Мікрохвильова широкосмугова планарна кільцева антена

Реферат: Мікрохвильова широкосмугова планарна кільцева антена належить до антенної техніки і може буди використана в пристроях мобільного й бездротового зв'язку нових поколінь, а також у якості елементів в антенних решітках дециметрового й більш високочастотних діапазонів хвиль з метою поліпшення їх частотних властивостей. Антена містить випромінюючий елемент із тонкошарового провідного матеріалу у вигляді планарного еліптичного кільця, обмеженого концентричними окружностями з зовнішнім радіусом R1 і внутрішнім радіусом R2, та джерело збудження або навантажувальний опір. Центр внутрішньої окружності радіусом R2=R1, де  масштабний коефіцієнт =0,5-0,95, зміщений відносно центру зовнішньої окружності на відстань Δ=R1(1-)-, де  - мінімальна ширина кільця 0,5-3мм. Джерело збудження або навантажувальний опір підключено у розрив кільця у місці, де його ширина мінімальна. Випромінюючий елемент обмежений дугами зовнішньої і внутрішньої окружності. Технічним результатом є розширення діапазону робочих частот, який визначається з вхідного імпедансу. UA 113789 C2 (12) UA 113789 C2 UA 113789 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до антенної техніки. Його може бути використано в пристроях мобільного й бездротового зв'язку нових поколінь, а також у якості елементів в антенних системах дециметрового й більш високочастотних діапазонів хвиль із метою поліпшення їх частотних властивостей. Науковий і практичний інтерес, актуальність можливості застосування таких широкосмугових антенних елементів у значній мірі визначаються розвитком бездротових технологій і загальним прагненням до мініатюризації радіоелектронних пристроїв. Добре відома планарна кільцева антена (ПКА) у вигляді кільця (колова рамка), яка збуджена протифазно в одній точці (фіг. 1), ця антена вибрана як прототип. Серед її недоліків можна назвати відносно невелику ширину робочої смуги частот, яка (залежно від геометрії) складає приблизно 15 % від середньої частоти діапазону, і багаторазові регулярно повторювані різкі зміни активної та реактивної частини вхідного імпедансу, що спостерігаються на кривих частотної залежності. Властивості таких антенних елементів, а також їх характеристики описані й досліджені в достатній мірі [1…4]. Основними недоліками такої антени є: вузькі смуги робочих частот з вхідного імпедансу в областях частотних резонансів. Про це свідчать графіки частотної залежності імпедансу. Поставлене завдання усунення зазначених недоліків і створення антени зі значно розширеним (порівняно із прототипом) діапазоном робочих частот, який визначаються з вхідного імпедансу. Технічним рішенням задачі є вживання в заявленої антені кільцевого елементу з шириною, яка плавно змінюється. Галуззю застосування таких антен, а також їх можливих модифікацій, можуть бути різного роду термінали мікрохвильових систем RFID, GSM, CDMA, WCDMA, WIFI, WIMAX, а також різного роду антенні системи, антенні решітки й опромінювачі дзеркальних антен, призначені для випромінювання або приймання широкосмугових сигналів. Заявлена широкосмугова планарна кільцева антена (ШПКА) може мати кругову або еліптичну форму, та бути виконана з добре провідного матеріалу. Антена кругової форми (фіг. 2) являє собою планарне кільце утворене двома окружностями: зовнішньою радіусом R1 рівним 0,25 розрахункової довжини хвилі λ0, і внутрішньою радіусом R2 - τR1, де τ - масштабний коефіцієнт. Цей масштабний коефіцієнт обумовлює частотні й спрямовані властивості антени й може приймати значення 0,5-0,95. Причому центр малої окружності, що обмежує кільце зсередини, зміщений відносно центру зовнішньої окружності на відстань Δ = R1 (1 - τ) - δ, де δ  (0,0015-0,01) λ0 - мінімальна ширина кільця (приблизно 0,5-3 мм). В області мінімальної ширини кільця є вузький розрив, до країв якого може підключатися джерело збудження або навантажувальний опір (наприклад, за допомогою двопровідної лінії). При цьому центри зовнішньої й внутрішньої окружності, а також джерело збудження, розташовані на одній прямій. З метою зменшення габаритних розмірів антені може бути надана еліптична форма. А саме, усі співвідношення геометричних параметрів антени такі (фіг. 3): R1y=0,25λ0, R2y =τR1y, R1x=keR1y, R2x = τR1x, зсув уздовж осі x Δx=Rx(1-τ) - δ, а коефіцієнт еліптичності kе визначається з рівностей kе = R1x/R1y=R2x / R2y. Дотепер конструкція такої мікрохвильової широкосмугової планарної антени ніким не була запропонована, а електродинамічні характеристики, що свідчать про її переваги порівняно із прототипом, не досліджені. Для визначення переваг заявленої антени був проведений ряд детальних досліджень, які засновані на комп'ютерному моделюванні й порівнянні її характеристик з аналогічними характеристиками прототипу в середовищі комп'ютерного комплексу програм FEKO [5]. 1. Геометрія моделей антен. У досліджених конструктивних варіантах моделі прототипу та заявленої антени мають вигляд планарного кільця виконаного з ідеального провідника. Зовнішній радіус R1 кругової кільцевої антени, прийнятої в якості прототипу, є рівним 0,25λ 0(λ0 довжина хвилі на частоті 1 ГГц), ширина кільця δ постійна й дорівнює 2 мм, так що внутрішній радіус R2=R1 - δ. При наступних розрахунках зовнішній радіус R1 моделі заявленої антени кругової форми є рівним 0,25 λ0, а масштабний коефіцієнт τ обрано рівним 0,75. Величина зсуву внутрішньої окружності кільця визначається формулою Δ = R1 (1 - τ) - δ. Мінімальна ширина кільця δ в цьому випадку відповідає 0,0067 λ0 (2 мм). Джерело збудження підключається в розрив кільця в місці, де його ширина мінімальна. (Якщо цю антену передбачається використовувати в якості приймальної, то в цьому місці повинно підключатися симетричне навантаження, наприклад, двопровідна лінія). 1 UA 113789 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Один з розмірів такої антени може бути зменшений, наприклад, на 25 % (при збереженні її широкосмугових властивостей) якщо кільцю надати еліптичну форму, при цьому зовнішня й внутрішня границі антени мають форму еліпсів (фіг. 3). У результатах розрахунків, що представляються нижче, радіуси зовнішнього й внутрішнього еліпса моделі заявленої антени еліптичної форми визначаються формулами R1y=0,25λ0, R2y=0,75R1y, при цьому R1x=0,75R1y, R2x=0,75R1x, що відповідає значенням констант τ = 0,75, kе = 0,75, мінімальна δ ширина кільця також обрана рівною 0,0067 λ 0 (2 мм), а величина зсуву Δχ = R2x (1 - τ) - δ. 2. Методика дослідження. Електродинамічні характеристики представлених моделей планарних антен, що наводяться далі, засновані на моделюванні в середовищі програмного комплексу FEKO. Розрахунки усіх характеристик досліджуваних антен виконаний на дискретних частотах, рівномірно розподілених у діапазоні від 0,2 до 10 Ггц із інтервалом 20 Мгц. При чисельному аналізі характеристик для кожної моделі антен вирішувалося завдання визначення амплітудно-фазового розподілу (АФР) щільності струмів на поверхні антени, що дозволило згодом виконати шляхом чисельного Інтегрування розрахунки частотних залежностей вхідного імпедансу, коефіцієнта стоячої хвилі й модуля коефіцієнта відбиття на вході антени, а також коефіцієнта спрямованої дії аналізованих антен. У розрахунковому модулі програмного комплексу FEKO при вирішенні електродинамічної задачі використано метод моментів, коли всі плоскі поверхні представлені у вигляді сукупності дротяних трикутних сегментів, розмір сторони яких значно менше мінімальної довжини хвилі. Врешті це призводить до розв'язання системи лінійних алгебраїчних рівнянь. В даному дослідженні розмір сторони сегментів розбиття прийнятий рівним λ 0/100. Це певною мірою забезпечило достовірність і коректність отриманих результатів. Попередньо були проведені пробні численні розрахунки при різних значеннях масштабного коефіцієнта, що дозволило, з одного боку оцінити достовірність отриманих результатів, а з іншого боку вибрати найбільш прийнятні геометричні параметри і отримати інформативні результати. У підсумку для демонстрації переваг пропонованої антени в даному описі представлені характеристики СШПКА при τ = 0,75 kе = 1 (колова антена) і kе = 0,75 (еліптична антена). 3. Результати моделювання. На рисунках, які приводяться нижче, проілюстровані порівнюються й обговорюються частотні залежності електродинамічних характеристик прототипу антени, що заявляється. Цифри на всіх рисунках позначають приналежність відповідних кривих таким конструктивним варіантам: 1- планарна кільцева антена (ПКА), прототип; 2 - широкосмугова планарна кільцева антена (ШПКА). Особливостями, які характеризують представлені частотні залежності вхідного імпедансу антен, є положення областей резонансу й особливості варіації значень дійсної (фіг. 4) і уявної (фіг. 5) частин вхідного імпедансу. Розглядаючи область частот (1  f  10)ГГц неважко помітити, що на кривих відповідних до прототипу (відзначене цифрою 1) спостерігається чергування областей у яких ImŻ  0, тобто саме там мають місце резонанси "паралельного" і "послідовного" типу, аналогічні резонансам у коливальних контурах. На резонансних частотах у максимумах значення дійсної частини вхідного імпедансу (ReŻ) знаходиться в межах (400-1700) Ом, при цьому в мінімумах це значення приблизно дорівнює (200-300) Ом. Криві, що відображають подібні залежності для кругової ШПКА (відзначене цифрою 2), більш "згладжені", і в згаданій області частот є один "паралельний" резонанс де ReŻ  750Ом і є область "послідовного" резонансу в якій ReŻ приблизно дорівнює 300 Ом. На більш високих частотах варіації ReŻ дуже малі, у кілька разів менше ніж у випадку ПКА. Наслідком указаного фактора є помітно більш широка смуга частот, про що свідчать графіки частотної залежності КСХ і модуля коефіцієнта відбиття │s· 11 │ на вході, наведені на фіг. 6 і фіг. 7. При цьому величина оптимального активного опору навантаження, що відповідає "послідовному" резонансові, склала для прототипу 150 Ом, а для антени, що заявляється, 400 Ом. На графіках частотних залежностей фіг. 6 та фіг. 7 (побудованих при оптимальному для кожної антени активному опорі навантаження) видно, що для антени, що заявляється (крива 2, фіг. 6) при КСВ ^ 2 перекриття по частоті (f mах / fmin) більше 13. При цьому в смузі частот 1,3-10 ГГц модуль коефіцієнта відбиття від входу при опорі навантаження 400 Ом (│s·11 │, крива 2 на фіг. 7) не перевищує -ІЗдБ. Для порівняння на цих же малюнках наведені аналогічні дані для прототипу (крива 1), де можна бачити, що перекриття по частоті в області першого резонансу при КСВ  2 і опорі навантаження RH=150 Ом дорівнює 1,12. 2 UA 113789 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Причому для ПКА │s·11 │ (крива 1, фіг. 7) не перевищує значення - 10дБ у смузі частот першого резонансу рівної 80 МГц (0,72-0,64) ГГц. Для резонансів більш високого порядку робоча смуга частот ще більше звужується. Зміну спрямованих властивостей антен можна спостерігати, аналізуючи графіки залежності від частоти коефіцієнта спрямованої дії (КСД) у площині антен у напрямку θ = 90°, φ = 180°, зображені на фіг. 8. Видно, що в ШПКА максимальний КСД у всій представленій смузі частот починаючи від 2,4 Ггц перевищує 3 дБ (крива 2, фіг. 8), плавно змінюючись, досягає значення 6,9 дБ. При цьому в ПКА максимальний КСД перевищує 3 дБ тільки в смузі (1,99-5,93) ГГц, досягаючи 4,4 дБ, при цьому маючи спад за її межами до 1,3 дБ і знову зростаючи до 7 дБ на частоті 10 ГГц (крива 1, фіг. 8). На частотах, що лежать нижче 2 Ггц властивості спрямованості, як прототипу, так і заявленої антени, слабко виражені й мало відрізняються. На фіг. (9-13) наведені аналогічні результати розрахунків для прототипу (позначені цифрою 1) і моделі антени, що заявляється, еліптичної форми (позначені цифрою 2) геометричні параметри якої були зазначені вище. На підставі цих розрахунків можна зробити висновок, що 25 процентне зменшення поперечного розміру практично непомітно вплинуло на характер частотної залежності вхідного імпедансу заявленої антени, при цьому трохи змінивши частотну залежність КСД. Виходячи з даних, наведених на фіг. 4-13 можна зробити висновок, що смуга частот по вхідному імпедансу ШПКА кругової або еліптичної форми суттєво перевищує смугу частот прототипу. За властивостями спрямованості заявлена антена кругової форми також має більшу широкосмуговість в порівнянні із прототипом. 4. Висновок. Результати розрахунків, що наводяться, побудовані на електродинамічному коректному моделюванні - чисельному рішенні дифракційної задачі, при якому визначається амплітудно-фазовий розподіл струмів на поверхні антен і поле випромінювання в далекій зоні. Розраховуються, аналізуються й порівняються електродинамічні характеристики (імпеданс, КСХ, модуль коефіцієнта відбиття на вході, КСД) трьох моделей: планарної кільцевої антени (прототип), заявлена широкосмугової планарної кільцевої антени (кругової й еліптичної форми). Доводяться значні переваги антени, що заявляється, стосовно прототипу, які полягають у значно ширшій смузі частот, у межах якої і вхідний імпеданс змінюється незначно. Це сприяє тому, що КСХ і модуль коефіцієнта відбиття на вході в цій смузі частот також мало змінюються, залишаючись у припустимих межах. Джерела інформації:: 1. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств / Жук М.С., Молочков Ю.Б. - М.-Л: Энергия, 1966. - 648 с. 2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с. 3. Ерохин Г. А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн / Ерохин Г. А.,Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский Г.Н. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 491 с. 4. Balanis С. A. Modern antenna handbook / С. A. Balanis. - John Wiley & Sons, Canada, 2008. 1680 с 5. Банков СЕ. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. / СЕ. Банков, А.А. Курушин. М.: ЗАО "НІШ "Родник", 2008. - 245 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Мікрохвильова широкосмугова планарна кільцева антена, що містить випромінюючий елемент із тонкошарового провідного матеріалу у вигляді планарного еліптичного кільця, обмеженого концентричними окружностями з зовнішнім радіусом R1 і внутрішнім радіусом R2, та джерело збудження або навантажувальний опір, яка відрізняється тим, що центр внутрішньої окружності радіусом R2=R1, де  - масштабний коефіцієнт =0,5-0,95, зміщений відносно центру зовнішньої окружності на відстань Δ=R1(1-)-, де  - мінімальна ширина кільця 0,5-3 мм, при цьому джерело збудження або навантажувальний опір підключено у розрив кільця у місці, де його ширина мінімальна, а випромінюючий елемент обмежений дугами зовнішньої і внутрішньої окружності. 3 UA 113789 C2 4 UA 113789 C2 5 UA 113789 C2 6 UA 113789 C2 7 UA 113789 C2 8 UA 113789 C2 9 UA 113789 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10