Низькопрофільна антена

Реферат: UA 93278 U UA 93278 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до антенної техніки. Вона 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. Розвиток бездротових технологій і загальне прагнення до мініатюризації радіоелектронних пристроїв обумовлюють науковий, практичний інтерес і актуальність можливого застосування малорозмірних широкосмугових антенних елементів. Відомі конструкції низькопрофільних антенних елементів - називаних інверсними Lподібними антенами (Inverted L Antennas або ILA) [1, 2]. Профіль такої антени нагадує "перевернену" літеру L. Вони утворені у вигляді дротових або планарних конструкцій, розташовуваних на відносно малій висоті над плоским добре провідним екраном. Така конструкція вибрана прототипом і являє собою монополь збуджуваний з одного краю, при цьому вхідний імпеданс в області першого (нижчого) резонансу малий, а відносна ширина робочої смуги частот, обумовленої за рівнем коефіцієнта стоячої хвилі (KCB2) на вході, становить приблизно (1…2) %, зображена на фіг. 1 а, б. Галуззю застосування таких антен, а також їх багаточисельних модифікацій, є переважно різного роду термінали систем GSM, CDMA, Wifi, Wimax. Основними недоліками таких антен є: вузька смуга робочих частот і мале (одиниці Ом) активний вхідний опір на частоті першого резонансу, оскільки залежність вхідного імпедансу L-антени подібна аналогічної залежності дводротової лінії розімкнутої на кінці. Ця властивість різко обмежує можливість застосування такого антенного елемента в складних антенних системах, наприклад, у багатоелементних антенних решітках. Поставлена задача створення антени з більш широкою смугою робочих частот і великим активним вихідним опором на частоті першого резонансу Технічним вирішенням задачі є пропонована планарна низькопрофільна інверсна С-антена, в якій в порівнянні з прототипом підвищена величина вхідного імпедансу в області нижчого резонансу, що дає можливість використання її не тільки як самостійного антенного пристрою, але і як елемента складних антенних систем, наприклад таких, як антенні решітки. Дослідження, проведені автором, показали, що антенний елемент, профіль якого можна інтерпретувати, як інверсну ("перевернену") літеру С, і тому називаний нами як інверсна Сподібна антена (Inverted C Antenna або IСА, фіг. 2 а) або її конструктивний варіант - планарна інверсна С-подібна антена (Planar Inverted С Antenna або PICA, фіг. 2, б). Це антена в певному понятті "схожа" на ILA, - вона має вигляд монополя, збуджуваного з одного кінця, але, на відміну від ILA, у конструкції ІСА (або PICA) другий кінець монополя замкнутий на екран (фіг. 2 а, б). Як показали результати досліджень, проведених автором, що приводяться нижче, інверсна С-подібна антена має певні переваги в порівнянні з ILA. У цьому варіанті конструкції вхідний імпеданс антени має частотну залежність, подібну аналогічній залежності дводротової лінії, замкненої на кінці. З теорії спрямованих систем [3] відомо, що в такій лінії (і, відповідно, в інверсній С-антені) значення вхідного імпедансу на частоті першого резонансу буде максимальним. Конструкція низькопрофільної антени, аналогічної ІСА, дотепер не була запропонована, а її характеристики, що свідчать про її переваги в порівнянні із прототипом, не досліджені. З метою визначення переваг пропонованої корисної моделі була проведена низка досліджень, заснованих на порівнянні характеристик планарних випромінюючих елементів типу ILA і ІСА шляхом комп'ютерного моделювання й у середовищі комплексу програм FEKO [4]. Геометрія досліджуваних антенних елементів. У всіх досліджених конструктивних варіантах випромінювач являє собою горизонтальний планарний несиметричний вібратор (монополь), розташовуваний на висоті h над екраном і орієнтований паралельно йому. Геометрична конфігурація розглянутих антенних елементів визначається профілем планарного монополя, який може мати вигляд "переверненої" букви L (Inverted L Antenna або ILA, фіг. 1 а) або "переверненої" букви С (Inverted C Antenna або ІСА, фіг. 2 а). У всіх перелічених моделях антен плоска горизонтальна частина вібратора паралельна площині кругового провідного екрана радіусом 0,375 λ0 (фіг. 1 б і фіг. 2 б.), при цьому довжина цієї горизонтальної частини l=0,25λ0, поперечний розмір t=30 мм (тут і далі λ0 - розрахункова довжина хвилі, відповідна до частоти 1 ГГц). Для поліпшення узгодження вхідного імпедансу вібратора з навантаженням, перехід від горизонтальної частинимонополя до джерела живлення зроблений у вигляді трапеції, верхня сторона якої рівна t, а нижня сторона рівна 1 мм. Збудження вібратора в такій конструкції здійснюється з однієї (у цьому випадку - правої) сторони так, як показано на фіг. 1 а та 2 а. 1 UA 93278 U 5 10 15 20 25 30 35 40 У запропонованому варіанті ІСА лівий край випромінювача зчленований з екраном. Усі елементи розглянутих у даній роботі комп'ютерних моделей антен мають електричні 7 властивості добре провідного матеріалу (σ=10 З/м) товщиною 0,5 мм. Методика дослідження, результати, що приводяться нижче, розрахунків електродинамічних характеристик низькопрофільних планарних антен засновані на електродинамічному моделюванні в середовищі комп'ютерних програм FEKO. При цьому в кожному випадку вирішувалася задача визначення амплітудно-фазового розподілу (АФР) струмів на поверхні антенних елементів у заданій смузі частот і при різних значеннях висоти монополя над екраном (параметра h). Знайдене АФР струмів дозволило далі, шляхом чисельного інтегрування, розрахувати необхідні характеристики випромінювання. У розрахунковому модулі FEKO для вирішення 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 в певній мірі забезпечує коректність одержуваного рішення. У даному дослідженні розмір сторони трикутних сегментів обраний рівним λ0/50. Результати чисельного моделювання. На кресленнях, що наводяться нижче, проілюстровані частотні залежності електродинамічних характеристик (які далі обговорюються) антен, причому цифри на всіх графіках позначають належність відповідних кривих таким конструктивним варіантам: 1 - інверсна С - Антена (Inverted L Antenna, ICA); 2 - інверсна L - Антена (Inverted С Antenna, ILA). Розглянемо спочатку частотні залежності вхідного імпедансу, розраховані для випромінюючих елементів типу ILA і ІСА при h=6 мм, які представлені на фіг. 3, а, б (h=6 мм) і фіг. 4, а, б (h=10 мм). Для того, щоб детальніше розглянути низькочастотну область криві на цих двох фігурах побудовані для випадку, коли частота збудження варіювалася в межах від 0,2 до 1,0 Ггц. Характерними рисами представлених залежностей є, як положення областей резонансу (де ImŻ0), так і значення дійсної частини вхідного імпедансу (ReŻ) у них. Відразу можна відзначити, що частоти перших (нижчих) резонансів лежать нижче 1 ГГц, оскільки сумарна довжина (горизонтальної й вертикальної частин) кожного монополя перевищує 0,25λ 0, а самі вони відносно широкі (t/l=0,4) При цьому перший (низькочастотний) резонанс для ILA - послідовного типу й тут величина ReŻ становить одиниці Ом, тоді як для ІСА - це резонанс паралельного типу й тут ReŻ - тисячі Ом. Інша закономірність спостерігається, якщо порівняти характеристики антен при різних значеннях висоти вібраторів над екраном. При відносно малій висоті вібратора над екраном рівної 0,02λ 0 (h=6 мм) спостерігаються більш різкі зміни дійсної (ReŻ) й уявної (ImŻ) частин вхідного імпедансу (фіг. 3 а, б) у резонансних областях, ніж аналогічні зміни при збільшенні висоти до 0,033λ 0 (h=10 мм), як це видне на фіг. 4 а, б. Цим висотам відповідають різні значення ReŻ в максимумі. Так, наприклад, в області першого резонансу їх значення рівні для ІСА 2,87 кОм (при h=6 мм) або 1,65 кОм (при h=10 мм), а для ILA - близько 0,375 і 0,72 Ом. Значення резонансної частоти й дійсної частини вхідного імпедансу Rвx=ReŻ при різній висоті вібратора над екраном наведені в табл. 45 Таблиця Параметри ILA і ІСА при різній відстані від вібратора до екрана Конструкція антени ILA ІСА 50 f01, ГГц h=6 мм 0,786 0,74 Rвx, Ом h=10 мм 0,77 0,68 h=6 мм 0,375 2870 h=10 мм 0,72 1650 Збільшення висоти монополя над екраном приводить до зниження добротності антен, одночасно із цим резонансні області зміщаються в область більш низьких частот. Останній ефект обумовлений тим, що зі збільшенням висоти над екраном зростає сумарна довжина планарного випромінювача, причому цей фактор сильніше виражений для ІСА. Положення області першого (нижчого) резонансу може бути визначене з наступних співвідношень l+hλ/4 (для ILA) і l+2hλ/4 (для ІСА). 2 UA 93278 U 5 10 15 20 25 30 На цей же факт вказують і залежності коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) на вході антен від частоти, наведені на фіг. 5 а й фіг. 5 б. Ці графіки побудовані для випадку, коли опір навантаження був чисто активним і рівним активної частини вхідного імпедансу антен на обраній резонансній частоті. Порівнюючи графіки залежності коефіцієнтастоячої хвилі від частоти, зображені на фіг. 5 а (h=6 мм) і фіг. 5 б (h=10 мм), також можна помітити, що збільшення висоти вібратора над екраном приводить до зниження резонансної частоти й при зменшенні висоти смуга частот (де КСХ