VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky

Transkript

1 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky Přenosná směrová anténa pro UKV pásma Handheld directional antenna for UHF bands 2016 Pavel Šidla

2

3

4 Poděkování Rád bych poděkoval Martinu Tomisovi za odbornou pomoc, konzultaci a trpělivost, kterou mi věnoval při vytváření této bakalářské práce.

5

6 Abstrakt Výstupem této bakalářské práce je vytvoření přenosné/kapesní Yagiho antény, pracující v UHF pásmu. První část této práce bude obsahovat uvedení do teorie přenosu signálu a antén, v druhé části bude pak popsán postup a řešení problematiky sestrojení finální Yagi-Uda antény. Praktickým výstupem této práce je pak výroba, Yaggi-Uda antény. Tato anténa bude nejdříve pro testovací účely vytvořena pomocí fólie a alu pásky, poté bude vyrobena, z důvodu větší přesnosti při měření a testování, z plošného spoje.anténa bude pracovat v GSM downlink pásmu, tedy na frekvencích MHz. Tato anténa má být připojena a použita s mobilními telefony v lokalitách, kde je signál hůře dostupný. Klíčová slova Anténa, Yagi-Uda, směrová, DPS, tištěný spoj, plošný spoj, GSM, přenosná, balun, vyrobená doma, mobilní

7 Abstract Main goal of this bachelor thesis is creation of handheld Yagi-Uda antenna, for UHF band. First part of this work describes theory about signal transfer, and theory about antennas. The second part of this work will describe a protoypes and optimization of Yagi-Uda antenna. And at the end of this part will be practical test of this antenna. The main output of this bachelor thesis will be Yagi-Uda antenna, which was firstly made from copper tape, and after theoretical simulation this antenna will be made from PCB. Antenna operational band will be GSM 900 Downlink which is based on frequency MHz. This antenna can be connected to mobile phone to improve signal in areas where signal is LOW. Key words Antenna, Yagi-Uda, Directional, PCB, printed, circuit, board, GSM, handheld, UHF, balun, homemade, mobile,

8 Obsah Seznam použitých symbolů Seznam použitých zkratek Seznam ilustrací a seznam tabulek Úvod Anténa Vysílací anténa Přijímací anténa Přenosové médium Vodivá přenosová média Nevodivá přenosová média Přenosové prostředí Délka vlny Směrovost Polární graf: Kartézský graf: D Graf: Vstupní impedance Zisk Šířka pásma a rezonanční kmitočet Frekvenční širokopásmovost Polarizace Vertikální polarizace Horizontální polarizace Horizontální / Vertikální Kruhová polarizace Poměr stojatých vln ( SWR/PSV) Činitel jakosti Účinnost antény S-parametr Izotropický zářič Základní typy antén

9 Seznam použitých symbolů 1.22 Všesměrové antény Směrové antény Yagi-Uda anténa Výhody a nevýhody Yagi-Uda antény Z čeho se skládá Yagiho anténa Zisk Yagi-Uda antény Parametry Yagiho antény Využití Yagiho antény Výroba Yagiho antény z plošného spoje Určení základních parametrů antény Frekvence Vlnová délka Šířka prvků Vzdálenosti jednotlivých prvků antény Délky prvků Yagi-Uda antény Výpočet délky přizpůsobovacího členu antény Sestrojení modelu Yagi-Uda antény podle teoretických výpočtů Prototyp č Praktický test antény Simulace antény v programu CST studio Parametry antény simulované v CST Studiu Práce s programem CST STUDIO Parametrizace antény v programu CST STUDIO Přizpůsobení antény v programu CST STUDIO Výsledek práce s programem CST STUDIO Volba a výroba symetrizačního členu Přenesení antény do programu Eagle Výběr nejvhodnější metody výroby Vlastní postup výroby antény Laboratorní testování a výsledky výroby antény Testování antény v reálném prostředí Závěr Použitá literatura

10 Seznam použitých symbolů Seznam příloh

11 Seznam použitých symbolů Seznam použitých symbolů Symbol Jednotky Význam symbolu a ae B C c F f G L lb Q R Rrad Rztr S Uant Ugen X Z ZK Γ δ ε η Λ ρ mm mm db F m/s db Hz db H mm Ω V V Ω Ω db m Šířka trubičky Poloměr drátu Výkon odražené vlny Kapacita Rychlost světla Výkon přenášené vlny frekvence Zisk Indukčnost Délka balunu Činitel jakosti Reaktance Vyzářená energie Ztráty vedení Směrovost Napětí antény Napětí generátoru Reaktance Impedance Zkracovací činitel Vyzářená energie Ztrátový činitel Relativní permitivita Účinnost Vlnová délka Činitel odrazu

12 Seznam použitých zkratek Seznam použitých zkratek Zkratka db dbi dbm DPS DV FDD KV PSV SV SWR UKV VDV VKV Význam Decibel Jednotka decibel vztažená vůči izotropnímu zářiči Decibel na metr Deska plošného spoje Dlouhé vlny Full duplex Krátké vlny Poměr stojatých vln Středně dlouhé vlny Standing wave ratio Ultra krátké vlny Velmi dlouhé vlny Velmi krátké vlny

13 Seznam ilustrací a seznam tabulek Seznam ilustrací a seznam tabulek Číslo ilustrace Název ilustrace Číslo stránky 1.1 Ukázka šíření krátkých a dlouhých vln přes překážky Ukázka polárního grafu Yagi-Uda antény Ukázka 3D grafu Yagi-Uda antény Ukázka horizontální a vertikální polarizace Ukázka levotočivé a pravotočivé kruhové polarizace Ukázka všesměrové antény Yagi-Uda anténa Seznam frekvencí GSM pásma Převod rozměrů drátu na plochý pásek Ukázka koaxiálního balunu 4:1 Ukázka koaxiálního balunu 4:1 který byl vypočítán ve vzorci (2.12) Ukázka antény vymodelované v CST studio Ukázka rozhraní funkce Optimizer v CST-studio Původní vyzařovací diagram Yagi-Uda antény na frekvenci MHz Výsledné nastavení funkce Parameter-Sweep Vybraný vyzařovací diagram Průběh SWR Vyzařovací diagramy (z leva do prava) 880 MHz, MHz, 960 MHz Koaxiální balun 1:1 Anténa po odlepení papíru Anténa po dvou hodinách v leptacím roztoku Schéma zapojení antény v laboratoři Schéma měření YAGI-UDA antény mimo laboratoř

14 Seznam ilustrací a seznam tabulek Číslo tabulky Název tabulky Číslo stránky 1.1 Ceny jednotlivých DPS s dodáním do týdne

15 Úvod Úvod Bakalářská práce popisuje postup pro sestrojení přenosné/kapesní Yagi-Uda antény, z plošného spoje, nebo za pomocí fólie a alu pásky. Zabývá se základními parametry této antény, a jejím nejvhodnějším přizpůsobením pro kapesní/přenosné použití, spolu s mobilním telefonem. V teoretické části této práce bude nejdříve čtenář seznámen se stručným vývojem telekomunikační techniky, od prvních pokusů o sestrojení antény za pomocí prutu či drátu. Poté budou popsány základní veličiny, na které je třeba při sestrojování antény brát ohled. Také zde budou rozděleny jednotlivé pásma dle jejich frekvencí, a k nim přiřazeny služby, které lze na těchto pásmech provozovat. Čtenář bude také seznámen s historií Yaggi-Uda antény, od prvního sestrojení a jejího využití, až po její dnešní nejčastější využití. Budou popsány také parametry Yaggi-Uda antény a s tím spojené výhody a nevýhody jejího použití pro určité typy vysílání. Výstupem této práce je pak anténa vytištěná na plošném spoji, schopna zesílit GSM signál v oblastech, kde je málo dostupný. Bude sestrojeno několik návrhů dle různých postupů a doporučení, které lze najít v literatuře. Dále bude popsán postup pro domácí výrobu takovéto antény včetně postupu jak doma vyrobit a vyleptat plošný spoj za pomocí laserové tiskárny a chemikálií. Všechny sestrojené antény budou otestovány a jejich výsledky zaneseny do tabulek pro přehlednější porovnání daných realizací. Bude také zadána výroba antény tištěné na plošném spoji u profesionální firmy zabývající se touto problematikou

16 Anténa 1 Anténa Anténa je zařízení, které přeměňuje elektrický signál na elektromagnetickou vlnu a naopak, jejím úkolem je pak vyzařovat energii do prostoru. Televizní a rozhlasové vysílání ve dvacátém století by nemohlo vzniknout nebýt antén, které umožnily přenos zvuku a obrazu na vysoké vzdálenosti. Dnes ve století jednadvacátém, již možná ani nevnímáme, kde všude kolem nás antény jsou. Vždyť bychom si bez nich nenaladili například naši oblíbenou stanici v autě, nebo nezatelefonovali rodině ba ani nemohli přistupovat k internetu. Mezi první antény, můžeme zařadit dlouhý vodič. Je to nejprimitivnější anténa, jakou si vůbec můžeme představit, a v raných dobách radiokomunikace byl používán jako přijímací anténa prvních rádiových přijímačů. V roce 1888 německý fyzik Heinrich Hertz představil odborné veřejnosti první výsledky experimentů, které prokázaly existenci elektromagnetických vln. Ve své práci využíval a objasňoval teorie, které uveřejnil James Clerk Maxwell. Heinrich Hertz sestrojil bezdrátový systém, který v mezeře na dipólu jiskřil, H. Hertz pak použil smyčkovou anténu, a pozoroval zda je signál rušen. Dnes je po něm pojmenována jednotka frekvence Hertz (Hz). V roce 1896 navázal na práci H. Hertze Marconi. Marconi začal používat antény, jejichž délka byla přizpůsobena délce vlny. Antény můžeme rozdělit na vysílací a přijímací antény, zpravidla se může jednat o stejný typ antény, což nám umožňuje princip reciprocity. Princip reciprocity říká, že dobrá vysílací anténa je i dobrá přijímací anténa, z praxe ale zjistíme, že ne vždy to může platit obráceně, tedy že dobrá přijímací anténa nemusí být vždy dobrou vysílací anténou. 1.1 Vysílací anténa Slouží k vyzařování elektrického signálu, který na ni přivedeme, pomocí vodiče ve kterém teče elektrický proud, tomuto vodiči se říká napaječ, a jeho vlastnosti přímo ovlivňují kvalitu výsledného signálu. Jako napaječ se používá koaxiální kabel s impedancí 50 Ω, pokud použijeme kabel jiný, zpravidla tím znemožníme přenos signálu na anténu, mohou také vznikat odrazy, které mohou vést k poškození vysílače nebo přijímače. Anténa pak energii předanou z napaječe vyzáří ve formě elektromagnetického záření

17 Anténa 1.2 Přijímací anténa Slouží k příjmu signálu, má tedy za úkol přijímat elektromagnetické vlnění, které k ní dorazí, a pomoci přijímače který je za ní umístěn je transformovat zpět na elektrický signál. Anténa deformuje pole dopadající vlny tak, aby co nejlépe směřovala energii ke svorkám antény. Čím větší je plocha ve které anténa dokáže vlnu zdeformovat, tedy odebrat část její energie a předat ji do napaječe, tím větší je množství energie, které je anténa schopna pojmout. 1.3 Přenosové médium Přenosové médium, můžeme v základu rozdělit na vodivá a nevodivá. Slouží k přenášení elektromagnetických signálu mezi dvěma anténami nebo také k přenášení signálu z vysílače na anténu a naopak. [4] Vodivá přenosová média Nejčastěji se jedná o vodivou hmotu. Jejím příkladem mohou být kroucené dvojlinky, koaxiální kabely, u kterých je elektromagnetický signál veden pomocí kovového materiálu. [4] Nevodivá přenosová média Příkladem nevodivých médií jsou vzduch a vakuum. Nevodivá přenosová média sice vedou elektromagnetický signál, ale ten jimi může prostupovat. Dalším příkladem může být optický kabel, který představuje světelně vodivé, ale elektricky nevodivé optické vlákno. [4] 1.4 Přenosové prostředí Nejčastějším přenosovým prostředím, využívaným k šíření elektromagnetických vln vyzářených anténami, je vzduch popřípadě vesmírný prostor. V případě, že se signál šíří vzduchem nebo ve vakuu může docházet k útlumům signálu, jeho lomu, odrazu od překážek popřípadě jeho ohybu nebo rozptylu. Proto je vždy vhodné dobře vybrat přenosové prostředí pro šíření signálu, aby byly tyto vlivy co nejvíce eliminovány. 1.5 Délka vlny Vlnová délka je definována jako vzdálenost mezi dvěma sousedními vrcholy elektromagnetické vlny. Čím je vlnová délka větší, tím snadněji může signál překovávat překážky, čím je pak vlnová délka kratší, tím víc informací můžeme do signálu zakódovat, takovéto vlny se ale mohou šířit pouze na kratší vzdálenosti, protože hůře překonávají překážky. Typickým příkladem může být porovnání dosahu televizního vysílání a šíření signálu WIFI. U digitálního televizního vysílání, které v současné době zabírá frekvenční pásmo MHz

18 Anténa není při instalaci antény potřeba přímá viditelnost na vysílač. Vzhledem k délce vlny, která je několika násobně větší, než je délka vlny u WIFI, která zabírá frekvenční pásmo MHz, je pro signál televizního vysílání snadnější ohnout se za překážku, než pro signál WIFI u kterého je při šíření ve volném prostoru vyžadována přímá viditelnost na vysílač. Obrázek 1.1: Ukázka šíření krátkých a dlouhých vln přes překážky Podle délky vlny se také liší způsob využití antén, délky vlny nejsou stejné například pro přenos televizního vysílání a pro přenos mobilního signálu, což jsou asi nejčastější způsoby, kterými antény dnes a denně využíváme. [12] Vzorec pro výpočet vlnové délky (1.1): (1.1) kde: Vlnová délka Rychlost světla ( Frekvence [Hz] (1/s) Antény přizpůsobené pro televizní vysílání dříve vysílaly na velmi krátkých vlnách VKV (anglická zkratka VHF) tedy frekvencích MHz dnes s nástupem digitální televize se pásmo jejich vysílání přesunulo do UKV pásma tedy MHz. Pro amatérské rádiové vysílání se hodí krátkovlnné antény KV (anglická zkratka HF) ty pracují v pásmu 3-30 MHz. Antény se střední délkou vlny SV (anglická zkratka MF) pracující na frekvencích mezi khz, se hodí především pro rádiové vysílání modulované amplitudovou modulací. Antény pracující v pásmu khz jsou dlouhovlnné antény DV. Tyto antény jsou využívány k přenosu navigačních zpráv, synchronizaci času popřípadě i k rádiovému vysílání s použitím amplitudové modulace signálu. Jako poslední jsou pak

19 Anténa VDV antény tedy antény s velkou délkou vlny, ty využívají pásmo 3-30 khz a využívají se nejčastěji ve vojenském provozu například při komunikaci s ponorkami. [1] 1.6 Směrovost Směrovost je vlastnost, která popisuje, jak dobře je anténa v daném prostředí schopna vyzářit signál daným směrem, popřípadě jak dobře je schopna přijímat signál ze směru ve kterém k ní přichází. Grafy vyzařování mohou být: Polární graf: Jedná se vlastně o dva grafy současně, jeden kruhový graf nám zobrazí vertikální vyřazovací charakteristiku antény, druhý pak horizontální vyzařovací charakteristiku antény.. Obrázek 1.2: Ukázka polárního grafu zobrazujícího vyzařovací charakteristiku YAGI-UDA antény Kartézský graf: Je to prakticky polární graf přenesený do kartézského systému souřadnic D Graf: Je zobrazován většinou programů, které slouží k modelaci antény, jedná se o zobrazení vertikálních i horizontálních souřadnic současně

20 Anténa Obrázek 1.3: Ukázka 3D Grafu YAGI-UDA antény 1.7 Vstupní impedance Má označení Z [Ω] a udává poměr napětí vůči proudu na vstupu antény. Ovlivňuje hlavně to, jak je anténa přizpůsobená vůči napaječi. V praxi je impedance skládaného dipólu 300 Ω u půlvlného dipólu je pak 70 Ω. Většina dnešních radiostanic dosahuje impedance 50 Ω, proto je nejvýhodnější využít napájení dipólu uprostřed. U otevřeného dipólu pak je vždy potřeba impedanci přizpůsobit, u skládaného dipólu je ji třeba přizpůsobit čtvrtvlnou smyčkou z koaxiálního kabelu. V případě využití symetrického napaječe o stejné impedanci jaká je mezi svorkami dipólu, nejčastěji u skládaného dipólu 300 Ω, není nutno anténu přizpůsobovat. Vypadá to tedy, že je nejvhodnější využít pro jakoukoli anténu symetrický napaječ. Nicméně opak je pravdou, symetrický napaječ lze využít maximálně do frekvencí 30 MHz, u vyšších frekvencí se napaječ stává součástí vedení, a začíná vyzařovat, proto se pro vyšší kmitočty používají napaječe nesymetrické. [13] 1.8 Zisk Tato veličina udává o kolik větší napětí dokáže poskytnout příjímací anténa ve směru svého hlavního laloku, je třeba vědět, že tato veličina je pouze relativní a je vztažena k referenční anténě, zpravidla k izotropnímu zářiči. Může být vztažena i k referenčnímu dipólu, ale ten není obecně uznávaný. [2] Ziskovost antény lze vypočíst z poměru výkonu nebo napětí v zátěži získaných měřenou anténou, které následně porovnáme s hodnotami naměřenými na referenční anténě. Výsledné poměry pak zlogaritmujeme dle následující rovnice (1.2). Zisk lze také vypočíst jako součin směrovosti antény a účinnosti vyzařovací antény. (1.2)

21 Anténa Výpočet zisku antény vůči izotropní anténě (1.3): (1.3) η nám v tomto vzorci vyjadřuje účinnost vyzařovací antény (η<1) a S vyjadřuje směrovost námi měřené antény, vůči anténě izotropní. Pokud chceme získat hodnotu v decibelech, můžeme vzorec (1.3) také zlogaritmovat viz. rovnice (1.4). (1.4) Pokud budeme za referenční anténu považovat izotropní zářič, výsledný zisk bude absolutní a jednotky budou dbi. V případě že použijeme jako referenční anténu půlvlný dipól je výsledný zisk pouze relativní a jednotky budou dbd. Pokud bychom vypočetli rozdíl zisků mezi izotropním zářičem a půlvlným dipólem, rozdíl bude činit 2,15 db. Tímto můžeme snadno určit zisk půlvlného dipólu viz. rovnice (1.5). Pokud bude zisk izotropního zářiče 0 dbi bude zisk půlvlného dipólu 2,15 dbi. [13] 1.9 Šířka pásma a rezonanční kmitočet (1.5) Kapacita a indukčnost jsou v případě antény, nahrazovány vodičem. Délka vodiče se odvíjí od vlnové délky, pro kterou je anténa konstruována. Antény jsou projektovány pro jeden nebo více rezonančních kmitočtů, jsou-li kvalitně zkonstruovány, funguji v určitém rozsahu frekvencí v okolí frekvence rezonančního kmitočtu. [2] Rovnice (1.6) popisuje závislost kapacity, indukčnosti a frekvence: (1.6) f Frekvence [Hz](1/s) L Indukčnost [H] C Kapacita [F] 1.10 Frekvenční širokopásmovost Frekvenční širokopásmovost určuje, jak moc se může změnit frekvence přijímaného signálu, aniž by tím byly výrazným způsobem ovlivněny vlastnosti antény

22 Anténa 1.11 Polarizace Základním pravidlem pro polarizaci antény je, že polarizace přijímací antény musí být stejná jako polarizace vysílací antény, v případě že tato podmínka není splněna, dochází mezi anténami k polarizačnímu nepřizpůsobení. To má za následek značný útlum přijímaného signálu. Nejčastějšími typy polarizace jsou vertikální nebo horizontální polarizace, polarizace +45 / -45 a polarizace kruhová nebo eliptická. [1] 1.12 Vertikální polarizace Vertikálně polarizovaný signál je takový, který má elektrickou složku signálu kolmou k zemskému povrchu. K vytvoření takového signálu je zapotřebí vertikálně polarizované antény. Zářič vertikálně polarizované antény je umístěn kolmo k zemi. [1] 1.13 Horizontální polarizace Tato polarizace nemění polarizaci vlny samotné, ale umožňuje anténě přijímat jak horizontálně tak vertikálně polarizované vlny. Této polarizace můžeme dosáhnout tak že překřížíme vertikální a horizontální dipól o +45 a 45 (tak že vypadají jako písmeno X). Touto polarizací získáme anténu, která je schopna vysílat nebo přijímat vlny v obou druzích polarizace. [1] Horizontální polarizace Vertikální polarizace Obrázek 1.4: Ukázka horizontální a vertikální polarizace 1.14 Horizontální / Vertikální Tato polarizace nemění polarizaci vlny samotné, ale umožňuje anténě přijímat jak horizontálně tak vertikálně polarizované vlny. Této polarizace můžeme dosáhnout tak že překřížíme vertikální a horizontální dipól o +45 a 45 (tak že vypadají jako písmeno X). [1]

23 Anténa 1.15 Kruhová polarizace Tvoří se vybuzením dvou k sobě navzájem kolmých módů na anténě, které jsou vzájemně posunuty o π/2. Kruhovou polarizaci můžeme dělit na pravotočivou a levotočivou. Kvalita této polarizace se udává poměrem velikostí elektrického pole v ose X a v ose Y. Kruhová polarizace má osový poměr roven 1. [1] Obrázek 1.5: Ukázka levotočivé a pravotočivé kruhové polarizace 1.16 Poměr stojatých vln ( SWR/PSV) PSV nebo SWR je zkratka sousloví poměr stojatých vln (v angličtině: standing wave ratio). Určuje jak dobře je přizpůsobena anténa vůči napaječi. Jeho hodnoty se pohybují od 1 do nekonečna, přičemž hodnota 1 je hodnota, ke které se vždy snažíme dostat při konstrukci antény. Pokud je hodnota SWR 1 je veškerý výkon přenesený na anténu vyzářen. V případě, že je SWR větší než 1, vzniká ve vedení odražená vlna, která se šíří od antény zpět ke zdroji, a v extrémních případech, může zdroj zničit. [9] Výpočet SWR (1.7): (1.7) F,B výkon přenášené a odražené vlny Z impedance antény 1.17 Činitel jakosti Činitel jakosti se značí pomocí písmene Q. Je to bezrozměrná veličina, a můžeme jej definovat vztahem (1.8): [6]

24 Anténa (1.8) Písmeno X v tomto vzorci představuje reaktanci, R představuje rezistivitu. Písmeno L představuje indukčnost a C je Kapacita antény. Také zde platí vztah (1.9): [5] (1.9) Parametr popisuje napětí antény, je napětí generátoru. Pokud má anténa nulové ztráty, má nekonečný činitel jakosti ale nic nevyzařuje.[6] 1.18 Účinnost antény Účinnost antény určujeme podle dvou parametrů, Energie anténou vyzářená, a energie celková která byla na anténu dodána. Výpočet účinnosti (1.10): (1.10) Parametr představuje vyzářenou energii, jsou ztráty vedení S-parametr Nazývá se také vstupním činitelem odrazu. Uvádí se buď jako bezrozměrné číslo, nebo ve formě útlumu s jednotkou db. Tento parametr vyjadřuje, jak dobře je anténa přizpůsobena. V ideálním případě, dochází k tomu, že je veškerá energie z antény vyzářena, nebo spotřebována ve ztrátách. Činitel odrazu se značí, a jeho vztah vůči parametru vyjádřeného v db je následující viz. rovnice (1.11). (1.11) Impedanční přizpůsobení antény se také vyjadřuje jako hodnota SWR, ideálně přizpůsobená anténa má SWR rovno 1. Vztah parametru SWR a činitele odrazu popisuje následující rovnice (1.12). [8] (1.12)

25 Anténa 1.20 Izotropický zářič Jedná se pouze o hypotetickou anténu, která byla stvořena jako dokonalý model antény. Tato anténa je schopna vyzařovat ve všech směrech v prostoru signál, o stejné intenzitě. Pomocí této antény jsme v radiokomunikacích schopni popsat vlastnosti reálných antén. Používá se k vyjádření směrových vlastností dané antény. Jednotka dbi je zisk antény vyjádřený vůči izotropickému zářiči Základní typy antén Antény zpravidla dělíme dle jejich základních vlastností, mezi tyto vlastnosti patří také směrovost, která nám udává, ve kterých směrech anténa vyzařuje nebo také ze kterých směrů přijímá signál. Antény můžeme tedy rozdělit na antény směrové a všesměrové Všesměrové antény Pokud bychom se podívali na vyzařovací charakteristiku všesměrové antény, zjistili bychom, že tato anténa vyzařuje, jak již její název napovídá do všech směrů kolem zářiče. Výjimku tvoří směr nad a pod zářičem kam anténa vysílá, nicméně tak slabě že je její vyzářený výkon v těchto směrech zanedbatelný. Všesměrové antény pro wifi jsou zpravidla tvořené vodičem který je natažen uvnitř plastové trubičky. Jejich zisk se nejčastěji pohybuje okolo 2.5 dbi, a polarizované mohou být jak vertikálně, tak horizontálně. Nejčastěji se s všesměrovou anténou můžeme setkat doma, stačí se podívat na antény wifi-routeru. Všesměrové antény pro venkovní použití mívají zisk maximálně kolem 5 dbi. Obrázek 1.6: Ukázka všesměrové antény

26 Anténa 1.23 Směrové antény Směrová anténa je pravým opakem všesměrové antény. Vysílá totiž energii v podobě signálu, v ideálním případě pouze jedním směrem. Díky tomu můžeme například předejít rušení ze strany vysílačů TV signálu. V případě že by byla použita pro příjem TV signálu všesměrová anténu, nebo směrová anténa byla nevhodně otočena, mohlo by se stát, a to zvláště v pohraničních oblastech kde se prolínají televizní signály několika států, že by námi požadovaný signál byl rušen a nemohli jsme daný TV kanál naladit Yagi-Uda anténa Byla vynalezena japonskými vědci Hidetsuku Yagim a Shintaro Udou, během roku I přesto že byla již dlouhou dobu známá, k jejímu praktickému využití došlo až během druhé světové války, kdy se díky své směrovosti a nenáročné konstrukci používala u tehdejších radarových systémů. V současné době ji můžeme nejčastěji vidět na střechách, kde nám díky svým vlastnostem slouží jako anténa pro příjem televizního vysílání. Je ji ale také možno využít pro radioamatérské účely v pásmu VKV (145MHz MHz) nebo pro příjem GSM signálu či méně častěji pro šíření signálu wifi. [3] Výhody a nevýhody Yagi-Uda antény Mezi jednoznačné výhody této antény, můžeme počítat její jednoduchou konstrukci, snadnou stavbu a dobré elektrické vlastnosti. Mezi nespornou výhodu této antény patří také její velká ziskovost. Co se nevýhod této antény týče, můžeme si uvést, že velký problém je například při tvorbě vícepásmové Yaggi-Uda antény, dále pak v porovnání s anténami parabolickými, je na tom Yaggi- Uda anténa hůře v porovnání fyzikálních a mechanických vlastností. [3] Z čeho se skládá Yagiho anténa Anténa Yaggi-Uda se skládá z jednoho aktivního prvku a několika pasivních prvků, jako většina antén. U Yaggiho antény je také možné za zářič, který zpravidla zastupuje symetrický dipól, tento dipól musíme pro správnou funkci připojit na vysokofrekvenční napaječ, umístit reflektory, které odrážejí část vysílané nebo přijímané energie, k dipólu. Tímto opatřením je možno zvýšit zisk Yaggiho antény. Směrovost u Yaggiho antény můžeme zajistit tak, že na ráhno před zářič, umístíme několik pasivních prvků (direktorů), tyto prvky nejsou napájeny, a slouží pouze k tomu, aby energii zářičem vyzářenou směrovaly v potřebném směru. Ze všech direktorů má největší vliv na směr vyzářené vlny direktor, který je nejblíže dipólu. Tento direktor se nazývá kompenzační direktor. Kompenzační proto, že je schopen ovlivňovat výslednou impedanci antény tím, že ho umístíme do vhodné polohy vůči zářiči. Hlavním prvkem této antény je pak dipólový zářič, který je připojen k vysokofrekvenčnímu napaječi. U Yaggiho antény se nejčastěji můžeme setkat s půl-vlnným dipólem. Jednoduchý dipól má malou impedanci, proto je třeba ji zvyšovat tím, že využijeme skládaný

27 Anténa dipól. V případě, že použijeme pro Yaggiho anténu reflektory, měl by být minimálně o 5% delší než zářič. [3] Obrázek 1.7: Yaggiho anténa Zisk Yagi-Uda antény Velikost zisku Yagiho antény, tvoří převážně délka samotné antény, to úzce souvisí s uspořádáním pasivních prvků antény, tedy jejich velikostí a vzdáleností od sebe. Pravidelně Yagiho anténa dosahuje zisku něco přes 10 db, a i přes to že ji vyladíme prakticky k dokonalosti, zisk antény bude prakticky stejný. Díky těmto vlastnostem a vysoké ziskovosti, je Yagiho anténa nejvhodnějším kandidátem pro použití ve VKV a UKV pásmech. Důležitou prvkem pro vyladěnost antény je, jak vysoko ji umístíme nad zem, toto je u Yagiho antény obzvláště důležité, dále je potřeba zajistit aby se v okolí antény vyskytovalo co nejméně vodivých předmětů a jiných rušivých elementů. Antény typu Yagi jsou ze své podstaty antény úzkopásmové, nicméně lze je využít i pro širší pásma, musíme však počítat s tím, že v případě tohoto využití mají tyto antény velmi nevyrovnaný zisk. Rozladění takovéto antény, může dosahovat až 50%, pro lepší představu nám bude anténa na začátku pásma poskytovat pouze poloviční zisk a směrovost. [3] Parametry Yagiho antény Yagiho anténa je v prvé řadě anténa směrová, její směrovost je zvyšována přidáním pasivních prvků za nebo před zářič antény. Tyto prvky nejsou napájeny, a mají za úkol vést vlnu podél antény. Tím dosáhneme zvětšení oblasti pro příjem energie do napaječe. Jednotlivé elementy antény mají rozestup ¼ vlnové délky a jsou umístěny v jedné rovině s napaječem na společném nosném ráhnu. Přizpůsobení antény provedeme vhodným nastavením impedance jednoduchého skládaného dipólu. Ta je ovlivněna délkou a vzdáleností nejbližších pasivních prvků k dipólu. Toto nastavení je důležité především proto, že Yagiho anténa je konstruována jako venkovní anténa,

28 Anténa u těchto antén jsou kladeny zvláštní nároky na stálost jejich vlastností. Pokud zvolíme špatné umístění antény, nebo při její výrobě ošidíme její materiál, můžeme z dobře namodelované a vypočítané antény, vyrobit velmi špatnou anténu. [3] Využití Yagiho antény Jak bylo již zmíněno výše Yagiho anténa se hodí nejvíce pro použití ve VKV a UKV pásmech a pro úzkopásmové použití. Mezi radioamatéry je to oblíbená anténa, jelikož její konstrukce je popsána řadou odborných časopisů a dokonce i zaznamenána na mnoha instruktážních videích na internetu. Nejčastěji se s touto anténou můžeme setkat na střechách domů v našem okolí, kde slouží pro příjem televizního signálu. [3]

29 Výroba Yagiho antény z plošného spoje 2 Výroba Yagiho antény z plošného spoje V předchozí, teoretické části bakalářské práce, byly popsány základní vlastnosti antén, a také nejčastější způsob výroby Yagi-Uda antény, a to za pomocí trubek nebo drátů, umístěných pevně na ráhnu. V této kapitole se naše pozornost naopak zaměří na výrobu antény, která nevyužívá žádný z těchto výše zmíněných prvků. Yagi-Uda anténa, o které bude v této kapitole řeč, využívá základních principů výše zmíněných klasicky navržených Yagi-Uda antén. Je u ní zachován poměr vzdálenosti prvků, rovněž je u ní zachována podoba vyřazovacího diagramu, a s tím související směrovost a zisk této antény. Současně anténa nevyužívá žádného ráhna k uchycení prvků, ale tyto prvky jsou přímo vyleptány na cuprexitu a tedy nemají kruhový průřez jako u klasické Yagi-Uda antény, ale jsou ploché. Cílem této práce je vytvoření použitelné a přenosné Yagi-Uda antény, vytištěné na plošném spoji, která bude použita spolu s mobilním telefonem v místech, kde není příliš dobrý signál. Anténa tedy bude pracovat v GSM pásmu, konkrétně v DOWNLINK frekvenčním rozsahu, přesněji na frekvenčním rozsahu MHz. Anténa nebude vytvořena pro vysílání ale primárně pro příjem signálu. Nejprve je však třeba určit referenční kmitočet antény, na tomto kmitočtu by sestrojená anténa měla vykazovat největší zisk a co nejlepší SWR Obrázek 1.8: Seznam frekvenčních pásem GSM [15] 2.1 Určení základních parametrů antény Frekvence Při potřebě určit, na které frekvenci bude anténa rezonovat, bylo použito jednoduchého výpočtu. Celkové DOWNLINK pásmo, zahrnuje frekvence MHz (viz Obr. 1.8). Tyto frekvence spolu s dalšími frekvencemi pro UPLINK patří do GSM pásma, které je primárně využíváno pro komunikaci mobilních stanic GSM sítě. Tento systém poskytuje plně duplexní provoz ve formě FDD s odstupem 45 MHz. Odstup nosných vln je 200 khz takže se jich do rozestupu 25 MHz vejde celkem

30 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Celkově je využitelných pouze 124 ze 125 kanálů jelikož nultý kanál slouží jako oddělovací. Kapacita frekvenčního pásma se ukázala jako nedostačující, a proto bylo využito i další pásmo GSM Liší se hlavně v počtu kanálů. Pro použité kmitočtové pásmo je k dispozici 375 rádiových kanálů. Šířka pásma je tedy 75 MHz a duplexní odstup činí 95 MHz. V USA se používá systém PCS 1900, kterému je přiděleno pásmo / , tento systém má na rozdíl od evropského systému šířku pásma 60 MHz a odstup jednotlivých kanálů je 80 MHz. K použití je vyhrazeno 300 rádiových a 2400 uživatelských kanálů. Dále je v systému GSM k dispozici varianta E-GSM (extended GSM) která má rozsah frekvencí pro UPLINK a pro DOWNLINK V železniční dopravě se pak používá speciální pásmo nazývané GSM-R (railway GSM), používá se výhradně pro komunikaci v železniční dopravě, a má přiděleny frekvence / Pomocí následujících výpočtů ( ), bude určena střední frekvence tohoto pásma, a tato frekvence bude frekvencí, která bude využita k dalším výpočtům, a také frekvence, na které by anténa měla mít nejlepší parametry (2.1) Vlnová délka Dále je třeba určit vlnovou délku pro vypočtený kmitočet, jelikož z té pak odvozujeme délku dipólu a dalších prvků, jako je reflektor a direktory. (2.2) (2.3) Vlnová délka se vypočte ze vztahu (2.4): (2.4) (2.5) Vlnová délka kmitočtu 942,5 MHz je 318mm Šířka prvků Yagiho anténa, která je předmětem této bakalářské práce, bude namodelována na substrátu cuprextit FR4. Tento materiál má následující parametry: Relativní permitivita, Ztrátový činitel, výška dielektrika, tloušťka pokovení mědí je. Je třeba ale také přepočítat tloušťku hliníkových prvků antény na plochu cuprextitu, vzhledem k tomu, že plocha cuprextitu je, je možno ji počítat následujícím způsobem:

31 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Vzorec pro přepočet kruhové plochy na rovinnou (2.6): [11] (2.6) Kdy parametr je poloměr drátu, a parametr je celková šírka pásky. Viz Obrázek 1.9. Výpočtem tedy dojdeme k závěru, že šířka pásky je 12 mm. Obrázek 1.9: Převod rozměrů drátku na plochý pásek [11] Vzdálenosti jednotlivých prvků antény Ve výše zmíněném článku [7] byly rovněž popsány i vzdálenosti mezi jednotlivými prvky Yagi-Uda antény, vypočtené pro kmitočet 900 MHz. Tyto vzdálenosti udané ve vlnových délkách byly využity k výpočtům, ze kterých byly následně vypočteny vzdálenosti jednotlivých prvků antény modelované pro kmitočet 942,5 MHz. Ukázkový výpočet jednoho prvku antény ( ): (2.7) (2.8) Zbývající hodnoty získané z výpočtů jsou obsaženy v příloze I Délky prvků Yagi-Uda antény Podle článku [7] byly také vypočteny délky jednotlivých prvků. Využito bylo rovněž vzdáleností, které byly zapsány obecně ve formě vlnových délek. Tyto vzdálenosti byly poté přepočítány na požadovaný kmitočet 942,5 MHz, tedy na vlnovou délku 318 mm. Graf závislosti jednotlivých délek prvků Yagi-Uda antény, na způsobu jejich připojení je obsažen v příloze O

32 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Výpočet délky přizpůsobovacího členu antény Přizpůsobovací člen antény, také se mu říká balun slouží k eliminaci plášťových proudů. Ty vznikají v případě, pokud dipól připojíme přímo bez přizpůsobovacího členu (balunu) na koaxiální kabel. Potom povrch koaxiálního kabelu funguje z části jako anténa, část energie vyzařuje část ji přijímá a dochází k rušení a ztrátám. Proto je potřeba mezi koaxiální kabel a dipól antény zařadit přizpůsobovací člen, abychom mohli impedanci antény přizpůsobit na impedanci kabelu která je 50 Ω. Výpočet délky koaxiálního balunu 4:1 ( ). (2.9) (2.10) Obrázek 1.10: Ukázka koaxiálního balunu 4:1 [14] 2.2 Sestrojení modelu Yagi-Uda antény podle teoretických výpočtů První pokusy o sestrojení Yagi-Uda antény byly prováděny za pomocí instalatérské alu pásky a podkladové fólie. Zjištěním však bylo, že instalatérská fólie ač s označením ALU není elektricky vodivá. Alu páska byla tedy nahrazena měděnou páskou, která již vodivá byla. Konkrétně se jedná o pásku na opravu plošných spojů. S touto páskou bylo pak vyrobeno několik prototypů Yagi-Uda antény, jeden z nich bude ve zkratce popsán Prototyp č. 1 První prototyp Yagi-Uda antény, byl vyroben pomocí měděné pásky, určené pro opravu plošných spojů, a pevné plastové folie. Měděná páska byla nařezána pomocí lékařského skalpelu na co nejpřesnější rozměry prvků

33 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Délky jednotlivých prvků byly vypočteny pomocí modelu popsaném v ARLL Antenna book, kde byly rovněž popsané i doporučené vzdálenosti jednotlivých prvků od sebe. Základním problémem však bylo, jakou zvolit šířku prvků, a tedy jak přepočíst tloušťku Al trubiček na rovnou měděnou pásku. Vedoucím práce bylo doporučeno, aby byly prvky raději širší. Cílem bylo mít možnost ubírat části měděné pásky, po té co bude anténa reálu měřena. Šířka měděné pásky byla tedy zvolena 2cm. Vzdálenosti jednotlivých prvků byly vypočteny vždy od středu pásky, aby byly zachovány vlastnosti modelu, který byl pro tuto fázi předlohou. Jako výchozí kmitočet nebyl použit výše zmiňovaný kmitočet 942,5 MHz ale kmitočet 935 MHz, proto se délky prvků v tomto prototypu a finálním návrhu liší. Délky jednotlivých prvků byly zvoleny následovně (viz. tabulka v příloze J) Vzdálenosti jednotlivých prvků se v průběhu měření neměnily, a vždy při odebírání části měděné pásky, a tedy zužování prvků byl odebrán kousek jak z přední tak zadní strany prvku stejně, aby nebyla změněna vzdálenost prvků od sebe. Dle parametrů v tabulkách byla tedy sestrojena anténa, a následně bylo třeba vyrobit balun. Pro výrobu koaxiálního balunu byl zvolen Balun 4:1, zde se ale objevila chyba, jelikož nebylo předem ověřeno, že mezi svorkami jednoduchého dipólu bude hodnota impedance 200 Ω, a tedy bude anténa přizpůsobena pro připojení 50 Ω koaxiálního kabelu. Impedance 200 Ω docíleno nebylo, proto také anténa nefungovala správně. Délka koaxiálního balunu se spočítá podle následujícího vztahu ( ): (2.11) (2.12) Balun byl tedy vyroben 96,624 mm dlouhý. Obrázek 1.11: Náčrt koaxiálního balunu 4:1, který byl vypočítán ve vzorci (2.12) Praktický test antény Jak bylo uvede no výše, nebyl možno zjistit, jaká přesná impedance je mezi svorkami antény, a proto byl nejspíše použit špatný balun. Testy proto nedopadly úspěšně, ale bylo zjištěno následující

34 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Pokud jsou prvky zužovány, kmitočet antény se posouvá výše, a proto bylo nejlepšího výsledku dosaženo při šířce prvku 7 mm. Vzhledem k samolepící vrstvě na druhé straně pásky, nebyla velká možnost pohybovat jednotlivými prvky, a měnit jejich vzdálenost, protože po odlepení od podkladové vrstvy se ihned srolovaly a slepily dohromady. Chybovost měření a výsledků může být také způsobena tím, že do celkových výpočtů nebyl zahrnut podklad antény, který byl tvořen plastovou folií, a také to, že na rozdíl od klasické antény, jejichž rozměrů bylo použito pro vytvoření tohoto prototypu, anténa na plošném spoji nebo-li anténa s plochými prvky nemá jednotlivé prvky ukotvené na ráhnu, ale přímo na folii nebo desce plošného spoje. Dalším problémem při měření bylo to, že podkladová fólie byla poměrně měkká a ohýbala se, a proto se anténu nedařilo udržet příliš dlouho ve vodorovné poloze, a také nebyla při výpočtech zohledněna tloušťka měděné pásky. Tyto chyby v měření mohly tedy významně ovlivnit výsledky, které byly z měření získány. Proto byl na radu vedoucího práce zvolen jiný postup. Anténu bylo potřeba nejdříve nasimulovat v softwaru CST Studio, který naše fakulta vlastní, a ve kterém bylo možno zohlednit veškeré parametry, které nebylo možno zohlednit při přípravě předchozích prototypů, a také v tomto softwaru je možnost zjistit impedanci mezi svorkami jednoduchého dipólu, popřípadě si impedanci které je třeba docílit přímo v softwaru svolit. 2.3 Simulace antény v programu CST studio CST STUDIO SUITE je elektromagnetický simulační software, který je výsledkem dlouhodobého výzkumu a vývoje, s cílem přinést co nejlepší software pro výpočetní řešení a design elektromagnetických prvků v telekomunikačních technologiích. Software CST se skládá z nástrojů, které umožňují návrh, simulaci a následnou optimalizaci zařízení, která pracují v širokém frekvenčním spektru. Je možno zkoumat a optimalizovat tepelné i mechanické účinky prostředí, a také ve svých nástrojích umožňuje simulovat obvody. Všechny tyto programy mají jedno společné rozhraní, a jsou schopny společně kooperovat nebo navazovat na jednotlivé kroky řešení a optimalizace Parametry antény simulované v CST Studiu Po předchozích neúspěších s realizací antény pomocí CU pásky, byla využita již zkonstruovaná Yagi-UDA anténa, která je schopna pracovat v pásmu 900 MHz. Dalším krokem bylo tedy přenést tuto anténu do programu CST Studio a tam zoptimalizovat její parametry tak, aby rezonovala na požadovaném kmitočtu 942,5 MHz. Jako základ posloužila anténa, která byla nalezena v časopise, a která podle veškerých informací spolehlivě funguje. [7] Hodnoty dosazené do programu CST studio obsahuje tabulka v příloze K Práce s programem CST STUDIO Práce s programem CST STUDIO se v praxi podobá práci s podobnými simulačními softwary pro práci s anténami, jako je MMANA apod. Na rozdíl od programů které jsou poskytovány s free licencí, CST STUDIO poskytuje řadu speciálních nástrojů pro optimalizaci a zjednodušené zadání

35 Výroba Yagiho antény z plošného spoje parametrů antény, disponuje také širokým spektrem materiálů, takže je možné anténu vytvořit z libovolného materiálu a odzkoušet si jak velký vliv má daný materiál na vlastnosti antény. Základní stavební jednotkou antény v CST STUDIO je Brick, je to cihlička, které je možno definovat parametry v 3D prostoru, tedy šířku, výšku a hloubku. Pro nastavení rozestupů prvků byly použity z tabulky obsažené v příloze K, poté byly nastaveny délky jednotlivých prvků a k jejich nastavení sloužily data z tabulky v příloze K. Je třeba také zmínit, že se jedná o anténu uloženou v rovině, a proto musíme dbát na to, abychom mezery mezi jednotlivými prvky nebrali od jejich konců ale od jejich středu. Obrázek 1.12: Ukázka vymodelované antény v CST STUDIO Parametrizace antény v programu CST STUDIO Aby nebylo nutné pokaždé měnit jednotlivé nastavení každého prvku přímo na prvku samotném, a zadávat tedy zdlouhavě stále dokola rozměrové hodnoty X,Y,Z, je možné v programu CST studio provést tak zvanou parametrizaci jednotlivých prvků. Tato funkce se obzvlášť hodí v případě, bude -li anténa přizpůsobována pomocí jednoho z řady nástrojů, které CST studio nabízí. Jeho nástroje jsou totiž přímo uzpůsobeny pro práci s polem parametrů. Základními parametry byly u každého prvku jeho délka, která však musela být o polovinu zkrácena, jelikož anténa je rozdělena osou Y, a také šířka a vzdálenost daného prvku. Od jednotlivých vzdáleností prvků bylo nutno vždy odečíst a poté znova přičíst hodnotu šířky prvku, aby byla vypočtena vzdálenost X1 a X2, a prvky byly vycentrovány na střed. Takto byly tedy nadefinovány jednotlivé parametry u všech prvků antény

36 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Dále byly také zvoleny parametry R a S, které mi pomáhaly pohybovat a zkracovat všechny prvky společně o určité procenta, tímto bylo docíleno jemného dolazování antény v kratším čase, než kdyby bylo prováděno po jednotlivých prvcích Přizpůsobení antény v programu CST STUDIO Přizpůsobení antény v programu CST studio je možno provést pomocí funkce optimizer, kterou software nabízí. Funkce optimizér nabízí řadu možností, jak je možno anténu přizpůsobit nebo vůči jakým veličinám bude anténa přizpůsobená. Dvě nejhlavnější veličiny, které určují celkové přenosové vlastnosti antény jsou, S-Parametr. Tato veličina udává jak dobře anténa energii vyzařuje, a pak SWR parametr, který udává, jak dobře je anténa na daný kmitočet naladěná a zda nevznikají na vedení odražen vlny které by poté mohly poškodit vysílač na začátku. Funkce optimizér nenabízí možnost zvětšovat či zmenšovat jednotlivé veličiny o určitou hodnotu, ale vždy je třeba vybrat o kolik procent je potřeba danou hodnotu zvětšit nebo zmenšit. V záložce Goals je možno definovat jakou veličinu antény je potřeba přizpůsobit. Byl zvolen parametr S-Parameters. Ten je s parametrem SWR spjat úzkým vztahem, jelikož lze vypočíst jakou minimální hodnotu S-Parameters musí mít anténa na daném kmitočtu, aby se její SWR blížilo 1. Výpočet potřebné vyzářené energie v db ( ): (2.13) (2.14) [10] Aby bylo dosaženo hodnoty SWR blízké k jedné, byla určena jako ideální hodnota SWR mezi Pro toto SWR byla pomocí následujících rovnic ( ) spočítána potřebná vyzářená energie v decibelech. [10] (2.15) (2.16) V rámci přizpůsobení veličiny S-Parameters lze také vybrat, jakým způsobem bude program přizpůsobení vyhodnocovat. Máme možnost vybrat z možností <, >, =, move min, move max, min, max. V průběhu práce bylo zjištěno, že nejlepší je pro optimalizaci využít parametr move min, kterému můžeme nastavit cílový kmitočet, na který se má snažit posouvat minimum, hodnoty S11 a nebo lze nastavit rozsah frekvencí, mezi kterými může být minimum S11 umístěno

37 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Jelikož zvolený střední kmitočet byl 942,5 MHz, bylo důležité v prvních krocích použít tuto funkci pro přizpůsobování frekvencí v rozsahu 940 MHz 944 MHz, a poté ji opět použít pro jemnější postup a to pouze pro posouvání minima přímo na kmitočet 942,5 MHz. Obrázek 1.13: Ukázka rozhraní funkce Optimizer v CST-Studio Takto přizpůsobená anténa sice perfektně rezonovala na frekvenci 942,5 MHz, nicméně její vyzařovací diagram nevypadal úplně ideálně. Bylo tedy potřeba přistoupit k složitější části této práce, a začít posouvat jednotlivé prvky antény tak, aby byly potlačeny boční i zadní laloky vyzařovacího diagramu, a vyzářená energie přenesena do předního, tedy hlavního laloku. Klíčové pro tuto fázi bylo, zjistit, jak jednotlivé pohyby prvků, ovlivňují vyzařování antény, a také její parametry. Jelikož anténa byla sice perfektně nalazena na frekvenci 942,5 MHz ale jakýmkoli pohybem prvku došlo buď k jejímu úplnému rozlazení, nebo snížení vyzářeného výkonu a tím zároveň zhoršení parametru SWR. Pokud by byly prvky posouvány stále jen ručně, nevedlo by to k pozitivním výsledkům, jelikož z praktických zkušeností bylo jasné o jak jemné posuny by muselo jít, aby bylo docíleno kýženého naladění antény. Byl tedy použit postup, který se v programu CST Studio přímo nabízel. Program CST Studio totiž kromě funkce optimizér nabízí i funkci parameter sweep. Tato funkce slouží právě k výše zmíněnému, jemnému dolazení antény, nebo otestování vlivu jednotlivých prvků na celkové přizpůsobení antény. V hlubším nastavení možnosti této funkce, je možno snadno vykreslit několik vyzařovacích diagramů, ze kterých se dá zvolit právě ten, který je po celkovém průběhu funkce nejlepší. Funkce Parameter sweep, také nabízí ukládání hodnot do tabulek ve formátu CSV, tudíž není potřeba složitě přemýšlet, nebo sledovat jaké měla anténa pro daný vyzařovací diagram délky

38 Výroba Yagiho antény z plošného spoje a vzdálenosti prvků, ale je možno si pomocí čísla výpočtu vyhledat všechny hodnoty, které byly vypočítány. Stejně jako u funkce Optimizer, je možno i u funkce Parameter sweep vybrat parametry jednotlivých prvků antény, a ty mezi sebou posouvat a testovat výsledek. Avšak na rozdíl od funkce Optimizer, funkce Parameter sweep nehledá nejlepší hodnotu, a proto nedrží v paměti programu původní hodnoty, které byly nastaveny na začátku. Je proto vždy dobré, si hodnoty zapsat někam vedle, aby bylo možno se k nim zpětně vrátit, pokud by optimalizace nepřinesla požadovaný výsledek. Dalším rozdílem této funkce oproti funkci Optimizer je možnost nastavit si počet kroků, ve kterých bude probíhat posun testovaných hodnot. Pro tento výpočet bylo zvoleno více hodnot, a proto bylo nastaveno také více kroků, aby byla možnost vybrat si z dostatečného počtu vyzařovacích diagramů. Celkově jsem se dostal na objem 1400 jednotlivých kombinací. Obrázek 1.14: Původní vyzařovací diagram Yagi-Uda antény na frekvenci Před tím než testování započalo, byly vybrány jen ty parametry antény, které mohly pomoci celkovému potlačení dvou bočních laloků. Boční laloky byly nakonec potlačeny zkrácením druhého a třetího direktoru. Bylo třeba také odstranit vazbu reflektoru, který jak je vidět z obrázku funkci reflektoru neplní. Bylo potřeba prodloužit jeho délku a mírně prodloužit také vzdálenost, ve které se nachází. Zbývalo ještě nastavit funkci Parameter sweep tak, aby byla schopna zapisovat jednotlivé změny parametrů do tabulky, a také, aby byla schopna uložit, vykreslit a zobrazit pro každý výpočet odpovídající vyzařovací diagram

39 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Toto nastavení se provádí ve speciální nabídce, pod názvem Result template. V okně které se následně zobrazí, je potřeba vybrat volbu General Results. Z první rolovací nabídky je potřeba vybrat položku Farfield and Antenna Properties, v druhé rolovací nabídce pak zvolit možnost Farfield Result. S dalším krokem se objeví okno, s možností volby dalších nastavení, důležitá je položka Multiple polar plots (Directivity plot at each frq, const Theta=90). Po vybrání této možnosti je nutné změny potvrdit, a vrátit se zpět do hlavního okna funkce Parameter sweep. Obrázek 1.15: Výsledné nastavení funkce Parameter sweep Nyní bude program nějakou dobu počítat. V průběhu výpočtů se zobrazují jednotlivé vyzařovací diagramy, a je možné si vždy ten, který je prozatím nejlepší, označit špendlíkem v tabulce výsledků. Takto označený vyzařovací diagram pak nemizí při dalším cyklu programu, ale zůstává zobrazen pro porovnání. Výsledkem výše zmiňovaných kroků byla tedy množina vyzařovacích diagramů, ze které bylo nutné vybrat ten nejlépe odpovídající ideálnímu vyzařovacímu diagramu Yagi-Uda antény. Diagramy je možno procházet buď v tabulce s výsledky, nebo přímo ve vykreslovacím poli, je dobré si množinu diagramů rozdělit na jednotlivé podmnožiny, kvůli lepšímu procházení, a z nich pak vybrat ty nejlepší vyzařovací diagramy a postupovat tímto způsobem až do té doby, než bude nalezen ten nejlepší. Je dobré neporovnávat finální množinu diagramů, která vznikla výběrem z velkých podmnožin, ne jen podle toho zda vyzařovací diagramy mají skutečně velký přední lalok a malé postranní tedy parazitní laloky, ale také podle jejich paramteru S11. V rámci zrychlení výpočtu, již v nastavení funkce Parameter Sweep nebyla zohledňována hodnota parametru S11, a tak pokud by byl vybrán nejlépe vypadající vyzařovací diagram, nemusel by mít rezonanční kmitočet antény vyladěný na mnou požadovanou frekvenci

40 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Ze všech vyzařovacích diagramů nejlépe odpovídal požadavkům diagram s číslem 358 (viz. Obr. 1.16) Obrázek 1.16: Vybraný vyzařovací diagram Tento vyzařovací diagram samozřejmě není úplně ideální, a bylo třeba anténu ještě podle předchozího návodu doladit, a zkrátit opět boční laloky, a postupně anténu přizpůsobit až do finální podoby Výsledek práce s programem CST STUDIO Výsledkem výše zmíněných operací, a jejich jednotlivých kombinací spojených s jemným lazením jednotlivých prvků antény, je anténa, která má při frekvenci 942,5 MHz teoretický zisk 10.9 dbi, a je teoreticky připravena pro vyleptání na plošný spoj. Impedance mezi svorkami jednoduchého dipólu je 50 Ω. Celková délka prvků se oproti prvotnímu modelu, který byl vložen do programu v CST STUDIO podstatně změnila ale toto může být způsobeno tím, že jako základ sloužil model, který využíval skládaného a nikoli jednoduchého dipólu, a nebyl projektován jako anténa tisknutelná na plošný spoj, a v neposlední řadě využíval místo měděných pásků hliníkové trubičky umístěné na ráhně. Vlastnosti antény jsou také přijatelné pro celkový rozsah GSM pásma, kdy s klesající frekvencí, se vyzařovací diagram ještě zlepšuje, naopak s rostoucí frekvencí se vyzařovací diagram mírně horší, ale do frekvence 960 MHz je stále ještě v pořádku. Anténa má také v celém rozsahu GSM

41 Výroba Yagiho antény z plošného spoje pásma SWR menší nebo rovno dvěma. Přímo na ale také v okolí kmitočtu 942,5 MHz anténa dosahuje SWR velmi blízkému hodnotě 1. Viz. Grafy a obrázky níže. Tabulka délek a vzdáleností jednotlivých prvků antény, která byla vytvořena v programu CST- STUDIO se nachází v příloze L. Tloušťka prvků odpovídá v případě antény, která bude vytištěna na cuprextitu, tloušťce měděného povrchu, který je na cuprextitu umístěn. Ten mívá zpravidla tloušťku 35 μm. Šířka prvku se při optimalizaci změnila jen minimálně, z původně vypočtených 12mm se šířka prvku zvětšila na 13mm. Vzdálenosti jednotlivých prvků jsou brány vždy vzhledem k dipólu. Jak je vidět z následujících hodnot, z původní antény, a jejich rozměrů, prakticky nezůstal ani jeden stejný. Jak se ale dalo čekat, vzdálenosti jednotlivých prvků od sebe, přibližně korespondují s hodnotami, které byly do CST Studio zadány na začátku. Obrázek 1.17: Průběh SWR

42 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Obrázek 1.18: Vyzařovací diagramy (z leva do prava) 880 MHz, 942,5 MHz, 960 MHz 2.4 Volba a výroba symetrizačního členu Vzhledem k tomu, že mezi svorkami antény není symetrická impedance 300 nebo 200 Ω, není možno použít klasický koaxiální balun 4:1, který by byl jinak použil. Mezi svorkami antény je ale symetrická impedance 50 Ω, je potřeba tedy použít méně klasický koaxiální balun 1:1. Nabízí se také možnost výroby balunu pomocí drátu a feritového jádra, ale při těchto kmitočtech jde o velice nespolehlivé řešení, které by vnášelo mezi anténu a generátor velký útlum, a to při YAGI-UDA anténě, která má teoretickou zisk kolem dbi není přípustné. Odpadá také možnost vyrobit LC článek, protože při takovýchto kmitočtech je jeho použití ještě méně vhodné než u balunu vyrobeného z feritu. Pro výrobu tohoto balunu byl použit klasický koaxiální kabel RG-58, jehož zkracovací činitel (ZK) je 0,6. Rovnice pro výpočet koaxiálního balunu 1:1 pro frekvenci MHz ( ). (2.17) (2.18) Délka první části koaxiálního balunu 1:1 se tedy rovná 48,12 mm, nyní je třeba vypočíst druhou část smyčky, k tomu slouží následující rovnice ( ). (2.19) (2.20) Délka druhé části koaxiálního balunu 1:1 je 144,36 mm. Jak lze pochopit z předchozích kroků, tento balun nevypadá a ani se nepočítá jako klasický balun. Díky tomu, že jedna část balunu je dlouhá ¼ vlnové délky, a další část je dlouhá zbývající ¾ vlnové délky, dosáhneme potřebného otočení fáze signálu o

43 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Při výrobě balunu je nutné skroutit jeden koax tak, aby byl stejně dlouhý jako nejkratší část balunu proto aby bylo možno spojit stínění na obou stranách koaxu (viz obr. 1.20). Je také nutno spojit všechny jádra koaxu v jednom bodě. K udržení zkrouceného koaxu byla použita s-páska. Důležité je si také uvědomit, že délka koaxu potřebného k vytvořené balunu se nepočítá od odstíněné části, ale bere se v úvahu jen část která je kompletně pokryta pláštěm a stíněním, důvod je ten, že pokud je ostíněná část koaxiálního kabelu příliš velká, dochází k zanášení zkreslení do balunu. Proto je dobré cvaknout si na každé straně koaxu aspoň 1,5 cm navíc, aby byla vytvořena dostatečná rezerva pro propojení v bodě, kde se balun spojuje s libovolně dlouhým koaxem. Obrázek 1.19: Koaxiální balun 1:1 2.5 Přenesení antény do programu Eagle Vzhledem k tomu, že CST studio nenabízí možnost vyexportovat anténu ve formátu, který by podporoval program Eagle, bylo nutné postupovat složitější cestou. Dle návodů na internetu, umí program Eagle zpracovat soubor vytvořený v programu Adobe Illustrator. Anténa byla i s jejími rozměry přenesena do programu Adobe Illustrátor, a aby bylo zabráněno nepřesnostem při přenosu, byly převedeny vždy délky i vzdáleností prvků s přesností na tři desetinná místa. Anténa byla vyexportována pro jistotu ve dvou verzích, jelikož zde byla i možnost převést anténu do programu Eagle pomocí importu bitmapového souboru. První import byl proveden pomocí souboru z programu Adobe Illustrator, nicméně jak bylo zjištěno, model se nepřenesl vůbec přesně, a délky jednotlivých prvků, neodpovídaly délkám prvků výsledné antény. Byl tedy použit druhý vyexportovaný soubor ve formátu PDF, který byl převeden do formátu BMP. Volné hrany souboru byly ořezány na minimum, a obrázek byl převrácen tak, aby jeho nejdelší strana byla v horizontální poloze. Důležité je, zapsat si jakou má výsledný soubor délku nejdelší strany v milimetrech, a kolik má jeho nejdelší strana pixelů. PCB. Poté je potřeba spustit program Eagle, vybrat nový projekt a vybrat možnost vytvořit desku

44 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Poté je možné naimportovat anténu pomocí předpřipraveného ULP scriptu, který je součástí instalačního balíku Eaglu. Nastavení importu je velmi jednoduché. Nejdříve je potřeba zvolit, importní barvu, jelikož je bitmapový soubor dvoubarevný, a prvky antény byly vykresleny černou barvou, byla černá zvolená jako importní barva. Nyní přijde řada na dříve poznačené rozměry antény. Existují v zásadě dvě možnosti, buď importovat anténu do Eaglu za pomocí pixelového rozměru delší strany antény, nebo anténu naimportovat za pomocí rozměru bitmapového souboru v milimetrech. Pro tuto práci byla zvolena možnost číslo dvě, jelikož při importu pomocí počtů pixelů delší strany se model antény nenaimportoval přesně a rozdíly u jednotlivých prvků činily 1-2 mm, což by při výrobě a následném praktickém testu antény mohlo způsobit její rozladění. Převod z bmp pomocí délky nejdelší strany souboru uvedené v milimetrech byl úspěšný. Anténu byla pro jistotu okótována aby bylo ověřeno, že jednotlivé délky prvků jsou správné, a nakonec byla anténa vyexportována ve formátu brd, ve kterém se standardně soubory z programu Eagle exportují. Výstup z programu eagle je obsažen v příloze N. 2.6 Výběr nejvhodnější metody výroby Způsobů jak vyrobit a vyleptat plošný spoj je celá řada. Od úplně profesionálních způsobů typu, osvícení foto-cuprextitu nebo vyfrézování nechtěné mědi na speciální programovatelné fréze, po způsoby, které lze provést doma na "koleně". Nutno zmínit, že profesionálními postupy výroby DPS se u nás zabývá řada firem, a řada firem také nabízí slevy pro studenty, kteří chtějí vyrobit bakalářskou práci. Z firem které byly osloveny s požadavkem o cenovou nabídku, by měla být zmíněna firma Marpos, která sídlí v Ostravě, její přístup k zákazníkovi i cenová politika jsou skutečně na ne moc dobré úrovni. Tato zakázka byla pro každou firmu zabývající se výrobou DPS poměrně atypický případ, jelikož bylo potřeba vyrobit DPS o rozměrech 300x400 mm což spousta výrobců neuměla vytvořit, nebo si účtovala horentní sumy za takovouto výrobu plus přípatek za rychlé zpracování. Tabulka 1.1: Ceny jednotlivých firem za výrobu DPS s dodáním do týdne Firma Marpos Huráb Printed Apama CENA za kuprextit 300x400 (Kč) Z těchto dodavatelů byla nakonec vybrána firma Huráb, která sídlí v Havířově, a jejíž cena a přístup byl nejideálnější a navíc se do ceny nemuselo započítat poštovné. Bylo také rozhodnuto, že bude vyrobena ještě jedna anténa v domácích podmínkách a ručním leptáním, aby byla možnost porovnat výsledek ruční práce s profesionální výrobou

45 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Cena vlastní výroby je samozřejmě o poznání nižší, ale pro člověka, který nikdy plošný spoj neleptal, to není zrovna snadná varianta. Dalším úskalím bylo sehnat cuprextit o velikosti 300x400 mm. Nakonec se jej povedlo zakoupit v sortimentu jednoho Olomouckého velkoskladu. Cena za kus byla 199 Kč s DPH. Dále bylo třeba zakoupit leptací roztok. Zakoupen byl roztok 200 ml chloridu železitého, který se běžně používá k leptání plošných spojů. Celkově tedy materiál pro výrobu stál 247 Kč, což je o poznání levnější než u profesionální výroby. 2.7 Vlastní postup výroby antény Možností jak doma vyrobit anténu je celá řada. Je možno ji například na cuprextit nakreslit speciálními fixy, které vydrží ponoření antény do leptacího roztoku. Tato metoda nebyla využita, jelikož bylo potřeba dosáhnout co největší přesnosti, a to hlavně v rozměru mezery mezi dvěma částmi dipólu. Další metodou je transfer toneru z laserové tiskárny přímo z papíru na cuprextit. Tuto metoda se jevila pro výrobu antény jako nejvhodnější, jelikož při dodržení předepsaného postupu poskytovala největší přesnost. K přenesení antény z papíru na cuprextit, není možno použít klasický papír, který se používá do laserových tiskáren, protože se do něho prášek příliš hodně zapeče, a není možné jej již získat zpět. Proto je potřeba použít lesklý papír jaký se používá například pro tisk katalogů, nebo pro tisk fotografií. V tomto případě bylo potřeba získat papír formátu A3 a proto nebyla možnost využít ani katalogy a ani fotografický papír, jelikož ten byl příliš drahý. Byl tedy zakoupen grafický papír pro kreslení výkresů, který byl upraven pro potřeby práce na rozměr A3, a poté na něj mohla být anténa natištěna. Tisk je třeba provést s nastavením co nejjemnějšího papíru, aby se tonerový prášek do papíru co nejméně zapekl, a bylo je poté možno přenést přímo na cuprextit. Tisk proběhl v pořádku a nyní bylo potřeba připravit cuprextit k nažehlení. Pro přípravu cuprextitu byl využit velmi jemný smirek, houbičku na nádobí a jar. Je třeba cuprextit zdrsnit, a hlavně odmastit, aby na něm tiskárenský toner dobře držel. S odmaštěním je potřeba si dát opravdu záležet protože jinak se toner nepřichytí. Po minutách odmašťování byl cuprextit opláchnut vodou a utřen do sucha. Nyní bylo potřeba natištěný model antény přenést na cuprextit. Je potřeba přiložit papír s natištěnou anténou na cuprextit, a přes něj přiložit buď ručník nebo nějaký tenčí papír. Tuto část postupu je možno vynechat v případě, že papír není lesklý z obou stran. Nyní je třeba nastavit žehličku na maximální teplotu, a začít papir postupně žehlit a co nejvíce na žehličku tlačit. Žehlení trvá asi hodinu, ideální je pokud papír po žehlení zežloutne a kompletně se přilepí na cuprextit tak, aby nešel nijak odlepit. Poté je třeba ponořit cuprextit s nažehleným papírem do nádoby s horkou vodou a jemně po papíru jezdit měkkou stranou houbičky aby se papír postupně odlepoval, ale zároveň byl zachován v místech, kde byl natištěn toner. Tímto postupem je nutno odstranit papír z celé antény

46 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Bohužel se může stát, že se na některých místech toner správně nepřenese na cuprextit, v takovémto případě je nutné použít klasický průhledný lak na nehty a jemný tenký štětec k zahlazení těchto nedostatků. Obrázek 1.20: Anténa po odlepení papíru Pokud je vše hotové a toner se správně přenesl na cuprextit, je čas připravit leptací roztok. K odleptání byla použita miska pro kočky a 200 ml leptacího roztoku. Je třeba zmínit, že 200 ml roztoku je na takto velkou desku poměrně málo, a to i po té co byla deska zkrácena co nejblíže prvkům. Leptací roztok byl tedy vlit do misky a desku s cuprextitem položena na hladinu roztoku měděnou stranou dolů tak, aby co nejvíce plavala na povrchu leptacího roztoku. Tímto dojde samovolnému odpadávání mědi. Je také dobré udržovat leptací roztok ve vyšší teplotě, k čemuž může pomoci vystavení leptacího roztoku i s anténou slunečním paprskům, díky vyšší teplotě pak probíhá odleptávání rychleji, ale je také potřeba cuprextitem pohybovat aby proces odleptávání ještě více urychlil. Celý proces odleptávání trvá asi dvě hodiny, záleží na množství roztoku, ve kterém je cuprextit ponořen, 200 ml roztoku by podle výrobce mělo stačit na odleptání mědi. Tato deska měla o něco větší rozměry, a tak nedošlo k odleptání veškeré mědi, nicméně zbývající měď je možno odstranit pomocí hrubšího smirkového papíru

47 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Obrázek 1.21: Anténa po 2. hodinách leptání v leptacím roztoku Po úspěšném vyleptání antény je ještě potřeba odstranit nažehlený toner, aby anténa fungovala správě. Až nyní je možno zjistit, zda nedošlo k podleptání nažehleného toneru. Toner se v tomto případě povedlo nepodleptat, a proto bylo k odstranění toneru použito klasické ředidlo a hadr. Pokud na některých místech zbyly stopy mědi, je dobré vzít hrubší smirkový papír, a tyto místa odstranit. Jakákoli přebytečná měď na cuprextitu, by mohla způsobit nežádoucí chování antény. Pokud je vše v pořádku, a anténa je očištěna stačí jen do antény vyvrtat díry v místech, kde bude připájen balun, a anténu je možno otestovat. 2.8 Laboratorní testování a výsledky výroby antény Po připájení přizpůsobovacího členu k anténě následovala fáze testování antény v laboratoři. K testování antény v laboratorních podmínkách byl použit vektorový analyzátor od firmy Rohde Schwarz typ: Rohde Schwarz ZVB 4 Vector Network Analyzer 300 khz. 4 GHz. Anténa byla připojena pomocí SMA konektoru, který byl pomocí redukce převeden na konektor typu N, jako propojovací koaxiální kabel byl použit kabel s označením RG-58 s impedancí 50 Ω. Test byl prováděn v uzavřené místnosti, která slouží jako laboratoř radiokomunikačních technologií, je tedy vybavena anténami, proto je dobré zohlednit možné vlivy prostředí na celkové chování antény

48 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Obrázek 1.22: Schéma zapojení antény v laboratoři Anténa byla připojena k vektorovému analyzátoru Rohde Schwarz Rohde Schwarz ZVB 4 Vector Network Analyzer 300 khz. 4 GHz (viz. Obr. 1.22). Nastavení přístroje bylo provedeno pomocí předvoleného programu, který přístroj nabízel, a který obsahuje nastavení k měření parametru S11. Nyní bylo potřeba zvolit rozsah frekvencí, ve kterém bude anténa měřena. Pro první měření parametru S11 byl zvolen frekvenční rozsah MHz. Anténu byla držena ve výšce 2m nad zemí, v její zadní části za reflektorem, anténa byla otočena do vertikální polohy směrem od okna. Anténa se v průběhu měření mírně pohybovala, protože nebylo možné ji udržet v úplně rovné poloze, nicméně na celkové měření to nemělo významný vliv, protože hodnoty zobrazené na vektorovém analyzátoru se příliš neměnily. Nejlepšího výsledku dosahovala anténa na frekvenci MHz, což je o 24,4 MHz výše, než byla frekvence, na kterou byla anténa modelována v programu CST-STUDIO. Na této frekvenci bylo dosaženo hodnoty db, na frekvenci MHz bylo také dosaženo pozitivního výsledku a to konkrétně db. Všechny tyto výsledky zobrazuje příloha C. Anténa byla proměřena také v širším frekvenčním spektru, a to v rozsahu frekvencí MHz, zjistilo se, že anténa rezonuje také na frekvenci 1.35 GHz kde hodnota parametru S1.1 byla db, a také rezonuje na frekvenci 1.85 GHz která spadá do pásma DCS nebo-li pásma GSM Toto pásmo se od klasického pásma GSM 900 liší dosahem a způsobem šíření signálu, dalším rozdílem je frekvence, pásmo GSM 1800 zabírá frekvence / MHz. Tyto výsledky zobrazuje příloha D. Tento výsledek nebyl při projektování antény v programu CST studio změřen, z důvodu nastavení malého zkoumaného rozsahu frekvencí. Hodnota parametru S1.1 na této frekvenci byla db, nicméně i toto lze považovat za pozitivní výsledek. Po proměření těchto hodnot byl Vektorový analyzátor Rohde Schwarz ZVB 4 Vector Network Analyzer 300 khz. 4 GHz, pomocí předvoleného nastavení přepnut tak, aby měřil parametr SWR. Rozsah měřených hodnot byl nastaven mezi frekvencemi MHz. Nejlepší hodnoty SWR bylo dosaženo na frekvenci MHz a to hodnoty V rozsahu měřených frekvencí byla nejhorší hodnota naměřena na frekvenci 850 MHz, a to V pásmu DOWNLINK pro které byla

49 Výroba Yagiho antény z plošného spoje anténa sestrojena a simulována dosahovala anténa v praktickém testu hodnot v mezích s tím, že s rostoucí frekvencí postupně rostla i hodnota SWR. Tyto výsledky měření zobrazuje příloha F. 2.9 Testování antény v reálném prostředí Po zjištění pozitivních výsledků laboratorních testů, byla anténa testována také v reálném prostředí. K testování byl použit spektrální analyzátor Rhode Schwarz typ: Rhode Schwarz FSH8 - Spectrum Analyzer - 9KHz.8Ghz. Jako referenční anténa byla použita kufrová anténa Rhode Schwarz, která má na měřeném frekvenčním rozsahu zisk 4dBi, tento fakt dokládá příloha M. Testování probíhalo na střeše hlavní budovy Nová FEI v areálu univerzity. Vyrobená anténa byla připojena k spektrálnímu analyzátoru Rhode Schwarz FSH8 - Spectrum Analyzer - 9KHz.8Ghz, pomocí stejného koaxiálního kabelu RG-58, jehož impedance činila 50 Ω. SMA konektor, který byl na konci koaxiálního kabelu nakrimpován, byl převeden na konektor typu N. Obrázek 1.23: Schéma měření YAGI-UDA antény mimo laboratoř Bylo provedeno vyhledání vhodných BTS, které vysílají v pásmu GSM 900. Bylo zjištěno, že v okolí se nachází pouze jedna stanice BTS, která splňuje výše zmíněné požadavky, zbývající stanice vysílaly s nestálou amplitudou. Konkrétní pozice BTS stanice, a pozice měření je zaznamenána v mapce v příloze P [16]. První část měření byla provedena pomocí zvolené referenční antény Rhode Schwarz. Anténou jsme mířili směrem k vybrané BTS, a pohybovali s ní ve směru i proti směru hodinových ručiček, abychom zjistili, jaké nejlepší hodnoty při měření můžeme dosáhnout. Získané hodnoty byly zaznamenány pomocí screenshotů z přístroje. Nejlepší dosažená hodnota u referenční antény, byla na frekvenci MHz, a činila -25,6 dbm. (Viz příloha:h) Po proměření referenční antény následovalo připojení a proměření antény zkoumané

50 Výroba Yagiho antény z plošného spoje Anténa byla připojena dle předchozích kroků. Stejně jako při laboratorním měření byla anténa držena v místě za reflektorem, a ve vertikální poloze. Při měření bylo mířeno a pohybováno s anténou stejně, jako s anténou referenční. Tímto postupem jsme mohli docílit kvalitních výsledků. Měřená anténa dosáhla nejlepší hodnoty na kmitočtu MHz, hodnota změřená na této frekvenci byla dbm. (Viz příloha G) Z těchto naměřených hodnot vyplývá, že měřená anténa má o 3,2 dbm lepší zisk, než anténa referenční. Vzhledem k tomu, že referenční anténa má garantovaný zisk na tomto kmitočtu okolo 4dBi má pak měřená anténa na tomto kmitočtu zisk. 7dBi

51 Závěr Závěr Cílem této bakalářské práce bylo nasimulovat a sestrojit směrovou anténu, která by pracovala v UHF pásmu, a zároveň byla přenositelná a ideálně vyleptaná na plošném spoji. Teoreticky navrženou anténu bylo potřeba také otestovat v praxi, a ověřit správnosti výpočtů a výsledného řešení. Tato bakalářská práce je rozdělena do dvou kapitol. První kapitola se zabývá obecnými parametry antén, jejich výpočty, vlivy na celkovou charakteristiku antény, jednotlivými frekvenčními pásmy, a v neposlední řadě také Yagi-Uda anténou, která byla vybrána jako nejvhodnější anténa pro tvorbu této bakalářské práce. Druhá část této bakalářské práce se pak zabývá praktickými výpočty délek jednotlivých prvků Yagi-Uda antény, výrobou prvních prototypů, a jejich vlastnostmi a poznatky které tato výroba přinesla. Je zde také podrobně popsána práce se simulačním softwarem CST-Studio 2016, který byl použit po několika neúspěšných pokusech sestrojit anténu bez simulačního softwaru. Je zde popsáno jak vstupní nastavení softwaru tak postup při přenášení antény z papírového návrhu do softwarové podoby, také je zde popsána práce s dvěma hlavními funkcemi programu CST-Studio a to funkcí optimizer a funkcí parameter sweep. Hmatatelným výstupem z této bakalářské práce je pak soubor obsahující simulovanou anténu, a její finální výsledek po optimalizaci v programu CST-Studio 2016, a také dva kusy antény, které byly vyleptány do cuprextitu, a které byly otestovány v praxi, aby byla potvrzena správnost simulačního řešení. Oproti původním prototypům dosáhla výsledná anténa výraznějších změn. Původní prototypy byly koncipovány tak, aby jejich celková délka nepřesáhla délku papíru formátu A4, výsledná anténa má celkovou délku 308,11mm. I přesto si ale zachovala svou skladnost, jelikož oproti původním 160 mm šířky, se její maximální šířka po simulaci snížila na hodnotu mm. Dalším důležitým krokem, který bylo nutno v průběhu práce provést bylo nalezení ekvivalentního poloměru pro přepočet tloušťky hliníkových trubiček, ze kterých se skládal model antény, ze kterého jsem před simulací vycházel, na plochu měděné pásky. Tento údaj byl nalezen v odborné literatuře. [11] Oproti prvotním prototypům doznal také výraznějších změn přizpůsobovací člen antény. Jelikož nebylo možno u původního prototypu určit, jaká impedance se nachází mezi svorkami jednoduchého dipólu, byl pro rané testování volen koaxiální balun 4:1. U finálního protoypu byl ale použit koaxiální balun 1:1, a to z důvodu nastavení programu CST-Studio, kdy byla pro optimální simulaci antény zvolena mezi svorkami jednoduchého dipólu impedance 50 Ω. Po provedení simulací bylo potřeba také anténu vyrobit. Nabízelo se několik možností, ale byly využity dvě, které se co do přesnosti zpracování výrazně liší. Byla zvolena možnost vyleptání antény foto cestou u profesionální firmy, a jako druhá možnost byla zvolena ruční výroba za pomocí přežehlení výtisku z laserové tiskárny a odleptání cuprextitu v domácích podmínkách pomoci zakoupené chemie. Model antény, který byl vyroben doma byl poté testován praktickou zkouškou v laboratoři, a také v reálném prostředí. V obou měřeních dosáhl velmi dobrých výsledků. O něco lepších výsledků

52 Závěr pak dosáhl profesionálně vyrobený model antény, nicméně tyto výsledky nebyly příliš dobře zdokumentovány, a proto v práci nejsou uvedeny. Lze však s jistotou říci, že profesionálně vyrobený model antény se s tejným přizpůsobovacím členem dosáhne nejhůře výsledků srovnatelných s modelem vyrobeným doma. Při laboratorním měření dosahovala anténa v GSM pásmu pozitivních výsledků. Při měření na frekvenčním rozpětí MHz, dosahovala anténa nejlepšího výsledku na frekvenci 966,9 MHz což je o 24,4 MHz výše, než byl střední kmitočet antény, na který byla anténa simulována. Anténa dosáhla na kmitočtu 966,9 MHz výsledku db. Nejlepšího SWR dosáhla anténa na frekvenci 975,9 MHz, a to hodnoty Anténa byla také testována na frekvenčním rozsahu MHz. Při tomto testu bylo zjištěno, že anténa dosahuje také dobrých výsledků v pásmu GSM 1800, výsledky již sice nebyly tak dobré jako u standardního GSM 900 pásma, ale daly se také považovat za úspěch, a při dalším přizpůsobování a lazení antény, by se určitě tento výsledek dal ještě zlepšit. Takto vyrobená anténa byla také testována v reálném prostředí mimo laboratoř, a byla porovnávána s anténou od firmy Rohde Schwarz, která byla použita jako referenční, jelikož jsme dopředu znali její zisk, který v GSM pásmu činil 4 dbi. Testovaná Yagi-Uda anténa dosahovala v tomto praktickém testu lepších hodnot než anténa referenční, a to o 3dBi. Lze tedy říci, že sestrojená anténa má zisk 7dBi. Takto sestrojená anténa má však ještě řadu rezerv a nedodělků, které by bylo potřeba před jejím masovým nasazením do provozu odstranit. Úzké místo je vidět zejména u přizpůsobovacího členu, který je kvůli své konstrukci velmi náchylný na špatné zacházení, což určitým způsobem degraduje možnost použít anténu v outdoorovém prostředí, pro které byla původně konstruována. Výhodnou této antény je naopak její skladnost. Takto velkou anténu je možno přenést pohodlně v batohu, a po použití správného konektoru, je možno ji použít spolu s mobilním telefonem ke zlepšení zisku signálu

53 Použitá literatura [1] MATUSZCZYK, Jacek, Antény prakticky. Marek Michálek. Praha 10, nakaladatelství BEN - technická literatura, 2002 ISBN [2] MILOŠ MAZÁNEK, Pavel Pechač. Základy antén, šíření vln a mikrovlnné techniky. Vyd. 1. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, ISBN [3] YAGIHO SMĚROVÉ ANTÉNY [ ]. MACOUN, Jindřich. Ok2kkw [online]. 2007, 2007 [cit ]. Dostupné z: [4] [online]. 2006, 2006 [cit ]. Dostupné z: [5] PROCHÁZKA, M. Antény - encyklopedická příručka, BEN - technická literatura, 2005, ISBN [6] BC. Jakub Kulhánek, Vícepásmová anténa pro GSM 900/1800, Brno 2012, Bakalářská práce, Vysoké učení technické v brně, fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, ústav radioelektroniky [7] Elector electronics, Brentford:Elektor international media, ISSN [8] PŮR, Vratislav. Impedanční přizpůsobení zařízení a jeho vliv na přenos informace. Zlín, Bakalářská práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Fakulta aplikované informatiky. Vedoucí práce Lubomír MACKŮ. [9] [online] , [cit ]. Dostupné z: [10] [online] , [cit ]. Dostupné z: [11] BALANIS, Constantine A. Antenna theory: analysis and design. 3rd ed. Hoboken, NJ: John Wiley, c2005. ISBN X. [12] BEDNÁ, Jiří. GREGORA, Pavel. Příjem DVB-T. 1. vydání. Praha: BEN technická literatura, str. ISBN [13] DVORSKÝ, Marek. Základy bezdrátových komunikací pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO [CD-ROM]. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, ISBN [14] [online]. [cit ]. Dostupné z: [15] [online]. 2013, 2013 [cit ]. Dostupné z: [16] , [cit ]. Dostupné z:

54 Seznam příloh Příloha A: Příloha B: Příloha C: Příloha D: Příloha E: Příloha F: Příloha G: Příloha H: Parametr S11 CST Studio... I Parametr IMPEDANCE Z 1,1 CST Studio... ii Parametr S11 Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz)... iii Parametr S11 Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz )... iv Parametr SWR Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz )... v Parametr SWR Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz )... vi Výsledek měření mimo laboratoř YAGI-UDA anténa 951,9 MHz... vii Výsledek měření mimo laboratoř Rohde Schwartz anténa 951,9 MHz... viii Příloha I: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 900 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách... ix Příloha J: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 935 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách... x Příloha K: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 900 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách [7]... xi Příloha L: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách... xii Příloha M: Příloha N: Graf ziskovost referenční Rohde Schwarz antény... xiii Výstupní anténa z programu eagle... xiv Příloha O: Délky jednotlivých prvků antény v závislosti na způsobu jejich připojení (OSA X pozice prvku, OSA Y Délka prvků udaná ve vlnové délce) [7]... xv Příloha P: Měřená pozice spolu s určením místa vysílací BTS stanice[16]... xvi

55 Parametr S11 CST Studio Příloha A: Parametr S11 CST Studio I

56 Příloha B: Parametr IMPEDANCE Z 1,1 CST Studio II

57 Příloha C: Parametr S11 Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz) III

58 Příloha D: Parametr S11 Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz ) IV

59 Příloha E: Parametr SWR Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz ) V

60 Příloha F: Parametr SWR Vektorový analyzátor Rohde Schwartz ( MHz ) VI

61 Příloha G: Výsledek měření mimo laboratoř YAGI-UDA anténa 951,9 MHz VII

62 Příloha H: Výsledek měření mimo laboratoř Rohde Schwartz anténa 951,9 MHz VIII

63 Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Příloha I: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 900 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách Reflektor Reflektor Reflektor -76,32 Dipól Dipól Dipól 0 Direktor Direktor Direktor1 23,85 Direktor Direktor Direktor2 57,24 Direktor Direktor Direktor3 68,37 Direktor Direktor Direktor 4 79,5 Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Reflektor Dipól Direktor 1 Direktor 2 Direktor 3 Direktor 4 151,3 140,2 131,0 128,7 126,5 124,6 IX

64 Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 935 MHz (mm) Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 935 MHz ) Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 935 MHz ) Příloha J: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 935 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách Reflektor Reflektor Reflektor -75,0 Dipól Dipól Dipól 0,0 Direktor Direktor Direktor1 25,0 Direktor Direktor Direktor2 52,0 Direktor Direktor Direktor3 71,0 Direktor Direktor Direktor 4 88,0 Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 935 MHz (mm) Reflektor Dipól Direktor 1 Direktor 2 Direktor 3 Direktor 4 155,0 148,0 135,0 134,0 133,0 132,0 X

65 Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Příloha K: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci 900 MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách [7] Reflektor Reflektor Reflektor -80,0 Dipól Dipól Dipól 0,0 Direktor Direktor Direktor1 25,0 Direktor Direktor Direktor2 60,0 Direktor Direktor Direktor3 72,0 Direktor Direktor Direktor 4 83,0 Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Reflektor Dipól Direktor 1 Direktor 2 Direktor 3 Direktor 4 164,0 152,0 140,0 138,0 136,0 134,0 XI

66 Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Tabulka vzdáleností jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz ) Příloha L: Tabulka vzdáleností a délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény na frekvenci MHz, hodnoty jsou uvedeny v mm a vlnových délkách Reflektor Reflektor Reflektor -85,036 Dipól Dipól Dipól 0 Direktor Direktor Direktor1 25,825 Direktor Direktor Direktor2 83,501 Direktor Direktor Direktor3 145,74 Direktor Direktor Direktor 4 216,36 Tabulka délek jednotlivých prvků YAGI-UDA antény 900 MHz (mm) Reflektor Dipól Direktor 1 Direktor 2 Direktor 3 Direktor 4 138, , , , , ,556 XII

67 Příloha M: Graf ziskovost referenční Rohde Schwarz antény XIII

68 Příloha N: Výstupní anténa z programu eagle XIV

69 Příloha O: Délky jednotlivých prvků antény v závislosti na způsobu jejich připojení (OSA X pozice prvku, OSA Y Délka prvků udaná ve vlnové délce) [7] XV

70 Příloha P: Měřená pozice spolu s určením místa vysílací BTS stanice[16] XVI