Rok / Year: 2012
Svazek / Volume: 14
Číslo / Issue: 3
Dvoupásmová šroubovicová anténa pro WiFi pásmo DualL-Band Helix Antenna for WiFi Band Michal Šrajbr, Kamil Pítra
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Abstrakt: Tento článek popisuje návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Článek se zaměřuje na možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény. Nejvhodnějším řešením dvoupásmové antény pro WiFipásma byla vybrána anténa s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato anténa byla navržena a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byly simulace porovnány s naměřenými hodnotami.
Abstract: This article describes the design of dual-band helical antenna for WiFi 2.4 GHz and 5 GHz. The article focuses on the possibility of creating a dual-band helical antenna. The best solution for dual band antennas WiFi band was selected antenna with different thread pitch angles. This antenna has been designed and optimized in the CST MWS. In conclusion, simulations were compared with measured values. The simulation of this antenna was performed in the program CST Microwave studio.
2012/41 – 22. 6. 2012
Dvoupásmová šroubovicová anténa pro WiFi pásmo Michal Šrajbr, Kamil Pítra Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: {xsrajb00, xpitra01}@stud.feec.vutbr.cz
Abstrakt – Tento článek popisuje návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Článek se zaměřuje na možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény. Nejvhodnějším řešením dvoupásmové antény pro WiFi pásma byla vybrána anténa s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato anténa byla navržena a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byly simulace porovnány s naměřenými hodnotami.
Obrázek 1a zobrazuje numerický model vytvořený v programu CST MWS a vyrobenou anténu 1b. Možnou modifikací této antény je převedení struktury do planární podoby. Na oboustranně pokoveném substrátu se vytvoří motiv šroubovicové antény s různým úhlem stoupání závitů, jak je patrné z obrázku 2. Více popsáno v [5].
1 Úvod Použití šroubovicových antén je velice vhodné z důvodu snadného dosažení kruhové polarizace. Kruhová polarizace je výhodná zejména pokud není známa polarizace přijímací nebo vysílací antény. Šroubovicová anténa může pracovat v režimu levotočivé kruhové polarizace nebo pravotočivé kruhové polarizace. Zda se jedná o levotočivou nebo pravotočivou polarizaci je dáno tím, v jakém směru jsou navinuty závity šroubovice. Šroubovicové antény pracují ve třech základních módech. Mezi tyto módy patří osový, normálový a kuželový [1]. Módy jsou rozděleny podle tvaru a směru vyzařovací charakteristiky. Použití jednotlivých módů je závislé na rozměrech antény vzhledem k vlnové délce. Většina moderních aplikací si žádá použití dvou i více pásmových antén. Dvoupásmovosti lze dosáhnout také u šroubovicové antény. Tento článek popisuje především možnosti vytvoření dvoupásmové šroubovicové antény, pro WiFi pásmo (2,4 GHz a 5 GHz).
a)
b)
Obrázek 1: Konstrukce dvoupásmové šroubovicové antény
2 Dvoupásmové šroubovicové antény
Obrázek 2: Planární dvoupásmová šroubovicová anténa
Jedním z možných řešení dvoupásmové šroubovicové antény je použití parazitní šroubovicové antény [2]. Takováto anténa je složena ze dvou šroubovicových antén, z nichž jedna je umístěna na monopólu, který prochází středem osy parazitní šroubovice. Parazitní šroubovice je připevněna na reflektor. Jedna ze šroubovic je buzena pomocí napájecího vedení. Druhá šroubovice (parazitní) je připevněna k reflektoru. Jiný způsob konstrukce je použití šroubovicové antény s rozdílnými úhly stoupání závitů. Tato varianta je vhodná především proto, že anténa je zhotovena pouze z jednoho vodiče, na kterém jsou vytvořena vinutí s rozdílným úhlem stoupání závitů. Celková délka vodiče určuje dolní frekvenční pásmo a úhel stoupání závitů určuje horní frekvenční pásmo [3, 4].
3 Návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz Anténa se skládá ze tří částí. Vodivý drát, ze kterého je navinuta šroubovice s dvojím úhlem stoupání, přizpůsobovací člen tvořen čtvrtvlnným vedením a reflektor. Konstrukce antény je uvedena na obrázku 1. Pro výpočet rozměrů antény byla zvolena střední frekvence fstř = 4 GHz, která leží přibližně uprostřed mezi oběma pásmy. Délka jednoho závitu C byla zvolena podle podmínek pro dosažení axiálního módu šroubovicové antény [1] (1) 0,8 ⋅ λ < C < 1,2 ⋅ λ , na hodnotu C = λ.
41 – 1
VOL.14, NO.3, JUN 2012
2012/41 – 22. 6. 2012
142 Z = 140,5 Ω
141
140
Z [Ω ]
Jako impedanční přizpůsobení je použito čtvrtvlnné vedení zobrazené na obrázku 3. Toto vedení je tvořeno vodivým páskem o délce λ/4 a šířce w, který je umístěný nad zemnící plochou ve vzdálenosti h. Výšku dielektrické vrstvy h s relativní permitivitou εr mezi přizpůsobovacím vedením a reflektorem lze vypočítat ze vztahu [1] , (2) w h= 377 −2 ε r ⋅ Z0
139
138
137
kde w je šířka přizpůsobovacího vedení a Z0 je impedance přizpůsobovacího vedení.
136 3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
w [mm]
Obrázek 6: Závislost výstupní impedance přizpůsobovacího šířce vedení w Rozměry drátové dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1: Rozměry dvoupásmové šroubovicové antény Obrázek 3: Impedanční přizpůsobení mezi napájecím vedením a anténou Pro určení rozměrů impedančního přizpůsobovacího vedení byl vytvořen numerický model v CST MWS. Struktura tohoto přizpůsobovacího vedení je zobrazena na obrázku 4. Na obrázku jsou dva porty (vstupní a výstupní). Ke zjištění výstupní impedance struktury je nutné umístit druhý port v místě řezu struktury. Dosažení požadované vstupní impedance antény je možné provést buď změnou vzdálenosti přizpůsobovacího vedení od reflektoru h, nebo změnou šířky vedení w. Graf závislosti výstupní impedance přizpůsobovacího vedení na vzdálenosti od reflektoru h je zobrazen na obrázku 5. Na obrázku 6 je zobrazen vliv šířky vedení w na výstupní impedanci vedení.
název veličiny
D
L
průměr šroubovice vzdálenost mezi závity první části šroubovice vzdálenost mezi závity druhé části šroubovice počet závitů první části šroubovice počet závitů druhé části šroubovice délka šroubovice
a
poloměr vodiče šroubovice
1
w
5
t
šířka přizpůsobovacího vedení vzdálenost přizpůsobovacího vedení od reflektoru tloušťka přizpůsobovacího vedení
1,5
wr
velikost čtvercového reflektoru
95
S1 S2 N1 N2
h
Obrázek 4: Impedanční přizpůsobovací vedení 200
rozměry [mm] 24
symbol
8 31 2z 3z 109
3
3.1 Výsledky simulace drátové antény
180 Z = 140,5 Ω
Z [Ω ]
160 140 120 100 80 60 1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
h [mm]
Obrázek 5: Závislost výstupní impedance přizpůsobovacího vedení na vzdálenosti h
Na obrázku 7 je zobrazena kmitočtová závislost činitele odrazu S11 dvoupásmové šroubovicové antény. Šedivým polem jsou zde vyznačena rozmezí používaných WiFi pásem na frekvencích 2,4 GHz a 5 GHz. První pásmo je definováno v rozmezí 2,39 ÷ 2,51 GHz, kde je minimální hodnota činitele odrazu S11 = -17,8 dB. Druhé WiFi pásmo je definováno v rozmezí 4,91 ÷ 6,05 GHz. Obrázek 8 zobrazuje závislost poměru stojatých vln VSWR na kmitočtu šroubovicové antény. Poměr stojatých vln na frekvenci f1 =2,45 GHz je VSWR = 1,25 a na druhé pracovní frekvenci f2 =5,5 GHz je VSWR = 1,14.
41 – 2
VOL.14, NO.3, JUN 2012
2012/41 – 22. 6. 2012
V tabulce 2 jsou porovnány dosažené výsledky simulací dvoupásmové drátové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Obě frekvenční pásma navržené šroubovicové antény svým rozsahem plně pokryjí obě WiFi pásma. Zisk antény je větší pro vyšší frekvenční pásmo. Naopak úhel vyzařování je větší pro nižší frekvenční pásmo.
0 -5
S11 [dB]
-10 -15 -20
Tabulka 2: Přehled dosažených výsledků simulací programu CST MWS
rozsah WiFi pásma
-25 -30
frekvenční pásmo
-35 2
3
4
5
6
7
symbol
název veličiny 2,45 GHz
f [GHz]
Obrázek 7: Kmitočtová závislost činitele odrazu S11
S11
3,8
-17,8
-23,7
2,39
4,91
2,51
6,05
fmax
dolní frekvence pásma [GHz] horní frekvence pásma [GHz]
B
šířka pásma [GHz]
0,12
1,14
1,8
B%
šířka pásma [%]
4,9
20,7
1,4
Z
49,2
51,7
-12,5
7,3
3,4
fmin
rozsah WiFi pásma
3
VSWR
činitel odrazu [dB]
5,5 GHz
2,6 2,2
1 2
3
4
5
6
7
ϕ
modul vstupní impedance [Ω] fáze vstupní impedance [°]
VSWR
poměr stojatých vln
1,25
1,14
G
zisk antény [dBi]
8,0
10,3
θ
úhel vyzařování (pokles o 3 dB) [°]
66,8
39,4
f [GHz]
Obrázek 8: Závislost poměru stojatých vln VSWR na frekvenci 5 4,5 rozsah WiFi pásma 4
AR [dB]
3,5 3 2,5 2 1,5 1 2
3
4
5
6
7
f [GHz]
Obrázek 9: Kmitočtová závislost osového poměru AR Obrázek 9 zobrazuje kmitočtová závislost osového poměru AR šroubovicové antény. Za mezní hodnotu kruhové polarizace je považována hodnota AR = 3 dB, což navržená anténa splňuje v obou frekvenčních pásmech. Směrové charakteristiky jsou zobrazeny v polárních souřadnicích v rovině elektrické složky pole E a ve 3D zobrazení. Na obrázku 10 jsou uvedeny směrové charakteristiky na frekvenci 2,45 GHz. Zisk antény v tomto frekvenčním pásmu je 8 dBi. Směrové charakteristiky pro druhé pásmo WiFi na frekvenci 5,5 GHz jsou uvedeny na obrázku 11. Zisk šroubovicové antény v tomto frekvenčním pásmu v hlavním vyzařovaném směru je 10,3 dBi. Na obrázku 12 jsou uvedeny směrové charakteristiky šroubovicové antény v rovině magnetické složky pole H. Obrázek 12a odpovídá frekvenci 2,45 GHz a obrázek 12b odpovídá frekvenci 5,5 GHz. 41 – 3
Obrázek 10: Směrová charakteristika antény na frekvenci 2,4 GHz (rovina E a 3D zobrazení)
Obrázek 11: Směrová charakteristika antény na frekvenci 2,4 GHz (rovina E a 3D zobrazení)
VOL.14, NO.3, JUN 2012
2012/41 – 22. 6. 2012 0 -5
S11 [dB]
-10 -15 -20 D = 22 mm -25
D = 24 mm D = 26 mm
-30
a) b) Obrázek 12: Směrové charakteristiky antény v rovině magetického pole H pro frekvenci a) 2,45 GHz, b) 5,5 GHz
-35 2
4
5
6
7
f [GHz]
3.2 Parametrická analýza Na následujících grafech je zobrazen vliv změn parametrů na vlastnosti antény sloužící k jejímu naladění. Především pak změna stoupání závitů první a druhé části antény S1, S2 a průměru antény D. Na obrázku 13 je zobrazen vliv změny vzdálenosti mezi závity první části antény S1 na kmitočtovou závislost činitele odrazu S11. Na obrázku 14 je pak zobrazen vliv změny vzdálenosti mezi závity S2 druhé části šroubovice. Obrázek 15 ukazuje, jak se mění činitel odrazu S11 v závislosti na změně průměru šroubovice D.
Obrázek 15: Kmitočtová závislost činitele odrazu S11 ne změně parametru D Z výše uvedených grafů je patrné, že změna vzdálenosti mezi závity první části šroubovice S1, má největší vliv na vyšší frekvenční pásmo. Změnou tohoto parametru dochází k posunu spodní hranice pásma, a tím ke změně šířky druhého pásma. Naopak změna vzdálenosti mezi závity druhé části šroubovice S2 má vliv především na první frekvenční pásmo. S rostoucí vzdáleností S2 dochází k jeho posunu na nižší frekvence. Při rostoucím průměru šroubovice D dochází k posunu obou frekvenčních pásem na nižší frekvence. 3.3 Měření antény
0 -5 -10
S11 [dB]
3
-15 -20 S1 = 4 mm -25
S1 = 8 mm S1 = 12 mm
-30 -35 2
3
4
5
6
7
f [GHz]
Obrázek 13: Kmitočtová závislost činitele odrazu S11 ne změně parametru S1
Konstrukce antény byla navržena a upravena tak, aby bylo možné anténu vyrobit a zároveň se vyvarovat případnému mechanickému poškození. Tato úprava je provedena vložením dielektrického materiálu, s nízkou relativní permitivitou, mezi reflektor a přizpůsobovací vedení. Touto úpravou dojde k fixaci celé šroubovice k reflektoru. Anténa byla měřena na vektorovém analyzátoru ROHDE&SCHWARZ VECTOR NETWORK ANALYZERS. Na obrázku 16 jsou porovnány činitelé odrazu S11 v závislosti na frekvenci. Modře je zobrazen průběh simulovaný v programu CST MWS a červeně je uvedena naměřená charakteristika. Jak je z tohoto grafu patrné, jsou obě pásma posunuta na nižší frekvence oproti simulaci. Posun je způsoben nepatrným zvětšením průměru šroubovice vlivem pružnosti drátu.
0 0
simulace měření
-5 -5
-10 -10
S11 [dB]
S11 [dB]
-15 -20 -25
-15 -20 -25
S2 = 20 mm -30
-30
S2 = 30 mm S2 = 50 mm
-35
-35
-40
-40 2
3
4
5
6
7
2
3
4
5
6
7
f [GHz]
f [GHz]
Obrázek 14: Kmitočtová závislost činitele odrazu S11 ne změně parametru S2
41 – 4
Obrázek 16: Kmitočtová závislost činitele odrazu S11 měřené a simulované antény
VOL.14, NO.3, JUN 2012
2012/41 – 22. 6. 2012
Na obrázku 17 a 18 jsou porovnány kmitočtové závislosti vstupní impedance modulu a fáze měřené a simulované antény. Obrázek 19 zobrazuje směrové charakteristiky měřené antény elektrické a magnetické složky pole pro pásmo a) 2,35 GHz a b) 5,4 GHz. 100 simulace
90
měření 80 70
Z [Ω ]
60 50 40 30 20 10 0 2
3
4
5
6
7
4 Závěr Tento článek prezentuje kompletní návrh dvoupásmové šroubovicové antény pro WiFi pásmo 2,4 GHz a 5 GHz. Rozměry antény byly nejprve přibližně určeny pomocí výpočtů. Pro impedanční přizpůsobení antény byl navrhnut a použit čtvrtvlnný impedanční transformátor. Dále byla anténa simulována a optimalizována v programu CST MWS. Na závěr byla anténa vyrobena a simulované výsledky byly porovnány s měřením. Průběhy se liší pouze ve frekvenčním posuvu, který byl způsoben zvětšením průměru šroubovice při výrobě. K tomuto zvětšení došlo vlivem pružnosti drátu, ze kterého je šroubovice navinuta. Zvětšení průměru činí cca 1,2 mm oproti simulovanému modelu antény. Navržená anténa plně pokrývá obě frekvenční WiFi pásma.
Poděkování
f [GHz]
Obrázek 17: Kmitočtová závislost modulu vstupní impedance měřené a simulované antény 80 simulace měření
60
Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost
40
ϕ [°]
20 0 -20 -40
Literatura
-60 -80 2
3
4
5
6
7
f [GHz]
Obrázek 18: Kmitočtová závislost fáze vstupní impedance měřené a simulované antény 0° 330° 300°
270°
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
30°
rovina E rovina H 60°
30°
-20
300°
60°
-30
90° 270°
120° 150° 180°
0 -10
-40
240° 210°
[2] CHOW, Y. W.; YUNG, E. K. N.; HUI, H. T. Dual Frequency Monopole-Helical Antenna By Using a Parasitic Normal Mode Helix For Mobile Handsets . In . Microwave Conference, 2000 Asia-Pacific . Sydney : [s.n.], 2000. s. 958 - 961 . ISBN 0-7803-6435-X.
0° 330°
-50
90°
240°
120° 210°
[1] KRAUS, J. D.; MARHEFKA, R. J. Antennas For All Applications. Third Edition. Boston : McGraw-Hill, 2002. 938 s. ISBN 0-07-232103-2.
150° 180°
a) b) Obrázek 19: Směrová charakteristika měřené antény pro frekvenci a) 2,35 GHz, b) 5,4 GHz
[3] ZHOU, Guangping. A Non-Uniform Pitch Dual Band Helix Antenna. In: IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2000. Salt Lake City, Utah, 16 July 2000. s. 274 - 277 . ISBN 0-7803-6369-8. [4] LO, Chia-Min, et al. Helical Antenna Design and Measurement for Cellular Phone Operation. In NEW ASPECTS of APPLIED INFORMATICS, BIOMEDICAL ELECTRONICS & INFORMATICS and COMMUNICATIONS. Taipei, Taiwan : [s.n.], 2010. s. 181-184. ISBN 978-960-474-216-5, ISSN 1792-460X. [5] ŠRAJBR, M. Šroubovicová dvoupásmová anténa pro WiFi pásmo. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, 2012. 48 s. Diplomová práce. Vedoucí práce: Ing. Kamil Pítra.
41 – 5
VOL.14, NO.3, JUN 2012
