Низькопрофільна широкосмугова антена

Реферат: Низькопрофільна широкосмугова антена належить до антенної техніки і може бути використана в пристроях мобільного й бездротового зв'язку нових поколінь, а також як елементи в антенних системах дециметрового й більш високочастотних діапазонів хвиль з метою поліпшення їх частотних властивостей. Антена містить планарний інверсний С-подібний монополь довжиною  , рівною 0,25 розрахункової довжини хвилі  , розташований на висоті менше за 0,1 над плоским металевим екраном, у екрані є широка прямокутна щілина, прорізана на відстані не більше за 0,02 від точки збудження монополя, при цьому поздовжня вісь щілини орієнтована перпендикулярно осі монополя, її поздовжній розмір близько 15 та поперечний розмір не , менше за 0,02 . Технічним результатом є розширення діапазону робочих частот при наявності помірних значень вхідного імпедансу. UA 111523 C2 (12) UA 111523 C2 UA 111523 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до антенної техніки. Він може бути використаний в пристроях мобільного й бездротового зв'язку нових поколінь, а також як елементи в антенних системах дециметрового й більш високочастотних діапазонів хвиль з метою поліпшення їх частотних властивостей. Розвиток бездротових технологій і загальне прагнення до мініатюризації радіоелектронних пристроїв визначає науковий, практичний інтерес і актуальність можливого застосування таких низькопрофільних широкосмугових антенних елементів. Відомі низькопрофільні дротові або планарні антени (а також їх різноманітні модифікації [1, 2]), у вигляді горизонтального монополя збуджуваного з одного краю (фіг. 1, б) і розташованого на відносно малій висоті над плоским добре провідним екраном. Профіль антени нагадує "перевернуту" (інверсну) літеру С (фіг. 1, а), таку антену можна назвати "інверсна С-подібна антена" (Inverted С Antenna або ICA) [3], ця антена вибрана за прототип. Основним недоліком ІСА є: вузька смуга робочих частот і надто високий (тисячі Ом) активний вхідний опір на частоті першого резонансу, оскільки залежність вхідного імпедансу С-антени подібна до аналогічної залежності дводротової лінії, замкнутої на кінці [4]. Областю застосування таких антен, а також їх численних модифікацій, можуть бути різного роду термінали систем GSM, CDMA, WiFi, WiMax. Так само відомі антенні елементи у вигляді одиночної щілини, прорізаної в металевому екрані й збуджуваної, наприклад, у центрі (фіг. 2), таку конструкцію називають "щілинна антена" (Slot Antenna або SA) [5, 6]. Серед недоліків щілинної антени можна назвати відносно малу ширину смуги частот, яка (залежно від геометрії щілини) не перевищує 10-20 % від середньої частоти робочого діапазону, високий вхідний імпеданс, який "може становити кілька сотень Ом. Властивості таких антен, а також їх характеристики досліджені достатньою мірою. Поставлена задача усунення зазначених недоліків і створення конструкції антени (у порівнянні із прототипом) з розширеним діапазоном робочих частот при наявності помірних значень вхідного імпедансу. Технічним розв'язком задачі є застосування в низькопрофільній інверсній антені кількох елементів, що мають різний характер частотної залежності вхідного імпедансу. Заявлювана низькопрофільна широкосмугова антена містить планарний інверсний Сподібний монополь довжиною  , рівною 0,25 розрахункової довжини хвилі  , розташований на висоті менше за 0,1 , понад плоским металевим екраном, у екрані є широка прямокутна щілина, прорізана на відстані не більше за 0,02 від точки збудження монополя, при цьому поздовжня вісь щілини орієнтована перпендикулярно осі монополя, її поздовжній розмір близько 15 та , поперечний розмір не менше за 0,02 . Цю запропоновану конструкцію низькопрофільної широкосмугової антени умовно будемо називати у подальшому щілинною інверсною Сподібною антеною (Slot Inverted М Antenna или SICA). Дотепер конструкція SICA ніким не була запропонована, а її характеристики, що свідчать про її переваги, у порівнянні з подібними антенами й прототипом, не досліджені. Для визначення переваг пропонованої конструкції антени був проведений ряд досліджень, які основані на чисельному моделюванні характеристик у середовищі комп'ютерного комплексу програм FEKO [7]. 1. Геометрія досліджуваних антенних елементів. У всіх досліджених конструктивних варіантах випромінювач являє собою планарний несиметричний вібратор (монополь), розташовуваний на висоті h над екраном і орієнтований паралельно йому. Геометрична конфігурація всіх розглянутих антенних елементів визначається профілем планарного монополя, який має вигляд (фіг. 1, а) "перевернутої" літери С (Inverted C Antenna або ІСА). У запропонованій конструкції сполучаються планарна С-подібна антена й елемент у вигляді прямокутної щілини, прорізаної в екрані й орієнтованої своєю поздовжньою віссю перпендикулярно осі монополя (фіг. 3, б), утворюючи тим самим щілинну інверсну С-антену (Slot Inverted C Antenna або SICA). У досліджених тут моделях антен горизонтальна частина планарного монополя паралельна площині кругового екрана радіусом 0,3750 (фіг. 1, б і фіг. 3, б), при цьому довжина цієї горизонтальної частини   0,25 0 , поперечний розмір t  30 мм (тут і далі  0 - довжина хвилі, відповідна до частоти 1 ГГц). При вибраному розмірі екрана амплітуда поверхневих струмів, збуджуваних випромінюванням активного елемента, у міру наближення до краю зменшується приблизно на 40 дБ, тому впливу кінцевого розміру екрана на вхідний імпеданс практично непомітно. Плавний перехід від горизонтальної частини монополя до джерела живлення може бути виконаний, наприклад, у вигляді трапеції, верхня сторона якої рівна t , а нижня сторона становить 1 мм (як це показане на фіг. 1, б і фіг. 3, б). Ця особливість, не є необхідною в 1 UA 111523 C2 5 запропонованій конструкції, однак сприяє певному поліпшенню узгодження вхідного імпедансу вібратора з лінією живлення. Збудження вібратора-монополя в ІСА (а також в SICA) здійснюється з однієї (у розглянутих варіантах - із правої) сторони так, як показано на фіг. 1, б і фіг. 3, б. У процесі комп'ютерного моделювання всі моделі антен мають електричні властивості добре провідного матеріалу   107 С / м товщиною 0,5 мм. В SICA щілинний елемент довжиною  щ  0,3750 орієнтований перпендикулярно осі   горизонтальної частини монополя (фіг. 3, б). Разом з тим, щілина, яка прорізана в екрані, має великий поперечний розмір tщ  0,10 , в той же час критичною, з погляду досягнення найбільшої 10 15 20 25 30 широкосмуговості, є мала відстань від краю щілини до джерела збудження (близько 1….2 мм). При такому розташуванні елементів антени поле, що випромінюється С-подібним монополем, наводить струми в поверхні самого екрана й одночасно ефективно збуджує щілинний елемент. У свою чергу, наявність щілини сприяє, з одного боку - помітному зниженню добротності антени, а з іншого боку - вносить свій внесок у вхідний імпеданс монополя, знижуючи його та істотно вирівнюючи частотну залежність. 2. Методика дослідження. Електродинамічні характеристики низькопрофільних планарних антен, що наведені нижче, основані на комп'ютерному моделюванні в середовищі FEKO. При цьому в кожному випадку вирішувалося завдання визначення амплітудно-фазового розподілу (АФР) струмів на поверхні антенних елементів у заданій смузі частот і при різних значеннях параметра h . Знайдене АФР струмів дає можливість далі, шляхом чисельного інтегрування, розрахувати необхідні характеристики випромінювання. У розрахунковому модулі FEKO для розв'язку таких задач застосований метод моментів, який в остаточному підсумку зводиться до розв'язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь, при цьому всі плоскі поверхні представляються як сукупність елементарних дротових трикутних сегментів, розмір сторони яких значно менше мінімальної довжини хвилі, що певною мірою забезпечує коректність одержуваного рішення. У даному дослідженні розмір сторони трикутних сегментів вибраний рівним  0 / 50 . 3. Результати чисельного моделювання. На кресленнях, що наводяться нижче, проілюстровані частотні залежності електродинамічних характеристик (які далі обговорюються) пропонованої антени й прототипу. Цифри на всіх графіках позначають належність відповідних кривих таким конструктивним варіантам: 1 - щілинна інверсна С-Антена (Slot Inverted С Antenna, SICA); 2 - інверсна С-Антена (Inverted C Antenna, ICA), прототип. Характерними рисами представлених залежностей є як положення областей резонансу, так   і варіації значень дійсної Re Z і уявної Im Z частин вхідного імпедансу. Цікава закономірність спостерігається при порівнянні характеристик пропонованої антени із прототипом при різних значеннях висоти вібраторів над екраном. Це ілюструють графіки, на  яких показані залежності дійсної й уявної частин вхідного імпедансу Z при h  6 мм (фіг. 4, а) та h  10 мм (фіг. 4, б) для SICA (крива 1) і ІСА (крива 2). Переваги конструкції SICA у порівнянні з інверсними С-антенами ілюструють криві, зображені на фіг. 4 а, б (дійсна частина імпедансу) і фіг. 5 а, б (уявна частина імпедансу). На них видно, що наявність щілини призвела до істотного "згладжування" частотних залежностей навіть при відносно малій висоті монополя над екраном (при h  6 мм). Тоді, як дійсна частина вхідного імпедансу в широкому діапазоні частот, слабо змінюючись при вибраних геометричних параметрах, лежить у межах 50…60 Ом. Такий характер частотної залежності ілюструє важливий факт - наявність щілини (поряд з її впливом на величину вхідного імпедансу) суттєво знижує запас "реактивної" енергії в просторі між вібратором і екраном, зменшуючи тим самим добротність антени. При цьому наявність у конструкції антени елементів з різною частотною залежністю власного вхідного імпедансу (щілина й С-монополь) дозволяє реалізувати унікальну можливість для створення планарних низькопрофільних конструкцій антен із широким робочим діапазоном частот (що визначається за вхідним імпедансом). На цей же факт вказують і залежності від частоти КСХ на вході антен при h  6 мм (фіг. 6, а) та h  10 мм (фіг. 6, б). Ці графіки побудовані для випадку, коли опір навантаження є чисто активним і дорівнює активній частині вхідного імпедансу антен на вибраній резонансній частоті. Номери кривих на фіг. 6 та значення опорів навантаження наведені в табл. 1.   35 40 45 50 55 2 UA 111523 C2 Таблиця 1 Параметри графіків на фіг. 6. h  10 Номер кривої 1 2 3 5 10 R н , Ом Тип антени SICA ІСА ІСА h  6 мм h  10 мм 50 6000 12 60 4800 26 Порівнюючи графіки, наведені на цих кресленнях, можна визначити, що при зменшенні висоти вібратора над екраном смуга частот ІСА (крива 3) у резонансних областях різко звужується. Цю ситуацію суттєво змінює наявність щілини в екрані: смуга (де КСХ2) помітно розширюється - незначно в низькочастотну область і суттєво в область вищих частот (крива 1). КСХ на вході SICA у межах широкого частотного діапазону мало змінюється, причому його верхня границя розташована навіть за межами високочастотної межі розглянутої області.  Значення першої резонансної частоти f01 й дійсної частини вхідного імпедансу Rвх  Re Z при різній висоті вібратора над екраном наведені в табл. 2. Таблиця 2 Параметри антен Конструкція антени Щілина в екрані ІСА SICA 15 20 25 30 35 f01 , ГГц h  6 мм Rвх , Ом h  10 мм h  6 мм 1,65 h  10 мм 250 0,74 0,68 6000 50…60 4800 50…60 Зміну спрямованих властивостей антен можна спостерігати, розглядаючи графіки, зображені на фіг. 7. На них відображена частотна залежність КСД, що визначається у напрямі нормалі до площини екрана   0 . На них видно, що максимальна величина КСД для SICA менше, ніж для варіанта ІСА і це пояснюється тим, що наявність щілини призводить до перерозподілу частини випромінюваної енергії в нижній напівпростір. Із чого випливає що діаграма спрямованості SICA має дві приблизно рівні, але протилежно спрямовані головні пелюстки. З іншої сторони на цих рисунках можна відзначити позитивну якість конструктивного варіанта SICA - помітне вирівнювання значень КСД у межах розглянутого діапазону частот. Незначні осциляції цих значень важко віднести до недоліків SICA оскільки (як і всі інші розглянуті тут випромінюючі елементи) це слабоспрямована антена. Виходячи з даних, наведених на фіг. 4-7, можна передбачати, що границя частотного діапазону пропонованої конструкції SICA (як за вхідним імпедансом, так і за спрямованими властивостями) знаходиться помітно вище межі діапазону частот, показаного на цих кресленнях. 4. Висновок. Результати наведених досліджень побудовані на коректному чисельному моделюванні дифракційного завдання. Розглянуті електродинамічні характеристики антен у вигляді планарного несиметричного вібратора (С-монополя), розташованого над плоским круговим добре провідним екраном, а також пропонована конструкція антени, що додатково включає широку прямокутну щілину. Розглянуті конструкції є низькопрофільними, що передбачає відносно малу відстань між монополем і екраном, у порівнянні з довжиною хвилі. Зробити висновки про переваги й властивості різних конструкцій низькопрофільних планарних антен, дозволило проведене порівняння частотних залежностей їх характеристик. Важливим із практичної точки зору є застосований у даному винаході принцип, що дозволив істотно розширити робочий діапазон частот. Стосовно до низькопрофільних інверсних антенних елементів цей принцип полягає в конструкції антени комбінації декількох елементів, що мають різні частотні залежності вхідного імпедансу. 3 UA 111523 C2 5 10 15 20 25 Прикладом є запропонована конструкція SICA, елементами якої є планарний С-подібний монополь та широка щілина, прорізана в екрані перпендикулярно до його осі. Відмітними властивостями такої антени є відносно великі поздовжні розміри щілини, що перевищують розмір планарного випромінювача та великий поперечний розмір щілини. Широка смуга частот, у межах якого уявна частина вхідного імпедансу SICA мала, a KCX2, обумовлена одночасним впливом наступних причин: - розходженнями закономірностей зміни вхідного імпедансу вібратора й щілини при варіації частоти; - наявністю сильного взаємного зв'язку між вібратором і щілиною; - різким зменшенням добротності антени. Джерела інформації: 1. Слюсар В. И. Многодиапазонные антенны мобильных средств связи /B. Слюсар // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - № 8, 2006. - C. 90-96. 2. Wong Kin Lu. Planar Antennas for Wireless Communications / Wong Kin Lu. - New York: WileyInterscience, 2003. - 299 с. 3. Низькопрофільна антена. Заявка № u 2014 04014 от 14.04.2014 p. 4. Волъман В. И. Техническая электродинамика / В. И. Вольман, Ю. В. Пименов. - М.: Зв'язок, 1971. - 487 с. 5. Balanis С. A. Modern antenna handbook / С. A. Balanis. - John Wiley & Sons, Canada, 2008. 1680 с. 6. Жук М. С. Проектирование антенно-фидерных устройств / М. С. Жук, Ю. Б. Молочков. - М. - Л: Энергия, 1966. - 648 с. 7. Банков С. Е. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO / С. Е. Банков, А. А. Курушин. - М.: ЗАО "НПП "Родник", 2008. - 245 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Низькопрофільна широкосмугова антена, яка містить планарний інверсний С-подібний монополь довжиною  , рівною 0,25 , де  - розрахункова довжина хвилі, розташований на висоті менше за 0,1 над плоским металевим екраном, яка відрізняється тим, що в екрані розташована широка прямокутна щілина, що прорізана на відстані не більше за 0,02 від точки збудження монополя, при цьому поздовжня вісь щілини орієнтована перпендикулярно осі монополя, її поздовжній розмір близько 15 та поперечний розмір не менше за 0,02 . , 4 UA 111523 C2 5 UA 111523 C2 6 UA 111523 C2 7 UA 111523 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8