلاح ²

بیژن عباسی آرند ³

¹ دانشجوی دکتری، دانشگاه مالک اشتر، تهران، ایران

² دانشیار،دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

³ دانشیار، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله طراحی و شبیه سازی یک آنتن تک تغذیه با قطبش دایره ای راستگرد، قابل استفاده در کاربردهای GPS ، ارائه شده است. اما ویژگی اصلی و وجه تمایز این آنتن از سایر آنتن های تک تغذیه با پلاریزاسیون دایروی مورد استفاده در سیستم های GPS این است که به دلیل به حداقل رساندن تلفات چند مسیری، این مقاله ساختاری را معرفی می کند که نسبت بهره در زاویه 0=θ نسبت به بهره در زاویه حوالی 90=θ حداقل به dB 20 برسد . برای دستیابی به این اهداف، یک آنتن چند لایه در بالای سطح زمین پیشنهاد شده است. لایه اول از یک صفحه فلزی با دو گوشه برش خورده و یک شکاف بیضی شکل در وسط تشکیل شده است. لایه بعدی یک آنتن سیمی حلقه ای است که شامل دو حلقه مستطیل شکل است و لایه آخر یک فراسطح می باشد که بر روی هر سلول شکاف‌هایی دارد تا ویژگی‌های تشعشعی و خلوص پلاریزاسیون بهتری داشته باشد. یک بالن باریک شونده نیز برای تغذیه آنتن، طراحی و شبیه سازی شده است. نتایج به دست آمده و نمودارهای تشعشعی نشان می دهد که این طراحی توانسته است نسبت محوری کمتر از dB 3 در بازه ی فرکانسی GHz1.57 تا GHz1.61 داشته باشد. همچنین در این بازه ی فرکانسی، اختلاف مقادیر حداکثر بهره (که در0=θ رخ می دهد ) در مقایسه با بهره در حوالی زاویه ی 90=θ ، حداقل dB 20 می باشد. همچنین در بازه ی فرکانسی مذکور، مقادیر S11 کمتر از -10 dB و مقادیر VSWR کمتر از 2 می باشد.

کلیدواژه‌ها

آنتن سیمی

آنتن حلقه ای

بالن تغذیه باریک شونده

قطبش دایروی

آنتن GPS

20.1001.1.26455153.1403.12.2.4.4

عنوان مقاله English

Design and simulation of multi-layer GPS antenna with tapered balun feeding with circular polarization and special radiation pattern in order to reduce interference effects

نویسندگان English

Hamideh Heidarifard ¹

Mohsen Fallah ²

Bijan Abbasi Arend ³

¹ PhD student, Malek Ashtar University, Tehran, Iran

² Associate Professor, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran

³ Associate Professor, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده English

In this article, the design and simulation of a single-feed antenna with right circular polarization that can be used in GPS applications is presented. But the main feature and what distinguishes this antenna from other single-feed antennas with right-handed polarization used in GPS systems is that due to the minimization of interference effects, this article considers the antenna to introduce the maximum gain-to-gain ratio in horizontal angles (θ=90) at least to 20 dB . To achieve these goals, a multi-layer antenna placed above the ground is proposed. The first layer consists of a metal plate with two corners cut and an oval slot in the middle. The next layer is a circular wire antenna that includes two rectangular rings, and the last layer is a metasurface that has slits on each cell in order to achieve more radiation characteristics and polarization purity. A tapered balun is used to feed the antenna. The obtained results and radiation diagrams show that this design has been able to have an axial ratio of less than 3 dB in the frequency range of 1.57 GHz to 1.61 GHz. Also, in this frequency range, the maximum gain values (which occurs at θ=0) are different by at least 20 dB compared to the gain around θ=90 . Also, in the mentioned frequency range, S11 values are less than -10 dB and VSWR values are less than 2.

کلیدواژه‌ها English

wire antenna

loop antenna

tapered balun

circular polarization

GPS antenna

B. L. G. Jonsson and F. Ferrero, “On small antennas with circular polarization, bandwidth estimates and design considerations,“ 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). IEEE, 2023.

[2] S. Moeini, A. Omidvar and S. H. Mohseni Ermaki, “Design and construction of broadband antenna with circular polarization,“ Applied Electromagnetism biannual scientific journal, vol. 7(1), pp.83-88, 2019. (In Persian) https://dorl.net/dor/20.1001.1.26455153.1398.7.1.9.2

[3] Y. Haghian, S. M. Mohseni Aramaki and M. Kazroni, “Design, simulation and fabrication of microstrip antenna arrays with circular polarization in S band,“ Applied Electromagnetism, vol. 2, 2014. (In Persian)

https://dorl.net/dor/ 20.1001.1.26455153.1393.2.1.6.4

[4] M. Khalaj-Amirhosseini, M. Nadi-Abiz, “Multi-petal wire antenna with omnidirectional radiation with circular polarization in bands,“ Applied Electromagnetism, vol. 4, pp.13-20, 2016 (In Persian)

https://dorl.net/dor/ 20.1001.1.26455153.1395.4.2.2.6

[5] W. S. Chen, C. K. Wu, and K. L. Wong, “Square-ring microstrip antenna with a cross strip for compact circular polarization operation,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 47, pp. 1566–1568, Oct. 1999.

[6] X. M. Qing and M. Y. W. Chia, “Broadband circularly polarized slot loop antenna fed by three-step hybrid coupler,” Electron. Lett., vol. 35, pp. 1210–1211, July 1999.

[7] H. Morishita, K. Hirasawa, and T. Nagao, “Circularly polarized wire antenna with a dual rhombic loop,” Proc. Inst. Elect. Eng.-Microw. Antennas Propag., vol. 145, pp. 219–224, June 1998.

[8] M. Sumi, K. Hirasawa, and S. Shi, “Two rectangular loops fed in series for broadband circular polarization and impedance matching, “ IEEE Transactions on Antennas and Propagation 52.2 (2004): 551-554.

[9] G. Yang, M. Ali and R. Dougal. “A wideband circularly polarized microstrip patch antenna for 5–6‐GHz wireless LAN applications, “ Microwave and optical technology letters 45.4 (2005): 279-285.

[10] S. I. Latif and L. Shafai, “Circular polarisation from dual-layer square-ring microstrip antenna,“ IET microwaves, antennas & propagation, vol. 6, pp. 1-9, 2012.

[11] Y. Dong and T. Itoh, “Metamaterial-based antennas,” Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2271–2285, Jul. 2012.

[12] S. X. Ta, et al, “Single-feed, compact, GPS patch antenna using metasurface.“ International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), IEEE, 2017.

[13] H. Mosallaei and K. Sarabandi, “Antenna miniaturization and bandwidth enhancement using a reactive impedance substrate,” IEEE Trans, Antennas Propag, vol. 52, no. 9, pp. 2403–2414, Sep. 2004.

[14] Y. Dong, H. Toyao and T. Itoh, “Compact circularly-polarized patch antenna loaded with metamaterial structures,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 11, pp. 4329–4333, Nov. 2011.

[15] Y. Dong, H. Toyao and T. Itoh, “Design and characterization of miniaturized patch antennas loaded with complementary split-ring resonators,” IEEE Trans, Antennas Propagat, vol. 60, no. 2, pp. 772– 785, Feb. 2012.

[16] K. Agarwal, Nasimuddin and A. Alphones, “RIS based compact circularly polarized microstrip antennas,” IEEE Trans, Antennas Propag., vol. 61, no. 2, pp. 547–554, Feb. 2013.

[17] H. Xu, G. Wang, J. Liang, M. Qi and Z. Gao, “Compact circularly polarized combining meta-surfaces and strong space-filling metaresonators,” IEEE Trans, Antennas Propag., vol. 61, no. 7, pp. 3442– 3450, Jul. 2013

[18] T. Tsukiji and S. Tou, “On polygonal loop antennas.“ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 28, pp. 571-575, 1980.

[19] F. Mohammadzadeh, et al. “Design, simulation and fabrication of high power radial linear slotted array antenna,“ Bi-Quarterly Journal of Applied Electromagnetism vol. 11, pp. 75-85, 2023. ( In Persian)https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1402.11.1.8.9

[20] K. Nadali, P. McEvoy and M. Ammann, “A broadband CP elliptical-slot antenna for ambient RF energy harvesting,“ 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 1-5, IEEE, 2022.

[21] S. X. Ta, et al, “Single-feed, compact, GPS patch antenna using metasurface,“ International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). IEEE, 2017.

[22] H. Oraizi, “Impedance matching and BALUNs,“ Handbook of antenna technologies,“ pp. 3349-3428, 2015.