Микрополосковая антенна

На частоті 1.6ГГц значення коефіцієнта еліптичності в зеніті становить -0.297дБ; на частоті 1.59ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.2дБ; на частоті 1.61ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.71дБ.

         

Рис.2.6  Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.59ГГц, 1.6ГГц, 1.61ГГц.

Визначимо, який з параметрів найбільше обмежує смугу робочих  частот: коефіцієнт еліптичності , КСД чи КСХН.

Коефіцієнт еліптичності більше всього обмежує смугу робочих частот антени (рис.2.7), і по рівню -3дБ вона складає 1.5776-1.6186ГГц , що задовольняє вимогам. При значенні КСХН=1.2, що задовольняє вимогам антени(КСХН<2), смуга робочих частот антени складає  1.5642-1.641ГГц.

Рис.2.7(а)  Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

Рис.2.7(б)  Залежність КСД від частоти

Рис.2.7(в)  Залежність КСХН від частоти

Проведемо дослідження, як геометричні  розміри випромінювача впливають  на характеристики мікросмужкової антени.

Оскільки найбільш чутливим до зміни геометрії є коефіцієнт еліптичності та коефіцієнт відбиття (S11) тому будемо досліджувати їх зміну при різних значеннях геометричних параметрів.

1. Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні розміру квадратного випромінювача (xa) в межах 25.22-25.52мм.

При зміні розміру випромінювача  змінюється діапазон робочих частот (рис.2.8). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.9) не дуже чутливе до зміни розмірів випромінювача. При зміні цього параметру на 0.15мм по відношенню до найкращого (25.37мм) коефіцієнт еліптичності змінюється не більше ніж 1.5дБ, але смуга робочих частот , яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, змінюється в залежності від значення даного параметру (ха).

Рис.2.8 S11 при різних значення розмірів випромінювача

 

 

Рис.2.9 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від розмірів випромінювача.

Рис.2.9 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від  розмірів випромінювача

2.     Визначимо вплив величини зрізів (srez) на характеристики антени при зміні в межах 11.39-11.69мм.

Збільшення або зменшення величини зрізу призводить до погіршення узгодження (рис.2.11). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.12) мало чутливе до зміни величини зрізу. При зміні на 0.15мм по відношенню до найкращого значення (11.54мм) коефіцієнт еліптичності погіршується менше, ніж на 0,3дБ, але розміри зрізу впливають на смугу робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ (рис.2.13).

Рис.2.11 S11 при різних значеннях величини зрізів.

Рис.2.12 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від величини зрізу.

Рис.2.13 Коефіцієнт еліптичності в залежності від величини зрізу.

3.    Визначимо вплив розташування точки живлення на характеристики антени при зміні х та у.

Зміна розташування точки живлення по х в межах 15.06-15.36мм та по у в межах 4.49-4.79мм, тобто, відхилення на ±0.15мм від найкращого значення  по х (15.21мм), по у (4.64мм) призводить до погіршення узгодження, а саме, амплітуди ортогональних мод відрізняються між собою або зливаються в одну, а для отримання колової поляризації нам необхідно щоб вони були рівні (рис.2.14). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.15)  при зміні розташування точки живлення по координаті х суттєво не змінюється, а по координаті у при зміні на -0.15мм коефіцієнт еліптичності погіршується на 0.5дБ. Смуга робочих частот , яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, практично не змінюється від зміни розташування точки живлення по координаті х. При зміні координати у на     -0.15мм характеристика зміщується ліворуч, що призводить до зміни смуги робочих частот.  

 

 

 

Рис.2.14(а) S11 при зміні точки живлення по х.

Рис.2.14(б) S11 при зміні точки живлення по у.

Рис.2.15(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки  живлення по х.

Рис.2.15(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по у.

Рис.2.16(а) Коефіцієнт еліптичності при зміні точки живлення по х.

Рис.2.16(б) Коефіцієнт еліптичності при зміні точки живлення по у.

За отриманими результатами проведеного дослідження можна  зробити висновок, що на характеристику даної антени найбільш впливає величина зрізів , розміри випромінювача та розташування точки живлення, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення розмірів випромінювача чи зрізу призведе до погіршення узгодження та зсуву характеристик з робочої частоти, а порушення розташування точки живлення призведе до нерівності амплітуд двох ортогональних мод та зміни смуги робочих частот.

2.2 Антена з коловоми профілем.

Конструкція МСА з коловим профілем  зображена на рис.2.17:

Рис.2.17

Параметри антени, що зображена на рис.2.17 :

w – ширина вирізу.

h – висота вирізу.

ra – радіус випромінювача.

xg – ширина і довжина підкладинки.

 

Для налаштування антени на необхідну частоту ми змінювали радіус випромінювача. Вирізами в металізації досягли збудження двох мод з рівними амплітудами та зсувом фаз 90°. Для того, щоб отримати необхідне узгодження, змінювалась відстань від центра випромінювача до точки живлення антени. Зміщенням живлення був скоректований коефіцієнт еліптичності до прийнятного значення.

 В процесі моделювання  найкращі результати були отримані  при геометрії випромінювача , зображеній на рис.2.17, де w=6.48мм, h=5.11мм, ra=27.86мм, xg=112мм, точка живлення має координати (11.6,-6.54), початок системи координат знаходиться в центрі випромінювача .

Наведемо параметри, отримані при такій геометрії.

На залежності коефіцієнта  відбиття(S11) від частоти(рис.2.18) 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 1.5353-1.6743ГГц.

Рис.2.18 Значення параметру S11.

По графіку залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН) (рис.2.19) можна побачити, що в необхідному діапазоні частот (1.5675-1.637ГГц) КСХН не перевищує значення 1.2, що задовольняє вимогам до антени (КСХН<2).

Рис.2.19 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.2.21).

Рис.2.20 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 7.1дБ, ширина діаграми 84.5°; на частоті 1.59 ГГц КСД становить 7.1дБ, ширина діаграми 84.4°; на частоті 1.61 ГГц КСД становить 7.1дБ, ширина діаграми 84.6°. Ширина діаграми направленості по коефіцієнту еліптичності на частоті 1.6ГГц складає 154.9°.

Рис.2.21 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 7.1 дБ при вимогах 6-8дБ.

Наведемо значення коефіцієнта  еліптичності в прямокутній системі  координат для частот 1.59, 1.6, 1.61ГГц (рис.2.22) в межах кута підняття θ від -90° до 90°, тому що нас цікавить верхній напівпростір над антеною.

На частоті 1.6ГГц значення коефіцієнта еліптичності в зеніті становить -0.83дБ; на частоті 1.59ГГц значення коефіцієнта еліптичності -2дБ; на частоті 1.61ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.5дБ.

Рис.2.22 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.59ГГц, 1.6ГГц, 1.61ГГц.

Визначимо, який з параметрів найбільше обмежує смугу робочих  частот: коефіцієнт еліптичності, КСД  чи КСХН.

Коефіцієнт еліптичності більше всього обмежує смугу робочих  частот антени (рис.2.23), і по рівню -3дБ вона складає 1.5796-1.6141ГГц, що задовольняє вимогам.

Рис.2.23(а)  Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

Рис.2.23(б)  Залежність КСД від частоти

Рис.2.23(в)  Залежність КСХН від частоти

Проведемо дослідження, як геометричні  розміри випромінювача впливають  на характеристики мікросмужкової антени.

Оскільки найбільш чутливим до зміни геометрії є коефіцієнт еліптичності та коефіцієнт відбиття (S11) тому будемо досліджувати їх зміну при різних значеннях геометричних параметрів.

       1.   Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні радіуса випромінювача (ra) в межах 27.81-28.11мм.

При зміні радіуса випромінювача  змінюється діапазон робочих частот та узгодження (рис.2.24). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.25) чутливе по відношенню до зміни радіуса випромінювача. Зміна в бік збільшення радіуса на 0.15мм призводить до погіршення коефіцієнту еліптичності на 2дБ. При зміні параметру (ra) змінюється смуга робочих частот по рівню -3дБ, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти (рис.2.26).

Рис.2.24 S11 при різних значення радіусу випромінювача

Рис.2.25 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу випромінювача

Рис.2.26 коефіцієнт еліптичності при зміні радіуса випромінювача.

2.   Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні ширини вирізів(w) в межах 6.4-6.5мм.

Зміна ширини вирізів впливає на узгодження, а саме, зміною даного параметру ми досягаємо рівності двох ортогональних мод (рис.2.27). Коефіцієнт еліптичності не сильно залежить від зміни ширини вирізів. При зміні на 0.15мм від проектного значення (6.48мм), даний параметр погіршується менше ніж на 0.5дБ (рис.2.28). Смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, при зміні ширини вирізу зміщується ліворуч (рис.2.29).

Рис.2.27 S11 при різній  ширині вирізу .

Рис.2.28 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від ширини вирізу.

Рис.2.29 Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях ширини вирізу.

3. Визначимо вплив глибини вирізів (h) на характеристики антени при зміні в межах 4.96-5.26мм.

Збільшення глибини вирізів  призводить до погіршення узгодження, а саме ми втрачаємо рівність амплітуд двох ортогональних мод (рис.2.30). Значення коефіцієнта еліптичності чутливе до зменшення глибини вирізів, тобто, при зменшенні вирізу на 0.15мм по відношенню до проектного (5.11мм) коефіцієнт еліптичності погіршується на 1дБ (рис.2.31). Смуга робочих частот, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти по рівню -3дБ, при зміні глибини вирізу звужується (рис.2.32).

Рис.2.30 S11 при зміні глибини вирізів.

Рис.2.31 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні глибини вирізів.

 

Рис.2.32 КСД при зміні глибини вирізів.

4. Подивимось, як на параметр S11, коефіцієнт еліптичності впливає розміщення точки живлення по координаті х та у.

Зміна точки живлення по координаті х призводить до віддалення амплітуд двох ортогональних мод, а для отримання колової поляризації нам необхідно щоб амплітуди були рівні і розташовані якнайближче одна до одної (рис.2.33(а)). Зміна точки живлення по координаті у призводить до погіршення узгодження, а саме амплітуди двох ортогональних мод перестають бути рівними (рис.2.33(б)). Смуга робочих частот, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти по рівню -3дБ (рис.2.34) та коефіцієнт еліптичності на робочій частоті 1.6ГГ (рис.2.35) практично не залежать від зміни точки живлення по координаті х та у .

Рис.2.33(а) S11 при зміні точки живлення по х.

Рис.2.33(б) S11 при зміні точки живлення по у.

Рис.2.34(а) КСД при зміні точки живлення по х.

Рис.2.34(б) КСД при зміні точки живлення по у.

Рис.2.35(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по х.

Рис.2.35(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по у.

За отриманими результатами проведеного дослідження можна  зробити висновок, що на характеристику даної антени впливає величина вирізів, радіус випромінювача та розташування точки живлення, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення радіуса випромінювача призводить до зміни робочої частоти антени , погіршення коефіцієнту еліптичності та зміни смуги робочих частот. Наслідком зміни розмірів вирізів є те, що погіршується узгодження, коефіцієнт еліптичності і смуга робочих частот. При зміщення точки живлення по координаті х або у погіршується лише рівність амплітуд двох ортогональних мод, а коефіцієнт еліптичності і смуга робочих частот практично не залежать від зміни розташування точки живлення.