Návrh a Konstrukce Antén

Transkript

1 Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Úvodní informace Milan Polívka a kol. ČVUT v Praze, FEL B2: 639, l.2270 polivka@fel.cvut.cz zima 2013/14 1

2 Podmínky zápočtu Rozsah: 2 + 2, z, zk(5 kreditů) Podmínky zápočtu: 1. vypracování a prezentace jedné ze 4 projektových úloh - odevzdání průběžné, nejpozději do 12. týdne (19.12.) - prezentace (ppt, pdf) 13. týden na cvičení 2. účast na přednáškách a cvičení - doplňkový obsah; obsahují vše nezbytné k úspěšnému zvládnutí zkoušky, povolené max. 3 absence Zkouška: předtermín: písemný test v zápočtovém týdnu (14. týden) výsledná známka tvořena ze 40 % projekty 10 % prezentací 50 % testem 2/43

3 Náplň předmětu Přednáška - středa, 11:00-12:30 (621) Cvičení - čtvrtek, 11:00-12:30 (823) Problematiky dle týdnů týden datum př. datum cv. přednáška (st) cvičení (čt) projekt kdo (př., cv.) Mikropáskové antény Matlab, měření 1. Patch Polívka, Polívka Antény pro RFID a nositelné antény RFID ident., experiment Švanda, Švanda Malé antény I. Matlab, modely 2. Malé antény Polívka, Polívka Malé antény II. Matlab/CST MWS Polívka, Polívka Antény pro časovou oblast měření Černý, Černý Reflektorové antény projektové příklady 3. Reflekt. anténa Mazánek, Mazánek Šroubovicové antény projektové příklady 4. Šroubovice Mazánek, Mazánek Teorie charakt. módů, činitel jakosti antén Matlab, modely Hazdra, Hazdra Elektromag. modelování vyzařujících struktur CST MWS modelování Hazdra, Hazdra Širokopásmové trychtýřové antény protažená přednáška Hradecký, Hradecký Vybrané typy antén Matlab/CST MWS Polívka, Polívka Uměle vytvářené EM materiály v anténách Matlab, měření Polívka, Polívka Symetrizační a transformační členy prezentace projektů, Z Polívka, Polívka státní svátek/nový rok Zkouška - předtermín -, Polívka/Mazánek 3/43

4 Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Mikropáskové antény Milan Polívka ČVUT v Praze, FEL B2: 639, l.2270 polivka@fel.cvut.cz zima 2013/14

5 Osnova co se dozvíte? Mikropáskové antény (microstrip antennas, MA) - klasifikace, původ a vývoj, vlastnosti, způsoby napájení, použití Metody analýzy a návrhu - model vedení, dutinový model, numer. metody... - návrhové vztahy, způsoby napájení, šířka pásma, směrové diagramy,.. Metody vylepšování vlastností - zvětšení šířka pásma - vícepásmovost - zvýšení zisku - kruhová polarizace - miniaturizace 5/43

6 Mikropásková patchová/flíčková anténa (MPA) Planární vyzařující rezonátor (ploška, dipól, štěrbina) vodivý motiv nad zemní rovinou dielektrický nebo vzduchový substrát napájení mikropáskové, koaxiální, vazební štěrbinou, kapacitní vazbou, 6/43

7 Klasifikace mikropáskových antén Patchové (flíčkové) antény Planární dipóly a štěrbiny Antény s postupnou vlnou 7/43

8 Původ a vývoj MA nová technologie páskových vedení (filtry, koncept MPA ) návrh první MPA (Munson) MA se stávají populárními (nízkoztrátové materiály, vývoj metod analýzy, specializované knihy, ), vhodné jako antény pro letadla, rakety, vývoj EM simulátorů pro analýzu MA, miniaturizační a vícepásmové techniky (s rozvojem mobilních komunikací) od použití uměle vytvářených EM materiálů pro vylepšování vlastností MA, MPA (potlačení povrchových vln, fokusaci energie,..) 8/43

9 Vlastnosti MPA Výhodné malá hmotnost, nízký profil, konformní tvar integrovatelné na DPS s aktivními prvky (on-chip antennas and flexible antennas) lineární i kruhová polarizace elektricky zmenšené a vícepásmové nízké výrobní náklady Nevýhodné nižší účinnost nižší výkonová zatížitelnost úzká šířka pásma (vyšší Q) horší polarizační čistota 9/43

10 Napájení koaxiální mikropáskové Vyzařující patch Dielektrický substrát Vyzařující patch Zemní rovina Koaxiální sonda Mikropásk. vedení Zemní rovina 10/43

11 Napájení vazební štěrbinou (Pozar, 1985) Vyzařující patch Nosný diel. substrát Vazební štěrbina Zemní rovina Mikropáskové vedení Dielektrický substrát 11/43

12 Napájení kapacitní vazbou (1987) Vyzařující patch Nosný substrát Pahýl na konci otevřený Zemní rovina Micropáskové vedení Dielektrický substrát 12/43

13 Metody analýzy Modelvedení MPA jako úsek vedení s vyzařujícími štěrbinami, jednoduchý, méně přesný, dobrý fyzikální náhled na princip činnosti Dutinový model MPA jako dutina, složitější, přesnější Vlnová analýza(full-wave) proudy/intenzity polí na/kolem na MPA, přesná, nutnost implementovat numerické řešení integrálních nebo diferenciálních rovnic (MoM, FDTD, FEM, hybridní metody), komerční simulátory pole (Zeland Software IE3D, FEKO, CST MWS, Ansoft HFSS, WIPL, ) 13/43

14 Model vedení (Transmission line model) MPA může být modelována jako dvojice vyzařujících štěrbin spojených širokým úsekem mikropáskového vedení délky L ~ λ g /2 Rozložení E-pole Rozměry, návrhové vztahy L + 2dl λ g / 2 L 2 c ε ef f r 2dl W c 2 2 f r ε r /43

15 Model vedení (TLM) MPA může být modelována jako dvojice vyzařujících štěrbin spojených širokým úsekem mikropáskového vedení délky L ~ λ g /2 Vstupní impedance - transformací impedancí Z Š obou štěrbin podél úseků vedení L 1 a L 2 do napájecího bodu L 1 L 2 ( 1 / Z 1 ) Z in 1 / + Z 1 / 2 Z š Z c Z in Z c Z š Z Z 1 2 Z Z c c Z Z Z Z š c š c jz jz jz jz c š c š tan βl tan βl 1 1 tan βl tan βl 2 2 β 2π λ o ε re 15/43

16 Model vedení (TLM) Charakteristická admitance mikropáskového vedení Z c ε re W h 60 ε re h ln + W 120 π W 4h W ln h W h W h > 1 1 ε re ε r + 1 ε r 1 10h W 1/ 2 dl h ( ε + 0.3) W h W h ( ε 0.258) re re 1) Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, /43

17 Model vedení (TLM) Vyzařující štěrbina je reprezentována admitancí Y š 1/Z š G + jb kde G - vyzařovací ztráty B - energie akumulovaná v rozptylovém poli, též kapacitní prodloužení rezonanční délky Empirické vztahy pro G, B 1) G B G B 1 1 G B 2 2 W λo W 120λ o 1 24 ( k h) [ ln( k h) ] o 2 o h/λ 0 < 1/10 0,35 < W/λ 0 < 2 1) Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, /43

18 Vstupní impedance MPA Typický průběh Zin a koeficientu odrazu Rin Xin Vstupní impedance vs. frekvence MS 11 vs. frekvence 18/43

19 Vstupní impedance TLM V rezonanci je Z in R in R in ( x 2 πl1 1 L1 ) Rin ( x 0) cos cos L 2G 1 2 πl L 1 L 1 /L Typické hodnoty R in (L 1 0) ~ 100 až 300 Ω dle W, h, 19/43

20 Dutinový model MPA Výška substrátu h malá (h <<λ, h << W, L ) E pole se nemění s výškou h > E E z (x, y), H H xy (x, y) TM nm módy Hraniční podmínky: shora, zdola (PEC) boční stěny (PMC) E t 0 H n 0 H 0 0 t E n Z vlnové rovnice pro E rozložení pole v dutině E ( x, y) z mπ x0 nπ y0 mπ x nπ y cos cos cos cos jωµ 0I 0 L W L W L W k ε (1 j tg δ ) k 2 2 m 0 n 0 0 r eff mn k 2 mn 2 2 mπ nπ + L W Rezonanční frekvence f R, mn 1 2π µε 2 π L m 2 nπ + W Zohlednění rozptylového pole efektivními rozměry: W ef, L ef místo W, L 20/43

21 Dominantní módy Dva módy s nejnižší rezonanční frekvencí - dominantní módy TM 10 ( f ) r 10 2 L c ε r TM 10 TM 01 TM 01 ( f ) r 01 2W c ε r z y x Intenzita elektrického pole E Proudová hustota J 21/43

22 Dutinový model MPA Vstupní impedance - dutinový model (40 módů) a komerční MoM simulátor Ez, n ( x, y), J z ( x0, y0 ) 1 Z ( x, y ) jωµ h in 2 ( ε δ ) m n Ez, n ( x, y), Ez, n ( x, y) k0 r (1 j tg eff ) kn 2 mπ x0 2 nπ y n W 0 2 π p cos cos sinc m n j L κ κ ωµ W 2 0h L W k j k 2 2 ( 0 ε (1 tg δ ) ) m n r eff n W p r 3/ 2 e Mazánek, M. Pechač, P., Šíření elektromagnetických vln a antény, skriptum ČVUT, /43

23 Vyzařování z aperturové teorie Zdrojové oblasti vyzařování štěrbiny s el. polem štěrbiny #1, #2 hlavní zdroj vyzařování (ekviv. mag. proud. hustota M) štěrbiny #3, #4 vyzařování lze zanedbat, M v protifázi dvojice zářičů (štěrbin) vzdálených ~ λ g /2 maximum vyzařování ve směru normály k ploše M 2nˆ E #3 #1 W #2 L ~ λ/2 #4 23/43

24 Vzdálené pole, směrová charakteristika El. pole ve vzdálené oblasti dvojice E φ + j V 0 e π r jk k 0 W sin cos θ 0 r 2 k 0 L sin θ 2 cos cos θ 2 sin θ sin φ štěrbina E rovina, xy H rovina, xz 24/43

25 Směrové diagramy Příklad měřených charakteristik f 0 10 GHz ε r 2,2 h 1,6 mm L 9,06 mm W 10,68 mm E-rovina H-rovina 25/43

26 Vyzařování - tok Poyntingova vektoru 26/43

27 Šířka pásma Impedanční šířka pásma (BW) je frekvenční rozsah, ve kterém je poměr stojatých vln PSV na bráně antény lepší než daná hodnota (typ. PSV 2, v praxi zpravidla PSV 1,5 event. 1,2, v mobilních komunikacích naopak i horší PSV 3) BW PSV Q PSV T [%], pro PSV 2 je BW 100 [%] 2 1 Q T Q T ω W T P + + T Qd Qc Q r tgδ ef Typická BW 1 až 3 % pro h 0,02 λ 0 Q Q d c Q r ω W P d ω W P c T T ω W P r T 1 tgδ π fµ σ t 0 ε r c 4 f h 27/43

28 Směrovost, účinnost Lineární polarizace Směrovost ~ 6 10 dbi Účinnost: η Pokles účinnosti pro velmi nízké h/λ 0 (< 0,01) Ztráty o o o o P vyz + P vod P vyzařovací vodivostní vyz + P dielektrické diel + P povrch povrchovými vlnami 141,0 x 61,5 x 3,0 mm, ε r 3,05, tgδ 0,003 h/λ 0 ~ 0,009, η ~ 60 % 28/43

29 Metody rozšíření šířky pásma 1. Snížením činitele jakostiq - použití malé ε r, vzduchový substrát (BW < 10%) - zvýšením výšky h substrátu (L-napájecí sonda, BW 35 ~ 50%) BW ~ 1/ Q T Q r ω W P r T ε r c 4 f h 2. Vícenásobnými blízkými rezonancemi - multimódový provoz patchů (BW 20 ~ 30%) - parazitní prvky kapacitně vázané k patchi (koplanární, vrstvené) 29/43

30 Techniky zmenšování a vícepásmového provedení Tvarovou úpravou motivů zkratováním a použitím zářezů a štěrbin 30/43

31 Vícepásmové MPA Antény mobilních telefonů Nokia 8810 (vlevo) a /43

32 Vícepásmové MPA PIFA (Planar Inverted F Antenna) mobilního telefonu tvarovaný multirezonátor znázornění intenzity elektrického pole IMST 33/43

33 Kruhově polarizované MPA Vybuzení dvou kolmých módů s fází posunutou o 90 33/43

34 Zvýšení zisku anténní řadou Paralelní uspořádání zářičů 100 Ω λ/4 transformátor 75 Ω 50 Ω 100 Ω 100 Ω Anténa 1 Zdroj 50 Ω Anténa Ω... 34/43

35 Zvýšení zisku anténní řadou Seriové uspořádání zářičů l Line l Patch Z Line Z Patch Z Line Z Patch ~ ~ U 2 -U 2 U 1 -U 1 l Line λ / 2 Patch 2 Patch 1 35/43

36 Anténní řada radarového senzoru Velká anténní řada s tvarovaným svazkem (Toyota) Signal processing in baseband (ESPRIT etc...) 36/43

37 Zvýšení zisku - kolineární MPA Původní nápad - Franklin, ) Soufázové buzení vyzařovacích elementů Implementace v koaxiálním 2), mikropáskovém 3,4) vedení a ve struktuře patchové antény 5) 1) 2) 3) 4) 5) Franklin 1924, British patent Solbach 1982 Bancroft, Bateman 2003, US patent application 60/ Polívka, Holub 2006, CZ patent no /43

38 Kolineární MPA MPA pracující na vyšších módech Použití poruchových prvků (PP) ve formě λ g /2 štěrbin PP eliminují vyzařování z nefázových zdrojových proudů (sudých půlvln) Vektorová proudová hustota Boční a podélné plošné rozšíření CoMPA (PCoMPA) > zvětšení zisku CoMPA TM 03 and TM 05 modes PCoMPA with TM 03 mode PCoMPA with TM 05 mode 38/43

39 Kolineární MPA 0 E-copol Rozměry: patch 189 x 222 mm, štěrbiny 56 mm, zářezy 28 mm, zemní rovina 240 x 260 mm, výška substrátu 5 mm, koaxiální napájení E-xpol G sim ~ 15.4 dbi, G meas ~ 14.6 dbi BW ~ 7.1 % 240 Úroveň postranních smyček cca -10 db PZ poměr cca -20 db H-copol reflection coefficient [db] measurement simulation H-xpol f requency [MHz] /43

40 Anténní řada MPA s vychylovaným svazkem Plošná třísektorová anténa Závodný, V. (DIP 2002) o Cíl: plošná anténa se skloněným maximem směrové charakteristiky do tří sektorů podle volby vstupního konektoru (3 vstupy) o Metoda: použití 4-prvkové uniformně buzené anténní řady patchových zářičů realizace fázového posunu napájecích proudů pomocí Butlerovy matice 40/43

41 Plošná třísektorová anténa Návrh dílčích komponent antény 4-prvková řada patchů 3 db příčkový dělič Butlerova matice 3dB dělič Wilkinsonův posouvač fáze 41/43

42 Plošná třísektorová anténa Směrové charakteristiky 42/43

43 Děkuji za pozornost 43/43