Návrh a Konstrukce Antén

Transkript

1 Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Širokopásmové antény: Spirálové antény a kuželové dipóly Čočkové antény Milan Polívka, Petr Piksa ČVUT v Praze, FEL B2: 639, l.2270 polivka@fel.cvut.cz zima 2015/16 1

2 Osnova Širokopásmové antény o Spirálové antény kmitočtově nezávislé antény o Kuželové dipóly (biconical dipoles) Čočkové antény o Dielektrické čočky o Umělé dielektrické/metalické čočky 2

3 Návrh a Konstrukce Antén A0M17NKA Spirálové antény Petr Piksa, Milan Polívka ČVUT v Praze, FEL B2: 639, l.2270 polivka@fel.cvut.cz zima 2013/14 1

4 Osnova Úvod Matematický popis planárních kmitočtově nezávislých (tj. širokopásmových) antén Typy spirál Směrové a impedanční vlastnosti Přizpůsobení, symetrizace Parametrické studie impedance, zisku, osového poměru na geometrii EM modely Měření x simulace 2

5 Úvod V letech 1957 publikoval Rumsey článek pod názvem Frequency Independent Antennas, kde odvodil profil frekvenčně nezávislých antén jak plošných, tak i prostorově uspořádaných. Tento profil je popsán pouze úhly, a tak je frekvenčně nezávislý. Impedance samokomplementárních struktur byla odvozena již v roce 1948 autorem Mushiake [1] Rumsey, V.H.: Frequency independent antennas IRE National Convention Record, March 1957, [2] Dyson, J.D.: The equiangular spiral antenna. IRE Trans. AP, April 1959, [3] Dyson, J.D.: The characteristics and design of the conical log-spiral antenna. IEEE Trans. AP, July 1965, [4] Mushiake, Y.: Self-complementary antennas. IEEE Trans. AP, December 1992, 3

6 Geometrie spirálové antény Hledáme kmitočtově nezávislou anténu - strukturu, u níž se změnou vlnové délky (resp. frekvence) mění rozměry pouze v závislosti na změnách úhlů, tj. změna délkových rozměrů se projeví pouze otočením struktury o určitý úhel. Aktivní oblast antény související s poměrem rozměru ku vlnové délce se podél struktury pohybuje zvětšováním středového úhlu v oblasti. Požadavek, aby struktura změnila svoji délku otočením o úhel vyjádříme matematicky (1) - průvodič křivky změna délkového měřítka závisející na, K ani nejsou funkcí či r úhel otočení příslušející délkové změně K Derivujme rovnici (1) jednou podle a podruhé podle. Dostaneme 3

7 Geometrie spirálové antény Z rovnosti pravých stran => rovnost levých stran, kde a je konstanta nezávislá na (2) Rovnice (2) je diferenciální rovnice rovinné struktury jejímž řešením je funkce, kde a je počáteční úhel. Pak resp. ln, což je rovnice spirály Lze též zapsat tg ln, kde je úhel tečný ke křivce u odpovídajícího průvodiče. 4

8 Typy spirálových antén Logaritmická relative radiated power density [db] o Hrana spirály popsaná v polárních souřadnicích r(φ)=r 0 e a (φ+φ 0 ), kde φ 0 je úhel mezi jednotlivými hranami spirály o Úhel strmosti α = arctg(1/a) Mode 1 Active Region Mode GHz 5 GHz 10 GHz 15 GHz Mode ρ/λ [-] Hustota vyzařovaného výkonu podél ramene spirály v závislosti na poměru obvodu ku vlnové délce 4

9 Typy spirálových antén Archimedova o Hrana spirály popsaná v polárních souřadnicích r(φ)=r 0 + a (φ+φ 0 ), kde φ 0 je úhel mezi jednotlivými hranami spirály relative radiated power density [db] GHz 5 GHz 10 GHz 15 GHz ρ/λ [-] Hustota vyzařovaného výkonu podél ramene spirály v závislosti na poměru obvodu ku vlnové délce 5

10 Impedance spirálové antény Kmitočtově nezávislé musí být i impedanční charakteristiky. Proto se spirálové antény realizují ve tvaru samokomplementárních struktur, u nichž lze impedanci odvodit následujícím způsobem. Mějme nekonečné vodivé stínítko se štěrbinou, na níž dopadá rovinná EM vlna o intenzitě. Za stínítkem vytváří pole s intenzitou E s. Mějme dále dipól shodného tvaru, na nějž dopadá stejná vlna. Za dipólem se vytvoří pole s intenzitou E d. Lze ukázat, že Činitel přenosu pole za překážku (stínítko) τ s Es = ; τ d = E Z náhradního schématu štěrbiny je přenos E E 0 0 d (3) U2 τ = = U 1 Z 1 2 2Z2Z0 + + Z1 + Z0 2Z2 Z0 2 5

11 Impedance Pro ideálně tenké stínítko je 0 a τ = 2Z 2Z 2 + Z 2 0 Jednou je, podruhé. Dosazením do (3) 2Z 2Z s + s Z 2Zd + 2Z + Z 0 d 0 2 Z0 2 = 1 nebo ZsZd = = ( 60π ) (4) 4 Platí pro všechny komplementární útvary. Př. Pro tenký dipól je 73 Ω a z (4) plyne impedance štěrbiny Z s ( 60π ) = = 487Ω Z d 2 Pro samokomplementární útvary jez d = Z s = 60π 190$a impedance je kmitočtově nezávislá. 6

12 Charakteristické vlastnosti Impedance o Spirálové antény v samokomplementární struktuře mají frekvenčně nezávislou impedanci rovnou hodnotě ~190 Ω (60π), na dielektrickém substrátu tato impedance klesá, viz obrázek o Strukturu je nutno impedančně přizpůsobit (vůči 50 Ω se odrazí 34% výkonu, ztráta 1.8 db) Vyzařovací vlastnosti o Čistá kruhová polarizace, v jednom směru kolmém ke struktuře levotočivá, v opačném pravotočivá o Frekvenčně stálý fázový střed u plošných spirálových antén radiated power density [dbw/m 2 ] α=75.0deg α=77.5deg α=80.0deg α=82.5deg α=85.0deg α=87.5deg ρ/λ [-] 6

13 Charakteristické vlastnosti Vyzařovací vlastnosti o Téměř frekvenčně stálý tvar vyzařovacího diagramu o Na vyšších frekvencích vznikají vyšší módy na struktuře, které zvlní vyzařovací diagram o Zisk v rozsahu 4-6 dbi. V horní části frekvenčního pásma v důsledku vyšších módů mohou nastat propady ve vyzařovacím diagramu 3 GHz 10 GHz 40 GHz 7

14 Anténa včetně impedančního přizpůsobení Výsledná struktura celé antény včetně impedančního transformátoru, přechodů a symetrizace až na koaxiální vedení [5] Piksa, P., Mazánek, M.: A Self-Complementary 1.2 to 40 GHz Spiral Antenna with Impedance Matching. Radioengineering, Sept. 2006, 8

15 Impedanční přizpůsobení Širokopásmový impedanční a symetrizační přechod z 50 Ω na 145 Ω ve frekvenčním rozsahu 1.2 až 40 GHz Možné varianty impedančních přechodů na příkladu z 8-mi úseků vedení 9

16 Impedanční přizpůsobení Impedanční transformace je náročná a vyžaduje dlouhý úsek přechodu. V některých případech, např. v EMC, postačí přímé napojení koaxiálního vedení Měřená impedance spirálové antény za pomocí de-embeddingu [6] Kořínek, T., Piksa, P., Mazánek, M.: Wideband Measurement in a Small Shielded Box Using Equiangular Spiral Antennas. Radioengineering, Dec. 2006, 10

17 Modelování IE3D, FEKO - modelování ve frekvenční oblasti CST MicroWave Studio modelování v časové, ve frekvenční oblasti Vynucená mřížka v IE3D CST model 11

18 Modelování Parametrická analýza podle φ 0, a (na substrátu ε r =3.3, h=0.23mm) o Na impedanci antény o Na chybové funkci frekvenční závislosti (suma kvadrátů činitele odrazu) 12

19 Modelování Parametrická analýza podle φ 0, a (na substrátu ε r =3.3, h=0.23mm) o Na zisku antény o Na osovém poměru polarizace o Zisk antény ani osový poměr polarizace není výrazně závislý na φ 0 13

20 Modelování Proudové rozložení na struktuře 14

21 Modelování Kónická struktura - modelování ve FEKO sin ϑ 0 tan α b( ϕ+ ϕ0 ) r ( ϕ) = r0 e, kde b =, ϑ 0 polovina úhlu kónusu α úhel strmosti spirály 15

22 Modelování Kónická struktura - modelování ve FEKO 2.5 GHz 5 GHz 10 GHz 16

23 Modelování Modelování vyzařování podél ramene spirály modelování EH pole ve FEKO a výpočet Poyntingova vektoru v Matlabu Hustota vyzařovaného výkonu podél ramene spirály 17

24 Měření Impedance o Sitemaster nebo obvodový analyzátor o Získané komplexní hodnoty impedance jsou pouze v rovině konektoru antény (v místě kalibrace) o Přepočet impedance do středu antény, de-embedding Vyzařovacích vlastností o Širokopásmová měření jsou vždy časově náročná o Klasická kombinace generátoru a detektoru (spektrálního analyzátoru) o Měření na obvodovém analyzátoru problém s dynamikou měření kvůli nízkému zisku spirálových antén, nízkému výstupnímu výkonu a širokému filtru obvodového analyzátoru 18

25 Srovnání měření a modelování Impedanční přizpůsobení (útlum odrazem) Zisk 19

26 Použití spirálových antén EMC, širokopásmová měření v malých boxech, anténa málo ovlivnitelná Širokopásmový ozařovač reflektorových antén U kónické spirálové antény je možné formovat svazek v širokém rozsahu šířky svazku od 70 do

27 Širokopásmové dipóly - základy Širokopásmová x úzkopásmová anténa Kuželová dvouvodičová V-anténa s postupnou vlnou, malé geometrie:, 2, konst. charakt. impedance ~ / ~: Tenký (krátký) dipól stojatá vlna, velké Impedancese rychleměnís ~.1% 3

28 Dvoukuželová dvouvodičová V-anténa 4

29 Nekonečný kuželový dipól (biconical dipole) Geometrie, princip činnosti vlnovod pro sférickou vlnu analogie k rovinné vlně na vedení obě geometrie mají konstantní charakteristickou impedanci 5

30 Nekonečný kuželový dipól Vyzářené pole mezi kužely za předpokladu TEM vlny odvozením z 1. a 2. Maxwelovy rovnice ve sférickém souřadném systému! " #$%& ' (! ) ) * sin., / 012' Napětí a proud na/mezi kužely ve vzdálenosti r 809 : : ) * / 012' = : 9 : >! 809 : 9 : ;<! (! ;<!.!..2) */ 012'?@ ABCD 9 E 809 : 4 (!. 9 : :8 F 4 G 7 * 4 sin.h * / 012' 4 H2I * / 012' * :8 * :8 C. Balanis: Antenna Theory, 3. vydání, str

31 Nekonečný kuželový dipól Vstupní impedance charakteristická impedance 3 F ) I?@ ABCD 4 vstupní impedance není funkcí vzdálenosti r KL 120?@ ABCD 4 Pro malé úhly KL 120?@ 4 7

32 Konečný kuželový dipól Vstupní impedance KL OP Q CD R Q OP CD R J. D. Kraus: Antennas, 3. vydání 8

33 Diskónový dipól (Discone dipole) Diskuželový dipól 9

34 Motýlkový dipól 10

35 Čočkové antény Dielektrické o Ze Snellova zákona lomu paprsku na rozhraní dielektrik byly odvozeny základní geometrie dielektrických čoček hyperbolická (lom paprsku na vstupní ploše) eliptická (lom paprsku na výstupní ploše) Metalické o Z prstenců tvořících řadu vlnovodů, kde hrana vlnovodů opisuje geometrii dielektrických čoček a poměr konstanty šíření ve vlnovodu ku konstantě šíření ve volném prostoru je analogický k poměru indexů lomu dielektrik o Z vhodně nafázovaných vedení a zářičů o Ze dvou vodivých desek tvořících vlnovod a vhodně natvarovaného profilu vstupní a výstupní hrany pro rovnoměrné nafázování vlny na výstupních branách - Rotmanova čočka [7] Milligan, T. A., Modern Antenna Design, 2 nd ed. Wiley, 2005, [8] Johnson, R. C., Antenna Engineering Handbook, 3 rd ed. McGraw-Hill, 1993, 21

36 Typy dielektrických čoček Hyperbolická čočka o Klasický profil čočky o Nerovnoměrné ozáření o Frekvenčně nezávislá (permitivita dielektrika se mění velmi málo s frekvencí, vyšší frekvence jsou omezeny kvalitou výroby a ztrátami v dielektriku) 22

37 Typy dielektrických čoček Eliptická čočka o Složitý profil čočky o Rovnoměrné ozáření o Frekvenčně nezávislá (permitivita dielektrika se s frekvencí mění velmi málo, vyšší frekvence jsou omezeny kvalitou výroby) 23

38 Typy dielektrických čoček Zónové čočky o Zónování po úsecích λ/(n-1) o Složitý profil o Hluchá místa ozáření (stín, rozptyl) o Úzkopásmové o Tenký materiál -> nižší ztráty 24

39 Typy metalických čoček Z vlnovodů o Povrch protínající hrany vlnovodů ve tvaru jako u již popsaných dielektrických čoček Ze zářičů a různě dlouhých vedení (bootlace lens) Rotmanova čočka 25

40 Použití čoček u antén Zvýšení zisku antény Vytvoření rovinné vlny ihned za čočkou Soustředění energie do úzké oblasti Vytvoření gaussovského svazku a fokusace do úzkého místa Vychylování svazku 26