Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2013 15 6 Hřebenová trychtýřová anténa Ridge Horn Antenna Petr Vašina, Jaroslav Láčík xvasin05@stud.feec.vutbr.cz, lacik@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: Tento článek se zabývá problematikou širokopásmových antén ve frekvenčním pásmu jednotek GHz. Pozornost je zaměřena na hřebenou trychtýřovou anténu, postup jejího návrhu a úskalí její realizace. Hřebenová trychtýřová anténa je navržena pro frekvenční pásmo 0,9 GHz až 9 GHz kde anténa dosahuje zisk od 7 dbi do 14 dbi. Abstract: This article deals with broadband double ridge horn antenna in GHz frequency range. The main part is design process of this antenna and consequence of implementation. The antenna operate in the frequency range from 0.9 GHz to 9.0 GHz and gain is from 7 dbi to 14.2 dbi.
Hřebenová trychtýřová anténa Petr Vašina, Jaroslav Láčík Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: xvasin05@stud.feec.vutbr.cz, lacik@feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek se zabývá problematikou širokopásmových antén ve frekvenčním pásmu jednotek GHz. Pozornost je zaměřena na hřebenou trychtýřovou anténu, postup jejího návrhu a úskalí její realizace. Hřebenová trychtýřová anténa je navržena pro frekvenční pásmo 0,9 GHz až 9 GHz kde anténa dosahuje zisk od 7 dbi do 14 dbi. 1 Úvod Práce se zabývá problematikou návrhu antén pro velmi široké pásmo kmitočtů. Pro tyto účely se často používají antény na základě rozšířeného ústí vlnovodu (trychtýře), kde se požadovaná širokopásmovost dosáhne vložením hřebene do jeho protilehlých stěn a obdržíme tak hřebenovou trychtýřovou anténu [1], [2]. Tato anténa patří do skupiny aperturových antén. Uvedená hřebenová trychtýřová anténa je navržena pro kmitočtové pásmo 0,9 GHz až 9 GHz, kde hodnota činitele odrazu na vstupu antény je menší než -10 db. Anténa je modelována v programu CST Microwave Studio. 2.1 Přechod koaxiální vedení vlnovodu H průřezu Pro hřebenovou trychtýřovou anténu se využívá vlnovod H průřezu (obrázek 2) kvůli jeho lepším vlastnostem oproti vlnovodům obdélníkovým. Vložením hřebene do obdélníkového vlnovodu se snižuje vlnová impedance a mezní kmitočet a naopak se zvětšuje šířka kmitočtového pásma. Díky buzení tohoto vlnovodu ve středu hřebene (obrázek 2) je možné dosáhnout šířku pásma až 1:10 podle provedení. Změnou poměru mezery mezi hřebeny k výšce vlnovodu zároveň také roste útlum a klesá přípustný přenášený výkon [4]. Optimální hodnota tohoto poměru je > 0,1. 2 Hřebenová trychtýřová anténa Hřebenová trychtýřová anténa (obrázek 1) se skládá z následujících dvou částí: přechod koaxiální vedení - vlnovod H průřezu: tento přechod transformuje elektromagnetickou vlnu šířící se v koaxiálním napáječi do vlnovodu trychtýř s vloženým hřebenem: trychtýř transformuje elektromagnetickou vlnu šířící se z vlnovodu do volného prostoru. Obrázek 2: Vlnovod H průřezu s koaxiálním buzením Na obrázku 2 je zobrazeno buzení vlnovodu, které je provedeno koaxiálním vedením. Koaxiální vedení je připojeno pomocí středního vodiče na širší straně vlnovodu H průřezu a prochází hřebenem. V podélném směru (viz obrázek 3) musí být na jednom konci vlnovodu H průřezu vytvořena rezonanční dutina zakončena zkratem. Při realizaci tohoto přechodu koaxiální vedení vlnovod H průřezu je vhodné dosáhnout co nejmenšího poměru stojatých vln PSV a tak malé výkonové ztráty při přeměně vidu TEM v koaxiálním vedení na vid TE ve vlnovodu. Anténa navržena na požadované kmitočtové pásmo používá tzv. krátký přechod (obrázek 3). Jedná se o typ přechodu s nejjednodušším konstrukčním řešením (bez šikmých stran). Tento typ přechodu byl zvolen z důvodu jednoduché výroby [3]. Obrázek 1: Hřebenová trychtýřová anténa Rozměry vlnovodu jsou navrhnuty pro pracovní pásmo antény. Výška vlnovodu je 35,7 mm, šířka vlnovodu je 60 mm a délka vlnovou je 14,3 mm. Rozměry dutiny, šířka hřebenů a mezera mezi nimi ovlivňuje činitel odrazu s 11. Dutina je široká 36 mm, vysoká 26,8 mm a hluboká 12 mm, šířka hřebenů je 10 mm a mezera mezi nimi je 2,1 mm. Činitel odrazu s 11 navrženého vypočteného přechodu je uveden 395
na obrázku 4 společně s činitelem odrazu s 11 celé hřebenové trychtýřové antény. Obrázek 4: Závislost činitele odrazu vypočtené antény na frekvenci pro optimalizované komponenty Obrázek 3: Krátký přechod 2.2 Trychtýř s vloženým hřebenem Návrh trychtýře s vloženým hřebenem je relativně jednoduchý. Nejprve se navrhne trychtýř a pak se do něj vloží hřeben předepsaného tvaru. Rozměry trychtýře byly vypočteny podle postupu pro návrh trychtýřových antén [1], kde vstupními parametry jsou zisk a pracovní kmitočtové pásmo, ze kterého vycházejí následující rozměry: délka trychtýře 205 mm, šířka trychtýře 153 mm a výška trychtýře 104 mm. Následným krokem je vložení hřebene. Hřeben je potřeba vložit do ústí trychtýřové antény. Profil hřebene je popsán rovnicí funkce z (y), (předpokládáme, že hřeben je umístěn podél osy z) dle [2]: kde hodnota sklonu lineární části 0,02 je určena, ověřena simulací a brána za optimální v literatuře [2], y je vzdálenost od počátku trychtýře (za počátek je brán otevřený konec vlnovodu H průřezu), z (0) je mezera mezi hřebeny v počátku trychtýře a k je konstanta získaná rovnicí dle [2]: kde L je délka ústí. z( y) 0,02 y z(0) e 1 z( L) k ln L z(0) ky Takto navrhnutá anténa byla nakreslena v programu CST Microwave studio a spojena s přechodem koaxiální vedení - vlnovodu H průřezu. Z důvodu požadovaných parametrů byla anténa optimalizována pomocí změn rozměrů (změněny byly šířka a výška vlnovodu průřezu H, dále výška šířka i délka trychtýře). Pro lepší přizpůsobení k napaječi se také modifikoval trychtýř. Jeho svislé stěny byly nahrazeny třemi sloupky na každé straně. Díky těmto optimalizacím bylo dosaženo činitele přizpůsobení s 11 < -10 db v požadovaném pásmu 0,9 GHz až 9 GHz. Dosažený průběh při optimalizaci činitele přizpůsobení s 11 je uveden na obrázku 4 modrou barvou. (1) (2) 3 Realizace hřebenové trychtýřové antény Realizace hřebenové trychtýřové antény je řešena postupně stejně jako její návrh a optimalizace. Prvním krokem je konstrukce přechodu koaxiální vedení vlnovod H průřezu. Zvoleným materiálen pro výrobu je pocínovaný plech o tloušťce 0,4 mm. Části plechu jsou k sobě pospojovány pájením. Následným krokem je realizace trychtýře. Ten je, respektive jeho vrchní a spodní strana, vyroben z téhož materiálu jako přechod koaxiální vedení vlnovodu H průřezu. Materiálem zvoleným pro sloupky a hřeben je mosaz, která se následně postříbří. Sloupky, které nahrazují boční stěny, jsou z mosazi o tloušťce 3 mm. Vložený hřeben je také z mosazi o tloušťce 10 mm. Jeho tvar byl vyřezán vodním paprskem. Dva hřebeny jsou k trychtýři a vlnovodu přišroubovány pomocí šroubů průměru 3 mm na každé straně. N konektor je připájen na horní straně vlnovodu. Jeho střední vodič je umístěn volně ve vzduchové štěrbině. Z důvodu zabezpečení tohoto vodiče před náhodným dotykem se stěnou štěrbiny a jeho mechanického poškození při manipulaci s anténou je dobré vyplnit spodní dutinu, ve které je zasunut konektor, vhodným materiálem. Byly prozkoumány 3 typy materiálu: silikon, teflon a extrudovaný polystyren. Jako nejvhodnější byl vybrán extrudovaný polystyren, neboť díky jeho malé permitivitě (obdobné permitivitě vzduchu), nejméně ovlivňuje činitel odrazu. Součástí návrhu je také vytvoření uchycení antény. Toto uchycení je provedeno ze spodní části antény pomocí železné pásoviny o dostatečné šířce, aby anténu pevně uchytila (anténa má 1,8 Kg). Pro spojení s anténou se využívá šroubků, které uchycují hřeben k trychtýři. Uchycující zařízení má možnost přichycení na 4 šrouby (průměr 6 mm) v obdélníkovém rozestavení nebo na jeden šroub průměru 8 mm vytvořený v osách symetrie pro případ, kdy je potřeba anténou otáčet. Zhotovená anténa je zobrazena na obrázku 5. Prvním měřením pro ověření funkčnosti a správnosti zkonstruované antény je měření činitele odrazu v závislosti na frekvenci. Na obrázku 6 jsou zobrazena naměřená data s daty vypočtenými pro porovnání dosažených výsledků. 396
Z uvedených směrových charakteristik lze vyčíst mírný rozdíl mezi vypočtenými daty a tady měřenými. To je způsobeno nepřesností rozměrů vyrobené antény a nepřesností svírajících úhlů komponentů antény. V takovém případě dochází k mírnému natočení pole a tak dochází k ovlivnění vyzařovacích charakteristik. Ovlivňujícím faktorem jsou i reálné vlastnosti použitého materiálu, jako jsou jeho vlastní ztráty v porovnání se simulacemi, kde bylo uvažováno dokonale vodivého materiálu PEC. Směrové charakteristiky zisku antény v E-rovině při frekvencích 1 GHz, 5 GHz, 9 GHz. Obrázek 5: Vyrobené hřebenová trychtýřová anténa Obrázek 6: Závislost činitele odrazu na frekvenci pro změřené a vypočtené hodnoty pomocí programu CST Microwave studio Z uvedené závislosti na obrázku 6 je patrný, že činitel odrazu vyrobené hřebenové trychtýřové antény je téměř v pásmu kmitočtů 0,85 GHz až 9 GHz menší než -10 db. Což odpovídá požadavku pracovního frekvenčního pásma antény 0,9 GHz až 9 GHz. Dvě špičky, v blízkosti frekvencí 3 GHz a 6 GHz převyšují nepatrně úroveň -10 db, jsou způsobeny nepřesností výroby. Největší vliv na tyto špičky a celkové přizpůsobení má poloha a kvalita uchycení konektoru. V bezodrazové komoře byly také změřeny směrové charakteristiky a závislost zisku antény na frekvenci. Výsledky změřených směrových charakteristik a vypočtené směrové charakteristiky jsou uvedeny na obrázcích 7 a 8. Jsou zde uvedeny směrové charakteristiky pro kmitočty zahrnující celé široké pracovní pásmo antény: 1 GHz, 5 GHz a 9 GHz. Pro každý kmitočet je uvedena směrová charakteristika v obou rovinách (E, H). Pro každou rovinu je znázorněna směrová charakteristika vypočtená programem CST Microwave studio souhlasné polarizace (co-pol), změřená pro souhlasnou polarizaci (co-pol) a změřená pro křížovou polarizaci (cross-pol). V programu CST Microwave Studio se nezdařilo správně vypočítat křížovou polarizaci (cross-pol) Obrázek 7: Směrové diagramy zisku antény při frekvencích 1 GHz, 5 GHz, 9 GHz v E-rovině 397
Směrové charakteristiky zisku antény v H-rovině při frekvencích 1 GHz, 5 GHz, 9 GHz. Obrázek 9: Závislost zisku vyrobené a zkonstruované antény v CST MWS na kmitočtu Nakonec bylo provedeno měření zisku antény v závislosti na frekvenci. Z obrázku 8 je patrné, že zisk vyrobené antény je v pracovním pásmu v rozmezí 7 dbi až 14 dbi a blíží zisku vypočtenému programem CST Microwave Studio. 4 Závěr V tomto článku byla popsána a navržena hřebenová trychtýřová anténa pro kmitočtové pásmo 0,9 GHz až 9 GHz. Návrh antény byl proveden pomocí programu CST Microwave Studio. Navržená anténa byla realizována a změřena. Zisk realizované antény je v pracovním pásmu od 7 dbi do 14 dbi. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Výzkum popsaný v tomto příspěvku byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operační program Výzkum a vývoj pro inovace. Literatura [1] MILLIGAN, T. A., Modern antenna design. John Wiley and Sons, Inc., 2005. [2] GHORBANI, M., KHALEGHI, A., Double ridged horn antenna designs for wideband applications.in: IEEE Transactions on Antenna Propagation, 2011. [3] HRADECKÝ, Z., Návrh a konstrukce antén [online]. URL: <http://old.elmag.org/doku.php/k317:nka>. [4] PROCHÁZKA, M., Antény: Encyklopedická příručka. BEN, 2000. Obrázek 8: Směrové diagramy zisku antény při frekvencích 1 GHz, 5 GHz, 9 GHz v H-rovině Posledním prováděným měřením bylo měření zisku antény v závislosti na frekvenci. Výsledky tohoto měření jsou zobrazeny a porovnány s vypočteným ziskem antény v pracovním kmitočtovém pásmu, na obrázku 9. 398