Širokopásmová dipólová anténa s drážkovaným reflektorem

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: Širokopásmová dipólová anténa s drážkovaným reflektorem UWB dipole antenna with corrugated reflector Pavel Velička, Zbyněk Raida xvelic1@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: Článek pojednává o speciálním drážkovaném reflektoru pro širokopásmovou dipólovou anténu. Jedná se o složený drážkovaný reflektor skládající se z drážkovaných reflektorů typu E a H. Širokopásmový dipól s drážkovaným reflektorem je navržen pro kmitočtový rozsah 7,3 GHz až 8,6 GHz. Anténa byla numericky modelována a optimalizována v programu CST Microwave Studio. Výsledná anténní struktura byla vyrobena a výsledky numerického modelování byly experimentálně ověřeny. Abstract: The paper deals with a special corrugated reflector for an ultra wide-band dipole antenna. The reflector is composed of reflectors of type E and H. The ultra wide-band dipole with the corrugated reflector was designed for the frequency band from 7.3 GHz to 8.6 GHz. The antenna structure was numerically modeled and optimized in CST Microwave Studio. The resultant antenna structure was manufactured, and simulation results were compared with measurements.

2 VOL.15, NO.5, OCTOBER 213 Širokopásmová dipólová anténa s drážkovaným reflektorem Pavel Velička, Zbyněk Raida Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně xvelic1@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek pojednává o speciálním drážkovaném reflektoru pro širokopásmovou dipólovou anténu. Jedná se o složený drážkovaný reflektor skládající se z drážkovaných reflektorů typu E a H. Širokopásmový dipól s drážkovaným reflektorem je navržen pro kmitočtový rozsah 7,3 GHz až 8,6 GHz. Anténa byla numericky modelována a optimalizována v programu CST Microwave Studio. Výsledná anténní struktura byla vyrobena a výsledky numerického modelování byly experimentálně ověřeny. 1 Úvod V dnešní době se stále více využívají bezdrátové širokopásmové komunikační systémy. Jedním z prvků těchto bezdrátových komunikačních systémů jsou širokopásmové antény. Širokopásmovou anténu můžeme sestavit z širokopásmových dipólů. Doplníme-li dipóly klasickým rovinným reflektorem, zvýšíme sice zisk v jednom poloprostoru, ale zmenšíme šířku pásma. Proto se používají speciální drážkované reflektory, které sice nezvýší zisk tak výrazně jako rovinný reflektor, ale pro změnu zase umožní využívat větší šířku pásma [1]. Pro širokopásmové (UWB) antény je důležité, aby jejich směrové charakteristiky nebyly kmitočtově závislé a také aby přenos mezi dvěma anténami vykazoval co nejmenší změny v celém kmitočtovém pásmu. Zkreslení signálu při přenosu mezi dvěma UWB anténami by nemělo být větší než,1. To znamená, že podobnost (korelace) vyslaného a přijatého signálu nesmí být menší než,9 [2]. 2 Realizace antény Realizovaná anténa byla navržena pro kmitočtové pásmo 7,3 GHz až 8,6 GHz (Bandgroup 6). Na obrázku 1 je zobrazen náhled antény po sesouhlasení motivů dipólů na horní a spodní straně substrátu. 2.1 Návrh antény Anténa z obrázku 1 byla realizována na substrátu Arlon 25N s tloušťkou 1,52 mm. Tento substrát má relativní permitivitu ε r = 3,38, činitel útlumu je,25 a tloušťka pokovení substrátu je,35 mm [3]. Rozměry realizované antény jsou uvedeny na obrázku 2. Na tomto obrázku je spodní strana antény zobrazena zrcadlově; pohled na obrázek je tak stejný, jako by byla anténa otočena. Důležitým rozměrem, který určuje rezonanční kmitočet antény, je průměr kruhových ramen dipólu. Tyto průměry byly vypočteny podle vzorce =, (1) jako délka běžného půlvlnného dipólu, jehož rozměr respektuje vliv substrátu, z něhož je anténa vyrobena [4]. Ve vztahu (1) značí λ vlnovou délku ve vzduchu pro střední kmitočet zadaného kmitočtového pásma (7,95 GHz) a ε r je relativní permitivita substrátu. Délku vlny v substrátu vydělíme dvěma, aby požadovaná délka antény l (průměr jednoho ramene dipólů) odpovídal polovině vlnové délky. Šířka napájecího mikropásku byla určena podle vzorce pro charakteristickou impedanci [4] =,, (2),, kde ε r je relativní permitivita substrátu, h je tloušťka substrátu, w je šířka mikropásku, t je tloušťka pokovení substrátu a Z c je charakteristická impedance mikropásku. Požadujeme, aby napájecí mikropásek měl charakteristickou impedanci 5 Ω. Po dosazení parametrů substrátu do (2) vychází šířka mikropásku v horní vrstvě w 1 = 3,186 mm. Horní strana Spodní strana 11,4 O5, 1,8 13,5 11,4 O5, 3,2 8,5 1,8 27, 3,2 6,8 5, 3, 3, Obrázek 2: Rozměry [mm] horní (vlevo) a spodní (vpravo) strany antény. Obrázek 1: Náhled realizované antény. 281

3 VOL.15, NO.5, OCTOBER 213 Šířka napájecího mikropásku ve spodní vrstvě w 2 = 6,8 mm byla určena podle šířky SMA konektoru tak, aby se dal snadno a dobře připájet. Dále dochází k zúžení pásku až na hodnotu w 2 = 3,2 mm, což přibližně odpovídá charakteristické impedanci 5 Ω. 2.2 Návrh reflektoru Reflektor byl stejně jako dipól navržen tak, aby výsledná anténa pokryla celé kmitočtové pásmo od 7,3 GHz do 8,6 GHz. Dále jsme při návrhu reflektoru požadovali, aby zisk antény s reflektorem byl konstantní v celém kmitočtovém rozsahu. Celkový rozměr reflektoru je 38, 46,2 6, mm. Na reflektoru jsou vybroušeny drážky ve dvou směrech vzájemně na sebe kolmých. V jedné rovině jsou všechny drážky stejně hluboké a jejich hloubka je 5, mm. Drážky mezi sebou tvoří žebrování; žebra mají tloušťku 1, mm. Ve druhém směru se hloubka drážek stupňuje. Nejhlubší drážka, která je uprostřed, má hloubku 4,2 mm a hloubka každé další drážky na obě strany od nejhlubší je o,7 mm menší. Podrobný popis všech rozměrů reflektoru je uveden na obrázku 3.,7 6, 2,1 1, 3,5 4,2 38, 46,2 4,2 3,11 3,5 5, Obrázek 3: Nákres reflektoru s rozměry. 6, Dalším důležitým rozměrem, který je také zakreslen na obrázku 3, je vzdálenost reflektoru od spodní strany antény. Tato vzdálenost je 3,5 mm. 3 Výsledky měření antény Anténu jsme vyrobili a změřili jsme její vlastnosti. Výsledky měření jsme porovnali se simulací v programu CST Microwave Studio. Mezi měřené parametry antény patřil kmitočtový průběh činitele odrazu S 11, impedanční charakteristika antény a její směrová vyzařovací charakteristika. Ze srovnání změřených a vypočtených kmitočtových průběhů činitele odrazu je zřejmá podobnost obou průběhů. Definujeme-li šířku pásma podmínkou S 11 1 db, při simulaci bylo dosaženo šířky více než 3 GHz (7 GHz až maximální rozsah simulace). Z grafu obou průběhů uvedených na obrázku 4 je zřejmé, že šířka pásma při simulaci je větší než při měření. Přesto u měřené antény bylo dosaženo šířky pásma od 6,7 GHz až do 1,2 GHz. To znamená, že šířka pásma vyrobené antény je 3,5 GHz. Rozdíl obou průběhů S 11 je způsoben reálnými vlivy, které v simulaci nebyly zahrnuty. Při simulaci byly například všechny vodivé části simulovány jako dokonalý elektrický vodič (PEC). S11[dB] Obrázek 4: Kmitočtový průběh velikosti činitele odrazu S 11. Na obrázcích 5 a 6 jsou zobrazeny kmitočtové průběhy reálné a imaginární složky vstupní impedance navržené antény. V ideálním případě by v pracovním kmitočtovém pásmu měla mít vstupní impedance hodnotu Z vst = (5 + j ) Ω. Anténa tedy pracuje v rezonanci (imaginární složka vstupní impedance je rovna nule a anténa má nenulovou pouze reálnou složku vstupní impedance). Kmitočtový průběh reálné složky vstupní impedance (viz obrázek 5) se u měření pohybuje na středním kmitočtu těsně nad hodnotou 5 Ω. Ve vybraném kmitočtovém pásmu 7,3 GHz až 8,6 GHz se pohybuje reálná složka impedance v rozmezí 52 Ω až 62 Ω. Z11-real[Ω] Obrázek 5: Kmitočtový průběh reálné složky vstupní impedance antény. Kmitočtový průběh imaginární složky vstupní impedance antény je zobrazen na obrázku 6. V ideálním případě by UWB anténa měla mít imaginární složku impedance rovnu nule v celém pracovním pásmu kmitočtů. U měřené antény můžeme pozorovat, že imaginární složka je v pásmu pracovních kmitočtů pouze blízká nule. To naznačuje, že impedanční přizpůsobení napájení antény není zcela ideální. 282

4 VOL.15, NO.5, OCTOBER 213 Z11-imag[Ω] Obrázek 6: Kmitočtový průběh imaginární složky vstupní impedance antény. Dalším důležitým parametrem antény je její vyzařovací charakteristika. Ta nám udává, kterým směrem a jak moc anténa vyzařuje. Směrové charakteristiky navržené antény jsou zobrazeny na obrázku 7. Uvedené směrové charakteristiky jsou normované, takže neuvádějí informaci o maximálním zisku, ale pouze o směrovosti antény. Při srovnání jednotlivých směrových charakteristik je na první pohled vidět, že si naměřené a simulované výsledky vzájemně odpovídají. Jediný rozdíl mezi měřenými a simulovanými směrovými charakteristikami spočívá v prudším úhlovém poklesu směrovosti měřených charakteristik vůči simulovaným. Při simulacích jsme totiž uvažovali dokonale elektricky vodivý reflektor, který dopadající vlnu odráží bez útlumu. U reálného reflektoru se část elektromagnetické energie mění při odrazu v teplo a zbytek se skládá s vyzařovanou vlnou. Na směrových charakteristikách v rovině H můžeme pozorovat menší odchýlení hlavního laloku od hlavní osy vyzařování. Jedná se o odchýlení přibližně o 3. Toto odchýlení způsobují asymetrické proudy tekoucí po vnějším povrchu koaxiálního napáječe. Pro navrženou impedančně nepřizpůsobenou anténu jsme následně stanovili zisky: 4,6 dbi (7,3 GHz), 4,9 dbi (7,95 GHz), 5,1 dbi (8,6 GHz). Hodnoty zisku ze simulací následují: 5,6 dbi (7,3 GHz), 5,6 dbi (7,95 GHz), 5,8 dbi (8,6 GHz) ROVINA E f=7,3 GHz f=7,95 GHz f=8,6 GHz ROVINA H merení simulace merení simulace Obrázek 8: Směrové charakteristiky antény v rovinách E a H pro kmitočty 7,3 GHz (nahoře), 7,95 GHz (uprostřed) a 8,6 GHz (dole). Obrázek 7: Realizovaná anténa. Zisk antény nebyl měřen přímo. Využili jsme srovnávací metodu založenou na porovnání přenosu mezi vyrobenou a pomocnou měřící anténou s přenosem mezi dvěma pomocnými měřícími anténami. přenosu mezi pomocnými měřicími anténami slouží k sestavení korekční křivky. Korekční křivku následně využijeme při stanovení odhadu zisku. 4 Princip a srovnání Drážkovaný reflektor pro planární širokopásmovou anténu je navržen jako kombinace reflektoru optimalizovaného pro odraz příčně elektrické vlny (reflektor typu H) a reflektoru optimalizovaného pro odraz vlny příčně magnetické (reflektor typu E). Podrobný princip činnosti reflektoru byl popsán v [1]. Ve své práci jsme vytvořili numerický model reflektoru a model jsme optimalizovali pro použití v širokopásmových 283

5 VOL.15, NO.5, OCTOBER 213 aplikacích pracujících v pásmu kmitočtů od 7,3 GHz do 8,6 GHz (tzv. band group 6). Rovinný reflektor umísťujeme do vzdálenosti rovné čtvrtině vlnové délky od dipólu (na středním pracovním kmitočtu antény). Díky tomu se vlna vyzářená anténou a vlna odražená od reflektoru sčítají ve fázi. Výsledný zisk je pak teoreticky dvojnásobný (avšak pouze na středním pracovním kmitočtu antény). Drážkovaný reflektor umisťujeme opět do čtvrtvlnné vzdálenosti od antény. Díky tomu, že reflektor je drážkovaný, se odrazné plochy reflektoru dostávají do různých vzdáleností od dipólu. Proto dochází ke sčítání odražených vln se správným fázovým posunem pro více vlnových délek, nežli tomu je u rovinných reflektorů. S11 [db] Obrázek 9: Porovnání kmitočtového průběhu velikosti činitele odrazu na vstupu antény s drážkovaným reflektorem a rovinným reflektorem (simulováno v CST). 5 Závěr drážkovaný reflektor rovinny reflektor Ve svém článku popisujeme koncept širokopásmové antény, která sestává z širokopásmového dipólu a drážkovaného reflektoru. Samotný koncept byl převzat z [1]. Ve své práci jsme vytvořili numerický model konceptu antény a celou strukturu jsme optimalizovali z hlediska dosažení co nejlepších parametrů UWB systému. Optimální strukturu jsme vyrobili a experimentálně jsme ověřili její vlastnosti. Výsledky měření navržené antény jasně prokazují, že navržená anténa pokryje pásmo pracovních kmitočtů i v případě, že by byla zpřísněna podmínka impedančního přizpůsobení na S db. Odhadovaný zisk antén je o něco menší než simulovaný, což je způsobeno použitím reálných materiálů při výrobě antény. Ve vybraném kmitočtovém pásmu se dá zisk považovat za konstantní, jelikož změna zisku,5 dbi na celou šířku pásma 3,5 GHz je nepatrná. Pro přísnější požadavky impedančního přizpůsobení ( S db) je šířka pásma 2,4 GHz. Při ověření přenosu mezi dvěma anténami byl přenos na vybraném kmitočtovém pásmu téměř konstantní a podobnost (korelace) vyslaného a přijatého signálu dosahovala hodnoty,93, tedy 93% [2]. Při návrhu antény jsme zjistili, že její parametry vykazují značnou citlivost na její konstrukční řešení. Nejvíce parametry antény ovlivňuje rovnoběžnost antény s reflektorem; i malá odchylka zde způsobuje značné změny v charakteristikách antény. Dále jsou vlastnosti výrazně antény ovlivněny sesouhlasením motivu na horní a spodní straně antény a dodržením konstrukční vzdálenosti antény od reflektoru [2]. Poděkování Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.7/2.3./2.7 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Literatura [1] WU, Q., JIN, R., GENG, J., SU, D. On the performance of printed dipole antenna with novel composite corrugated-reflectors for low-profile ultrawideband applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 21, vol. 58, no. 12, p [2] VELIČKA, P. Speciální reflektory pro širokopásmové dipólové antény. Diplomová práce. VUT v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Brno 212. [3] Arlon 25N. Datasheet, Arlon, [online]. Dostupné na WWW: < [4] ČERNOHORSKÝ, D., NOVÁČEK, Z., Antény a šíření rádiových vln. Skripta FEKT VUT, Brno 23, ISBN