Широкосмугова планарна багатокільцева антена

Реферат: Широкосмугова планарна багатокільцева антена належить до антенної техніки й може бути використана в пристроях мобільного й бездротового зв'язку, а також як елементи в антенних системах дециметрового й більш високочастотних діапазонів хвиль з метою поліпшення їх частотних властивостей. Антена виконана у вигляді великого планарного кільця радіусом R, рівним чверті розрахункової довжини хвилі, збуджуваного в одній точці й виконаного з добре провідного матеріалу. Всередині великого кільця по різні боки від центру розташовано два малих планарних кільця радіусом r=(0,25…0,35) R. Всі кільця знаходяться в одній площині та їх діаметри лежать на одній лінії. Зовнішні окружності малих кілець і зовнішня окружність великого кільця сполучені в протилежних точках діаметра великого кільця. Найближчі до центру краї малих кілець сполучені з краями протифазно збуджуваного симетричного планарного диполя, орієнтованого уздовж діаметра великого кільця. Технічним результатом є розширення діапазону робочих частот, визначеним по вхідному імпедансу та коефіцієнтом спрямованої дії. UA 112920 C2 (12) UA 112920 C2 UA 112920 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 із метою поліпшення їх частотних властивостей. Розвиток бездротових технологій і загальне прагнення до мініатюризації радіоелектронних пристроїв обумовлює науковий, практичний інтерес і актуальність можливого застосування таких широкосмугових антенних елементів. Відома [1] планарна антена, побудована на основі фрактальної системи, що складається з екрана, великого кільця й кількох пов'язаних з ним малих кілець, які знаходяться всередині великого в одній з ним площині. При цьому велике кільце розміщується на відносно малій висоті перпендикулярно відносно плоского добре провідного екрана. Збуджується кільце синфазне штирем, з'єднаним іншим кінцем із джерелом, що знаходяться між штирем і екраном. Основним недоліком такої антени є: вузькі смуги робочих частот (як по вхідному імпедансу, так і за характеристиками спрямованості) в областях частотних резонансів. Про це свідчать опубліковані в [1] графіки частотної залежності імпедансу, на яких у межах дослідженої смуги частот спостерігаються перегони імпедансу і множинні резонанси. Так само відомий антенний елемент у вигляді кільця (кругова рамка) протифазно збуджуваного в одній точці (фіг. 1), назвемо її планарною кільцевою антеною (ПКА), ця антена вибрана як прототип. Серед її недоліків можна назвати відносно невелику ширину смуги частот, яка (залежно від геометрії) не перевищує 20 % від середньої частоти робочого діапазону й множинні резонанси, що спостерігаються на кривих частотної залежності імпедансу. Властивості таких антенних елементів, а також їх характеристики описані й досліджені достатньою мірою [2, 3]. Поставлена задача усунення зазначених недоліків і створення антени зі значно розширеним (у порівнянні із прототипом) діапазоном робочих частот, визначеним і по вхідному імпедансу і за коефіцієнтом спрямованої дії антени. Технічним розв'язком завдання є застосування в пропонованій антені кількох елементів, які в порівнянні один з одним мають різний характер частотної залежності і КСД і вхідного імпедансу. Областю застосування таких антен, а також їх можливих модифікацій, можуть бути різні термінали систем GSM, CDMA., WIFI, WIMAX, а також різного роду антенні системи, антенні решітки й опромінювачі дзеркальних антен, призначені для випромінювання або приймання широкосмугових сигналів. Заявлювана широкосмугова антена (фіг. 2), виконана з добре провідного матеріалу і складається з великого планарного кільця радіусом R, рівним 0,25 розрахунковій довжини хвилі λ0, і двох малих кілець однакового радіуса r = (0,3…0,4)R, ближні краї яких з'єднує симетричний планарний диполь, що знаходиться у центрі. Малі кільця розміщуються усередині великого кільця по різні боки відносно його центру й орієнтовані так, що діаметри всіх трьох кілець лежать на одній лінії, а їхні зовнішні кола й зовнішнє коло великого кільця збігаються в діаметрально протилежних точках. Назвемо таку конструкцію планарною багатокільцевою антеною (ПБКА) або в англомовній транскрипції: "Planar Multi-Ring Antenna" (PMRA) Дотепер конструкція ПБКА. ніким не була запропонована, а її характеристики, які свідчать про її переваги, у порівнянні із прототипом і фрактальними кільцевими антенами, не досліджені. Для визначення переваг заявлюваної антени був проведений ряд досліджень, які засновані на чисельному моделюванні характеристик у середовищі комп'ютерного комплексу програм FEKO [4]. 1. Геометрія досліджуваних антен, У всіх досліджених конструктивних варіантах заявлювана антена складається із трьох планарних кілець: великого кільця tR шириною з R радіусом зовнішньої окружності рівним 0,25 λо (де λо - розрахункова довжина хвилі, прийнята для визначення всіх розмірів, відповідна до частоти 1 ГГц), і двох однакових малих кілець шириною tr з радіусами зовнішньої окружності r=(0,3…0,4) R. Центр великого кільця й центр планарного диполя збігаються, у цьому місці знаходиться джерело протифазного збудження пліч диполя у тому випадку, коли антена знаходиться в режимі передачі. Якщо ж цю антену передбачається використовувати як приймальну, то в цьому місці підключається симетрична фідерна лінія. Малі кільця мають однакові розміри й орієнтовані так, що діаметри всіх трьох кілець лежать на одній лінії, малі кільця розміщені усередині великого кільця по різні боки від центру. При цьому зовнішні окружності малих кілець і зовнішня окружність великого кільця збігаються в діаметрально протилежних точках і в них можуть бути виконані прорізи шириною 0ts0,033 λ0, 1 UA 112920 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наприклад, як це показане на фіг. 3. Ширина всіх планарних кілець tR-tr складає (0,025…0,035)λ0 Ширина td планарного диполя, що з'єднує малі кільця, вибирається в межах (0,003…0,01)λ 0. Усі перелічені вище елементи, що утворюють ПБКА, виконані з добре провідного матеріалу і являють собою єдину нерозривну конструкцію. У досліджених моделях ПБКА для поліпшення узгодження вхідного імпедансу з навантаженням ширина кожного із плечей симетричного диполя безпосередньо поблизу джерела збудження при необхідності може плавно зменшуватися (до 0,5 мм). При чисельному аналізі характеристик планарного кільця - антени, вибраної як прототип, її геометричні параметри в точності відповідали аналогічним параметрам великого кільця ПБКА. 2. Методика дослідження. Електродинамічні характеристики всіх моделей планарних антен, що наводяться далі, основані на чисельному моделюванні в середовищі програмного комплексу 7 FEKO. У процесі розрахунків провідність матеріалу для моделей антен приймалася рівною 10 С/м (мідь) при товщині 0,25 мм. Розрахунки всіх характеристик досліджуваних антен виконані на частотах рівномірно розподілених з інтервалом 5 МГц у діапазоні від 0,5 до 2,5 ГГц. При чисельному аналізі характеристик для кожної моделі антен вирішувалося завдання визначення амплітудно-фазового розподілення (АФР) щільності струмів на поверхні антенних елементів при різних співвідношеннях r/R при варіації значень ширини trR td планарних елементів. Знайдене АФР струмів дозволило шляхом чисельного інтегрування виконати розрахунки частотних залежностей вхідного імпедансу, коефіцієнта стоячої хвилі й модуля коефіцієнта відбиття на вході антени, а також коефіцієнта спрямованої дії аналізованої антени. У результаті численних пробних розрахунків були встановлені такі варіанти співвідношення всіх геометричних параметрів пристрою, що заявляється, при яких досягається найкраща широкосмуговість як за імпедансом й коефіцієнтом відбиття на вході антени, так і за коефіцієнтом спрямованої дії. У розрахунковому модулі програмного комплексу FEKO для розв'язку подібних задач використовується метод моментів, який в остаточному підсумку зводиться до розв'язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь, при цьому всі плоскі поверхні представлені як сукупність елементарних дротяних трикутних сегментів, розмір сторони яких значно менше мінімальної довжини хвилі. У даному дослідженні розмір сторони сегментів розбивки прийнята рівним λ. 0/60. Це певною мірою забезпечило достовірність і коректність отриманих результатів. 3. Результати чисельного моделювання. На кресленнях, які приводяться нижче, проілюстровані, зрівнюються й обговорюються частотні залежності електродинамічних характеристик прототипу антени, що й заявляється. Цифри на всіх кресленнях позначають приналежність відповідних кривих наступним конструктивним варіантам: 1 - планарна кільцева антена (ПКА), прототип; 2 - планарна багатокільцева антена (ПБКА). Особливостями, які характеризують представлені частотні залежності вхідного імпедансу є як положення областей резонансу, так і особливості варіації значень дійсної (фіг. 4) і уявної (фіг. 5) частин вхідного імпедансу. Розглядаючи область частот (0,75 2,2) ГГц неважко зауважити, що на кривих відповідних до прототипу (відзначене цифрою 1) спостерігається чергування областей, у яких ImŻ0, тобто мають місце резонанси "паралельного" і "послідовного" типу, аналогічно резонансам у коливальних контурах. На резонансних частотах максимальне значення дійсної частини вхідного імпедансу (ReŻ) рівно (380….700) Ом, при цьому мінімальні значення рівні (120….200) Ом. Криві, що відображають аналогічні залежності для ПБКА, більш "згладжені", у згаданій області частот є тільки один "паралельний" резонанс де ReŻ380Ом і дві області "послідовного" резонансу в яких ReŻ дорівнює 220 і 300 Ом. Як видно межі варіацій ReŻ для ПМКА в кілька разів менше, ніж спостережувані у випадку ПКА. Наслідком зазначеного фактора є помітно більш широка смуга частот про що свідчать графіки, наведені на фіг. 6 і фіг. 7, побудовані для таких геометричних параметрів: R=0,25λ0; r=0,3R; tR=tr=10 мм; td=2мм;ts=0. Величину оптимального опору навантаження можна змінювати, міняючи радіус малих кілець r або ширину диполя td, або вибрав ts>0, при цьому частотні властивості антени можуть погіршуватися. На графіках частотних залежностей фіг. 6 і фіг. 7 (побудованих при опорі навантаження RH=380 Ом) видне, що для антени, що заявляється (крива 2, фіг. 6) при KCX2 перекриття по частоті (max/min) рівно 3,38. При цьому в смузі частот шириною в 1 ГГц (0,8…1,8) ГГц модуль коефіцієнта відбиття від входу (|s11|) не перевищує 0,15 (крива 2, фіг 7). 2 UA 112920 C2 5 10 15 Для порівняння на цих самих малюнках наведені аналогічні дані для ПКА (крива 1), де можна бачити, що перекриття по частоті в області першого резонансу при KCX2 і опорі навантаження RH=150 Ом дорівнює 1,24. При цьому для ПКАs11 (крива 1, фіг. 7) не перевищує значення 0,15 лише в смузі частот рівної 60 МГц (0,71….0,77) ГГц. Зміну спрямованих властивостей антен можна спостерігати, аналізуючи графіки залежності від частоти коефіцієнта спрямованої дії (КСД) у напрямку нормалі до площини антен (θ=0°), які зображені на фіг. 8. Видне, що в ПБКА максимальний КСД у всій представленій смузі частот перевищує 3 дБ (крива 2, фіг. 8), плавно змінюючись, досягає значення 6,9 дБ. У той же час у ПКА максимальний КСД перевищує 3 дБ тільки в смузі (0,61…1,16) ГГц, досягаючи 4,6 дБ, при цьому різко спадаючи за її межами (крива 1, фіг. 8). Порівняльні дані прототипу та антени, що й заявляється, наведено в табл. 1. Виходячи з даних, наведених на фіг, 4…8 і даних табл. 1 можна зробити висновок, що смуга частот пропонованої конструкції ПБКА (як по вхідному імпедансу, так і за властивостями спрямованості) суттєво перевищує смугу частот прототипу. Таблиця 1 Параметри досліджених моделей Моделі антен Прототип, Ом RH=150 Смуга частот при КСХ 2,ГГц R=,25 λ0, r=0,ЗR Що заявляється t =t =10 мм антена, Rн=380 Ом R r td=2 мм, ts=0 20 25 30 35 40 45 0,55 1,7 R=0,25 λ0,tR=10 мм Смуга частот при КСДЗ дБ, ГГц 0,06 Геометричні параметри 2,0 4. Висновок. Результати наведених досліджень побудовані на коректному чисельному моделюванні дифракційної задачі. Розглянуто електродинамічні характеристики антен у вигляді планарної кільцевої антени (прототип) і планарної багатокільцевої антени, що заявляється, яка додатково містить у собі дві малі планарні кільця та з'єднаний з ними симетричний диполь. Наявність цих додаткових елементів, що мають (у силу відмінності геометричних параметрів) різні частотні властивості, у результаті сприяє досягненню заявлених широкосмугових властивостей. Суттєве розширення робочого діапазону частот обумовлене одночасним впливом наступних причин: - відмінностями характеру зміни вхідного імпедансу й спрямованих властивостей великого кільця, двох малих кілець і вібратора при варіації частоти; - наявністю сильного взаємного зв'язку між вібратором, малими та великим кільцями. Як показали результати чисельного моделювання, антена, що заявляється, не має бічних пелюсток у межах широкого робочого діапазону, а має дві головні пелюстки діаграми спрямованості (ДС). Один з них орієнтований по нормалі до площини антени в прямому напрямку (θ=0), а другий - у зворотному напрямку (θ=180°). При цьому в площині х0у ДС має практично осьову симетрію. Джерела інформації: 1. Потапов А.А, Фракталы, скейлинг и дробные операторы в радиотехнике и электронике: современное состояние и развитие [Электронный ресурс] / А.А. Потапов. - Журнал радиоэлектроники. - № 1, 2010 / - Режим доступа: www. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan10/4; / 2. Balanis С.A. Modern antenna handbook / С. A. Balanis. - John Wiley & Sons, Canada, 2008. 1680 c. 3. Табаков, Д.П. Применение теории сингулярных интегральных уравнений к электродинамическому анализу кольцевых и спиральных структур [Текст]; автореф. дис. к-та физ.-мат. наук: 01.04.03 / Д.П. Табаков; [Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики]. - Самара, 2009. [Электронный ресурс] - Режим доступа: www. URL: http: // www.dissercat.com/content/primenenie-teorii-singulyarnykh-integralnykh-uravneniik-elektrodinamicheskomu-analizu-kolts. 4. Банков С.Е. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. / С.Е. Банков. А.А. Курушин. М.: ЗАО "НПП "Родник", 2008. - 245 с. 3 UA 112920 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Широкосмугова планарна багатокільцева антена у вигляді великого планарного кільця радіусом R, рівним чверті розрахункової довжини хвилі, збуджуваного в одній точці й виконаного з добре провідного матеріалу, яка відрізняється тим, що всередині великого кільця по різні боки від центру розташовано два малих планарних кільця радіусом r=(0,25…0,35) R, всі кільця знаходяться в одній площині та їх діаметри лежать на одній лінії, а зовнішні окружності малих кілець і зовнішня окружність великого кільця сполучені в протилежних точках діаметра великого кільця, а найближчі до центру краї малих кілець сполучені з краями протифазно збуджуваного симетричного планарного диполя, орієнтованого уздовж діаметра великого кільця. 4 UA 112920 C2 5 UA 112920 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6