ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra elektromagnetického pole Bakalářská práce Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem 2010

2 Poděkování Rád bych poděkoval panu Ing. Pavlu Hazdrovi, Ph. D. za jeho pečlivé vedení mé bakalářské práce a za jeho velice vstřícný a přátelský přístup, se kterým mi pomáhal řešit všechny problémy, které se v práci vyskytly. Dále bych chtěl poděkovat mým rodičům, bez jejich podpory ve studiu by tato práce nejspíš nikdy nevznikla.

3 Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem (Shorted microstrip patch antenna with the L-probe feed) Vyjděte z práce [1] a navrhněte na f=2.45 GHz strukturu elektricky zmenšenou pomocí zkratovací stěny - jako budící prvek zvolte lomený napáječ ( L-probe ). Vytvořte náhradní model antény sestavený z diskrétních prvků. Zjistěte vliv jednotlivých částí antény na impedanční a vyzařovací parametry a optimalizujte je tak, aby bylo dosaženo maximální šířky pásma a vyzařování pokud možno v ose antény. Vzorek antény vyrobte a proměřte (minimálně impedančně). Lit.: [1] Procházka, T.: Miniaturizace mikropáskových patch antén, semestrální projekt, FEL ČVUT, 2007 [2] Volakis, J.: Antenna Engineering Handbook, McGraw Hill, 2007

4 Anotační list Jméno autora: Vít PODIVINSKÝ Název semestrálního projektu: Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem Anglický název: Shorted microstrip patch antenna with the L probe feed Rok: 2010 Katedra, obor: ČVUT FEL, Katedra elektromagnetického pole, Elektronika a sdělovací technika Vedoucí semestrálního projektu: Ing. Pavel Hazdra, Ph. D. Bibliografické údaje: Počet stran: 60 Počet obrázků: 50 Počet tabulek: 4 Počet příloh: 1 Klíčová slova: Anténa, patch, miniaturizace, napájení, náhradní obvod, lomený napáječ Keywords: Antenna, patch, miniaturization, feeding, equivalent circuit, L - probe Anotace: Abstract: Tato práce se zabývá návrhem mikropáskové antény se zkratovací stěnou uprostřed rezonančního s lomeným napáječem a vytvořením a ověřením náhradního obvodu této antény. Obsahuje modely vytvořené v programu CST Microwave Studio a náhradní obvody sestavené v programu AWR Microwave Office. Součástí práce je ověření a porovnání dosažených výsledků. This thesis deals with the design of a microstrip patch antenna with the shorting wall and the L probe feed. It contains models created in CST Microwave Studio and AWR Microwave Office. One part of this thesis provides the comparison of the gained results.

5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem vypracoval samostatně a použil jsem pouze literární prameny uvedené v bibliografii. V Uherském Hradišti dne

6 Obsah 1. Úvod Základní charakteristika mikropáskové antény Princip činnosti anténního prvku Výhody a nevýhody mikropáskových antén Způsoby miniaturizace mikropáskové antény Vliv substrátu na velikost antény Metoda prodloužení proudových cest Metoda zabalení antény Metoda zkratování okraje patche Způsoby napájení Napájení pomocí mikropáskového vedení Napájení pomocí koaxiálního vedení Napájení vazební štěrbinou Napájení otevřeným koncem vedení Návrh obdélníkové patch antény se zkratovací stěnou buzené L sondou Návrh nezmenšeného obdélníkového patche Zkrácení patche na polovinu použitím zkratovací stěny Návrh napájecí L sondy Hledání optimálních parametrů Vlastnosti navržené antény Zjištění vlivu jednotlivých částí antény na impedanční a vyzařovací parametry Stanovení náhradního obvodu antény se zkratovací stěnou uprostřed rezonančního rozměru buzené L sondou Přehled výsledků vypracovaných T. Procházkou Náhradní obvod patche Náhradní obvod napájení Náhradní obvod celé struktury

7 6.2. Doplnění o zkratovací stěnu Náhradní obvod po doplnění zkratovací stěny Porovnání výsledků Ověření platnosti náhradního obvodu Ověření správnosti návrhu měřením Závěr Použitá literatura Příloha

8 Seznam obrázků Obr. 1: Rozložení pole a magnetických proudů v základním modelu [7] Obr. 2: Princip vzniku rozptylového pole v základním modu kmitání, pohled zboku[7] Obr. 3: Rozložení el. pole (horní řada) a povrchového proudu (dolní řada) pro vidy TM10 (levý sloupec) a TM01 (pravý sloupec)[7] Obr. 4: Rozdělení proudových cest na povrchu obdélníkového patche s natáčecími štěrbinami, (a)natáčecí štěrbiny, (b) patch tvaru motýlek [4] Obr. 5: Ukázka několika štěrbinových patchů [4] Obr. 6: Ukázka zabalení antény [6] Obr. 7: Patch anténa se (a) zkratovací stěnou, (b) zkratovací deskou, (c) zkratovacím válečkem [4] Obr. 8: Způsoby napájení patch antény (a) koaxiálním vedením, (b) mikropáskovým vedením, (c) otevřeným koncem vedení, (d) vazební štěrbinou [3] Obr. 9: Simulace prvotního návrhu Obr. 10: Vyzařovací charakteristiky prvotního návrhu Obr. 11: Závislost impedančního přizpůsobení při změně šířky W Obr. 12: Hodnota s11 pro pozměněnou strukturu Obr. 13: Vyzařovací charakteristiky pro upravenou strukturu Obr. 14: Změna lh Obr. 15: Změna velikosti zemní roviny Obr. 16: Posun po zemní rovině Obr. 17: Navržená anténa Obr. 18: Činitel odrazu v db v závislosti na frekvenci Obr. 19: Smithův diagram pro navrženou anténu Obr. 20: Reálná a imaginární část impedance v závislosti na frekvenci Obr. 21: Směrová charakteristika 3D Obr. 22: Směrová charakteristika v rovině H Obr. 23: Směrová charakteristika v rovině E Obr. 24: Závislost směrovosti na frekvenci Obr. 25: Rozložení intenzity el. pole Obr. 26: Rozložení povrchového proudu Obr. 27: Náhradní obvod patche [2] Obr. 28: Náhradní obvod napájení [2] Obr. 29: Náhradní obvod kompletní antény [2]... 40

9 Obr. 30: Rozložení intenzity el. pole Obr. 31: Rozložení povrchového proudu Obr. 32: Náhradní obvod antény se zkratovací stěnou Obr. 33: Modul S 11 [db]- anténa Obr. 34: Modul S 11 [db] náhradní obvod Obr. 35: Reálná (červená) a imaginární (zelená) část impedance anténa Obr. 36: Reálná a imaginární část impedance náhradní obvod Obr. 37: Změna lh anténa Obr. 38: Změna lh náhradní obvod Obr. 39: Změna lh náhradní obvod detail Obr. 40: Změna lv anténa Obr. 41: Změna lv náhradní obvod Obr. 42: Změna strana1 anténa Obr. 43: Změna strana1 náhradní obvod Obr. 44: Změna strana2 anténa Obr. 45: Změna výšky patche anténa Obr. 46: Změna výšky patche náhradní obvod Obr. 47: Fotografie realizované antény Obr. 48: Porovnání simulovaného (červená) a změřeného (černá) průběhu S Obr. 49: Náhradní obvod mikropáskové antény bez zkratovací stěny Obr. 50: Náhradní obvod mikropáskové antény se zkratovací stěnou uprostřed rezonančního rozměru... 60

10 Seznam tabulek Tab. 1: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna lv Tab. 2: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna lv Tab. 3: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna strana Tab. 4: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna výšky patche Seznam použitých symbolů λ 0 [mm] Vlnová délka ve volném prostoru L, Strana1 [mm] Délka patche W, Strana2 [mm] Šířka patche J [Am -2 ] Hustota povrchových proudů E [V/m] Intenzita el. pole H [A/m] Intenzita mag. pole t [mm] Tloušťka patche h, vyskapatche [mm] Tloušťka substrátu ε r [-] Relativní permitivita prostředí S 11 [db] Modul odrazu

11 1. Úvod V 50. letech 20. století vzniká nová technologie výroby elektrotechnických a elektronických zařízení fotolitografická technika výroby plošných spojů a s ní nový typ antén (nejčastěji podle podobnosti s přenosovými vedeními realizovanými touto technologií), antény mikropáskové (také též tištěné či planární). První zmínky o konceptu tištěných antén byly publikovány již na počátku 50. let. Trvalo však dalších dvacet let, než byl koncept tohoto typu antén využit pro potřeby raketového průmyslu. Bylo to působeno především neexistencí vhodných dielektrických substrátů pro mikrovlnou techniku, které jsou nezbytné. V dnešní době zažívají tyto antény boom způsobený masivním rozvojem mobilních komunikací. [1] 1.1. Základní charakteristika mikropáskové antény V základní formě se mikropásková anténa skládá z vyzařujícího patche (česky záplata, flíček, skvrna) na jedné straně dielektrického substrátu, který je na druhé straně celý pokovený. Patch se obecně vyrábí z dobře vodivého materiálu jako je měď nebo zlato a může mít prakticky libovolný tvar. Vzor patche a napájecí vedení je obvykle vyráběn fotolytickou litografií. Z důvodu jednoduché analýzy a návrhu se používají patche ve tvaru obdélníku, kruhu, prstence či jiné symetrické tvary. Délka L obdélníkového patche se obvykle pohybuje v rozmezí od 0,333 λ 0 do 0,5 λ 0, kde λ 0 je vlnová délka ve volném prostoru. Tloušťka patche t je závislá od použité technologie výroby a platí t<<λ 0. Tloušťka h dielektrického substrátu je obvykle v rozmezí 0,003 λ 0 až 0,05 λ 0. Hodnota relativní permitivity substrátu ε r je obvykle v rozmezí 2,2 až 12. [5][7] Na vyzařování mají největší podíl hlavně rozptylová pole na protilehlých okrajích patche. Toto pole můžeme rozložit (vhledem k zemní rovině) na tečné a normálové složky. Normálové složky jsou, z důvodu délky patche odpovídající polovině vlnové délky, fázově posunuty o π/2, a jimi vytvořené pole se tak ve větší vzdálenosti od patche vyruší. Naopak tečné složky jsou ve fázi a jimi vytvořené pole je maximální v příčném směru (směr kolmý na patch). [1][5][7]

12 Obr. 1: Rozložení pole a magnetických proudů v základním modelu [7] Obr. 2: Princip vzniku rozptylového pole v základním modu kmitání, pohled zboku [7] 1.2. Princip činnosti anténního prvku Mikropáskový anténní zářič se při vhodném nastavení chová jako zvláštní druh rezonátoru, ve kterém k rezonanci dochází tehdy, když se alespoň podle jedné hrany (délka L, šířka W) rozloží celistvý násobek půlvln elektrického pole. Toto pole se vlivem vysoké hodnoty relativní permitivity nosného substrátu koncentruje převážně v dielektriku. Elektrické pole může nabývat různý tvar, v závislosti na tom, kolik půlvln a podle jaké hrany vznikne. Tyto varianty rozložení se nazývají anténní mody (nebo taky vidy). Vidy se značí TM mn, kde číslo m reprezentuje rezonanci podle hrany L a

13 číslo n podle hrany W. Stav, kdy jsou obě čísla rovna nule, je nepřípustný, protože by odpovídal nulovému poli mezi zemní rovinou a patchem. [1] Obr. 3: Rozložení el. pole (horní řada) a povrchového proudu (dolní řada) pro vidy TM 01 (levý sloupec) a TM 10 (pravý sloupec)[7] 1.3. Výhody a nevýhody mikropáskových antén - VÝHODY - nízká váha - malé rozměry v jednom směru (tloušťka) - malé výrobní náklady - schopnost pracovat na více rezonančních frekvencích - NEVÝHODY - malá impedanční šířka pásma - nízká efektivita - malý zisk - nízký přípustný napájecí výkon - velké ztráty v napájecím vedení Některé z těchto nevýhod můžou být minimalizovány vhodnou konstrukcí antény. [5][7]

14 2. Způsoby miniaturizace mikropáskové antény 2.1. Vliv substrátu na velikost antény Základní metodou miniaturizace mikropáskové antény je použít vhodný nosný dielektrický substrát s vysokou hodnotou relativní permitivity ε r. Tato hodnota má největší vliv na velikost antény a její vlastnosti. Malá hodnota způsobuje velké rozptylové pole na hraně zářiče, čímž zvyšuje jeho účinnost, ale na druhou stranu zvětšuje geometrické rozměry antény. Použití substrátu s hodnotou relativní permitivity 2 až 3 zmenší velikost antény přibližně na 0,35 λ 0. Naopak při použití substrátu s velkou hodnotou relativní permitivity se velikost antény zmenšuje, což je žádoucí. Nevýhodou ovšem je, že se zmenšuje impedanční šířka pásma a zvyšují se nároky na geometrickou přesnost antény. Při použití substrátu s hodnotou relativní permitivity 10 se rozměry antény zmenší přibližně na 0,2 λ 0. [1][5] S hodnotou relativní permitivity ještě souvisí i tloušťka substrátu. Zmenšování tloušťky substrátu má podobný efekt jako zvyšování permitivity. Ale i zde se k tomu vážou problémy se zužováním impedanční šířky pásma a poklesem účinnosti antény. [1] 2.2. Metoda prodloužení proudových cest Další metodou miniaturizace patch antény je prodloužení proudových cest na anténím zářiči. Tohoto prodloužení lze dosáhnout použitím natáčecích štěrbin na nevyzařující hranu patche (například jako na Obr. 4 (a)). Tyto delší proudové cesty snižují základní rezonanční frekvenci patche a také jeho fyzické rozměry. V závislosti na délce těchto štěrbin se dá dosáhnout zmenšení rozměrů antény o 10% - 20%. V praxi se pak na zářič umísťují ještě další štěrbiny na zbylé dvě hrany patche. Je to z důvodu dosáhnutí kruhové polarizace vyzařované vlny. Natáčecí štěrbiny také redukují činitel jakosti, čímž dochází k rozšiřování impedanční šířky pásma. [4]

15 Obr. 4: Rozdělení proudových cest na povrchu obdélníkového patche s natáčecími štěrbinami, (a)natáčecí štěrbiny, (b) patch tvaru motýlek [4] Obr. 5: Ukázka několika štěrbinových patchů [4] 2.3. Metoda zabalení antény Třetí metoda minimalizace spočívá v zabalení jednovrstvé patch antény (včetně substrátu a zemní roviny) do dvouvrstvé struktury, jako je znázorněno na obrázku (Obr. 6), a tak zmenšit rovinný rozměr na polovinu. Nevýhodou této metody je nárůst výšky antény. [6]

16 Obr. 6: Ukázka zabalení antény [6] 2.4. Metoda zkratování okraje patche Poslední používanou metodou miniaturizace je zkratování patche. Toto zkratování patche se provádí v místě nulové intenzity elektrického pole, tj. uprostřed delšího rozměru L. Zkratováním patche se délka antény zmenší na polovinu a vlnová délka patche se změní z poloviční na čtvrtinovou. Na zkratování se může použít zkratovací stěna, zkratovací deska nebo zkratovací váleček. Zkrácená stěna představuje indukčnost. Tato indukčnost se dá kompenzovat vhodným zapojením kondenzátoru. Při použití zkratovací desky nebo zkratovacího válečku se také zmenšuje základní rezonanční frekvence, čímž se rozměry dále zmenší. [4]

17 Obr. 7: Patch anténa se (a) zkratovací stěnou, (b) zkratovací deskou, (c) zkratovacím válečkem [4]

18 3. Způsoby napájení Mikropásková anténa může být napájena různými způsoby, které můžeme rozdělit na dvě základní kategorie kontaktní (mikropáskové, koaxiální vedení) a bezkontaktní (vazební štěrbinou, otevřeným koncem vedení). U kontaktního napájení je zdroj energie připojen přímo na vyzařující vzor patche. U bezkontaktního je napájení zprostředkováno elektromagnetickou vazbou. Čtyři nejpopulárnější způsoby napájení jsou uvedeny v následujících podkapitolách Napájení pomocí mikropáskového vedení U tohoto způsobu napájení je mikropáskové vedení připojeno přímo na hranu patche. Výhodou tohoto způsobu napájení je použití stejné technologie výroby napájecího vedení jako samotného patche. Z důvodu dobrého impedančního přizpůsobení a vynechání přizpůsobovacích obvodů se napájecí vedení zanořuje (Obr. 8b). Je to způsobené klesající impedancí od kraje vedení (100 Ω 300 Ω) po střed (0 Ω), v závislosti na použitém substrátu a šířce patche, dle funkce Z = cos 2 (πx/l); L je délka patche. S klesající tloušťkou substrátu rostou povrchové vlny a zvyšují se ztráty v přívodním vedení a klesá tak účinnost antény a zužuje se šířka pásma. [3] 3.2. Napájení pomocí koaxiálního vedení Napájení pomocí koaxiálního vedení je velice častý způsob napájení. Jak je patrné z obrázku (Obr. 8a), vnitřní vodič prochází otvorem v zemní rovině a dále skrz substrát a je připojen na vyzařující vzor patche, vnější vodič je připojen na zemní rovinu. Největší výhodou tohoto způsobu napájení je možnost připojení napájení přímo do místa s nejlepším impedančním přizpůsobením. Tento způsob se také snadno vyrábí a má malé parazitní vyzařování. Nevýhodou je zužování šířky pásma a obtížnost modelace, kterou komplikuje díra v substrátu a vyčnívající konektor koaxiálního vedení ze zemní roviny. Pro tenké substráty pak model není planární. Při použití tlustých substrátů se prodlužuje délka volného vnitřního vodiče, což zvyšuje jeho parazitní indukčnost, a ta zhoršuje impedanční přizpůsobení [3] 3.3. Napájení vazební štěrbinou V tomto typu napájení je vyzařující vzor patche a napájecí mikropáskové vedení odděleno zemní rovinou (Obr. 8d). Vazba je zprostředkována pomocí štěrbiny v zemní

19 rovině. Vazební štěrbina je obvykle vystředěna uprostřed pod patchem, což díky symetrii způsobuje křížovou polarizaci vyzařované vlny. O kvalitě vazby rozhoduje velikost, tvar a umístění vazební štěrbiny. Díky zemní rovinou separovanému patchi od napájecího vedení je minimalizováno parazitní vyzařování. Z důvodu optimalizace vyzařování se pro spodní úzký substrát používá materiál s vysokou relativní permitivitou a v horní části se používá tlustý substrát s nízkou relativní permitivitou. Toto je však zároveň i největší problém tohoto způsobu napájení komplikovaná výroba různě tlustých vrstev různých materiálů. Dále pak vícevrstvá struktura zvyšuje tloušťku antény. [3] 3.4. Napájení otevřeným koncem vedení Jak je z obrázku Obr. 8c zřejmé, napájecí vedení vede mezi vrstvami dvouvrstvého dielektrického substrátu a vyzařující patch je umístěn na povrchu horní vrstvy substrátu. Největší výhodou tohoto zapojení je eliminování parazitního vyzařování, velká šířka pásma (až 13%). Impedanční přizpůsobení se provádí změnou délky volného konce vedení a změnou vzdálenosti patche od napájecího vedení. Největší nevýhodou je komplikovaná výroba, z důvodu dvouvrstvého substrátu. [3] Obr. 8: Způsoby napájení patch antény (a) koaxiálním vedením, (b) mikropáskovým vedením, (c) otevřeným koncem vedení, (d) vazební štěrbinou [3]

20 4. Návrh obdélníkové patch antény se zkratovací stěnou buzené L sondou V této části práce budou popsány jednotlivé kroky návrhu mikropáskové patch antény pracující na frekvenci 2,45 GHz elektricky zmenšené zkratovací stěnou, tak jak byly postupně prováděny. Cílem návrhu je určení všech geometrických rozměrů patche tak, aby byla anténa dobře impedančně přizpůsobená, měla co největší šířku pásma, a aby bylo, pokud možno, dosaženo vyzařování v ose antény. Protože použití zkratovací stěny je jednou z minimalizačních technik, je nutno první navrhnout anténu nezmenšenou. Protože však tato nezmenšená anténa je jen mezikrok, který slouží k získání hrubého odhadu o rozměrech celé struktury, bude proveden pouze návrh podle obecných předpokladů bez další optimalizace Návrh nezmenšeného obdélníkového patche Pokud chápeme mikropáskový patch jako dvojdimenzionální zářič, je rezonanční frekvence dána vztahem: c f r = k mn (4.1) 2π ε r kde 2 k mn = mπ L 2 + nπ W 2 (4.2) Úkolem je navrhnout anténu pracující na frekvenci 2,45 GHz, jejíž substrát bude vzduch. Pro vlnovou délku λ platí: λ = c = 122,45 mm (4.3) f ε r Pro tloušťku substrátu h platí, že se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1 0,2 λ, což v našem případě je mm. Pro další návrh, i s ohledem na dostatek prostoru pro napájení, bylo proto zvoleno h = 20 mmm. Tento parametr byl pro další optimalizaci antény určen jako neměnný. Pro délku patche L v prvním přiblížení platí: L 1 = c 2f ε r = 61,22 mm (4.3) Tedy že délka patche má rozměr poloviny vlnové délky

21 Dále se pak v návrhu musí zohlednit rozptylové pole na okrajích patche (viz Obr. 7). To se zohlední tak, že délka patche L se o malý kousek zkrátí. Velikost tohoto zkrácení je závislá na tloušťce substrátu. Pro potřeby hrubého návrhu obdélníkové patche bylo toto zkrácení odhadnuto na: L = 2,5 mm (4.4) Výsledná délka patche L pak je: L = L 1 2 L = 56,22 mm (4.5) Šířka patche W se obvykle pohybuje v rozmezí 0,5 L 2 L tedy v našem případě ,4 mm. Pro další návrh jsem zvolil W = 40 mm 4.2. Zkrácení patche na polovinu použitím zkratovací stěny Při použití zkratovací stěny v polovině rezonančního rozměru se zmenší jak délka L tak šířka W na polovinu, tloušťka substrátu zůstává nezměněna. Nové hodnoty těchto parametrů tedy jsou: L = 28 mm W = 20 mm h = 20 mm 4.3. Návrh napájecí L sondy Napájecí L sonda se skládá z vertikální a horizontální části. Velikost vertikální části byla určena nepřímo přes vzdálenost horizontální části od patche. Tato vzdálenost byla zvolena jako 1/5 výšky patche, tedy 4 mm. Protože však pro realizaci antény bude použit koaxiální kabel s poloměrem vnitřního vodiče a = 0,6 mm, a protože určení vzdálenosti sondy od patche bylo uvažováno pro nekonečně malý průměr vnitřního vodiče, je potřeba tuto skutečnost zohlednit. Pro další návrh bude tedy uvažována vzdálenost sondy od patche 4,5 mm. Podobně jako výška patche se i tento parametr při další optimalizaci nebude měnit. Horizontální část napájení byla do začátku zvolena jako ½ délky L, tedy 12 mm

22 4.4. Hledání optimálních parametrů Při simulaci výše navrženého patche v programu CST Microwave Studio bylo dosaženo výsledků uvedených v grafech na Obr. 9 a 10. Obr. 9: Simulace prvotního návrhu

23 Obr. 10: Vyzařovací charakteristiky prvotního návrhu Z grafu (Obr. 9) je patrné, že rezonanční frekvence je vyšší než požadovaných 2,45 GHz, tedy že délka patche je větší a je třeba ji zkrátit. Hodnota parametru L byla proto zmenšena na 25 mm. Očekává se však nutnost dalšího doladění, protože optimalizace dalších parametrů bude jistě na frekvenci mít vliv. Z téhož grafu a z obrázku (Obr. 10) je zřejmé, že vyzařovací charakteristika, směrovost a i impedanční přizpůsobení není optimální. Největší vliv na tyto vlastnosti má šířka patche W

24 Obr. 11: Závislost impedančního přizpůsobení při změně šířky W V grafu (Obr. 11) vidíme, že nejlepší impedanční přizpůsobení nastává pro hodnotu šířky W kolem 110 mm. Z důvodu lepší šířky pásma bylo rozhodnuto použít W = 80 mm, pro kterou je impedanční přizpůsobení stále velice dobré. Po zanalyzování struktury s opravenými parametry (viz graf Obr. 12) vidíme, že se rezonanční frekvence posunula na hodnotu f = 2,25 GHz, která už je nízká a impedanční přizpůsobení na této frekvenci dosáhlo -24 db

25 Obr. 12: Hodnota s11 pro pozměněnou strukturu Obr. 13: Vyzařovací charakteristiky pro upravenou strukturu

26 Z obrázku (Obr. 13) je zřejmé, že směrové charakteristiky i směrovost se výrazně zlepšily. Je ještě třeba znova doladit rezonanční frekvenci. Toho je možné dosáhnout buď zvětšením délky L patche, nebo, jak je z grafu (Obr. 14) patrné, i změnou horizontální části napájecí sondy, která má prakticky vliv právě jen na frekvenci. Změna délky patche již nemá v tomto případě tak velký vliv a musela by se výrazně zvětšit za cenu větší velikosti antény a zúžení frekvenčního pásma. Doladění tedy provedeme nastavením parametru lh = 10 mm. Obr. 14: Změna lh Další část antény, která může mít vliv na vlastnosti antény, je zemní rovina, respektive její velikost. V předchozích úvahách byla zemní rovina uvažována jako nekonečná, v simulacích pak o rozměrech 400 mm x 400 mm

27 Obr. 15: Změna velikosti zemní roviny Z grafu (Obr. 15) je patrné, že s výjimkou největších dvou rozměrů, na velikosti zemní roviny nezáleží. Protože se však anténa bude i vyrábět a protože jsou již předpřipravené zemní roviny o rozměrech 200 mm x 200 mm, bude použita zemní rovina těchto rozměrů. Další optimalizaci tvaru by mohlo být možné dosáhnout posunem antény (patch se zkratovací stěnou + napájení) po zemní rovině. Protože anténa dominantně vyzařuje z nezkratované hrany, je možné, že na straně u zkratovací stěny nebude potřeba tak velká plocha zemní roviny

28 Obr. 16: Posun po zemní rovině Jak je z obrázku (Obr. 16) zřejmé, tento předpoklad se nepotvrdil, protože pro nulový posun je hodnota impedančního přizpůsobení druhá nejvyšší z testovaných Vlastnosti navržené antény Vlastnosti konečného návrhu byly, na rozdíl od návrhu patche, simulovány s vyšší přesností (přibližně dvojnásobný počet buněk, přesnost výpočtu zvětšena z -30 db na -50 db), proto se může zdát, že jednotlivé průběhy jsou jiné než v kapitole 4.4. Dále pak byl ideálně vodivý materiál nahrazen materiálem reálným, takovým, který bude použit při výrobě antény. Jedná se hlavně o impedanční přizpůsobení na rezonanční frekvenci. Na obrázku (Obr. 17) je navržená anténa. Střed svislé části napájení je umístěn v jedné rovině s hranou patche

29 Obr. 17: Navržená anténa Na obrázku (Obr. 18) je vykreslen průběh činitele odrazu v závislosti na frekvenci. Z charakteristiky je patrné, že navržená anténa rezonuje na požadované frekvenci 2,45 GHz, na které dosahuje parametr S 11 hodnoty přibližně -26,3 db. Frekvenční šířka pásma pro pokles o 10 db je 610MHz (od 2,15 GHz do 2,76 GHz) což je přibližně 24,9% Tato hodnota je pro mikropáskové antény, které se obvykle vyznačují malou šířkou pásma, poměrně vysoká

30 Obr. 18: Činitel odrazu v db v závislosti na frekvenci Na obrázku (Obr.: 19) je Smithův diagram, který zobrazuje reálnou a imaginární část impedance Z v závislosti na frekvenci. Ta je ještě uvedena i na dalším obrázku (Obr.: 20). Imaginární část impedance má nulovou hodnotu na frekvencích 2,48 GHz a 2,89 GHz. Na pracovní frekvenci 2,45 GHz má reálná hodnota impedance hodnotu 55,6 Ω a imaginární část impedance 1,6 Ω

31 Obr. 19: Smithův diagram pro navrženou anténu Obr. 20: Reálná a imaginární část impedance v závislosti na frekvenci

32 Na dalších obrázcích je uvedena směrová charakteristika (3D, řezy v hlavních rovinách) a závislost směrovosti na frekvenci. Obr. 21: Směrová charakteristika 3D

33 Obr. 22: Směrová charakteristika v rovině H Obr. 23: Směrová charakteristika v rovině E

34 V rovině E jsou postraní laloky potlačeny o 8,9 db, v rovině H o 7,1 db. Šířka hlavního laloku je v rovině E 59,2 a v rovině H 118,3. Z obrázků je vidět jeden z největších nedostatků této antény a tím je vyzařování mimo geometrickou osu. Směr hlavního laloku je od ní odkloněn o 35 Obr. 24: Závislost směrovosti na frekvenci Z grafu na obrázku 24 je patrné, že maximum směrovosti je na frekvenci 2,5 GHz. Efektivita je nejvyšší na frekvenci 2,45 GHz a prakticky se blíží 100%

35 5. Zjištění vlivu jednotlivých částí antény na impedanční a vyzařovací parametry Současně s návrhem a optimalizací antény byly zjištěny tyto vlivy jednotlivých parametrů na impedanční a vyzařovací charakteristiky antény: Strana L má největší vliv na frekvenci, na které anténa pracuje. Se zvětšujícím se L se zvětšuje i plocha patche a zvětšuje se tak vyzařování a tím i impedanční přizpůsobení. Rozměr L je však pevně dán pracovní frekvencí a není možné jej příliš měnit Strana W má největší vliv na impedanční přizpůsobení a směrovou charakteristiku antény. Tento rozměr můžeme měnit ve velkém rozsahu. Se zvětšující se velikostí této strany se zvětšuje plocha a prodlužuje hrana, ze které patch dominantně vyzařuje. Zvětšování strany W mělo velmi příznivý efekt na směrovost, kdy se zvětšováním strany docházelo k zužování hlavního laloku, a tím k nárůstu směrovosti (resp. zisku). Zvětšování však nemůže probíhat do nekonečna, konkrétně u této antény byl simulací zjištěn limit při rozměru 115 mm, kdy se výrazně změnily vyzařovací charakteristiky maximum vyzařování už nebylo podél nezkratované hrany, ale podél dvou bočních stran kolmých na zkratovací stěnu. S největší pravděpodobností je to způsobeno vybuzením vyšších vidů. Avšak i v tomto případě, kdy vznikly dva vyzařovací laloky, tyto laloky směřovaly pod stejným úhlem jako při činnosti antény v základním vidu. Výška patche nad zemní rovinou má velký vliv na frekvenci a impedanční přizpůsobení. Je to způsobeno tím, že výška patche určuje velikost rozptylového pole na hranách, a tím i frekvenci a vyzařovací účinnost (resp. hodnotu parametru S 11 ). S rostoucí výškou se zvětšuje objem celé struktury a množství energie akumulované v substrátu. Naopak při malé vzdálenosti mezi patchem a substrátem může docházet k nežádoucím interakcím s proudy tekoucími po povrchu zemní roviny. Nijak neovlivňuje vyzařovací charakteristiky. Vertikální část antény nejvíce ovlivňuje povrchové proudy na patchi. Při velké vzdálenosti horizontální části od patche (= malé lv) je hustota proudů na patchi menší a klesá tak vyzařovací účinnost, patch tak vyzařuje i míň z hrany a tím se posouvá pracovní frekvence. Vyzařování z napájecí sondy je v porovnání s vyzařováním z patche zanedbatelné

36 Horizontální část sondy má v rozsahu přibližně od ¼ do ½ délky L minimální vliv pouze na frekvenci, na které je minimum parametru S 11. Dá se tak využít na finální jemné doladění frekvence. Nemá žádný vliv na vyzařovací charakteristiky. Z výše uvedeného vyplývá, že žádný z parametrů nemá vliv na směřování hlavního laloku, a ten tudíž nemohl být směřován do geometrické osy antény. Tento bod ze zadání tak nebylo možno splnit

37 6. Stanovení náhradního obvodu antény se zkratovací stěnou uprostřed rezonančního rozměru buzené L sondou V této části práce navazuji na projekt Tomáše Procházky [2], který sestavoval náhradní obvod antény buzené L-sondou se základním obdélníkovým tvarem patche. Mým úkolem pak bylo doplnit tuto strukturu pro anténu, u které byla provedena miniaturizace pomocí zkratovací stěny uprostřed rezonančního rozměru Přehled výsledků vypracovaných T. Procházkou Rozložení intenzity el. pole a povrchového proudu pro anténu se základním obdélníkovým tvarem patche je uvedeno na následujících dvou obrázcích (Obr. 25 a 26) Obr. 25: Rozložení intenzity el. pole

38 Obr. 26: Rozložení povrchového proudu V náhradním obvodu představují použité diskrétní součástky tyto veličiny: Rezistor - ztráty způsobené vyzařováním Kapacita intenzita el. pole Indukčnost - protékající proud Náhradní obvod patche Náhradní obvod vychází z představy patche jako rezonátoru tvořeného úsekem půlvlného vedení. [2]

39 Obr. 27: Náhradní obvod patche [2] Náhradní obvod napájení Indukčnosti reprezentují proud protékající volným koncem vnitřního vodiče koax. kabelu. Odpor vyjadřuje ztráty vyzařováním a kapacity elektrické pole vodiče nad zemní rovinou. [2] Obr. 28: Náhradní obvod napájení [2]

40 Náhradní obvod celé struktury Vznikl propojením náhradních obvodu patche a napájení. Tyto dva obvody jsou na sebe vázány elektrickým polem, které představují kapacity a dále je obvod doplněn o kapacity představující el. pole mezi patchem a zemní rovinou. Pro lepší čitelnost je tento náhradní obvod uveden ještě zvětšený v příloze. [2] Obr. 29: Náhradní obvod kompletní antény [2] 6.2. Doplnění o zkratovací stěnu Při doplňování náhradního obvodu jsem vycházel z představy, že zkratovací stěna je vlastně prodloužení patche, které je spojeno se zemní rovinou. Při pozorném pohledu na obrázek s rozložením povrchového proudu (Obr. 31) je patrné, že na každé straně zkratovací stěny teče proud jiným směrem. Pro větší korektnost by tedy bylo vhodné, aby tato skutečnost byla reprezentována dvojicí paralelních indukčností, avšak z důvodu

41 další práce s tímto obvodem toto není vhodné a bude použita indukčnost pouze jedna. Z dalšího obrázku (Obr. 30), který popisuje tvar elektrického pole v okolí antény je patrné, že zkratovací stěna toto pole poměrně značně ovlivňuje. I přes to bylo rozhodnuto již sestavený náhradní obvod pro patch bez zkratovací stěny pouze doplnit o zkratovací stěnu, v náhradním obvodu reprezentovanou opět paralelním RLC obvodem. Obr. 30: rozložení intenzity el. pole Obr. 31: Rozložení povrchového proudu

42 Náhradní obvod po doplnění zkratovací stěny Obr. 32: Náhradní obvod antény se zkratovací stěnou Pomocí simulačního softwaru AWR Microwave Office byly stanoveny hodnoty součástek, tak jak jsou na obrázku. Optimalizoval se nejen parametr modul odrazu S 11, ale i reálná a imaginární část impedance. Cílem bylo, aby náhradní obvod měl průběhy těchto parametrů co nejvíce podobné průběhům odsimulovaným pro navrženou anténu. Stejně jako pro anténu bez zkratovací stěny, je i tento náhradní obvod součástí přílohy. Jak je z výsledných grafů patrné (Obr.: 33 36), jednotlivé parametry pro simulovanou anténu a pro náhradní obvod si svým průběhem zhruba odpovídají. Navržený obvod splňuje všechny hlavní požadavky (rezonance na 2,45 GHz, šířka pásma pro pokles o 10 db, reálná část impedance 50 Ω a imaginární část 0 Ω pro frekvenci 2,45 GHz)

43 6.3. Porovnání výsledků - Modul odrazu S 11 [db] Obr. 33: Modul S 11 [db]- anténa Obr. 34: Modul S 11 [db] náhradní obvod

44 - Reálná a imaginární část impedance [Ω] Obr. 35: Reálná (červená) a imaginární (zelená) část impedance anténa Obr. 36: Reálná a imaginární část impedance náhradní obvod

45 Z grafů je zřejmé, že průběhy jednotlivých parametrů pro anténu a pro její náhradní obvod se v důležitých bodech příliš neliší a mají i hodně podobné průběhy Ověření platnosti náhradního obvodu Při ověřování platnosti náhradního obvodu jsem postupně měnil jednotlivé rozměry antény a stejných výsledků se pak snažil dosáhnout ekvivalentní změnou hodnot součástek v náhradním obvodu. Vždy jsem určil součástky, které se při změně určitého rozměru změní a směr kterým se změní. Pomocí těchto změn jsem se pak snažil parametr s 11 pro náhradní obvod co nejvíc připodobnit parametru s 11 pro simulovanou anténu. Změna vodorovné části napájecí sondy lh: Tento případ je nejméně přesný. V náhradním modelu měním pouze hodnotu indukčnosti lh. Zvětšení vodorovné části napájení u antény znamená zvětšení indukčnosti, která tuto část reprezentuje u náhradního obvodu. Pro větší korektnost by bylo vhodné měnit i kapacity, které ji propojují s patchem a zemní rovinou a nejspíš i samotný patch (resp. součástky které jej reprezentují). Obr. 37: Změna lh - anténa

46 Obr. 38: Změna lh náhradní obvod Obr. 39: Změna lh náhradní obvod detail

47 Lv [nh] 29,22 33,22 34,22 35,22 36,22 40,22 Lv (cst) [mm] Tab. 1: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna lv I přes malou přesnost je zřejmé, že zmenšení velikosti lh antény, způsobovalo posun minima po kmitočtové ose do prava a zmenšení přizpůsobení a zvětšení pak posun do leva a zmenšení. Toho samého se dosáhlo i odpovídající změnou indukčnosti lh tedy zmenšení způsobilo posun do prava a zhoršení přizpůsobení a zvětšení posun do leva a zhoršení přizpůsobení. Změna svislé části napájecí sondy lv Svislou část sondy jsem měnil nepřímo přes vzdálenost vodorovné části sondy od patche tento parametr byl pojmenován odstupsondy. Zmenšení lv tedy odpovídá zvětšení parametru odstupsondy. Výška patche nad zemní rovinou zůstala zachována. Předpokládané změny součástek: lv zmenšení svislé části sondy odpovídá zmenšení indukčnosti, která ji reprezentuje C6, C7 (kapacity, které reprezentují el. pole, které spojuje vodorovnou část sondy se zemní rovinou) zmenšení lv odpovídá přiblížení sondy k zemní rovině a to znamená zvětšení kapacity

48 Obr. 40: Změna lv anténa Obr. 41: Změna lv náhradní obvod

49 Lv [nh] 10,81 6,41 4,11 2,71 1,21 C7 [pf] -3,48-2,28-0,48 5,42 5,82 C6 [pf] -0,31-0,23-0,19-0,18-0,13 Odstup sondy (CST) [mm] Tab. 2: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna lv Z tabulky je zřejmé, že předpoklady jsou správné. Pro větší korektnost by bylo vhodné měnit i kapacity, které spojují sondu s patchem, a nejspíš i samotný patch. Změna délky patche: V modelech není použito označení pro delší stranu L, ale je tento parametr označený jako strana1. Předpokládané změny součástek: R1 (vyjadřuje ztráty vyzařováním) větší strana1 znamená větší plocha patche, což znamená větší vyzařování a větší ztráty L1 (vyjadřuje proud tekoucí patchem) větší vyzařování patche znamená větší povrchové proudy po něm tekoucí. C2 (spolu s L1 tvoří patch) očekávané zvětšení je svázáno se zvětšováním L1. L5 (vyjadřuje proud zkratovací stěnou) proudy patchem a zkratovací stěnou jsou navzájem propojené, proto zvětšení L1 znamená zvětšení L5. C3 (spolu s L5 tvoří zkratovací stěnu) analogicky ke změně L1 a C2 je očekávaná změna i pro kombinaci L5 a C3-49 -

50 Obr. 42: Změna strana1 - anténa Obr. 43: Změna strana1 náhradní obvod

51 R1 [ohm] 6,19 9,79 19,99 22,39 28,99 L5 [nh] -3,77-2,87-2,63-2,51-2,39 L1 [nh] -0,69-0,23-0,19-0,04 0,08 C3 [pf] 3,49 3,97 4,15 4,33 4,57 C2 [pf] -8,66-7,49-6,14-5,96-5,15 Strana1 (cst) [mm] Tab. 3: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna strana1 Z tabulky je zřejmé, že předpoklady se opět potvrdily jako správné. Změna šířky patche: V modelech není použito označení pro delší stranu W, ale je tento parametr označený jako strana2. Obr. 44: Změna strana2 - anténa

52 Z porovnání průběhů pro změnu délky a šířky patche (obr. 42 a Obr. 44) je patrné, že průběh je stejný jak u parametru strana1, a i změny hodnot součástek náhradního obvodu, by byly stejné a dosáhlo by se tak stejných výsledků jak pro rozměr strana1. Změna výšky patche: V modelu jsem měnil výšku patche se zachováním konstantní mezery mezi sondou a patchem (parametr odstupsondy). Předpokládané změny součástek: R3 (vyjadřuje ztráty vyzařováním z patche) výš umístěný patch znamená větší plochu zkratovací stěny a ta odpovídá většímu vyzařování. L5 (reprezentuje proudy tekoucí zkratovací stěnou) větší vyzařování odpovídá větším proudům, které po zkratovací stěně tečou. C3 (spolu s L5 tvoří zkratovací stěnu) předpokládané zvětšení je spojeno se zvětšováním L5 Lv vzdálenost mezi patchem a sondou je konstantní, proto se zvětšováním výšky patche zvětšuji i svislou část sondy C6, C7 (spojují sondu se zemní rovinou) analogicky k případu změna lv C1 (reprezentuje rozptylové pole na okraji patche) - čím vyšší patch, tím větší rozptylové pole, ale současně menší kapacita kapacitoru zemní rovina patch, kterou tato kapacita současně taky reprezentuje

53 Obr. 45: Změna výšky patche - anténa Obr. 46: Změna výšky patche náhradní obvod

54 R3 [ohm] 36,89 41,39 42,29 45,89 53,09 59,39 L5[nH] -3,13-2,33-2,63-2,63-2,13-2,03 Lv [nh] 3,07 6,07 6,41 10,81 21,01 38,61 C7 [pf] -0,58-0,13-2,28-2,63-3,73-3,78 C6 [pf] -0,43-0,48-0,23-0,28-0,43-0,53 C3 [pf] 4,03 4,63 4,15 4,21 4,33 4,45 C1 [pf] -5,19-4,89-6,49-6,19-5,69-5,49 Výška patche (cst) [mm] Tab. 4: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy změna výšky patche Z tabulky je zřejmé, že všechny změny hodnot součástek se pohybují správným směrem. Nemonotónnost v případě kapacity C1 bude podle všeho způsobena tím, že pro větší výšku patche převládá zmenšení kapacity kapacitou zemní rovina patch nad zvětšováním rozptylového pole na hraně patche

55 7. Ověření správnosti návrhu měřením V rámci ověření správnosti navržené antény byla anténa vyrobena a bylo změřeno její impedanční přizpůsobení. Na následujícím obrázku (Obr. 47) je realizovaná anténa vyfocena a na grafu na další stránce (Obr. 48) je uvedeno srovnání parametru S 11 pro simulaci a měření. Obr. 47: Fotografie realizované antény

56 Porovnání simulovaného a změřeného průběhu S 11 [db] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Frekvence [GHz] Obr. 48: Porovnání simulovaného (červená) a změřeného (černá) průběhu S 11 U skutečné antény se posunula pracovní frekvence na hodnotu 2,54 GHz a hodnota parametru S 11 dosáhla -31 db. Frekvenční šířka pásma je 0,51 GHz což je 19,76%. Rozdíl hodnot u skutečné antény oproti hodnotám simulovaným je s největší pravděpodobností způsoben nepřesnostmi při výrobě

57 8. Závěr Náplní bakalářské práce bylo seznámit se s problematikou mikropáskových antén, se způsoby napájení a způsoby miniaturizace. Dalším cílem bylo navrhnout mikropáskovou anténu zmenšenou pomocí zkratovací stěny uprostřed rezonančního rozměru buzenou lomeným napáječem a poté sestavit a ověřit náhradní obvod této antény. Návrh antény byl prováděn v programu CST Microwave Studio, sestavení a ověření náhradního obvodu pak v programu AWR Microwave Office. V první kapitole jsou stručně popsány vlastnosti a princip činnosti mikropáskové antény, včetně jejich stručné historie. Ve druhé kapitole jsou popsány čtyři metody miniaturizace mikropáskových antény, jejich výhody a nevýhody. Ve třetí kapitole jsou popsány čtyři základní způsoby napájení mikropáskové antény, jejich vlastnosti a výhody a nevýhody. Ve čtvrté kapitole je popsán samotný návrh antény po jednotlivých krocích tak, jak byly postupně prováděny. Návrh začíná hrubým návrhem nezkratované antény v základním tvaru a pokračuje zmenšením pomocí zkratovací stěny a následnou optimalizací této struktury v programu CST Microwave Studio. Součástí kapitoly je i vyhodnocení navržených výsledků. V páté kapitole jsou rozebrány vlivy jednotlivých částí antény (a jejich rozměrů) na impedanční přizpůsobení a směrové charakteristiky antény. V šesté kapitole je popsáno sestavení a ověření správnosti náhradního obvodu navržené antény. V této kapitole navazuji na práci Tomáše Procházky, který sestavoval náhradní obvod antény bez zkratovací stěny. V sedmé kapitole je uvedeno ověření správnosti návrhu měřením a porovnáním naměřených a simulovaných průběhů parametru S 11. Z průběhů je patrné, že anténa je navržena správně. Rozdíl v pracovní frekvenci je s největší pravděpodobností způsoben nepřesností při výrobě

58 9. Použitá literatura [1] Mazánek M., Pechač P.: Šíření elektromagnetických vln a antény, Česká technika nakladatelství ČVUT, 2008 [2] Procházka T.: Mikropáskové antény s dutinou, Bakalářská práce FEL ČVUT, 2009 [3] Zhi Ning Chen, Michael Y. W. Chia: Broadband planar antennas design and aplications, John Wiley and sons, 2006 [4] Kin Lu Wong: Compakt and Broadband microstrip antennas, John Wiley and sons, 2002 [5] [6] HUANG, J. A rewiew of antenna miniauturization techniques for wireless aplications [online]. [s.l.], 200?. 4 str. California Institute of Technology. Dostupné z WWW: < [7] Polívka, M. Mikropáskové antény [online]. Praha, str. Výukový materiál předmětu X17NKA. ČVUT v Praze, FEL. Dostupné z WWW: < _polivka.pdf>

59 10. Příloha Obr. 49: Náhradní obvod mikropáskové antény bez zkratovací stěny

60 Obr. 50: Náhradní obvod mikropáskové antény se zkratovací stěnou uprostřed rezonančního rozměru