Anténní řada 2x2 pro přenos digitálního TV signálu v pásmu 4,4 až 5 GHz

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: Anténní řada 2x2 pro přenos digitálního TV signálu v pásmu 4,4 až 5 GHz 2x2 antenna array for receiving of the digital Tv signal working in the band from GHz Vojtěch Špatenka, David Wolanský xspate01@stud.feec.vutbr.cz, xwolan00@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: Tento článek se zabývá návrhem širokopásmové planární anténní řady napájené L sondou a složené ze zářičů s II štěrbinami pro přenos digitálního TV signálu v pásmu C. Anténní řada pracuje ve frekvenčním pásmu 4,4 až 5 GHz. V první části tohoto článku je uveden návrh samotného anténního zářiče s velmi dobrým impedančním přizpůsobením v požadovaném frekvenčním pásmu. Dále je pro zvětšení zisku samotný zářič implementován do anténní řady 2x2, k této anténní řadě je navržena vhodná napájecí síť. Nasimulovaná anténní řada byla vyrobena a změřena. V závěru jsou porovnány výsledky měření a simulace. Abstract: This article describes the design of the broadband planar antenna arrays fed by L probe and consisting of radiators with II slots for transmission of digital TV signals in the range of C-band. Antenna operates in the frequency band 4.4 to 5 GHz. The first part of the artical deals with the design of the single antenna element with very good impedance matching in the desired frequency band. In order to increase the antenna gain, the single element is aranged into the 2x2 antenna array. Apropriate feeding network is also designed. Simulated antenna array has been manufactured and measured. In conclusion, the measured and simulated results are compared.

2 Anténní řada 2x2 pro přenos digitálního TV signálu v pásmu 4,4 až 5 GHz Vojtěch Špatenka, David Wolanský Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně xspate01@ stud.feec.vutbr.cz, xwolan00@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek se zabývá návrhem širokopásmové planární anténní řady napájené L sondou a složené ze zářičů s II štěrbinami pro přenos digitálního TV signálu v pásmu C. Anténní řada pracuje ve frekvenčním pásmu 4,4 až 5 GHz. V první části tohoto článku je uveden návrh samotného anténního zářiče s velmi dobrým impedančním přizpůsobením v požadovaném frekvenčním pásmu. Dále je pro zvětšení zisku samotný zářič implementován do anténní řady 2x2, k této anténní řadě je navržena vhodná napájecí síť. Nasimulovaná anténní řada byla vyrobena a změřena. V závěru jsou porovnány výsledky měření a simulace. 1 Úvod Za posledních deset let odvětví v digitální TV velmi pokročilo. K přenosu digitální TV se využívá pásmo C, které je velice oblíbené v telekomunikačních systémech. Nyní se světoví výrobci TV přiklání k bezdrátovému přenosu digitálního TV signálu uvnitř budov, pro přenos využívají právě pásmo C s kmitočtovým rozsahem 4,4 5 GHz. Jelikož se jedná o přenos uvnitř budovy, je potřeba anténa s nízkým profilem. Jedna z technologií, která je pro tento přenos používána, se označuje WHDI. Vzhledem k tomu, že planární antény mají malou frekvenční šířku pásma, a to od 1 % do 5%, využívá se mnoho metod, kterými lze tuto šířku pásma zvětšit. Jednou z možných metod je zavedení štěrbin do zářiče, touto metodou lze zvětšit frekvenční šířku pásma až o 50%. Anténa byla namodelována v programu CST MWS a pro její optimalizaci byly použity následující metody: Genetic Algorithm (globální metoda, která byla použita k hrubému naladění antény do pásma 4,4 až 5 GHz.), Nelder Mead Simplex (lokální metoda pro jemné doladění, touto optimalizační metodou bylo dosaženo S 11 = -29 db v pásma 4,4 až 5 GHz viz. Obr.3.). Veškeré parametry antény, které byly použity v optimalizaci, jsou vyznačeny na Obr. 1. Na Obr. 2 je znázorněn kolmý řez anténou včetně výšek H 3, H 4. [2] 2.1 Napájení L sondou Anténní zářič je napájen L sondou, jedná se o modifikaci napájení antény pomocí koaxiální sondy. Vodič zde není přímo přiveden přes substrát do zářiče, ale je zahnut pod substrátem, jak můžeme pozorovat na Obr.2. Takto zahnutá koaxiální sonda ve tvaru písmene L způsobí vznik kapacitní vazby k zářiči, prodlužováním této sondy vzrůstá její kapacita, odpor a indukčnost. Délka celé L sondy musí odpovídat λ/4. Nespornou výhodou tohoto napájení je, že se zvětší šířka pásma antény bez nutnosti zasahovat do tvaru zářiče. Šířku pásma lze upravovat změnou délky F a změnou výšky sondy od zářiče H 4. Nevýhodou této metody je velký nárůst výšky antény mezi zářičem a reflektorem. [1] 2 Štěrbinová II anténa Tvar anténního zářiče planární II antény je obdélník, do kterého jsou záměrně vyříznuty dvě rovnoběžné štěrbiny viz. Obr.1. Tyto štěrbiny vyvolají vícenásobnou rezonanci, kterou se zvětší frekvenční šířka pásma. S touto anténou lze dosáhnout velké šířky pásma, její výhoda spočívá v jednoduchém ladění, a to změnou výšky a vzdáleností štěrbin od středu anténního zářiče. Zářič je umístěn na dielektrickém substrátu CuClad 217 o výšce 1,57 mm a relativní permitivitě 2,17. Anténa je napájena přes L sondu pomocí mikropáskového vedení, které je připojeno k 50 Ohm SMA konektoru. Mikropáskové vedení je umístěno na spodní straně dielektrického substrátu Taconic TLX 8 o výšce 0.51 mm a relativní permitivitě 2,55. Pokovení horní strany zde slouží jako reflektor. Mezi anténou a reflektorem je vzduchová mezera, v níž je umístěna L sonda. Obr. 1: Nákres II antény pohled shora VOL.14, NO.3, JUN 2012

3 Obr. 2: Nákres II antény pohled z boku. vznikat boční laloky kvůli vznikající vazbě mezi zářiči. [2], [3] Optimalizace byla zaměřena na dosažení alespoň S 11 = - 15 db. Optimalizují se rozměry zářičů i napájecí sítě. Po namodelování anténní řady je nutné anténní řadu nejprve naladit na požadované pásmo a poté dolaďovat přizpůsobení vhodným algoritmem. Dále byl během optimalizace sledován vliv jednotlivých parametrů na vyzařovací charakteristiky. Z uvedených optimalizovaných parametrů má na vyzařovací charakteristiku největší vliv výška H 4 a vzdálenost D. Zmenšováním výšky H 4 dochází k potlačení hlavního laloku a zmenšováním vzdálenosti D dochází k potlačování bočních laloků. Hodnoty těchto parametru byly voleny, jako kompromis mezi impedančním přizpůsobením a směrovými charakteristikami. Na Obr.5 jsou okótovány parametry napájecí sítě tvořené Wilkinsonovými děliči a v Tab.2 jsou uvedeny zoptimalizované rozměry antény a děliče. Obr. 3: Impedanční přizpůsobení II antény. f[ghz] Zisk [db] 4,4 6,44 4,75 6,14 5 6,32 Tab. 1: Zisk II antény. 3 Anténní řada s štěrbinovou II anténou Abychom zvětšili zisk samotné antény, byla štěrbinová II anténa implementována do anténní řady 2x2. Rozložení zářičů a napájecí síť anténní řady 2x2 je znázorněn na Obr.4. Napájecí síť je tvořena kompenzovanými Wilkinsonovými děliči s rovnoměrným dělením v poměru 1:1 připojenými k mikropáskovému vedení. Napájecí síť je umístěna na spodní straně substrátu Taconic TLX-8. Tento substrát byl použit z důvodu jeho nízké výšky, 50 Ω vedení odpovídá šířka mikropásku 1,4 mm. Kdyby byl použit jiný substrát, např. CuClad 217, 50 Ω vedení by dosahovalo šířky 4,57 mm. S takto širokým mikropáskovým vedením by napájecí síť složenou ze tří kompenzovaných Wilkinsonových děličů nebylo možné realizovat děliče by se pod anténní řadu neposkládaly. Anténní řada je napájena pomocí 50 Ohm SMA konektoru, který je umístěn na boku substrátu s napájecí sítí. Vzdálenost mezi zářiči by měla být minimálně D = λ/2 a maximálně D = λ, ideální je volit vzdálenost D = 0,8 λ. Pokud se hodnota D zvolí příliš velká nebo malá, budou ve směrové charakteristice Parametr Hodnota [mm] Antény A 22,99 B 19,48 C 19,50 E 0,48 F 4,51 G 2,24 H 14,75 H3 10,73 H4 8,07 R 0,8 Děliče D 42 m 0,44 p 11,2 W01 1,75 W02 = W03 1,01 W04 = W05 1,35 W50 1,35 x 4,63 Tab. 2 Přehled zoptimalizovaných parametrů. Obr. 4 Rozložení zářičů anténní řady 2x VOL.14, NO.3, JUN 2012

4 Na Obr.8 jsou zobrazeny směrové charakteristiky anténní řady v rovině E a v rovině H pro střední kmitočet fc = 4,7 GHz. Směrová charakteristika v rovině H se hodně liší od simulace. V rovině E nedošlo k výrazným změnám. V obou případech měřením bylo dosaženo velkého potlačení bočních laloků vůči hlavnímu svazku. Tato odchylka v rovině H muže být způsobena nedokonalým měřením. Foto realizované anténní řady je zobrazena na Obr.9. Foto vlevo zobrazuje napájecí síť, foto vpravo zobrazuje desku s rozmístěnými zářiči. Jednotlivé desky jsou k sobě sešroubovány polyuretanovými distančními sloupky. Aby se zamezilo vyzařování napájecí sítě anténní řady, je pod deskou s napájecí sítí umístěn plech o tloušťce 0,4 mm ve vzdálenosti 10 mm. Obr. 5 Napájecí síť. 4 Výsledky měření Po zoptimalizování anténní řady byla anténa vyrobena a experimentálně změřena. Porovnání impedančního přizpůsobení je znázorněno na Obr.6. Simulací byla anténní řada přizpůsobena na S 11 = -15 db v požadovaném pásmu. Bylo změřeno impedanční přizpůsobení S 11 = -15 db v požadovaném pásmu, což odpovídá simulaci. Pásmo se posunulo lehce doprava, což je pravděpodobně způsobeno nepřesností při výrobě. Rezonanční kmitočet a přizpůsobení antény je velice citlivé na přesnost výroby. Experimentálně byla měněna výška H 3, touto vzdáleností se přibližuje deska se zářiči k napájecím L sondám. Nastavením výšky H 3 = 8,32 mm bylo dosaženo mnohem lepšího přizpůsobení, a to S 11 = -20 db pro požadované pásmo, jak je znázorněno na Obr.7. f[ghz] Zisk anténní řady [db] Simulace Zisk anténní řady [db] Měření 4 13,4 13, ,4 13,3 5 13,5 13,3 Tab. 3 Porovnání zisku anténní řady simulací a měřením. Obr. 6: Impedanční přizpůsobení měřené a simulované anténní řady 2x2. Obr. 7: Porovnání impedančního přizpůsobení měřené anténní řady 2x2 pro parametr H VOL.14, NO.3, JUN 2012

5 dělič výkonu. Na přizpůsobení anténní řady má velký vliv dodržení rozměrů napájecích L sond při výrobě. Anténní řadou bylo dosaženo velice dobrého impedančního přizpůsobení S 11 = -20 db pro požadované frekvenční pásmo. U směrových charakteristik došlo k výraznému potlačení bočních laloků oproti simulaci především v rovině H. Zisk anténní řady na vyšších kmitočtech mírně klesl na hodnotu 13,3 db. Pro zvětšení zisku lze anténu implementovat do větších anténních řad. Literatura (a) [1] Guo, Y. X., Mak, C. L., Luk, K. M., Lee, K. F., Analysis and Design of L-Probe Proximity Fed- Patch Antennas, February 2001, vol. 49, no. 2 p [2] CHEN, Z., CHIA, M. Broadband Planar Antennas: Design and Applications: WILEY, 2006, 239s. ISBN: [3] Levine, G. Malamud, S. Shtrikman, and D.Treves, A Study of Microstrip Array Antenna with the Feed Network, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 37, NO. 4, April [4] LUKEŠ, Zbyněk. Mikrovlnná integrovanná technika: MMIT [vid ]. Poděkování (b) Obr. 8 Směrové charakteristiky anténní řady pro 4,7 GHz: (a) H - rovina, (b) E rovina Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/ WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Obr. 9 Realizovaná anténní řada. 5 Závěr V tomto článku je pojednáno o návrhu anténní řady 2x2 pro pásmo 4,4 5 GHz. Na začátku článku je zmíněn návrh samotné II antény napájené L sondou. Samotná II anténa má přizpůsobení S 11 = -29 db ve frekvenčním pásmu 4,4 5 GHz. Pro zvětšení zisku byla anténa implementována do řady 2x2. Pro napájení zářičů anténní řady byl zvolen Wilkinsonův 42 4 VOL.14, NO.3, JUN 2012