Микрополосковая антенна

2.3 Антена з кільцувим профілем.

Конструкція МСА з кільцевим профілем  зображена на рис.2.36:

Параметри антени, що зображена на рис.2.36:

w – ширина  мікросмужки  чверть хвильового трансформатора.

wv – ширина вирізів.

w2 – довжина контактної площинки точки живлення.

wp – ширина контактної площинки точки живлення.

L, L, Ltr – довжини відрізків лінії чверть хвильового трансформатора.

lv – висота вирізу.

rmin – внутрішній радіус випромінювача.

rmax – зовнішній радіус випромінювача.

xg – ширина і довжина підкладинки.

 

Для налаштування антени на необхідну частоту ми використовували  зміну радіусів випромінювача , а  також зміною довжин відрізків лінії  від внутрішнього кола до місця включення  живлення , яка приблизно дорівнює чверть хвильовому трансформатору. Вирізами в металізації досягли збудження  двох мод з рівними амплітудами  та зсувом фаз 90°. Для того , щоб отримати необхідне узгодження , змінювалась довжина відрізків лінії та розміри вирізів за допомогою яких і досягається кругова поляризація.

 В процесі моделювання  найкращі результати були отримані  при геометрії випромінювача , зображеній на рис.2.36  , де w=2.26мм , w2=4.5мм , wv=2.6мм, wp=2.05мм, L=7.84мм, L1=5.29мм, Ltr=10.11мм, lv=3.05мм, rmin=16.28мм, rmax=22.06мм, xg=110мм.

Наведемо параметри, отримані при такій геометрії.

На залежності коефіцієнта  відбиття(S11) від частоти (рис.2.45) 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 1.5581-1.6376 ГГц.

 

Рис.2.37 Значення параметру S11.

По графіку залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою(КСХН) (рис.2.38) можна побачити, що в необхідному діапазоні частот (1.59-1.61ГГц) КСХН не перевищує значення 1.1, що задовольняє вимогам до антени (КСХН<2).

Рис.2.38 Значення КСХН

Наведемо діаграми спрямованості  ДС та значення коефіцієнта спрямованої дії КСД для правої  поляризації на  частотах  1.5950, 1.6, 1.6050 ГГц в полярній системі координат в площині φ=0(рис.2.40).

Рис.2.39 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 7.0дБ, ширина діаграми 84.8°; на частоті 1.5950 ГГц КСД становить 7.0дБ, ширина діаграми 84.9°; на частоті 1.6050 ГГц КСД становить 7.0дБ, ширина діаграми 84.9°. Ширина діаграми направленості по коефіцієнту еліптичності на частоті 1.6ГГц складає 158.3°.

Рис.2.40 ДС та КСД (від кута θ) на частоті 1.5950ГГц, 1.6ГГц, 1.6050ГГц.

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 7.0дБ при вимогах 6-8дБ.

Наведемо значення коефіцієнта  еліптичності в прямокутній системі  координат для частот 1.5950, 1.6, 1.6050ГГц (рис.2.41) 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 -0.8дБ; на частоті 1.5950ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.66дБ; на частоті 1.6050ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.62дБ.

Рис.2.41  Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.5950ГГц, 1.6ГГц, 1.6050ГГц.

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

Коефіцієнт еліптичності більше всього обмежує смугу робочих частот антени (рис.2.42) , і по рівню -3дБ вона складає 1.59-1.61ГГц.

Рис.2.42(а)  Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

Рис.2.42(б)  Залежність КСД від частоти

Рис.2.42(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 радіусів випромінювача (rmin , rmax) в межах 16.1-16.4мм та 22-22.3 відповідно.

При зміні радіусів випромінювача змінюється діапазон робочих частот та рівність амплітуд ортогональних мод (рис.2.43). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.44) чутливе по відношенню до зміни радіусів випромінювача. Зміна на 0.15мм (rmin) або (rmax) призводить до погіршення цього параметру на 1.5дБ. Смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ з верхньою і нижньою частотою, дуже чутлива до зміни радіусів випромінювача , тобто, в залежності від того чи збільшуються радіуси випромінювача чи зменшуються, верхня і нижня частота змінюється.

Рис.2.43(а) S11 при різних значення радіусу(rmin) випромінювача

Рис.2.43(б) S11 при різних значення радіусу(rmax) випромінювача

Рис.2.44(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу(rmin) випромінювача

Рис.2.44(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу(rmax) випромінювача

Рис.2.45(а) КСД при різних значеннях радіусу(rmin) випромінювача

Рис.2.45(б) КСД при різних значеннях радіусу(rmax) випромінювача

 

2.   Визначимо , як змінюються характеристики антени при зміні довжин (L, L1, Ltr) відрізків лінії живлення в межах 7.69-7.99мм , 5.14-5.44мм , 9.96-10.26мм відповідно. 

По отриманим графікам можна сказати, що довжина відрізків лінії живлення значною мірою впливає на узгодження антени, а саме, змінюючи довжину  відрізків (L, L1, Ltr) погіршує узгодження, тобто, амплітуди двох ортогональних мод стають нерівними за значенням, що суперечить отриманню колової поляризації (рис.2.46). Коефіцієнт еліптичності та смуга робочих частот практично не залежать від довжини відрізків (L, L1, Ltr) лінії живлення мікросмужкової антени (рис.2.47, рис.2.48 ). 

Рис.2.46(а) S11 при різній довжині відрізка L.

Рис.2.46(б) S11 при різній довжині відрізка L1.

Рис.2.46(в) S11 при різній довжині відрізка Ltr.

Рис.2.47(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка L.

Рис.2.47(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка L1.

Рис.2.47(в) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка Ltr .

Рис.2.48(а) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка L.

Рис.2.48(б) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка L1.

Рис.2.48(в) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка Ltr.

3. Визначимо вплив довжини і ширини контактної площинки точки живлення на характеристики антени при зміні в межах wр=1.9-2.2мм, w2=4.35-4.65мм.

Збільшення розміру (w2) 0.15мм призводить до погіршення узгодження і віддалення резонансів один від одного (рис.2.49), а зміна параметру (wр) майже не впливає на значення параметра S11. Коефіцієнт еліптичності (рис.2.50) та смуга робочих частот (рис.2.51) даної МСА майже не залежать від зміни розмірів контактної площинки точки живлення.

Рис.2.49(а) S11 при зміні w2.

Рис.2.49(б) S11 при зміні wр.

Рис.2.50(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні w2.

Рис.2.50(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні wр.

Рис.2.51(а) Коефіцієнт еліптичності  при зміні w2.

Рис.2.51(б) Коефіцієнт еліптичності  при зміні wр .

4. Подивимось, як на параметр S11, коефіцієнт еліптичності та смугу робочих частот впливає ширина і висота  вирізів при зміні в межах  wv=2.45-2.75мм, lv=2.9-3.2мм.

При збільшенні величини даних  параметрів (wv) та (lv) на 0.15мм від проектного значення , погіршується узгодження і коефіцієнт еліптичності, а саме, два резонанси віддаляються один від одного (рис.2.52) і значення коефіцієнту еліптичності погіршується на 1.3дБ (рис.2.53). При зменшенні на 0.15мм резонанси зливаються в один (рис.2.52), але коефіцієнт еліптичності покращується (рис.2.53) . Зміна верхньої та нижньої частоти смуги робочих частот майже не змінюється при збільшенні або зменшенні величини розмірів вирізів (рис.2.54).

Рис.2.52(а) S11 при зміні wv.

Рис.2.52(б) S11 при зміні lv.

Рис.2.53(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні wv.

Рис.2.53(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні lv.

Рис.2.54(а) Коефіцієнт еліптичності при зміні wv.

Рис.2.54(б) Коефіцієнт еліптичності при зміні lv.

За отриманими результатами проведеного дослідження можна  зробити висновок, що на характеристику даної антени найбільш впливає величина вирізів, радіуси випромінювача, величина відрізків лінії живлення та розміри контактної площинки, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення радіуса випромінювача призводить до погіршення узгодження, погіршення коефіцієнту еліптичності, зсуву характеристик з робочої частоти та зміни смуги робочих частот. Відхилення від проектного значення довжини відрізків лінії живлення призводить до погіршення узгодження і нерівності амплітуд двох ортогональних мод. Зміна величини вирізів призводить до погіршення коефіцієнту еліптичності та частково до зміни смуги робочих частот. Величина розмірів площинки до якої підключається живлення практично не впливає на характеристики антени.

2.4 ВИСНОВКИ.

Проаналізувавши обрані види мікросмужкових антен, а саме :

1. Квадратний профіль МСА.
2. Коловий (дисковий) профіль МСА.
3. Кільцевий профіль МСА.

За результатами аналізу  МСА з квадратним, коловим та кільцевим  профілем встановлено, що:

• Найменші розміри мікросмужкового випромінювача має антена з кільцевим профілем, а саме: rmin=16.28 мм, rmax=22.06 мм, xg=110 мм.
• Найбільшу смугу робочих частот по коефіцієнту відбиття має антена з квадратним профілем і вона складає 155.7 МГц (1.5265-1.6822ГГц).
• Найбільша смуга частот, що визначається по коефіцієнту еліптичності по рівню -3дБ має  антена з квадратним профілем випромінювача і вона дорівнює 41 МГц (1.5642-1.641ГГц).
• Діаграма спрямованості найбільша у мікросмужкової антени з квадратним профілем, а саме 86.2˚.
• Мікросмужкова антена з квадратним профілем має найбільшу діаграму спрямованості по коефіцієнту еліптичності і вона дорівнює 159.6˚

3. ДОСЛІДЖЕННЯ РЕШІТКИ МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН РОЗМІРАМИ 2х2.

В наш час спостерігається інтенсивний розвиток систем бездротового зв'язку, і найважливішим напрямком досліджень у даній області є підвищення їхньої ефективності. Одним з найбільш перспективних підходів до рішення даного завдання є використання антенних решіток (АР) , які на додаток до часового, частотного або кодового поділу користувачів, дозволяють застосувати просторовий поділ, що може значно збільшити число користувачів, що обслуговуються. Далі ми розглянемо антенні решітки, які спроектовані на раніше розглянутих профілях мікросмужкових антен.

3.1 Решітка на основі мікросмужкової антен з квадратним профілем.

Тривимірна модель антенної решітки з використанням  квадратної мікросмужкової антени зображена на рис.3.1.

Рис.3.1 Тривимірна антенна  решітка розмірами 2х2 елементи.

Елементи в АР розташовані  на відстані λ/2 один від одного, де λ  розраховувалася для частоти 1.6ГГц  і дорівнює 187мм. Проведемо дослідження, що відбудеться з характеристиками кожної мікросмужкової антени з квадратним профілем АР, в порівнянні з антеною квадратного профілю, яка була розглянута в частині другій даної роботи, пункт 2.1.

     Проаналізувавши   отримані результати можна сказати,  що узгодження  мікросмужкових антен в АР значно погіршилися відносно характеристики окремої мікросмужкової антени з квадратним профілем (рис.3.2). Ми бачимо, що в антенах з яких складається АР зникає рівність амплітуд двох ортогональних мод, зміщується робоча частота антен, а також зменшується коефіцієнт відбиття. Коефіцієнт еліптичності сильно погіршується при розташуванні антен в АР (рис.3.4) по відношенню до коефіцієнта еліптичності окремої антени (рис.3.3), а саме, в головному напрямку антени він погіршується майже на -4дБ відносно коефіцієнту еліптичності окремої квадратної мікросмужкової антени, який дорівнює -0.297дБ.