Двокільцева планарна антена

Реферат: UA 115560 U UA 115560 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до антенної техніки. З метою покращення конструктивних та спрямованих властивостей може бути використана в області радіозв'язку як елемент антенних систем сантиметрових та дециметрових діапазонів хвиль. Науковий інтерес та актуальність застосування таких антенних елементів визначаються розвитком сучасних бездротових технологій та пов'язаною з ним мініатюризацією радіоелектронних пристроїв. Відома антена [1, 2] у вигляді кільцевого монополя, розташованого над плоским екраном, що добре проводить. Монополь має вигляд великого планарного кільця та декількох однакових малих планарних кілець, вписаних в його внутрішню область. При цьому плоскість, в якій лежать всі кільця, орієнтована перпендикулярно екрану (фіг. 1), а пристрій живлення монополя (штир з джерелом збудження) розміщено між екраном та найближчою до нього точкою великого кільця. Ця антена вибрана як прототип. До головного недоліку можна віднести наявність в ній екрана, мінімальні розміри якого повинні принаймні складати декілька довжин хвиль. Це ускладнює таку конструкцію та збільшує металоємкість. Крім того, наявність екрана призводить до асиметрії та спотворенню форми діаграми спрямованості, особливо в тій області простору, яка затінюється екраном. Поставлена задача усунення зазначених недоліків, що реалізується шляхом зміни конструкції антени. Технічним рішенням цієї задачі є усунення екрана і застосування в конструкції заявлюваної антени тільки двох кілець, причому пристрій живлення розташовано в області мінімальної відстані між ними. Заявлювана антена (фіг. 2) являє собою монополь, утворений з двох компланарних плоских тонких (товщиною 0,5…1 мм) кілець, що проводять (зовнішнього та внутрішнього), шириною d=0,5…3 мм кожне. Центр внутрішнього кільця зміщено відносно центра зовнішнього так, що мінімальна відстань δ між ними складає 1…3 мм. Радіус зовнішньої окружності великого кільця приблизно дорівнює 0,25λ0, (де λ0 розрахункова довжина хвилі), а радіус малого кільця R2=τR1, (де τ - масштабний коефіцієнт, вибираний в межах 0,5…0,7). Оскільки екран відсутній, то пристрій живлення включено в тому місті, де відстань між кільцями мінімальна. Областю використання таких антен, а також їх можливих модифікацій, можуть бути термінали систем GSM, CDMA, WCDMA, Wi-Fi, WIMAX, також вони можуть використовуватись як приймальні антени (зонди) в пристроях, призначених для вимірювання напруженості електромагнітних полів. До теперішнього часу конструкція розглянутої антени ніким не була запропонована, а електродинамічні характеристики, що свідчать про її властивості, не досліджувались. Для відзначення переваг заявлюваної антени, проведено декілька розрахунків, заснованих на комп'ютерному моделюванні в середовищі комп'ютерного комплексу програм FEKO [3], аналізі отриманих результатів та порівнянні їх з аналогічними характеристиками прототипу. 1. Геометрія моделей антен. Вибраний для порівняння з заявлюваною антеною, прототип це кільцевий монополь, утворений з декількох малих компланарних кілець шириною d0,4 мм, вписаних у внутрішню область великого кільця. Площина, в якій лежать кільця, перпендикулярна екрану, відстань між нижнім краєм великого кільця та екраном t=0,7 мм. Лінія живлення включена між екраном та найближчим до нього краєм великого кільця. Модель двокільцевої заявлюваної антени створена з двох копланарних кілець: великого зовнішнього та малого внутрішнього. Мале кільце зміщено відносно великого так, що мінімальна відстань δ між краями зовнішнього та внутрішнього кілець дорівнює 2 мм. При цьому джерело живлення за допомогою тонкого провідника (штиря) з'єднане з кільцями в тому місці, де відстань між ними мінімальна. Ширина кілець вибрана рівною 2 мм, радіус зовнішньої окружності великого кільця R10,25λ0 (λ0 - розрахункова довжина хвилі, відповідна частоті 2 ГГц), а радіус малого кільця R2=0,6R1 (масштабний коефіцієнт τ=0,6). 2. Методика дослідження. Представлені далі результати дослідження електродинамічних характеристик моделей заявлюваної антени та прототипу засновані на чисельному моделюванні в середовищі програмного комплексу FEKO. При розв'язуванні дифракційної задачі в розрахунковому модулі цього програмного комплексу використовується метод моментів, основою якого є подання усіх плоских поверхонь в вигляді сукупності трикутних сегментів. У підсумку задача зводиться до чисельного рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь. У наведених тут розрахунках розмір сторони згаданих сегментів прийнятий рівним 1 UA 115560 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 λ0/100, що забезпечило достовірність і коректність отриманих результатів у тому числі і на верхній межі вибраного частотного діапазону. При цьому для кожної моделі (заявлюваної антени та прототипу) вирішувалась задача знаходження амплітудно-фазового розподілу (АФР), щільності струмів на поверхні антени. На основі знайденого АФР струмів шляхом чисельного інтегрування виконувалися розрахунки частотних залежностей таких характеристик як вхідний імпеданс, коефіцієнт стоячої хвилі на вході. Для порівняння спрямованих властивостей розраховувався розподіл амплітуд поля в далекій зоні, визначалася частотна залежність коефіцієнта спрямованої дії (КСД), були побудовані діаграми спрямованості на резонансній частоті. Розрахунки всіх параметрів виконувалися на дискретних частотах, рівномірно розподілених в діапазоні від 0,5 до 3,5 ГГц з інтервалом 10 МГц. Вибраний частотний діапазон, зокрема, охоплює смуги частот, відповідні стандартам GSM, Wi-Fi та WiMAX. Попередньо були проведені пробні числові розрахунки при різних значеннях масштабного коефіцієнта, що дозволяє, з одного боку - оцінити достовірність отриманих результатів, а з іншого боку - вибрати найбільш прийнятні геометричні параметри і отримати інформативні результати. В результаті для демонстрації переваг двокільцевої планарної заявлюваної антени, в даному описі представлені характеристики при масштабному коефіцієнті τ=0,6. 3. Результати чисельного моделювання. На наведених далі рисунках представлені частотні залежності електродинамічних характеристик заявлюваної антени і, для порівняння, аналогічні залежності характеристик прототипу. Цифри на всіх рисунках позначають належність відповідних кривих таким моделям: 1 - двокільцева планарна антена (ДПА). 2 - фрактальний кільцевий монополь (ФКМ), прототип. Особливості, які характеризують частотні залежності вхідного імпедансу, є частоти на яких ImŻ0 (резонансні частоти) та варіації значень дійсної (фіг. 3) та уявної (фіг. 4) частин вхідного імпедансу. Для частотних залежностей вхідного імпедансу характерно чергування областей, в яких ImŻ0, де мають місце резонанси "паралельного" і "послідовного" типу, аналогічні резонансам в коливальних контурах. Криві (фіг. 3), відображають подібні залежності, і для заявлюваної антени (цифра 1), крива в області частот (1,5≤f≤2,8)ГГц "згладжена". Причому значення дійсної частини вхідного імпедансу при резонансі "послідовного" типу (f=1,84 ГГц, ReŻ115 Ом) та "паралельного" типу (f=2,25 ГГц, ReŻ=200 Ом) мало відрізняються. Така особливість зміни дійсної частини вхідного імпедансу в області частот, що розглядається, сприяє розширенню смуги частот, про що можна судити, розглянувши графік частотної залежності КСХ, наведений на фіг. 5. При побудові цих графіків величина активного опору навантаження вибрана для заявлюваної антени, рівною 180 Ом, а для прототипу дорівнює 50 Ом. Область частот, при якій КСХ≤2 укладена в межах 1,4…2,83 ГГц. Перекриття по частоті (fmах/fmіn) складає 2,02. У прототипу перекриття по частоті декілька більше і складає близько 2,4. Спрямовані властивості антен можна проаналізувати, розглянувши графіки залежностей коефіцієнта спрямованої дії (КСД) від частоти в напрямку нормалі до площини антени, що зображені на фіг. 6. КСД заявлюваної антени, перевищує 2,4 дБ в області (0,5…2,56 ГГц) (крива 1, фіг. 6) плавно зростає, досягаючи максимального значення 4,26 дБ, у той час як КСД прототипу в смузі 0,5…2,4 ГГц коливається починаючи з 1,6 дБ, досягаючи максимуму в 3,2 дБ на частоті 2,16 ГГц (крива 2, фіг. 6). На частотах, які лежать вище 2,7 ГГц властивості спрямованості, як прототипу, так і заявлюваної антени слабо виражені. На фіг. 7 і фіг. 8 представлені діаграми спрямованості прототипу заявлюваної антени в площині x0z при "послідовному" (фіг. 7) або "паралельному" (фіг. 8) резонансах в області 1,5…2,8 ГГц. Порівняння їх показує, що діаграма спрямованості заявлюваної антени, на відміну від прототипу, симетрична та її головний пелюсток орієнтований строго по нормалі до площини антени. З даних, наведених на фіг. 6-8 слідує, що в порівнянні з прототипом, заявлювана антена має більш високий КСД та симетричну діаграму спрямованості. 4. Висновки. Результати наведених розрахунків, заснованих на чисельному рішенні дифракційної задачі, дозволяють зробити обґрунтований висновок про переваги і недоліки заявлюваної антени. 2 UA 115560 U 5 10 15 Основна перевага заявлюваної антени представлена конструктивним рішенням, а саме: усуненням екрана, що проводить, розміром в декілька довжин хвиль, а також двокільцевою схемою побудови випромінюючої частини. Всі елементи такої антени лежать в одній площині, та її максимальний розмір становить лише половину робочої довжини хвилі. Отже, таке рішення дозволяє істотно зменшити габаритні розміри заявлюваної антени, в порівнянні з прототипом, та знижує металоємність конструкції. При цьому забезпечується можливість живлення заявлюваної антени несиметричним фідером (наприклад, коаксіальної лінією). Проведений аналіз і порівняння електродинамічних характеристик заявлюваної антени та прототипу показав, що, поряд з конструктивною перевагою, заявлена конструкція дає можливість поліпшити симетрію пелюсток діаграми спрямованості в робочому діапазоні частот. 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. - 2010. - № 1. - Режим доступа: www. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan 10/4/ 2. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. / А.А. Потапов - М: Университетская книга. 2005. 3. Банков С.Е. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. / С.Е. Банков, А.А. Курушин. М.: ЗАО "НПП "Родник", 2008. - 245 с. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Планарна антена, що виконана в вигляді монополя, створеного декількома компланарними малими кільцями, які дотичні між собою, вписані у внутрішню область великого кільця та орієнтовані перпендикулярно по відношенню до плоского екрана, лінія живлення з'єднує цей екран з ближчим до нього краєм великого кільця, яка відрізняється тим, що монополь створено з двох не дотичних між собою кілець, при цьому радіус зовнішньої окружності малого кільця R2=R1, масштабний коефіцієнт =0,5…0,7, причому центр малого кільця зміщено відносно центра великого кільця так, що мінімальна відстань між кільцями дорівнює їх ширині, несиметрична лінія живлення з'єднує краї кілець в області мінімальної відстані між ними. 3 UA 115560 U 4 UA 115560 U 5 UA 115560 U 6 UA 115560 U Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 7