8 Planar antennas in ANSYS Designer

1

8

Planar antennas in ANSYS Designer


ANSYS Designer is a program that integrates modules for the numeric analysis of planar structures by the moment method, for simulating the operation of high-frequency circuits, and for modeling communication devices at a system level. Thanks to those abilities, single components of communication systems can be created, can be joined together, and the functionality of the device in its whole can be verified. Let us concentrate to the modeling of patch antennas fed by a coaxial probe; the microstrip feeding is discussed later on. In the first step, a planar component design has to be inserted into an empty project (see Fig. 9.1). Selecting the menu item Insert Planar EM Component in the sub-menu Project, a dialog for selecting substrates for microstrip transmission lines (MS), for slot lines (SL), for single-sided structures (PCB – Single Sided) and double-sided ones (PCB – Double Sided) is opened. Creating our antenna model, the substrate duroid 5880 is used (see Fig. 9.1).

Fig. 9.1 The main window of the program ANSYS Designer. If some of the parameters are going to be changed, the item Layers in the sub-menu Layout has to be selected, and in the appearing dialog, the fold Stackup has to be activated. Fig. 9.2 shows the increase of the height of the substrate from the original value 0.01 inch to 1.6 mm.

Fig. 9.2 The dialog for setting parameters of the substrate.

Planární antény v ANSYS designeru

8

2

Planární antény v ANSYS Designeru

ANSYS Designer je program, který v sobě integruje moduly pro numerickou analýzu planárních struktur momentovou metodou, pro simulování funkce vysokofrekvenčních obvodů a pro modelování komunikačních zařízení na systémové úrovni. Díky těmto schopnostem můžeme v programu vytvořit modely jednotlivých komponentů komunikačního řetězce, můžeme je složit dohromady a ověřit tak činnost celého zařízení. Nejprve si popíšeme, jakým způsobem lze v programu ANSYS Designer modelovat flíčkovou anténu s koaxiálním napájením, poté stručně zmíníme rozdíly při modelování antény s mikropáskovým napáječem. Prvním krokem, který musíme po spuštění programu vykonat, je vložit do prázdného projektu návrh planárního komponentu (viz obr. 9.1). Výběrem položky Insert Planar EM Design v submenu Project otevřeme dialog s nabídkou substrátů pro mikropásková vedení (MS), substrátů pro štěrbinová vedení (SL) a dále substrátů pro jednostranné (PCB – Single Sided) nebo oboustranné plošné spoje (PCB – Double Sided). Při vytváření modelu planární antény vybereme substrát duroid 5880 (viz obr. 9.1).

Obr. 9.1 Hlavní okno programu ANSYS Designer. Pokud chceme některý z parametrů substrátu upravit, vybereme ze submenu Layout položku Layers, a v dialogu, který se objeví, přejdeme na záložku Stackup. Na obr. 9.2 je naznačeno zvýšení výšky substrátu z původní setiny palce (0.01 inch na obr. 4.20) na 1,6 mm.

Obr. 9.2 Dialog pro úpravu parametrů substrátu.

3


The back side of the substrate is covered by a copper layer of the thickness 0 milliinches (mil). Both the lower side of the copper layer (lower elevation) and the upper one (upper elevation) are given (thanks to the zero thickness) by the vertical coordinate 0 mil. The substrate is 1.6 mm thick; the lower side of the substrate is on the level of the lower copper layer (0 mm), and the upper side of the substrate is for 1.6 mm (the substrate thickness) higher. Setting of the parameters of the upper copper layer, which is used for etching the antenna element, is obvious. Default electromagnetic parameters of the substrate and the copper can be changed if a button in the column Material is clicked in the respective row. When the substrate of the antenna is in detail specified, the antenna layout can be drawn in the graphical editor (choosing Draw / Primitive / Rectangle in the menu, or choosing the icon containing a rectangle in the toolbar). The drawing can be performed using a mouse (clicking at the position of the upper left corner of the patch, moving the mouse to the position of the lower right corner of the patch, and clicking there) or using a keyboard (the x-coordinate and the y-coordinate of the upper left corner are typed to the input lines at the bottom of the main window of the Designer, typing is confirmed by pressing the key Enter, and the width and the height of the patch are typed to the input lines DeltaX and DeltaY, confirming by Enter). If the antenna is excited by a coaxial probe, a circular gap in the antenna, which is used for connecting the probe and the antenna element, has to be drawn. A tool for drawing a circle is the part of the same toolbar like a tool for drawing a rectangle. In order to convert the drawn circle into a hole in the substrate, where the coaxial probe is placed, the icon Model has to be entered in the left-hand window, and Vias have to be clicked by the right mouse button: an item Add Via is selected then, and consequently, the circle on the patch is clicked. That way, the coaxial probe is created. In the next step, parameters of the coaxial probe have to be set. The item LayoutVia1 is clicked by the right mouse button in the left-hand window, and the item Properties is selected. On the fold Upper Layer, the Excitation is set to no load (no load connected to the probe at the upper side of the substrate). On the fold Lower Layer, the Excitation is set to coaxial excitation (the antenna is excited by a coaxial probe). This moment, the analyzed antenna is fully specified, and therefore, parameters of the analysis can be set. The icon Analysis in the left-hand window has to be clicked by the right mouse button, and the item Add Solution Setup has to be selected. In the appearing dialog, the central frequency of the analysis has to be given; this information is used for a proper generation of the discretization mesh of the numerical analysis; advanced meshing is not accessible in the students’ version of the Designer. Finishing this step, an icon Setup1 appears in the lefthand window as a part of the Analysis. In the next step, the interval of the analysis has to be specified: the icon Setup1 in the left-hand window is clicked by the right mouse button; and the item Add Frequency Sweep is selected. A dialog for typing the frequency sweep contains standard settings (Fig. 9.3). The pre-defined sweep in a box Sweep Description is clicked bringing the sweep parameters to input lines in the lower-left part of the dialog. In case the antenna is analyzed at a single frequency, the radio button Single Value is selected. If the antenna is going to be analyzed in a prescribed frequency interval with a given frequency step, the radio button Linear Step should be chosen. If the prescribed frequency interval should be divided into a given number of frequency steps, Linear Count is clicked.


4

Dolní plocha substrátu je potažena měděnou fólií (copper) o tloušťce (Thickness) 0 milipalců (mil). Jak dolní plocha měděné fólie (Lower Elevation) tak její horní plocha (Upper Elevation) mají díky nulové tloušťce svislou souřadnici 0 mil. Substrát má tloušťku 1,6 mm, dolní plocha je na úrovni dolní fólie (0 mm) a horní plocha je zvýšena o 1,6 mm. Situace u horní měděné fólie, z níž vytváříme anténní prvek, je zřejmá. Přednastavené elektromagnetické parametry substrátu a mědi lze měnit, stiskneme-li na příslušném řádku tabulky tlačítko ve sloupci Material. Nyní máme detailně zadán substrát, z nějž bude anténa vyrobena. V dalším kroku tedy vykreslíme do grafického editoru motiv anténního prvku (vybereme Draw / Primitive / Rectangle z menu nebo ikonu s obdélníkem na liště). Vykreslovat můžeme myší (klikneme na pozici levého horního rohu flíčku, posuneme myš na pozici pravého dolního rohu a kliknutí zopakujeme) nebo zadáváním souřadnic rohů flíčku z klávesnice (vyplníme x-sovou a y-ovou souřadnici levého horního rohu v řádcích na spodní liště hlavního okna Designeru, potvrdíme stiskem klávesy Enter, a vyplníme vodorovný a svislý rozměr flíčku v aktivovaných řádcích Delta X a Delta Y, potvrdíme stiskem klávesy Enter). U antény napájené koaxiální sondou následně vykreslíme kružnici, kterou tato sonda povede k anténnímu prvku (kreslení kružnice nalezneme ve stejném submenu jako kreslení obdélníka). Aby se z kružnice stala díra v substrátu, kterou koaxiální sonda povede, musíme v levém okénku se strukturou projektu vstoupit do položky Model a pravým tlačítkem myši kliknout na položku Vias: z menu vybereme Add Via a následně klikneme na motiv kruhového otvoru v anténním prvku. Tím je koaxiální napájecí sonda vytvořena. Následně je třeba nastavit parametry koaxiální sondy. Klikneme tedy pravým tlačítkem myši na LayoutVia1 v levém okénku projektu, a z menu vybereme položku Properties. Na záložce Upper Layer nastavíme Excitation na no load (v úrovni horní strany substrátu není k sondě připojena žádná zátěž) a na záložce Lower Layer nastavíme tutéž položku na coaxial excitation (tím říkáme, anténní prvek je buzen koaxiální sondou). V tuto chvíli je analyzovaná anténa plně zadána, takže zbývá určit parametry analýzy. V levém okénku klikneme pravým tlačítkem myši na ikonu Analysis a vybereme Add Solution Setup. V dialogu, který se objeví, zadáme střední kmitočet analýzy (pro něj se vytvoří diskretizační síť numerické analýzy). Pokročilé možnosti tvorby sítě (např. adaptivní síť) nejsou ve studentské verzi dostupné. Po tomto kroku se v levém okénku s projektem objeví žlutá ikona Setup1, která je podřazená ikoně Analysis. V následném kroku zadáme kmitočtový interval, v němž má být anténa analyzována: klikneme pravým tlačítkem myši v levém okénku projektu na ikoně Setup1 a vybereme Add Frequency Sweep. Při otevření dialogu pro zadání kmitočtového rozmítání se objeví standardní nastavení z obr. 9.3. Nejprve klikneme na předdefinované rozmítání v okénku Sweep Description, čímž jeho parametry přeneseme do editačních řádků v levé dolní části dialogu. Analyzujeme-li anténu na jediném kmitočtu, vybíráme možnost Single Value. Chceme-li anténu analyzovat v daném rozmezí kmitočtů s přesně daným kmitočtovým krokem, volíme Linear Step. Analyzujeme-li anténu v daném intervalu, který má být rozdělen na daný počet kmitočtových kroků, zadáme Linear Count.

5


This moment, the analysis can be run. Before that, the validation of all the settings is recommended (from the submenu Planar EM, the item Validation Check is selected). In case of an error, the checker describes the cause of the incorrectness.

Fig. 9.3 The dialog for setting the frequency sweep. The analysis can be run by selecting the menu item Planar EM / Analyze or by clicking the icon Analyze in the left-hand window by the right mouse button. Using the students’ version of the Designer, the analyzed structure sometimes does not meet limits (is too large). When the antenna is successfully analyzed, results can be visualized. Clicking the icon Results in the left-hand window and choosing Create Report, we can select the type of the chart (Cartesian, polar, Smith’s), the quantities to be drawn and the units used. The selection is confirmed by pressing the button Add Trace, which copies the specified trace into the gray box at the top of the dialog (Fig. 9.4). The dialog can be closed by pressing the button Done.

Fig. 9.4 The dialog for creating the graphical output.


6

Nyní je vše připraveno ke spuštění analýzy. Nejprve je však dobré zkontrolovat, zda jsou veškerá nastavení v pořádku (z menu Planar EM vyberme položku Validation Check). V případě chyby nás kontrola upozorní, v čem jsme se dopustili nekorektnosti.

Obr. 9.3 Dialog pro nastavení rozmítání. Analýzu spustíme výběrem položky menu Planar EM / Analyze nebo klikneme pravým tlačítkem myši na ikonu Analysis v levém okénku projektu a vybereme Analyze. U studentské verze se občas stává, že analyzovaná struktura nevyhoví omezením (je příliš velká). Po úspěšném ukončení analýzy vykreslíme výsledky. Z menu vybíráme Planar EM / Results / Create Report (nebo totéž přes ikonku Results v levém okénku projektu). V prvním dialogu zvolíme typ grafu (kartézský, polární, Smithův, atd.), v následně otevřeném dialogu vybíráme veličinu a jednotky, v nichž má být tato veličina vynesena do grafu (skupinu veličin vybíráme v seznamu Category, konkrétní veličinu v seznamu Quantity a jednotky v seznamu Function). Svůj výběr potvrdíme stiskem tlačítka Add Trace (viz obr. 9.4).

Obr. 9.4 Dialog pro sestavování grafického výstupu.

7


The main window of ANSYS Designer in the moment of finishing the analysis of the patch antenna 40 mm long and 30 mm wide, which is fabricated from the substrate of the dielectric constant r = 2.2, height h = 1.6 mm and losses tan  = 9  10-4, and which is fed by a coaxial probe shifted vertically for 10 mm from the patch center, is depicted in Fig. 9.5. On the left, a project window containing the model specification, settings of the excitation, the analysis and the visualization can be seen. In the upper central part of the main window, a three-dimensional view of the antenna is shown (a plug of the coaxial probe is visible, the ground plane is not depicted); the picture is created by selecting the menu item Planar EM / 3D Viewer and is managed by the right mouse button. The content of the graphical editor used for drawing the analyzed antenna is shown in the upper right part of the main window.

Fig. 9.5 The main window of ANSYS Designer containing results of the analysis, of the patch antenna fed by a coaxial probe. In the lower part of the window, results of the analysis are shown. The frequency response of the reflection coefficient is depicted in blue, the standing wave ratio in red. Obviously, the antenna is tuned for the frequency 2.48 GHz, but impedance matching is missing. Impedance matching can be improved by moving the position of the excitation point in the vertical direction (moving the excitation point for 5 mm towards the patch center, standing wave ratio falls below 2 dB). Now, let us concentrate on feeding the antenna by a microstrip line: 

When specifying the antenna model, pro procedure of composing the substrate stays the same. The procedure of drawing the antenna is slightly different.


8

Stav hlavního okna ANSYS Designeru po ukončení analýzy flíčkové antény o délce 40 mm a šířce 30 mm, která je vyrobena ze substrátu s relativní permitivitou r = 2,2, výškou h = 1,6 milimetrů a ztrátovým úhlem tg  = 9  10-4, a která má koaxiální sondu umístěnu ve vertikálním směru 10 mm od středu flíčku, je vykreslen na obr. 9.5. Zcela vlevo se nachází okno projektu se specifikací modelu, buzení, analýzy a zobrazování výsledků. Uprostřed nahoře je zobrazen trojrozměrný pohled na analyzovanou anténu bez pokovené zemní desky a s šedým kolíčkem koaxiálního buzení (zobrazíme pomocí položky menu Planar EM / 3D Viewer, menu k ovládání 3D zobrazení otevřeme pravým tlačítkem myši). Obsah grafického editoru, do něhož jsme motiv antény vykreslovali, se nachází vpravo nahoře.

Obr. 9.5 Hlavní okno ANSOFT Designeru s výsledky analýzy flíčkové antény, napájené koaxiální sondou. Dolní okno obsahuje grafický výstup analýzy – červeně je vykreslen kmitočtový průběh poměru stojatých vln, modře průběh činitele odrazu. Z průběhů je zřejmé, že anténa je naladěna na kmitočet 2,48 GHz, avšak není impedančně přizpůsobena. Impedanční přizpůsobení lze zlepšit posunem napájecího portu ve svislém směru (posuneme-li napájení 5 mm směrem ke středu flíčku, klesne poměr stojatých vln pod 2 dB). Nyní si vysvětlíme, jaké změny v uvedeném postupu musíme učinit, pokud chceme modelovat flíčkovou anténu s mikropáskovým napájením: 

Při definování modelu zůstává beze změny sestavení dielektrické substrátu, lišit se bude vykreslování motivu antény.

9


In the drawing module, the patch is created first. Then, a rectangle representing the microstrip feeder is drawn. Both the patch and the feeder are selected by a mouse (they become red), and clicking Merge Polygons / Union in the submenu Layout, the rectangles are joined into a single object. Now, the rectangles representing the notches at both sides of the microstrip feeder are drawn. Then, the patch is clicked, the key Ctrl is pressed and the notches are clicked also. Selecting the menu item Layout / Merge Polygons / Subtract, the notches are removed from the antenna structure. 

In the toolbar of the ANSOFT Designer, the icon Select Edges is clicked, and then, the input edge of the feeding microstrip is clicked also. In the left-hand window, the icon Excitations is clicked by the right mouse button; and the item Add Port is selected. That way, the input edge becomes the input port of the antenna.



Other steps of the analysis stay unchanged.

Fig. 9.6 shows the main window of the Designer after finishing the analysis of the same patch antenna like in the previous example for the coaxial feeder replaced by the microstrip one. The microstrip feeder is 4 mm wide; the notch is 0.5 mm wide and 15 mm long.

Fig. 9.6 The main window of ANSOFT Designer containing results of the analysis of the patch antenna fed by a microstrip transmission line.


10

V kreslicím modulu nejprve vykreslíme flíček (stejný postup jako v předešlém). Poté vykreslíme obdélník, který odpovídá napájecímu mikropásku. Dále flíček a na napáječ vybereme myší (vybrané objekty zčervenají) a ze submenu Layout vybereme položku Merge Polygons / Union, čímž obě kovové části spojíme do jediného objektu. Následně vykreslíme obdélníky odpovídající štěrbinám po stranách napájecího mikropásku. Nejprve klikneme na flíček, poté klikneme se stisknutou klávesou Ctrl na obdélník odpovídající štěrbině, následně vybereme z menu Layout / Merge Polygons / Subtract, čímž dojde k odečtení obdélníka odpovídajícího štěrbině od anténního flíčku. 

Na liště nástrojů hlavního okna ANSYS Designeru vybereme ikonu Select Edges (třetí zleva na spodním řádku) a klikneme na vstupní hranu napájecího mikropásku. Poté v levém okénku projektu klikneme pravým tlačítkem myši na ikonu Excitations a vybereme Add Port. Tím se stává vstupní hrana napájecího mikropásku vstupním portem naší antény.



Všechny ostatní kroky analýzy zůstávají beze změny.

Na obr. 9.6 je nakresleno hlavní okno ANSYS Designeru s výsledky analýzy téhož flíčku jako v předešlém, u nějž bylo napájení koaxiální sondou nahrazeno napájením mikropáskovým vedením. Šířka napájecího mikropásku je 4 mm, šířka štěrbiny je 0,5 mm a její délka se rovná 15 mm.

Obr. 9.6 Hlavní okno ANSOFT Designeru s výsledky analýzy flíčkové antény, napájené mikropáskovým vedením.

8 Planar antennas in ANSYS Designer

Recommend Documents