Dvoupásmová šroubovicová anténa pro WiFi pásmo

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: Dvoupásmová šroubovicová anténa pro WiFi pásmo DualL-Band Helix Antenna for WiFi Band Michal Šrajbr, Kamil Pítra xsrajb@stud.feec.vutbr.cz, xpitra1@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: Tento článek popisuje návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Článek se zaměřuje na možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény. Nejvhodnějším řešením dvoupásmové antény pro WiFipásma byla vybrána anténa s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato anténa byla navržena a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byly simulace porovnány s naměřenými hodnotami. Abstract: This article describes the design of dual-band helical antenna for WiFi 2.4 GHz and 5 GHz. The article focuses on the possibility of creating a dual-band helical antenna. The best solution for dual band antennas WiFi band was selected antenna with different thread pitch angles. This antenna has been designed and optimized in the CST MWS. In conclusion, simulations were compared with measured values. The simulation of this antenna was performed in the program CST Microwave studio.

2 212/ Dvoupásmová šroubovicová anténa pro WiFi pásmo Michal Šrajbr, Kamil Pítra Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně {xsrajb, xpitra1}@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek popisuje návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Článek se zaměřuje na možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény. Nejvhodnějším řešením dvoupásmové antény pro WiFi pásma byla vybrána anténa s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato anténa byla navržena a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byly simulace porovnány s naměřenými hodnotami. Obrázek 1a zobrazuje numerický model vytvořený v programu CST MWS a vyrobenou anténu 1b. Možnou modifikací této antény je převedení struktury do planární podoby. Na oboustranně pokoveném substrátu se vytvoří motiv šroubovicové antény s různým úhlem stoupání závitů, jak je patrné z obrázku 2. Více popsáno v [5]. 1 Úvod Použití šroubovicových antén je velice vhodné z důvodu snadného dosažení kruhové polarizace. Kruhová polarizace je výhodná zejména pokud není známa polarizace přijímací nebo vysílací antény. Šroubovicová anténa může pracovat v režimu levotočivé kruhové polarizace nebo pravotočivé kruhové polarizace. Zda se jedná o levotočivou nebo pravotočivou polarizaci je dáno tím, v jakém směru jsou navinuty závity šroubovice. Šroubovicové antény pracují ve třech základních módech. Mezi tyto módy patří osový, normálový a kuželový [1]. Módy jsou rozděleny podle tvaru a směru vyzařovací charakteristiky. Použití jednotlivých módů je závislé na rozměrech antény vzhledem k vlnové délce. Většina moderních aplikací si žádá použití dvou i více pásmových antén. Dvoupásmovosti lze dosáhnout také u šroubovicové antény. Tento článek popisuje především možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény, pro WiFi pásmo (2,4 GHz a 5 GHz). 2 Dvoupásmové šroubovicové antény Jedním z možných řešení dvoupásmové šroubovicové antény je použití parazitní šroubovicové antény [2]. Takováto anténa je složena ze dvou šroubovicových antén, z nichž jedna je umístěna na monopólu, který prochází středem osy parazitní šroubovice. Parazitní šroubovice je připevněna na reflektor. Jedna ze šroubovic je buzena pomocí napájecího vedení. Druhá šroubovice (parazitní) je připevněna k reflektoru. Jiný způsob konstrukce je použití šroubovicové antény s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato varianta je vhodná především proto, že anténa je zhotovena pouze z jednoho vodiče, na kterém jsou vytvořena vinutí s rozdílným úhlem stoupání závitů. Celková délka vodiče určuje dolní frekvenční pásmo a úhel stoupání závitů určuje horní frekvenční pásmo [3, 4]. Obrázek 1: Konstrukce dvoupásmové šroubovicové antény Obrázek 2: Planární dvoupásmová šroubovicová anténa 3 Návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz Anténa se skládá ze tří částí. Vodivý drát, ze kterého je navinuta šroubovice s dvojím úhlem stoupání, přizpůsobovací člen tvořen čtvrtvlnným vedením a reflektor. Konstrukce antény je uvedena na obrázku 1. Pro výpočet rozměrů antény byla zvolena střední frekvence f stř = 4 GHz, která leží přibližně uprostřed mezi oběma pásmy. Délka jednoho závitu C byla zvolena podle podmínek pro dosažení axiálního módu šroubovicové antény [1] na hodnotu C = λ. a) b),8 λ < C < 1, 2 λ, (1) 41 1 VOL.14, NO.3, JUN 212

3 212/ Jako impedanční přizpůsobení je použito čtvrtvlnné vedení zobrazené na obrázku 3. Toto vedení je tvořeno vodivým páskem o délce λ/4 a šířce w, který je umístěný nad zemnící plochou ve vzdálenosti h. Výšku dielektrické vrstvy h s relativní permitivitou ε r mezi přizpůsobovacím vedením a reflektorem lze vypočítat ze vztahu [1] w, (2) h = Z ε r kde w je šířka přizpůsobovacího vedení a Z je impedance přizpůsobovacího vedení. Z [Ω] Z = 14,5 Ω 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 w [mm] Obrázek 6: Závislost výstupní impedance přizpůsobovacího šířce vedení w Rozměry drátové dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz jsou uvedeny v tabulce 1. Obrázek 3: Impedanční přizpůsobení mezi napájecím vedením a anténou Pro určení rozměrů impedančního přizpůsobovacího vedení byl vytvořen numerický model v CST MWS. Struktura tohoto přizpůsobovacího vedení je zobrazena na obrázku 4. Na obrázku jsou dva porty (vstupní a výstupní). Ke zjištění výstupní impedance struktury je nutné umístit druhý port v místě řezu struktury. Dosažení požadované vstupní impedance antény je možné provést buď změnou vzdálenosti přizpůsobovacího vedení od reflektoru h, nebo změnou šířky vedení w. Graf závislosti výstupní impedance přizpůsobovacího vedení na vzdálenosti od reflektoru h je zobrazen na obrázku 5. Na obrázku 6 je zobrazen vliv šířky vedení w na výstupní impedanci vedení. Z [Ω] Obrázek 4: Impedanční přizpůsobovací vedení Z = 14,5 Ω 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 h [mm] Obrázek 5: Závislost výstupní impedance přizpůsobovacího vedení na vzdálenosti h Tabulka 1: Rozměry dvoupásmové šroubovicové antény symbol název veličiny 3.1 Výsledky simulace drátové antény rozměry [mm] D průměr šroubovice 24 S 1 S 2 vzdálenost mezi závity první části šroubovice vzdálenost mezi závity druhé části šroubovice N 1 počet závitů první části šroubovice 2 z N 2 počet závitů druhé části šroubovice Na obrázku 7 je zobrazena kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 dvoupásmové šroubovicové antény. Šedivým polem jsou zde vyznačena rozmezí používaných WiFi pásem na frekvencích 2,4 GHz a 5 GHz. První pásmo je definováno v rozmezí 2,39 2,51 GHz, kde je minimální hodnota činitele odrazu S 11 = -17,8 db. Druhé WiFi pásmo je definováno v rozmezí 4,91 6,5 GHz. Obrázek 8 zobrazuje závislost poměru stojatých vln VSWR na kmitočtu šroubovicové antény. Poměr stojatých vln na frekvenci f 1 =2,45 GHz je VSWR = 1,25 a na druhé pracovní frekvenci f 2 =5,5 GHz je VSWR = 1, z L délka šroubovice 19 a poloměr vodiče šroubovice 1 w šířka přizpůsobovacího vedení 5 h vzdálenost přizpůsobovacího vedení od reflektoru t tloušťka přizpůsobovacího vedení 1,5 w r velikost čtvercového reflektoru VOL.14, NO.3, JUN 212

4 212/ VSWR ,8 3,4 3 2,6 2,2 1,8 1,4 1 rozsah WiFi pásma Obrázek 7: Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 rozsah WiFi pásma Obrázek 8: Závislost poměru stojatých vln VSWR na frekvenci AR [db] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 rozsah WiFi pásma V tabulce 2 jsou porovnány dosažené výsledky simulací dvoupásmové drátové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Obě frekvenční pásma navržené šroubovicové antény svým rozsahem plně pokryjí obě WiFi pásma. Zisk antény je větší pro vyšší frekvenční pásmo. Naopak úhel vyzařování je větší pro nižší frekvenční pásmo. Tabulka 2: Přehled dosažených výsledků simulací programu CST MWS symbol název veličiny frekvenční pásmo 2,45 GHz 5,5 GHz S 11 činitel odrazu [db] -17,8-23,7 f min f max dolní frekvence pásma [GHz] horní frekvence pásma [GHz] 2,39 4,91 2,51 6,5 B šířka pásma [GHz],12 1,14 B % šířka pásma [%] 4,9 2,7 Z ϕ modul vstupní impedance [Ω] fáze vstupní impedance [ ] 49,2 51,7-12,5 7,3 VSWR poměr stojatých vln 1,25 1,14 G zisk antény [dbi] 8, 1,3 θ úhel vyzařování (pokles o 3 db) [ ] 66,8 39,4 2 1,5 1 Obrázek 9: Kmitočtová závislost osového poměru AR Obrázek 9 zobrazuje kmitočtová závislost osového poměru AR šroubovicové antény. Za mezní hodnotu kruhové polarizace je považována hodnota AR = 3 db, což navržená anténa splňuje v obou frekvenčních pásmech. Směrové charakteristiky jsou zobrazeny v polárních souřadnicích v rovině elektrické složky pole E a ve 3D zobrazení. Na obrázku 1 jsou uvedeny směrové charakteristiky na frekvenci 2,45 GHz. Zisk antény v tomto frekvenčním pásmu je 8 dbi. Směrové charakteristiky pro druhé pásmo WiFi na frekvenci 5,5 GHz jsou uvedeny na obrázku 11. Zisk šroubovicové antény v tomto frekvenčním pásmu v hlavním vyzařovaném směru je 1,3 dbi. Na obrázku 12 jsou uvedeny směrové charakteristiky šroubovicové antény v rovině magnetické složky pole H. Obrázek 12a odpovídá frekvenci 2,45 GHz a obrázek 12b odpovídá frekvenci 5,5 GHz. Obrázek 1: Směrová charakteristika antény na frekvenci 2,4 GHz (rovina E a 3D zobrazení) Obrázek 11: Směrová charakteristika antény na frekvenci 2,4 GHz (rovina E a 3D zobrazení) 41 3 VOL.14, NO.3, JUN 212

5 212/ a) b) Obrázek 12: Směrové charakteristiky antény v rovině magetického pole H pro frekvenci a) 2,45 GHz, b) 5,5 GHz 3.2 Parametrická analýza Na následujících grafech je zobrazen vliv změn parametrů na vlastnosti antény sloužící k jejímu naladění. Především pak změna stoupání závitů první a druhé části antény S 1, S 2 a průměru antény D. Na obrázku 13 je zobrazen vliv změny vzdálenosti mezi závity první části antény S 1 na kmitočtovou závislost činitele odrazu S 11. Na obrázku 14 je pak zobrazen vliv změny vzdálenosti mezi závity S 2 druhé části šroubovice. Obrázek 15 ukazuje, jak se mění činitel odrazu S 11 v závislosti na změně průměru šroubovice D S1 = 4 mm S1 = 8 mm S1 = 12 mm Obrázek 13: Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 ne změně parametru S 1-3 D = 22 mm D = 24 mm D = 26 mm Obrázek 15: Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 ne změně parametru D Z výše uvedených grafů je patrné, že změna vzdálenosti mezi závity první části šroubovice S 1, má největší vliv na vyšší frekvenční pásmo. Změnou tohoto parametru dochází k posunu spodní hranice pásma, a tím ke změně šířky druhého pásma. Naopak změna vzdálenosti mezi závity druhé části šroubovice S 2 má vliv především na první frekvenční pásmo. S rostoucí vzdáleností S 2 dochází k jeho posunu na nižší frekvence. Při rostoucím průměru šroubovice D dochází k posunu obou frekvenčních pásem na nižší frekvence. 3.3 Měření antény Konstrukce antény byla navržena a upravena tak, aby bylo možné anténu vyrobit a zároveň se vyvarovat případnému mechanickému poškození. Tato úprava je provedena vložením dielektrického materiálu, s nízkou relativní permitivitou, mezi reflektor a přizpůsobovací vedení. Touto úpravou dojde k fixaci celé šroubovice k reflektoru. Anténa byla měřena na vektorovém analyzátoru ROH- DE&SCHWARZ VECTOR NETWORK ANALYZERS. Na obrázku 16 jsou porovnány činitelé odrazu S 11 v závislosti na frekvenci. Modře je zobrazen průběh simulovaný v programu CST MWS a červeně je uvedena naměřená charakteristika. Jak je z tohoto grafu patrné, jsou obě pásma posunuta na nižší frekvence oproti simulaci. Posun je způsoben nepatrným zvětšením průměru šroubovice vlivem pružnosti drátu S2 = 2 mm S2 = 3 mm S2 = 5 mm simulace měření -4 Obrázek 14: Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 ne změně parametru S 2-4 Obrázek 16: Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 měřené a simulované antény 41 4 VOL.14, NO.3, JUN 212

6 212/ Na obrázku 17 a 18 jsou porovnány kmitočtové závislosti vstupní impedance modulu a fáze měřené a simulované antény. Obrázek 19 zobrazuje směrové charakteristiky měřené antény elektrické a magnetické složky pole pro pásmo a) 2,35 GHz a b) 5,4 GHz. Z [Ω] simulace měření Obrázek 17: Kmitočtová závislost modulu vstupní impedance měřené a simulované antény 8 6 simulace měření 4 Závěr Tento článek prezentuje kompletní návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Rozměry antény byly nejprve přibližně určeny pomocí výpočtů. Pro impedanční přizpůsobení antény byl navrhnut a použit čtvrtvlnný impedanční transformátor. Dále byla anténa simulována a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byla anténa vyrobena a simulované výsledky byly porovnány s měřením. Průběhy se liší pouze ve frekvenčním posuvu, který byl způsoben zvětšením průměru šroubovice při výrobě. K tomuto zvětšení došlo vlivem pružnosti drátu, ze kterého je šroubovice navinuta. Zvětšení průměru činí cca 1,2 mm oproti simulovanému modelu antény. Navržená anténa plně pokrývá obě frekvenční WiFi pásma. Poděkování Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.7/2.3./2.7 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost 4 2 ϕ [ ] rovina E rovina H Obrázek 18: Kmitočtová závislost fáze vstupní impedance měřené a simulované antény a) b) Obrázek 19: Směrová charakteristika měřené antény pro frekvenci a) 2,35 GHz, b) 5,4 GHz Literatura [1] KRAUS, J. D.; MARHEFKA, R. J. Antennas For All Applications. Third Edition. Boston : McGraw-Hill, s. ISBN [2] CHOW, Y. W.; YUNG, E. K. N.; HUI, H. T. Dual Frequency Monopole-Helical Antenna By Using a Parasitic Normal Mode Helix For Mobile Handsets. In. Microwave Conference, 2 Asia-Pacific. Sydney : [s.n.], 2. s ISBN X. [3] ZHOU, Guangping. A Non-Uniform Pitch Dual Band Helix Antenna. In: IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2. Salt Lake City, Utah, 16 July 2. s ISBN [4] LO, Chia-Min, et al. Helical Antenna Design and Measurement for Cellular Phone Operation. In NEW ASPECTS of APPLIED INFORMATICS, BIOMEDICAL ELEC- TRONICS & INFORMATICS and COMMUNICA- TIONS. Taipei, Taiwan : [s.n.], 21. s ISBN , ISSN X. [5] ŠRAJBR, M. Šroubovicová dvoupásmová anténa pro WiFi pásmo. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, s. Diplomová práce. Vedoucí práce: Ing. Kamil Pítra VOL.14, NO.3, JUN 212