Design of A Broadband Biconical Antenna with Sleeve Balun for Improving Radiation Pattern

Abstract

광대역 통신 시스템은 더 높은 데이터 속도로 더 많은 정보를 제공 할 수있는 기능을 갖추고있어 매일 더 까다로워집니다. 무선 통신 시스템에 대한 지난 몇 년간 광대역 안테나에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 지난 10 년 동안 광대역 안테나에 대한 많은 연구가 진행되었습니다. 전 방향 특성으로 인해 간단한 구성 및 광대역 주파수 응답 바이 코니 컬 안테나가 광대역 통신에 광범위하게 사용됩니다. 유한 안테나는 주파수 의존성을 나타내지 만 유한 안테나는 주파수 독립성을 나타냅니다. 광대역 통신의 경우, 이중 원뿔형 안테나 설계는 여전히 하나의 주요 과제에 직면하고 있습니다. 주파수가 증가하면 안테나의 방사 패턴이 손상되어 결과적으로 안테나의 3dB 빔 폭이 높아질수록 작아집니다 주파수. 이 심각한 문제의 주요 원인은 전체 안테나 구조에서 표면 전류가 고르지 않기 때문입니다. 안테나에 전류를 공급하기 위해 긴 동축 케이블을 사용하는 경우 안테나의 방사 패턴을 왜곡하는 케이블의 외부 실드에 전류가 흐릅니다. 이 현상을 케이블 효과라고합니다. 이전 연구에서 주파수가 증가함에 따라 더 부드러운 방사 패턴이 부족한이 논문은 방사 패턴 안정성으로 3dB 빔폭을 개선하는 데 중점을두고 있습니다. 거의 모든 이전 연구에서 광대역 바이 코니 컬 안테나 설계의이 도전적인 부분은 고려되지 않았습니다. 이 논문에서 제안 된이 원뿔형 안테나는 원뿔, 원통 및 링의 세 부분으로 구성되며, 방사 패턴을 개선하기 위해 링과 원통의 독특한 혼합 된 모양의 가장자리를 도입합니다. 모든 평형 안테나의 경우 평형 피드 "balun"설계의 요구 사항을 충족시키는 것이 매우 중요한 문제입니다. 발룬은 부하와 소스에 최대 전력을 공급할 수 있습니다. 슬리브 발룬은 동축 케이블 공급으로 인한 바람직하지 않은 방사선을 개선하기 위해 특정 주파수에서 동축 공급과 함께 사용됩니다. 그러나 슬리브 발룬은 단일 주파수 만 작동합니다. 여기에서 개별 슬리브 발룬은 서로 다른 주파수에서 작동하도록 설계되었습니다이 논문은 3-40 GHz 주파수 범위에서 방사 패턴을 개선하기 위해 슬리브 발룬과 연결된 바이 코니 컬 안테나의 설계를 나타냅니다. 이 이중 원뿔형 안테나는 방사 패턴을 개선 할 목적으로 새로운 원뿔 모양의 내부 실린더 가장자리와 각 원뿔에 링이 있습니다. 안테나의 방사 패턴에서 긴 동축 케이블 공급의 영향을 최소화하기 위해 더 높은 주파수에서는 슬리브 발룬이 특정 주파수로 연결됩니다. 안테나 및 발룬의 모델링 및 시뮬레이션은 CST Microwave Studio를 사용하여 수행됩니다. 시뮬레이션 된 결과는 3dB 각 빔폭을 갖는 개선 된 E- 평면 방사 패턴이 원하는 3-40 GHz 범위에 걸쳐 101.1에서 83.3 도로 변하는 것을 보여준다. |Broadband communication system has the capability to provide more information with higher data rates which makes it more demanding day by day. In the past few years for wireless communication system, there has been growing interest on broadband antennas. In the past decade a number of studies has been focused on broadband antennas. Due to omnidirectional characteristics, simple configuration and broadband frequency response biconical antennas are extensively used in wideband communications. Infinite size of biconical antennas show the characteristics of frequency dependency while finite size antennas show frequency independency. In case of broadband communications biconical antenna design is still facing one major challenge: the maintenance of constant radiation pattern over a broad frequency band(e.g. several gigahertz and more). With the increasing frequency, the radiation pattern of the antenna becomes corrupted as a result antenna’s 3 dB beamwidth becomes smaller at high frequencies. The major reason behind this serious problem is uneven surface current distribution on the whole antenna structure. When long coaxial cable is used for feeding the antenna current flows on the outer shield of the cable which distorts the radiation pattern of the antenna; this phenomenon is called cable effect. Previous research in lacks the smoother radiation pattern with the increasing frequencies, this paper is focused on improving 3 dB beamwidth with radiation pattern stability. In almost all previous research works, this challenging part of wideband biconical antenna design has not been considered. The proposed biconical antenna of this thesis has three parts: cone, cylinder and ring and it introduces unique blended shape edge of the ring and cylinder to improve the radiation pattern. For any balanced antenna, to meet the requirement of balanced feed “balun” design is very important issue. Balun can deliver maximum power to the load and the source. Sleeve baluns are used here with coaxial feeding at specific frequencies for the purpose of improving undesirable radiation due to the coaxial cable feeding. However sleeve baluns operate only single frequencies, here, individually sleeve baluns are designed which operates at different frequencies.

This thesis represents the design of a biconical antenna connected with sleeve balun for improving radiation pattern over 3-40 GHz frequency range. This biconical antenna has new blending shaped edge of inner cylinder and ring to each cone for the purpose of improving radiation pattern. At higher frequencies to minimize the influence of the long coaxial cable feeding in the radiation pattern of the antenna, sleeve baluns are connected here at specific frequencies. The modeling and simulation of antenna and baluns is done by using CST Microwave Studio. The simulated result shows improved E-plane radiation pattern having 3-dB angular beamwidth varies from 101.1 to 83.3 degree over desired 3-40 GHz range.