Микрополосковая антенна

 

 

Метод моментів.

Основна ідея методу моментів полягає  в зведенні інтегрального  рівняння до системи лінійних алгебраїчних рівнянь з N невідомими, що представляють собою коефіцієнти деякого розкладання для струму. Даний метод передбачає наступні етапи розв’язку електродинамічної задачі. Металеві елементи структури замінюються еквівалентними електричними поверхневими струмами. Потім розв’язується задача збудження навколишнього середовища даними струмами. За допомогою тензорних функцій Гріна, здійснюється розв’язок задачі збудження середовища. Після того, як задача збудження розв’язана і електричне поле знайдене, на нього накладаються граничні умови на металевих елементах для знаходження еквівалентних струмів. Важливим моментом  є розбиття поверхні металу на елементарні елементи і апроксимація електричного струму в межах площадки. Для апроксимації частіше всього використовують лінійні, постійні та трикутні функції, які називаються базисними функціями. Граничні умови на поверхні металу виконуються в деяких точках в межах кожної елементарної площадки. В результаті виконання граничних умов в дискретних точках отримуємо СЛАР відносно коефіцієнтів при базисних функціях, що мають фізичний зміст амплітуди струмів, що протікають в межах елементарного елементу. Точність методу моментів тим вища, чим менший розмір елементарних елементів. Кількість рівнянь  дорівнює числу елементарних елементів, яке збільшується при збільшенні розмірів об’єкта і при збільшенні частоти. І тому аналіз великих об’єктів неможливий через обмежений розмір оперативної пам’яті ЕОМ [13].

Головним недоліком методу моментів є те, що він придатний  для аналізу невеликих структур, так як збільшення розмірів призводить до збільшення числа елементів розбиття, що в свою чергу приводить до збільшення числа рівнянь в системі, що вимагає  значних ресурсів від обчислювальної техніки.

 

Метод кінцевих елементів(англ.FEM).

Суть методу полягає в  тому, що простір розбивається на прості елементи. Зазвичай, такими елементами виступають багатокутники. Такі елементи, як трикутники та чотирикутники використовуються для вирішення двовимірних задач. Для вирішення тривимірних задач  застосовують тетраедри (рис.1.16). Розмір тетраедра має бути достатньо малим, щоб поле в його межах можна було описати простою функцією або набором функцій з невідомими коефіцієнтами. Ці коефіцієнти знаходяться з рівнянь Максвелла та граничних умов. В результаті електродинамічна задача зводиться до системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) відносно цих коефіцієнтів [7]. 

Рис.1.16 Елемент розбиття тривимірного простору.

При вирішенні задач на площині чи двовимірних задач  в якості елемента розбиття використовується двовимірний аналог тетраедра –  трикутник (рис.1.17).

Рис.1.17 Розбиття області в двовимірному випадку.

Існує протиріччя між розмірами  комірки, бажаним рівнем точності та наявними обчислювальними ресурсами. З однієї сторони точність рішення  залежить від того, наскільки мала величина кожного із окремих елементів (тетраедрів), і чим більше елементів  розбиття, тим точніший розв’язок  задачі. З іншої сторони, розв’язок  задачі з великою кількістю елементів  вимагає використання швидкодіючих процесорів та великого обсягу оперативної  пам’яті.

Критерій малої варіації поля в її межах дає можливість оптимально вибрати розміри елементів. У цьому випадку поле може бути коректно апроксимоване лінійною функцією. Швидкість зміни поля залежить від  робочої частоти та неоднорідності середовища.

Отже, метод кінцевих елементів  вимагає наступних дій:

• Накладання граничних умов
• Вибір функції апроксимації
• Створення СЛАР для одного елементу розбиття
• Дискретизації області в кінцеве число  елементів
• Об’єднання системи лінійних рівнянь в загальну систему

Основними перевагами методу, завдяки яким він широко використовується є:

1. Властивості матеріалів суміжних елементів не обов’язково мають бути однаковими. Це дозволяє метод використовувати до об’єктів з різними матеріалами.
2. Криволінійна область може бути апроксимована з допомогою прямолінійних елементів або описана точно з допомогою криволінійних елементів.
3. Розміри елементів можуть змінюватися. Це дозволяє збільшити чи зменшити сітку розбиття області на елементи, якщо в цьому є необхідність.

        Недоліком  даного методу є те, що необхідна  швидкодіюча обчислювальна система,  яка б дала можливість обчислити  поставлені задачі. Навіть для вирішення простих задач метод кінцевих елементів є занадто громіздким.

Отже, можна зробити висновок, що найкращім методом для моделювання  антен ,які будуть розглянуті далі є  метод FDTD. Він дає можливість отримати результати в усьому діапазоні робочих частот за один етап моделювання,а також працює в часовій області.

1.4  Антенні решітки .

“Розумні”  антенні системи отримали велику увагу в останні кілька років, так як вони можуть збільшити пропускну здатність системи (що дуже важливо в містах та густонаселених районах), динамічно компенсовувати   перешкоди  поряд з вражаючими досягненнями в області цифрової обробки сигналу.

Вибрані алгоритми управління, із заздалегідь визначеними параметрами, наділяють адаптивні антенні решітки унікальною здатністю змінювати характеристики діаграми ( обнуляти  рівень бічних пелюсток, основний напрямок променя і ширину променя). Ці алгоритми управління виходять з кількох дисциплін і орієнтовані на конкретні програми (наприклад, в області сейсмології, підводній, аерокосмічній, а останнім часом мобільного зв'язку).

Сучасні тенденції обгрунтовуються на просторо-часовій обробці і кодуванні, цей метод обіцяє значно поліпшити продуктивність в бездротових мережах з використанням декількох антен на прийом. Просторово-часову обробку можна розглядати як еволюцію традиційних методів обробки масиву сигналів, таких як антенної решітки та формування променя. Працюючи одночасно з декількома датчиками, прийнятий просторово-часовий сигнал обробляється одразу в часі та просторі, тим самим покращуючи здатність, придушення перешкод і якість обслуговування [14].

Адаптивна антена – різновид антени з обробкою сигналів, призначена для максимізації відносини сигнал/шум. Максимізація здійснюється автоматично регулюванням вагових коефіцієнтів, з якими сумуються сигнали, що надходять від окремих приймальних каналів. Найчастіше адаптивною антеною є антенні решітки.

Зазвичай обробка сигналів перешкод, що забезпечує придушення сумарного сигналу перешкод на виході адаптивної антени, здійснюється до прийому корисного сигналу. Апаратура системи обробки заснована на використанні пристроїв для регулювання амплітуд і (або) фаз вагових коефіцієнтів. Регулювання вагових коефіцієнтів здійснюється автоматично за допомогою зворотних зв'язків між виходом системи обробки сигналів і приймальними каналами адаптивної антени. Процедура адаптації еквівалентна відніманню з вихідної діаграми спрямованості (ДН) решітки компенсаційної ДН, сформованої в процесі обрахунку оптимальних вагових коефіцієнтів, внаслідок чого результуюча ДН має провали в напрямках на джерела перешкод. Глибина придушення перешкод, необхідний обсяг апаратури обробки сигналів залежать від використовуваного методу адаптації і його конкретної реалізації.

 Цифрові Антенні Решітки — різновид активної фазованої антенної  решітки АФАР. Розходження між системами полягає в методах обробки інформації. В основі АФАР лежить приймально-передавальний модуль (ППМ), що включає в себе два канали: приймальний і передавальний. У кожному каналі встановлений нелінійний елемент — підсилювач, а також по два пристрої керування амплітудно-фазовим розподілом: фазообертач і атенюатор.

В цифрових антенних решітка в кожному  каналі встановлений цифровий приймально-передавальний  модуль, у якому аналогова система  керування амплітудою і фазою  сигналу замінена системою цифрового  синтезу і аналізу сигналів (ЦАП/АЦП).

У ППМ ЦАР існує два  канали обробки даних:

• передавальний канал
• приймальний канал

Рис.1.18 Цифровий приймально-передавальний  модуль ЦАР [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МОДЕЛЮВАННЯ  ОКРЕМИХ МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН  В СЕРЕДОВИЩІ CST MICROWAVE STUDIO

Проаналізуємо характеристики узгодження і випромінювання  мікросмужкових антен з такими видами профілів:

1. Квадратний

2. Круглий

3. Кільце 

Аналіз даних профілів будемо проводити в програмному  забезпеченні CST Microwave Studio 2010, що базується на методі FDTD.

Мікросмужкові антени виконуються на одній діелектричній підкладинці. Моделювання починається з вибору матеріалу діелектрика, оскільки діелектрична основа відіграє важливу роль в проектуванні. Від вибраного матеріалу залежать характеристики спрямованості та розміри антени.

При виборі діелектрика необхідно  враховувати такі параметри:

• діелектрична стала
• тангенс діелектричних втрат
• матеріал та товщина діелектрика.

При проектуванні антен використовується велика кількість різних типів діелектриків. Вони мають різні характеристики і, зазвичай, діелектрична проникність  ε змінюється в межах 2 ≤ ε ≤ 12. Товсті підкладки з низькою  діелектричною проникністю часто  використовуються, оскільки вони забезпечують ширшу смугу частот та підвищують ефективність. Тонкі підкладки з  високою діелектричною сталою дають  кращі результати для коротких антен. Для моделювання візьмемо комерційно доступну підкладинку фірми Rogers TMM6 з діелектричною проникністю ε = 3 , тангенс діелектричних втрат tgφ = 23· на частоті f = 10 ГГц, товщиною діелектрика – 6,985 мм. Крім того, необхідно також враховувати матеріал металевої поверхні та його товщину. При моделюванні в якості металу будемо використовувати ідеальний електричний провідник з товщиною 0,05 мм. Розглянемо конструкцію кожної антени.

2.1 Антена з  квадратним профілем.

Конструкція МСА з квадратним профілем зображено на рис.2.1:

Рис.2.1

Параметри антени, які зображені  на рис.2.1:

xg – довжина і ширина підкладинки.

xa – довжина і ширина антени.

srez – величина зрізу.

 

Для налаштування антени на необхідну частоту ми змінювали розмір сторони  випромінювача. Зрізами двох кутів квадратної мікросмужки та розташуванням точки живлення досягли збудження двох мод з рівними амплітудами та зсувом фаз 90°, а, також, необхідного коефіцієнту еліптичності.

 В процесі моделювання  найкращі результати були отримані  при геометрії випромінювача, зображеній на рис.2.1, де xg=100.86 мм, xa=50.74 мм, srez=11.54 мм. Наведемо параметри, отримані при такій геометрії. На залежності коефіцієнта відбиття (S11) від частоти (рис.2.2) можна побачити два резонанси, отже, збуджуються дві моди. За рахунок того, що на центральній частоті вони будуть мати приблизно однакові амплітуди та зсув фаз на 90°, ми і отримуємо колову поляризацію. Смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом відбиття складає 1.5265-1.6822 ГГц.

Рис.2.2 Значення параметру  S11.

По графіку залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН) (рис.2.3) можна побачити, що в необхідному діапазоні частот (1.5642-  1.6409ГГц) КСХН не перевищує значення 1.2, що задовольняє вимогам до антени (КСХН<2).

Рис.2.3 Значення КСХН

Наведемо діаграми спрямованості  ДС та значення коефіцієнта спрямованої дії КСД для правої поляризації на  частотах  1.59, 1.6, 1.61 ГГц в полярній системі координат в площині φ=0 (рис.2.5).

Рис.2.4 Тривимірна модель антени та її ДС на частоті 1.6 ГГц

Зауважимо, що кут φ відраховується в напрямку від осі Х до осі  У, кут θ – кут підняття, відраховується від осі Z.

У відповідності до чисельного розрахунку, значення (КСД) на частоті 1.6 ГГц становить 7дБ, ширина діаграми 86.2°; на частоті 1.59 ГГц КСД становить 6.9дБ, ширина діаграми 86.4°; на частоті 1.61 ГГц КСД становить 7дБ, ширина діаграми 86°. Ширина діаграми направленості по коефіцієнту еліптичності на частоті 1.6ГГц складає 159.6°.

Рис.2.5 ДС та КСД (від кута θ) на частоті 1.59ГГц , 1.6ГГц , 1.61ГГц

З наведених діаграм можна  зробити висновок, що в межах робочого діапазону частот характеристики антени відповідає вимогам до приймальних  антен системи GPS по коефіцієнту підсилення. Ми отримали значення КСД в зеніті не гірше 6.9 дБ при вимогах 5-7дБ.

Наведемо значення коефіцієнта  еліптичності в прямокутній системі  координат для частот 1.59, 1.6, 1.61ГГц (рис.2.6) в межах кута підняття θ від -90° до 90°, тому що нас цікавить верхній напівпростір над антеною.