Širkopásmové dielektrické antény

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: Širkopásmové dielektrické antény Wideband dielectric antennas Jan Zbořil, Zbyněk Raida xzbori1@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: Článek se zabývá návrhem širokopásmových dielektrických antén. Pozornost je věnována tvarové optimalizaci antén z pohledu splnění parametrů širokopásmového (ultrawideband) přenosu v 6. skupině kmitočtů (Bandgroup 6). V článku prezentujeme dvě realizované antény dielektrický dipól s čtvercovými rameny a s rameny půlkruhovými. V závěru jsou porovnány výsledky experimentálního měření s provedenými simulacemi. Abstract: The paper describes the design pf wideband dielectric antennas.attention is turned to shape optimization of an antenna from the viewpoint of UWB transmission in bandgroup 6. In the paper, we describe two antennas a dielectric dipole with square arms and with citrcular arms. Simulation results are verified by measurements.

2 212/ Širokopásmové dielektrické antény Jan Zbořil, Zbyněk Raida Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně xzbori1@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek se zabývá návrhem širokopásmových dielektrických antén. Pozornost je věnována tvarové optimalizaci antén z pohledu splnění parametrů širokopásmového (ultrawideband) přenosu v 6. skupině kmitočtů (Bandgroup 6). V článku prezentujeme dvě realizované antény dielektrický dipól s čtvercovými rameny a s rameny půlkruhovými. V závěru jsou porovnány výsledky experimentálního měření s provedenými simulacemi. 1 Úvod Dielektrickou anténu tvoří zemní deska, vytvarované dielektrikum a napáječ. Ke zhotovení anténního prvku se pouţívá dielektrický materiál s nízkým ztrátovým koeficientem tg δ. Funkce dielektrického anténního prvku je podobná konvenční čočce: v různých směrech šíření vlny dochází k různým fázovým posuvům. Vhodným fázováním procházející vlny formujeme směrový diagram antény. Anténní prvky mohou mít podobu kvádru, válce, kulového vrchlíku. Do uvedených tvarů můţeme navíc vyřezat další tvary nebo přidat další dielektrické objekty. Antény často pracují v širokopásmovém reţimu na několika rezonančních kmitočtech [2]. Základním poţadavkem při vývoji dielektrických antén bylo splnění parametrů potřebných pro UWB (širokopásmové) aplikace. Antény byly navrţeny pro šestou skupinu pásem kmitočtů (bandgroup 6). Konkrétně se jedná o rozmezí kmitočtů od 7,3 do 8,6 GHz. Celé UWB pásmo je ohraničeno kmitočty 3,1 aţ 1,6 GHz. Je rozděleno na 14 dílčích pásem a kaţdé z nich obsahuje 128 kanálů o šířce 4,125 MHz. Kaţdé pásmo je tedy kmitočtově široké 528 MHz. Všechna dílčí pásma jsou sdruţena do pěti základních skupin [3]. Námi uvaţovaná šestá skupina pásem kmitočtů zastřešuje část třetí a čtvrté skupiny pásem kmitočtů (viz obr. 1). 1.1 Napájení dielektrické antény Napájení koaxiální sondou Jedná se o nejčastější a nejjednodušší způsob napájení antén obecně. Při pouţití tohoto způsobu napájení je vnější vodič koaxiálního vedení připojen k zemní ploše antény. Vnitřní vodič prochází zemní deskou, avšak nesmí se jí dotýkat. Nad zemní deskou dál střední vodič pokračuje jako odizolovaný vodič. Výška středního vodiče nad zemní plochou je definována jako výška napáječe (v podstatě se jedná o rameno monopólu nad rovinným reflektorem). Výška napáječe (délka ramene monopólu) by měla být menší, neţ je výška dielektrického anténního prvku. Pokud by délka ramene monopólu byla vyšší neţ dielektrický anténní prvek, došlo by k výraznému ovlivňování výsledné charakteristiky antény pouţitým monopólem ve formě koaxiální sondy. Sondy jsou vnořeny invazně do dielektrického anténního prvku nebo jsou umístěny v určitém odstupu před ním. Největší výhodou napájení pomocí koaxiální sondy je snadné impedanční přizpůsobení antény, obvykle je hodnota impedance napájecího vedení rovna 5 Ω. Další kladnou vlastností je potlačení parazitního vyzařování koaxiálního vedení. Nevýhodou je sloţitá realizace u víceprvkových zářičů, při seskupování více dielektrických anténních prvků na společné zemní ploše Napájení mikropáskovým vedením V některých případech je výhodnější pouţít napájení pomocí mikropásku. Pomocí této varianty se dají snadno realizovat dielektrické anténní řady. Naproti tomu nevýhodou je, ţe v některých případech můţe zkreslit výslednou vyzařovací charakteristiku parazitní vyzařování planární napájecí sítě. Při pouţití pravoúhlého dielektrického prvku je vazba spojení mezi mikropáskovým vedením a anténním prvkem nejvíce ovlivněna permitivitou antény. Aby nedocházelo ke sníţení účinnosti celé anténní soustavy, bylo by potřeba pouţívat permitivitu ε r větší neţ 2. Zvyšování permitivity má však za následek zmenšování šířky pásma. Ve výsledku se musí volit kompromis mezi šířkou pásma a účinností vazby, resp. antény Napájení štěrbinou Obr. 1 Náhled na část UWB pásma [3]. Další z typů napájení antény vychází z vytvořeného otvoru v zemní desce pod dielektrickým prvkem. Tento otvor (štěrbina, apertura) má většinou tvar obdélníku nebo kříţe. Dále je moţná štěrbina ve tvaru písmene C. Tvarem kříţe se dá vyvolat u válcového rezonátoru kruhově polarizovaná vlna. Nejčastější způsob napájení štěrbinou vyuţívá mikropáskového vedení, ale také se dá vyuţít i koaxiálního vedení [4]. 5 1 VOL.14, NO.4, AUGUST 212

3 S11 [] 212/ Vlastnosti dielektrických antén Dielektrické antény vykazují vysokou vyzařovací účinnost (můţe být větší neţ 95 %). Dielektrické antény mohou pracovat v několika módech. Tyto módy mohou dle poţadavků budit příčné nebo kruhově polarizované vlny. Pouţitím různých tvarů dielektrického anténního prvku mění dielektrická anténa své parametry a vyzařovací charakteristiku. Dielektrické antény mají menší rozměry a hmotnost oproti klasickým anténním strukturám. Nesnadné je pouţívat dielektrické antény na niţších kmitočtech. Zvětšují se totiţ rozměry antény a prodraţuje se výroba. Zvětšující se permitivita výrazně zmenšuje šířku pásma antény. 2 Simulace antén Numerické modely antén byly tvořeny zemní plochou, dielektrickým anténním prvkem a SMA konektorem s patřičnou délkou středního vodiče. Pro výrobu dielektrického anténního prvku byl pouţit materiál ARLON 25N s relativní permitivitou ε r = 3,38, který má ztrátový činitel tg δ =,25. Zemní plocha a střední vodič byly tvořeny dokonalými elektrickými vodiči. Numerická analýza probíhala v programu CST Microwave Studio. 2.1 anténa Jedná se o anténu, kde jsou dielektrické prvky tvořeny dvěma čtverci pootočenými o 45.Výsledná podoba antény je vidět na obr. 2. Tvar dielektrického rezonátoru vznikl zapuštěním dvou krychlí do sebe s přesahem 1 mm. Celková délka rezonátoru byla 34 mm a výška h = 13 mm. Rozměr čtverců byl a = 12,7 mm. Střed napájecí koaxiální sondy byl od osy antény posunut o 2,3 mm, tj. o 1,3 mm od nejuţšího místa rezonátoru. Výška sondy byla p = 7 mm. Vyhovující rozměr zemní plochy byl 74 x 74 mm. Obr. 2 Výsledná podoba a rozměry čtvercové antény. 2.2 anténa Jedná se o anténu, u níţ tvar dielektrického prvku vychází z půlkruhové podstavy. Anténní prvek se skládá ze dvou půlkruhů, z nichţ kaţdý má poloměr r = 9,5 mm a výšku h = 12,5 mm. Celková délka anténního prvku je 35,4 mm. Jednotlivé půlkruhy jsou umístěny tak, aby se jejich stěny navzájem dotýkaly. Střední vodič koaxiální sondy je vysoký p = 6,2 mm. Budicí vodič je umístěn uprostřed zemní plochy, jejíţ rozměr činí 86 x 86 mm. Výsledný tvar antény je vidět na obr. 3. Obr. 3 Výsledná podoba a rozměry půlkruhové antény. 2.3 Výsledky simulací V této kapitole jsou prezentovány výsledky numerické analýzy antén. Názorně jsou zde srovnány jednotlivé parametry antén. Kmitočtová závislost činitele odrazu S 11 pro obě antény je vidět na obr. 4. Výsledná šířka pásma při S 11 = -1, vyšla u čtvercové antény 3 GHz a u půlkruhové 3,7 GHz. Při přepočtu šířky pásma na procentuální vyjádření vyšlo u čtvercové antény pásmo široké 37,7 %. U půlkruhové antény jsme dosáhli šířky pásma 46,5 % Obr. 4 Závislosti činitele odrazu S 11 antén na kmitočtu. Kmitočtová závislost reálné části vstupní impedance antén (vstupního odporu) je zobrazena na obr. 5. Zvlnění vstupního odporu v poţadovaném pásmu kmitočtů u čtvercové antény bylo 5 Ω. U půlkruhové antény se kmitočtový průběh vstupního odporu shoduje s čtvercovou anténou. Jen na niţších kmitočtech se vstupní odpor půlkruhové antény více blíţí hodnotě 5 neţ u čtvercové antény. Závislost imaginární části vstupní impedance na kmitočtu je zobrazena na obr. 6. Je zde vidět, ţe na středním kmitočtu není dosaţeno ideálního stavu, v němţ by měla imaginární 5 2 VOL.14, NO.4, AUGUST 212

4 S11 [] Imaginární impedance [Ω] Reálná impedance [Ω] 212/ část vstupní impedance nabývat nulovou hodnotu. Obě antény vykazovaly hodnotu imaginární části vstupní impedance přibliţně -2 Ω Obr. 5 Průběh reálné části vstupní impedance v závislosti na kmitočtu V rámci další etapy numerické analýzy byly antény podrobeny dodatečným simulacím, které měly za úkol charakterizovat anténní strukturu z hlediska přenosu UWB signálu. Bylo poţadováno, aby se směrová charakteristika neměnila s kmitočtem. Dále byl zkoumán přenos S 21 mezi dvěma anténami. Zde je potřeba docílit konstantního přenosu bez většího zvlnění. V dalších bodech analýzy byl zkoumán průběh argumentu přenosu S 21. Při sledování skupinového zpoţdění bylo snahou docílit stejného zpoţdění pro všechny kmitočty v pracovním pásmu. Nakonec bylo kontrolováno zkreslení vysílaného a přijímaného signálu. Obě antény těmito analýzami prošly. Přenos S 21 u nich nevykazoval ţádné velké změny. Rozdíl skupinového zpoţdění se u obou antén pohyboval v řádech,1ns. Antény téměř nezkreslují. U půlkruhové antény vyšla korelace,995, coţ je téměř ideální hodnota 1. 3 Realizace a výsledky měření Dielektrické anténní prvky se skládaly z vrstev substrátu ARLON 25N. K docílení potřebné výšky se vyuţily vyráběné substráty [5]. Převáţně se pouţil substrát s výškou 1,52 mm. Jednotlivé vrstvy byly lepeny pomocí oboustranné lepicí pásky o tloušťce 5 µm [6]. Vliv pásky na výslednou charakteristiku se nebral v potaz, neboť tloušťka dosahuje malých hodnot. Konečná podoba vyrobených antén je vyfocena na obr Obr. 6 Průběh imaginární části vstupní impedance antén v závislosti na kmitočtu. Vyzařovací charakteristika antén je nakreslena na obr. 7, nalevo je nakreslena charakteristika v rovině E, napravo v rovině H. Směrová charakteristika je zobrazena v normovaném tvaru. Výsledný tvar vyzařování je v rovině E u obou antén téměř shodný. Vyzařování se liší jen v přímém směru u čtvercové antény, kde ve středu dielektrické struktury je nejméně dielektrického materiálu. V rovině H se charakteristiky liší významněji. anténa má tvar dvou přilehlých kruţnic (osmičkový), zatímco čtvercová má tvar ledviny Azimut [ ] Azimut [ ] Obr. 7 Simulovaná vyzařovací charakteristika antén v E a H rovinách (čtvercová - půlkruhová) Obr. 8 Fotografie vyrobených antén. Změřený kmitočtový průběh velikosti činitele odrazu je znázorněn na obr. 9. Výsledná šířka pásma čtvercové antény vyšla více neţ 3,4 GHz, tj. 43 %. anténa dosáhla hodnoty 2,6 GHz, tj. 36 %. Oba průběhy se liší především v dosaţených hodnotách útlumu a středním kmitočtu. Nepřesnost půlkruhové antény vznikla špatnou výrobou Obr. 9 Změřená kmitočtová závislost velikosti činitele odrazu S 11 antén. 5 3 VOL.14, NO.4, AUGUST 212

5 Imaginární impedance [Ω] Reálná impedance [Ω] 212/ Na obr. 1 jsou vidět změřené závislosti reálné impedance na kmitočtu. anténa má impedanci téměř shodnou se simulací. Zvlnění impedance v poţadovaném pásmu je v rozsahu 5 Ω. anténa má průběh impedance víc zvlněný neţ čtvercová Obr. 1 Změřená kmitočtová závislost velikosti reálné části impedance. Z kmitočtového průběhu imaginární části vstupní impedance antény na obr. 11 se snadno odečte rezonanční kmitočet. Ten u obou antén vyšel 7,85 GHz. Další pouţitelný rezonanční kmitočet u půlkruhové antény je 7,1 GHz Na obr. 12 je znázorněna změřená vyzařovací charakteristika antén, nalevo v rovině E a napravo v rovině H. Směrová charakteristika je zobrazena v normovaném tvaru. Výsledný tvar vyzařování je v rovině E u obou antén shodný. V rovině H se charakteristiky dle předpokladu liší. Srovnáním simulovaných a naměřených průběhů charakteristik, dochází téměř k jejich shodě. Změřený zisk antén není zcela přesný z důvodu pouţití aktuální měřící metody na ústavu. Zisk antén se pohyboval v rozmezí 4, aţ 7,1 i pro čtvercovou anténu a 4,9 aţ 7,2 i pro půlkruhovou anténu. Tyto hodnoty se liší vůči simulacím průměrně o 1. 4 Závěr Prezentované antény byly navrţeny pro šestou skupinu kmitočtových pásem UWB. Obě antény poţadavek na šířku pásma splnily s velkými rezervami. Výsledné šířky pásma pro PSV 2 jsou 3 GHz u čtvercové antény a 3,7 GHz u antény půlkruhové. Změřené impedance antén byly v tolerančních mezích. Výsledné zisky antén se pohybovaly s určitými nepřesnostmi na simulovaných předpokladech. U půlkruhové antény se projevily menší výrobní nepřesnosti. Poděkování Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.7/2.3./2.7 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Obr. 11 Změřená závislost imaginární impedance Azimut [ ] Azimut [ ] Obr. 12 Změřená vyzařovací charakteristika v E a H rovinách (čtvercová - půlkruhová) Literatura [1] ZBOŘIL, J., Širokopásmové dielektrické antény, Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Brno 212, 45s. [2] ČAMBAL, M., Dvoupásmová dielektrická rezonátorová anténa, Diplomová práce, ČVUT Praha, 27, 54s. [3] ŢALUD, V., Perspektivní komunikace 21. století, [cit ]. Dostupné na www:http//: stredni.cz/dwnl/pel211/5/zalud.pdf [4] ŠTARHA, M., Dielektrická rezonátorová anténa, Bakalářská práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Brno 21, 3s. [5] Datasheet ARLON25N, [cit ]. Dostupné na www: [6] Datasheet 467MP Transferová páska, [cit ]. Dostupné na www: 467mp.pdf 5 4 VOL.14, NO.4, AUGUST 212