ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagnetického pole

Návrh antény se zpětným zářením "short backfire" Short Backfire Antenna Design

Bakalářská práce

Studijní program: Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronika a sdělovací technika Vedoucí práce: Ing. Pavel Hazdra, Ph.D.

Václav Dajčar

Praha 2010

Poděkování V těchto pár řádcích chci vyjádřit poděkování vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Pavlu Hazdrovi, Ph.D. za trpělivé pedagogické vedení, cenné rady, přínosné a příjemné konzultace, které byly vedeny v přátelském duchu.

Děkuji i mému nejlepšímu příteli Ivanovi za pomoc při zpracování, filtraci dat, na základě kterých mohly být vyhotoveny přehledné grafy. Děkuji i jedné dobré duši za její laskavost.

Poděkování patří i mé rodině, která mě svou mnohaletou podporou povzbuzovala k vytrvalosti a byla tak nepostradatelným faktorem při studiu.

Anotační list Jméno autora:

Václav Dajčar

Název BP:

Návrh antény se zpětným zářením "short backfire"

Anglický název:

Short backfire antenna design

Rok:

2010

Katedra:

ČVUT, Katedra elektromagnetického pole

Obor:

Elektronika a sdělovací technika

Vedoucí BP:

Ing. Pavel Hazdra, Ph.D.

Bibliografické údaje: počet stran: 47 počet obrázků: 60 počet rovnic: 13 počet tabulek: 0 počet příloh: 2 CD

Klíčová slova:

mikropásková patch anténa, dutina, L-tvarované napájení, subreflektor, širokopásmové antény, bezkontaktní vazba

Keywords:

microstrip patch antenna, cavity, L-probe feeder, subreflector, wideband antennas, proximity coupling

Anotace:

Práce se zaměřuje na parametrický rozbor pomocí simulačního programu CST Microwave Studio pravoúhlé patch antény buzené „L-probe“ a doplněné dutinou a subreflektorem za účelem maximalizace šířky pásma a zisku. Je uveden vliv na impedanční a vyzařovací parametry jednotlivých částí, jejichž činnost je vysvětlena na fyzikální úrovni, anténní struktury.

Abstract:

Primary focus of this thesis is parametric study of the rectangular patch antenna feed by „L-probe“ and backed with cavity and subreflector. The purpose is the maximization of bandwidth and gain of the antenna. For the analysis we are going to use simulation software CST Microwave Studio. The impact of the particular components and their functional principles are explained on physical layer of the antenna on impedance and radiation parameters.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Návrh antény se zpětným zářením "short backfire"“ vypracoval samostatně a použil jsem literatury uvedené v seznamu použité literatury.

……………………………… Václav Dajčar

V Praze dne 28.5.2010

Obsah 1

Úvod....................................................................................................................................................10 1.1

Výhody a nevýhody krátké antény se zpětným zářením...........................................................11

2

Cíle bakalářské práce.......................................................................................................................12

3

Teorie krátké antény se zpětným zářením....................................................................................13 3.1 3.2

4

Teorie primárního zářiče.................................................................................................................15 4.1 4.2 4.3

5

Metoda ekvivalentního reflektoru...............................................................................................13 Princip funkčnosti........................................................................................................................14 Základní charakteristiky planárních antén .................................................................................15 Napájení mikropáskové patch antény.........................................................................................16 Vyzařování obdélníkové mikropáskové patch antény...............................................................16

Parametrická studie antény se zpětným zářením........................................................................20 5.1 5.2

Geometrické rozměry „L-probe“ a zemní roviny......................................................................20 Parametrický rozbor „L-probe“, zemní roviny a patche............................................................24 5.2.1 Změna délky horizontální části Lh napájení.......................................................................26 5.2.2 Změnadélky vertikální části Lv napájení ............................................................................28 5.2.3 Změna výšky patche nad zemní rovinou.............................................................................29 5.2.4 Současná změna vertikální části napájení a výšky patche ................................................30 5.2.5 Současná změna horizontální i vertikální části napájení ..................................................31 5.2.6 Změna velikosti zemní roviny..............................................................................................33 5.3 Obdélníkový patch napájený „L-probe“ s dutinou ....................................................................36 5.3.1 Vliv výšky bočnice................................................................................................................36 5.3.2 Vliv úhlu naklonění bočnice................................................................................................37 5.4 Doplnění struktury subreflektorem.............................................................................................39 6

Návrh krátké antény se zpětným zářením....................................................................................41

7

Zhodnocení výsledků........................................................................................................................45

8

Závěr...................................................................................................................................................46

9

Literatura...........................................................................................................................................47

Seznam obrázků Obr. 1: Geometrie Ehrenspeckovy krátké antény se zpětným zářením................................................................. 10 Obr. 2: Ekvivalentní vyzařovací apertura, ekvivalentní ohniskový bod................................................................... 13 Obr. 3: Princip činnosti krátké antény se zpětným zářením .................................................................................... 14 Obr. 4: První 4 módy obdélníkové mikropáskové patch antény. Intenzita elektrického pole Ez (horní řada) a povrchová proudová hustota J (spodní řada) [1] ............................................................................................. 15 Obr. 5: Obdélníková mikropásková anténa.............................................................................................................. 16 Obr. 6: Rozložení pole základního módu s rozptylovým polem na hranách patche (pohled z boku)................... 17 Obr. 7: Náhradní magnetická proudová hustota na bočních stěnách pravoúhlého patche .................................. 18 Obr. 8: Znázornění magnetických proudových hustot na obvodu dutiny pravoúhlého tvaru (vlevo), detail pro TM10 (vpravo) [6] ................................................................................................................................................ 18 Obr. 9: Rozložení pole základního módu TM10 a znázornění náhradních magnetických proudových hustot [6]19 Obr. 10: Proudové rozložení na povrchu patche [1] ................................................................................................ 19 Obr. 11: Rozměry napájení „L-probe“....................................................................................................................... 20 Obr. 12: Náhradní obvod napáječe „L-probe“ .......................................................................................................... 21 Obr. 13: Útlum odrazů, Curve1: Lh=20mm, Lv=10mm; Curve 2: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 3: Lh = 16mm, Lv=14mm ............................................................................................................................................................ 22 Obr. 14: Útlum odrazů, Curve3: Lh=18mm, Lv=10mm; Curve 4: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 5: Lh = 18mm, Lv=14mm ............................................................................................................................................................ 23 Obr. 15: Útlum odrazů, Curve5: Lh=16mm, Lv=12mm; Curve 6: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 7: Lh = 20mm, Lv=12mm ............................................................................................................................................................ 23 Obr. 16: Zemní rovina, „L-probe“ a patch................................................................................................................. 24 Obr. 17: Parametrická studie šířky pásma, konstantní výška patche nad zemní rovinou (v=20mm)................... 25 Obr. 18: Parametrická studie šířky pásma, proměnná výška patche nad zemní rovinou (konstantní vzdálenost od horizontální části napájení) .......................................................................................................................... 25 Obr. 19: Útlum odrazů, různé hodnoty horizontální části napájení Lh=16mm, Lh=17mm, Lh=18mm, Lh=19mm, Lh = =20mm při Lv=12mm (konstantní) ................................................................................................................. 26 Obr. 20: Vyzařovací charakteristika pro střední frekvenci f0=2,45GHz .................................................................. 27 Obr. 21: Zisk při měnící se hodnotě Lh ve sledovaném frekvenčním pásmu ......................................................... 27 Obr. 22: Smithův diagram, změna parametru Lh ..................................................................................................... 27 Obr. 23: Útlum odrazů, různé hodnoty vertikální části napájení Lv=10mm, Lv =11mm, Lv =12mm, Lv =13mm, Lv = 14mm při konstantním Lh=18mm .................................................................................................................. 28 Obr. 24: Smithův diagram, změna parametru Lv ..................................................................................................... 28 Obr. 25: Útlum odrazů, změna parametru v, v=16mm, v=18mm, v =20mm, v =22mm, v = 24mm..................... 29 Obr. 26: Zisk při měnící se hodnotě parametru v ve sledovaném frekvenčním pásmu......................................... 29 Obr. 27: Vyzařovací charakteristika v polárních souřadnicích pro střední frekvenci f0=2,45GHz......................... 30 Obr. 28: Smithův diagram, změna parametru v....................................................................................................... 30 Obr. 29: Curve14: v=17mm, Lv=10mm; Curve 15: v=18mm, Lv=11mm; Curve 16: v=19mm, Lv=12mm; Curve 17: v=20mm, Lv=13mm; Curve 18: v=21mm, Lv=14mm................................................................................. 31 Obr. 30: Smithův diagram, současná změna parametru Lv a v .............................................................................. 31 Obr. 31: Smithův diagram, současná změna parametru Lh a Lv , patch v konstantní výšce od horizontální části napájení.............................................................................................................................................................. 32 Obr. 32 Smithův diagram, současná změna parametru Lh a Lv , patch v konstantní výšce od zemní roviny ...... 32 Obr. 33: Vyzařovací charakteristika v polárních souřadnicích pro střední frekvenci f0=2,45GHz......................... 33 Obr. 34: Zisk při měnící se hodnotě parametru D1 ve sledovaném frekvenčním pásmu ...................................... 34 Obr. 35: Smithův diagram, změna poloměru zemní roviny D1 ................................................................................ 34 Obr. 36: Vyzařovací 3D diagram antény .................................................................................................................. 34 Obr. 37: Rozložení povrchových proudů na struktuře ............................................................................................. 35 Obr. 38: Rozložení vektoru intenzity elektrického pole E na patchi........................................................................ 35 Obr. 39: Rozložení vektoru intenzity magnetického pole H na patchi .................................................................... 35 Obr. 40: Krátká anténa se zpětným zářením doplněná dutinou ............................................................................. 36 Obr. 41: Útlum odrazů pro různé výšky bočnice...................................................................................................... 36 Obr. 42: Zisk při měnící se hodnotě parametru H ve sledovaném frekvenčním pásmu........................................ 37 Obr. 43: Vyzařovací charakteristika při měnící se výšce bočnice, střední frekvenci f0=2,45GHz........................ 37 Obr. 44: Útlum odrazů pro různý sklon bočnice....................................................................................................... 38 Obr. 45: Zisk při měnící se hodnotě sklonu bočnice ve sledovaném frekvenčním pásmu ................................... 38 Obr. 46: Smithův diagram při měnícím se úhlu alfa................................................................................................. 38 Obr. 47: Vyzařovací charakteristika při měnícím se sklonu bočnice, střední frekvenci f0=2,45GHz ................... 39 Obr. 48: Krátká anténa se zpětným zářením doplněná subreflektorem................................................................. 40 Obr. 49: Útlum odrazů pro různý poloměr subreflektoru ......................................................................................... 40 Obr. 50: Vyzařovací charakteristika při měnícím se poloměru subreflektoru, střední frekvenci f0=2,45GHz..... 40 Obr. 51: Útlum odrazů závěrečného návrhu krátké antény se zpětným zářením ................................................. 41

Obr. 52: Zisk krátké antény se zpětným zářením ve sledovaném frekvenčním pásmu....................................... 42 Obr. 53: Smithův diagram krátké antény se zpětným zářením............................................................................... 42 Obr. 54: Vyzařovací charakteristika krátké antény se zpětným zářením ............................................................... 42 Obr. 55: Vyzařovací 3D charakteristika směrovosti krátké antény se zpětným zářením ...................................... 43 Obr. 56: Vyzařovací 3D charakteristika křížové polarizace krátké antény se zpětným zářením .......................... 43 Obr. 57: Průběh reálné části impedance krátké antény se zpětným zářením ....................................................... 43 Obr. 58: Průběh imaginární části krátké antény se zpětným zářením.................................................................... 44 Obr. 59: Průběh vektoru intenzity elektrického ve směru normály zemní roviny ................................................... 44 Obr. 60: Průběh vektoru intenzity magnetického pole ve směru normály zemní roviny ....................................... 44

Seznam použitých symbolů λ0

[mm]

vlnová délka střední frekvence

f

[Hz]

kmitočet

c

[m/s]

rychlost světla

J

[A/m2]

hustota povrchových proudů

L

[mm]

délka patche

w

[mm]

šířka patche

v

[mm]

výška patche nad zemní rovinou

Lh

[mm]

délka horizontální části „L-probe“

Lv

[mm]

délka vertikální části „L-probe“

d

[mm]

posunutí patche v ose y

D1

[mm]

poloměr zemní roviny

D2

[mm]

poloměr apertury kónusu

H

[mm]

výška bočnice

Hr

[mm]

výška reflektoru nad zemní rovinou

α

[°]

alfa - úhel naklonění bočnice

Zin

[Ω]

vstupní impedance

RL

[dB]

Return Loss (útlum odrazem)

D

[dBi]

směrovost

G

[dBi]

zisk

BW

[MHz]

šířka pásma

E

[V/m]

intenzita elektrického pole

H

[A/m]

intenzita magnetického pole

1 Úvod


1 Úvod První konstrukce antény se zpětným zářením s pravoúhlými reflektory byla popsána v roce 1954 G.v.Trentinim. Anténa sestávala z dvou rovinných pravoúhlých reflektorů odlišných rozměrů, oddělených vzdáleností LA=0.58λ, se zdrojem (buzením) umístěným mezi nimi. Protože princip zpětného záření nebyl v té době ještě znám, Trentiniho anténě se nedostalo odpovídajícího vývoje. Klasická krátká anténa se zpětným zářením s kruhovými reflektory byla poprvé demonstrována H. W. Ehrenspeckem ve Výzkumném centru vzdušných sil Cambridge v roce 1962. První publikace o krátké anténě se zpětným zářením vyšla v roce 1965, a roku 1969 obdržel Ehrenspeck na tuto anténu první patent. Dnes je tato anténa typickou. Dva rovinné kruhové reflektory s odlišnými průměry vzdálenými půl vlnové délky k dané střední frekvenci vytvářejí propustný dutinový rezonátor s normálovým vyzařováním k menšímu reflektoru. Anténa může být buzena dipólem, křížovým dipólem, vlnovodem nebo mikropáskovou patch anténou, napájecí elementy jsou umístěny ve středu mezi dvěmi reflektory. Rozsáhlými studiemi blízkého pole (oblasti) krátké antény se zpětným zářením bylo zjištěno, že mechanismus vyzařování je charakterizován vícenásobnými odrazy napájením vybuzené elektromagnetické vlny mezi dvěmi planárními reflektory R1 a R2, které se chovají jako otevřená rezonanční dutina vyzařující většinu své energie z apertury VV´ (viz Obr.1) mezi hranami H a R1, rozšiřující se vně H [4].

Obr. 1: Geometrie Ehrenspeckovy krátké antény se zpětným zářením

- 10 -

1 Úvod


Díky její kompaktní konstrukci a vysokému výkonu je krátká anténa se zpětným zářením velmi oblíbená. Ziskem je ekvivalentní desetkrát delší Yagi anténě a je široce užívaná v mobilních satelitních komunikacích, zaznamenávání polohy (tracking), telemetrii a bezdrátových sítích LAN. Krátká anténa se zpětným zářením byla například použita i pro komunikaci mezi NASA a kabinou raketoplánu Apollo [4].

1.1

Výhody a nevýhody krátké antény se zpětným zářením

Krátké antény se zpětným zářením nacházejí uplatnění v řádu kmitočtů jednotek GHz. Oproti jiným koncepcím mají některé nezanedbatelné výhody, mezi něž patří například [7, 8, 9]: •

kompaktní struktura

•

vysoký zisk (12 - 15dBi)

•

vysoká účinnost apertury (70 - 85%)

•

odstup postranních laloků kolem -20dB

•

nízké náklady při výrobě

Hlavní nevýhodou je úzká šířka pásma, kterou je však možné z 3-10% při napájení běžně používaným půl vlnným dipólem zvýšit na šířku 20% změnou hlavního reflektoru z ploché roviny na konický tvar a přidáním druhého menšího reflektoru [7], nebo případně až na 35% použitím anténního prvku patch napájeného L-tvarovanou koaxiální sondou [5].

- 11 -

2 Cíle bakalářské práce


2 Cíle bakalářské práce Krátká anténa se zpětným zářením byla od svého vzniku podrobena četným modifikacím prakticky všech svých dílčích součástí, počínaje hlavním reflektorem (zemní rovinou), který měl nejdříve pravoúhlý tvar, zpravidla obdélníkový, a který je dnes nejčastěji kruhový případně eliptický či konický, přes způsoby vybuzení elektromagnetického pole (půl vlnný dipól, křížový dipól, křížová štěrbina, planární monopol natištěný na dielektrickém substrátu, mikropásková patch anténa) až po přidání druhého menšího reflektoru nebo vroubkování bočnice. Tato práce se zabývá konkrétně kruhovým tvarem zemní roviny. Zvolený způsob napájení je z důvodu relativně vysoké šířky pásma L-tvarovaná sonda, tzv. „L-probe“, která budí anténní prvek patch. Struktura je navíc doplněna druhým menším reflektorem (subreflektorem) a dochází k naklonění bočnice. Rozměry jednotlivých částí krátké antény se zpětným zářením jsou podrobeny parametrické studii, přičemž střední kmitočet je zvolen na 2.45GHz. Za účelem parametrické studie je využit simulační software CST Microvawe Studio. Cílem tedy je: •

Nalezení optimálních rozměrů pro zvolené prvky krátké antény se zpětným zářením s ohledem na maximalizaci zisku a/nebo maximalizaci šířky pásma

•

Vysvětlení principu činnosti jednotlivých součástí na fyzikální úrovni.

- 12 -

3 Teorie krátké antény se zpětným zářením


3 Teorie krátké antény se zpětným zářením Na krátkou anténu se zpětným zářením je možné pohlížet jako na příčně vyzařující reflektorovou anténu, obdobnou jakou je rotační paraboloid, mající ohniskový bod. V [10] je prezentována metoda ekvivalentního reflektoru (Equivalent reflector metod). Touto metodou může být dobře znázorněn princip funkčnosti krátké antény se zpětným zářením, je vysvětleno zvýšení zisku a vliv výšky bočnice. Rovněž je definován a vypočítán ekvivalentní ohniskový bod (Equivalent focal point).

3.1

Metoda ekvivalentního reflektoru

Ekvivalentní vyzařovací apertura je označena jako S (viz Obr. 2). Následně se vyhodnotí difrakční pole v bodě F na ose Z. Za účelem zjednodušení výpočtu předpokládáme, že pole jsou v apertuře rozložena s ekvivalentní amplitudou E0.

Obr. 2: Ekvivalentní vyzařovací apertura, ekvivalentní ohniskový bod

Pole v bodě F se tedy určí dle vztahu:

E= j

CE 0 e − jKr dS λ ∫S r

(3.1)

,kde C obsahuje konstanty prostředí, K je vlnové číslo, r =

f 2 + R 2 je vzdálenost od vyzařujícího

elementu do bodu F a dS=RdφdR je vyzařující element. Je-li průměr reflektoru omezen, rovnice (1) přejde do vztahu:

E= j

CE0

λ

2π

R0

0

0

∫ dΦ ∫

e − jK

f 2 + R2

RdR = −CE 0  e − jK 2 2  f +R

f 2 +R2

- 13 -

− e − jKf  

(3.2)

3 Teorie krátké antény se zpětným zářením


Pole E v rovnici (2) dosáhne maxima, je-li:

Kf = 2nπK ⋅

f 2 + R 2 = (2n + 1)π

n = (1,2,3,...)

(3.3)

Tím je zřejmé, že pole v bodě F bude maximální při splnění rovnice (3.3). Bod F je definován jako ekvivalentní ohniskový bod a f jako vzdálenost ekvivalentního ohniskového bodu. Nejkratší ohnisková vzdálenost je tedy (n=1): f =λ

R0 ≅ 1.12λ

3.2

(3.4)

Princip funkčnosti

Při vysvětlení funkčního principu krátké antény se zpětným zářením je využito koherentních vlastností vln. Vyzařované pole v prostoru může být přibližně považováno za pole sestávající ze čtyř částí (viz Obr. 3): •

x1- vyzářená vlna odražená od velkého reflektoru

•

x2- vyzářená vlna odražená malým reflektorem a následně velkým reflektorem

•

x3- vyzářená vlna zachycena a odražena bočnicí

•

x4- všechny ohýbající se vlny přes okraje malého reflektoru

Napájení se umístí do ekvivalentního ohniskového bodu, parametry D, d, W, vzdálenost od napájení k velkému a malému reflektoru se zvolí tak, aby vlny x1, x2, x3 a x4 byly ve fázi nebo měly rozdíl ve fázi 2nπ co možná nejpřesnější. Za těchto podmínek dosahuje amplituda výsledné složené vlny maxima, což fyzikálně vysvětluje vysoký zisk krátké antény se zpětným zářením.

Obr. 3: Princip činnosti krátké antény se zpětným zářením - 14 -

4 Teorie primárního zářiče


4 Teorie primárního zářiče Jak již bylo uvedeno v předchozí kapitole, krátká anténa se zpětným zářením je svou podstatou reflektorová anténa, u které vzniká elektromagnetické pole odrazem primárního vlnění od reflektoru. Za zdroj záření slouží nevelká anténa nazývaná primární zářič [6], který může mít podobu půlvlnného dipólu, křížového dipólu, křížové štěrbiny, planárního monopolu natištěného na dielektrickém substrátu, mikropáskové patch antény.

4.1

Základní charakteristiky planárních antén

Anténním prvkem v planární struktuře může být teoreticky libovolně tvarovaný kovový útvar (v anglosaské literatuře používán název patch) – pásek, ploška resp. štěrbina ve vodivé ploše – vytvořený na jedné straně dielektrického substrátu, jehož druhá strana je pokovena a tvoří zemní rovinu, který je schopen při vhodně umístěném napájení vytvořit na svém povrchu stojatou proudovou vlnu. Tato stojatá proudová vlna (jí odpovídající tvar rozložení pole se nazývá mód či vid elektromagnetického pole) je pak zdrojem vyzařovaného pole. Pro účely vyzařování je možné použít libovolných geometrických tvarů zářičů. Z důvodu snadné analýzy byly původně zkoumány a popisovány pouze základní tvary zářičů, jako jsou obdélníky, čtverce, kruhy, elipsy, rovnoramenné trojúhelníky či prstence. Principiálně jde vlastně o vyzařující planární rezonátor [6]. V [1, 6] je možné nalézt zobrazené první 4 módy (viz Obr.4) obdélníkové mikropáskové patch antény (L=100mm, W=50mm).

Obr. 4: První 4 módy obdélníkové mikropáskové patch antény. Intenzita elektrického pole Ez (horní řada) a povrchová proudová hustota J (spodní řada) [1]

- 15 -


4.2


Napájení mikropáskové patch antény

Pro napájení mikropáskové patch antény lze použít jeden ze čtyř základních způsobů. Nejjednodušší dva jsou kontaktní způsoby – mikropáskové napájení na hraně patche (microstrip line nebo edge-feed) či koaxiální (coaxial nebo probe feed) uvnitř struktury zářiče. Další dva způsoby jsou zprostředkovány elektromagnetickou vazbou – vazební štěrbinou (aperture coupled) či vazbou otevřeným koncem napájecího vedení (proximity coupled). Uvedené způsoby je možné kombinovat, čímž vznikne např. napájení vazbou pomocí L-tvarované koaxiální sondy, která se přivádí pod zářič, patch. Energie ze sondy je na zářič vázána vazbou, která má povahu kapacitní na rozdíl od kontaktně napájených zářičů. Jelikož však sonda není od zářiče oddělena zemní rovinnou, je rušivé vyzařování ve srovnání s napájením vazební štěrbinou větší, ovšem menší než u mikropáskového napájení [6].

4.3

Vyzařování obdélníkové mikropáskové patch antény

Analýzu mikropáskové obdélníkové patch antény (viz Obr.5) lze provést použitím původního modelu vedení (TLM z angl. Transmission Line Model), který vychází z představy zářiče jako širokého úseku mikropáskového vedení délky přibližně L ≈ λ g 2 na daném substrátu. V základní půlvlnné

rezonanci se rozložení intenzity elektrického pole nemění podél šířky W ani výšky h mikropáskové struktury, mění se pouze podél délky L podle funkce cos(πx / L) .

Obr. 5: Obdélníková mikropásková anténa

Zdrojem vyzařování jsou pak rozptylová pole (viz Obr.6) na protilehlých okrajích patche podél rezonančního rozměru L (použit princip ekvivalence pole). Pole je rozloženo vzhledem k zemní rovině na - 16 -



normálové a tečné složky. Normálové složky na okrajích jsou proti sobě fázově posunuty o 180° (patch má délku L ≈ λ g 2 ), a proto se jimi vytvořené pole ve vzdálené oblasti v příčném směru k povrchu substrátu vyruší. Tečné složky, paralelní k zemní rovině, jsou oproti normálovým složkám ve fázi a pole jimi vytvořené v příčném směru je maximální [1].

Obr. 6: Rozložení pole základního módu s rozptylovým polem na hranách patche (pohled z boku)

Vedle původního modelu vedení lze na mikropáskovou patch anténu nahlížet jako na dvoudeskový vlnovod s otevřenými konci, na nichž se sleduje odraz vln (aplikace tzv. dutinového modelu). Boční stěny, které představují úzké štěrbiny, lze považovat za vyzařující plochy. Pomocí principu ekvivalence pole (Field Equivalence Principle: Huygens´Principle) lze stanovit ekvivalentní proudové hustoty, respektive konečnou hodnotu náhradní magnetické proudové hustoty, která působí podél bočního obvodu dutiny (viz Obr. 7). Na horní stěně patche je náhradní elektrická proudová hustota Jt (na Obr.6 není znázorněna), na bočních stěnách je náhradní elektrická proudová hustota Jš (rovněž není znázorněna) a náhradní magnetická proudová hustota Mš, jež lze určit ze vztahů [6]: Jš = n× Hš

(4.1)

M š = −n × E š

(4.2)

kde Eš a Hš představují elektrické a magnetické pole ve štěrbinách. Hodnoty Jš a Jt však lze zanedbat a jedinou nenulovou hodnotou zůstane náhradní magnetická proudová hustota Mš nabývající za přítomnosti zemní roviny a z důsledků principu zrcadlení hodnoty [6]: M š = −2 n × E š

(4.3)

- 17 -



Obr. 7: Náhradní magnetická proudová hustota na bočních stěnách pravoúhlého patche

Rozložení náhradní magnetické proudové hustoty základních módů TM10 a TM01, přičemž označení TM poukazuje na přítomnost pouze příčných složek Hx a Hy magnetického pole v prostoru mezi patchem a zemní rovinou, je znázorněno na Obr.8 (vpravo detail módu TM10) a společně s rozložením pole módu TM10 (Obr.9) je možné si udělat představu o vyzařování prostřednictvím vyzařujících (téměř konstantní průběh pole) a nevyzařujících (průběh podle funkce cos a opačná orientace proudů) štěrbin.

Obr. 8: Znázornění magnetických proudových hustot na obvodu dutiny pravoúhlého tvaru (vlevo), detail pro TM10 (vpravo) [6]

- 18 -



Obr. 9: Rozložení pole základního módu TM10 a znázornění náhradních magnetických proudových hustot [6]

Obr. 10: Proudové rozložení na povrchu patche [1]

- 19 -

5 Parametrická studie antény se zpětným zářením


5 Parametrická studie antény se zpětným zářením V této kapitole budou analyzovány dílčí prvky (zemní rovina, L-tvarovaná sonda, patch, bočnice, subreflektor) krátké antény se zpětným zářením. Postupně bude zjištěn vliv jednotlivých komponent na impedanční přizpůsobení a vyzařovací charakteristiky s cílem jejich optimalizace. Výchozí rozměry jednotlivých součástí krátké antény se zpětným zářením jsou převzaty z [1]. Analýza je přitom rozdělena do čtyř stupňů, v každém z nichž budou přidávány jednotlivé prvky krátké antény se zpětným zářením.

5.1

Geometrické rozměry „L-probe“ a zemní roviny

V této části budou krátce přiblíženy dílčí rozměry „L-probe“ (viz Obr.11) a velikost (průměr) kruhové zemní roviny (poloměr prozatím zvolen 100mm).

Obr. 11: Rozměry napájení „L-probe“

V [1] byla vztahy (4.7), (4.8) stanovena délka nejdůležitějších částí „L-probe“, jedná se o tyto části: Lh = 0,15 ⋅ λ 0 = 0,15 ⋅ 122 ,45 = 18,37 mm

(5.1)

- 20 -



Lv = 0,1 ⋅ λ 0 = 0,1 ⋅ 122,45 = 12,25 mm

(5.2)

V součtu je délka horizontální a vertikální části „L-probe“ rovna Lh + Lv = 0,25 ⋅ λ 0 . Rozměr Lvout je délka koaxiálního vedení, které je přivedeno k zemní rovině, jehož délka však není rozhodující. Poloměr vnějšího vodiče rout byl s ohledem na dosažení vstupní impedance 50Ω určen vztahem:

rout = ri ⋅ e ( 5 / 6 )

(5.3)

Horizontální a vertikální části „L-probe“ spojuje tzv. koleno (rozměr Kh), jehož velikost je zvolen na co možná nejmenší hodnotu, aby nebyla výrazněji ovlivněna délka Lh + Lv . Samotná „L-probe“ se zemní rovinou samozřejmě nevykazuje zajímavé vyzařovací charakteristiky, je však vhodné přiblížit si vliv jednotlivých rozměrů „L-probe“ na impedanční přizpůsobení, respektive vliv na průběh reálné a imaginární části impedance, čímž jsou pozorovatelné změny v koeficientu odrazu. V [1] byla „L-probe“ navíc analyzována náhradním obvodem (viz Obr.12) se soustředěnými parametry prvků R, L, C za účelem zjištění, které fyzikální veličiny prvků náhradního obvodu jsou ekvivalentní s geometrickými rozměry L-tvarované sondy.

Obr. 12: Náhradní obvod napáječe „L-probe“

Prvky náhradního obvodu jsou následující fyzikální podstaty: •

induktor L1 – indukčnost horizontální části Lh napájecího vedení

•

induktor L2 – indukčnost vertikální části Lv napájecího vedení

•

kapacitory C1 a C2 – reprezentace intenzity elektrického pole

•

rezistor R1 – reprezentace vyzařovacích ztrát - 21 -



U napájecího vedení „L-probe“ je tedy nejdůležitější rozměr vertikální a horizontální části. Na následujících obrázcích je zaznamenána změna rozměrů a vliv na impedanční přizpůsobení. Na Obr.13 je vidět modul činitele odrazu vyjádřený v decibelech (útlum odrazů, „Return Loss“), zaznamenány jsou tři křivky (Curve1: Lh=20mm, Lv=10mm; Curve 2: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 3: Lh = 16mm, Lv=14mm), u nichž byla zachována konstantní délka celé „L-probe“ 30mm (délka spojovacího kolene není zahrnuta). Všechny tři křivky dosahují maxima útlumu odrazů na téměř shodné frekvenci (rozdíl v řádu desítek MHz), což je možné vysvětlit faktem, že při vyjádření impedance v exponenciálním tvaru se moduly impedance takměř shodují, liší se však v argumentu impedance (nejnižší argument se projeví jako nejvyšší útlum odrazů).

Obr. 13: Útlum odrazů, Curve1: Lh=20mm, Lv=10mm; Curve 2: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 3: Lh = 16mm, Lv=14mm

Na Obr.14 můžeme pozorovat křivky (Curve3: Lh=18mm, Lv=10mm; Curve 4: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 5: Lh = 18mm, Lv=14mm), kdy byl zachován rozměr Lh konstantní a měnil se pouze rozměr Lv. Jednotlivá maxima křivek útlumu odrazů jsou na různých frekvencích. Na Obr.15 můžeme pozorovat křivky (Curve5: Lh=16mm, Lv=12mm; Curve 6: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 7: Lh = 20mm, Lv=12mm), kdy byl zachován rozměr Lv konstantní a měnil se pouze rozměr Lh. Jednotlivá maxima křivek útlumu odrazů jsou na různých frekvencích. U obou zmíněných případů dosahovala největší hodnoty útlumu křivka, která měla pro danou frekvenci při vyjádření impedance v exponenciálním tvaru nejmenší hodnotu argumentu impedance. - 22 -



Obr. 14: Útlum odrazů, Curve3: Lh=18mm, Lv=10mm; Curve 4: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 5: Lh = 18mm, Lv=14mm

Obr. 15: Útlum odrazů, Curve5: Lh=16mm, Lv=12mm; Curve 6: Lh=18mm, Lv=12mm, Curve 7: Lh = 20mm, Lv=12mm - 23 -


5.2


Parametrický rozbor „L-probe“, zemní roviny a patche

V této části bude předchozí struktura (zemní rovina jako hlavní reflektor a napájení v podobě Ltvarované sondy) doplněna o primární zářič, obdélníkový patch, jehož princip funkčnosti byl popsán v kapitole 4. Dle [1], kde je uveden (str.37) i náhradní obvod této struktury, jsou optimální rozměry patche určené modální analýzou při pracovním kmitočtu f0=2.45GHz následující: •

L=

•

w=

délka patche:

c0 3 3 ⋅ = λ 0 ⋅ = 45,92 mm f0 8 8

(5.1)

šířka patche:

2 L = 30,61 mm 3

(5.2)

Uspořádání struktury je znázorněno na Obr.16, analyzovanými parametry bude výška patche nad zemní rovinou a rozměry samotného napájení, vliv velikosti zemní roviny bude rovněž posouzen.

Obr. 16: Zemní rovina, „L-probe“ a patch

Podrobnou studií byla zjištěna šířka pásma (BW) při různých rozměrech napájecí sondy „L-probe“ (viz Obr.17), kdy výška patche nad zemní rovinou byla neměnná (v=20mm). Z uvedené studie vyplývá, jaké rozměry musí horizontální a vertikální část napájení mít, aby bylo dosaženo širokopásmového charakteru antény. Vzdálenost patche od horizontální části napájení je rovněž zásadní parametr, z tohoto důvodu byla provedena druhá studie šířky pásma, kdy byla udržována konstantní vzdálenost 5mm mezi uvedenými částmi antény. V tomto případě již bylo dosaženo širokopásmovosti u více kombinací rozměrů horizontální a vertikální části napájení. Z Obr.18 lze vypozorovat, že šířku pásma blížící se ke čtyřiceti procentům obdržíme v rozmezí celkové délky napájení 0,261λ 0 − 0,313λ 0 .

- 24 -



Obr. 17: Parametrická studie šířky pásma, konstantní výška patche nad zemní rovinou (v=20mm)

Obr. 18: Parametrická studie šířky pásma, proměnná výška patche nad zemní rovinou (konstantní vzdálenost od horizontální části napájení)

V následujících bodech bude provedena změna vždy jen jednoho z důležitých parametrů a bude sledován vliv jak na impedanční přizpůsobení, tak na vyzařovací charakteristiky. - 25 -



5.2.1 Změna délky horizontální části Lh napájení Na Obr.19 můžeme pozorovat útlum odrazů u pěti průběhů (Lh=16mm, Lh=17mm, Lh=18mm, Lh=19mm, Lh = 20mm při konstantním Lv=12mm), kdy byla při neměnné výšce patche nad zemní rovinnou (v=20mm) a jejím konstantním poloměru (D1=100mm) měněna délka horizontální části napájení.

Obr. 19: Útlum odrazů, různé hodnoty horizontální části napájení Lh=16mm, Lh=17mm, Lh=18mm, Lh=19mm, Lh = =20mm při Lv=12mm (konstantní)

Měnící se délka horizontální části napájení se projevuje pouze v přizpůsobení, kdy se s prodlužující se délkou Lh přizpůsobení zlepšuje, při takměř shodné šířce pásma BW=36%, což je možné vysvětlit podle průběhů reálné a imaginární části impedance, kdy pro největší útlum odrazů je argument impedance nejmenší (s narůstající hodnotou Lh se argument snižuje) a reálná část impedance je bez pár desetin 50Ω. Vyzařovací charakteristika pro pracovní kmitočet f0=2.45GHz (viz Obr.20) se prakticky nemění. Zisk dosahuje maxima na frekvenci 2.35GHz (viz Obr.21) a s narůstajícím kmitočtem zisk klesá, jelikož značně vzrůstá reálná i imaginární část impedance. Ve Smithově diagramu (Obr. 22) se smyčka posouvá z oblasti kapacitní reaktance a „obtáčí“ se kolem středu diagramu.

- 26 -



Obr. 20: Vyzařovací charakteristika pro střední frekvenci f0=2,45GHz

Obr. 21: Zisk při měnící se hodnotě Lh ve sledovaném frekvenčním pásmu

Obr. 22: Smithův diagram, změna parametru Lh - 27 -



5.2.2 Změna délky vertikální části Lv napájení Na Obr.23 můžeme pozorovat útlum odrazů u pěti průběhů (Lv=10mm, Lv =11mm, Lv =12mm, Lv =13mm, Lv = 14mm při konstantním Lh=18mm). kdy byla při neměnné výšce patche nad zemní rovinnou (v=20mm) a jejím konstantním poloměru (D1=100mm) měněna délka vertikální části napájení.. Největšího útlumu při dané pracovní frekvenci je dosaženo při hodnotě Lv =12mm, kdy je opět argument impedance nejmenší a modul impedance téměř 50Ω. Změna parametru Lv nemá stejně jako v předchozím případě vliv ani na vyzařovací charakteristiku ani na zisk. Šířka pásma mírně narůstá (Lv =11mm, Lv =12mm, Lv =13mm), u dvou zbylých hodnot (Lv =10mm, Lv =14mm) nebyl dodržen požadavek na útlum odrazů větší -10dB, při němž je poměr stojatých vln (PSV, angl. VSWR), který je funkcí modulu činitele odrazu, nikoliv jeho fáze, menší než 2. Na Obr.24 je znázorněn pohyb smyčky, která se s prodlužující se hodnotou Lv rozšiřuje, ve Smithově diagramu.

Obr. 23: Útlum odrazů, různé hodnoty vertikální části napájení Lv=10mm, Lv =11mm, Lv =12mm, Lv =13mm, Lv = 14mm při konstantním Lh=18mm

Obr. 24: Smithův diagram, změna parametru Lv - 28 -



5.2.3 Změna výšky patche nad zemní rovinou V této části byly zvoleny parametry napájení (Lv =13mm, Lh =18mm) a měněn byl parametr výšky, která určuje normálovou vzdálenost patche od zemní roviny. Na Obr.25 můžeme pozorovat útlum odrazů u pěti průběhů (v=16mm, v=18mm, v =20mm, v =22mm, v = 24mm).

Obr. 25: Útlum odrazů, změna parametru v, v=16mm, v=18mm, v =20mm, v =22mm, v = 24mm

Se vzdalujícím se patchem od zemní roviny dochází ke zlepšení přizpůsobení (útlum odrazů vzrůstá), avšak zužuje se šířka pásma ze 40% při výšce 20mm na 30% při výšce 24mm a mírně klesá zisk (viz Obr.26). Rovněž mírně narůstá hodnota zadního laloku (viz Obr. 27). Názornou představu o změnách činitele odrazu, resp. přizpůsobení skýtá Smithův diagram (Obr. 28), v němž je patrné „utahování“ a posuv smyček ke středu diagramu.

Obr. 26: Zisk při měnící se hodnotě parametru v ve sledovaném frekvenčním pásmu

- 29 -



Obr. 27: Vyzařovací charakteristika v polárních souřadnicích pro střední frekvenci f0=2,45GHz

Obr. 28: Smithův diagram, změna parametru v

5.2.4 Současná změna vertikální části napájení a výšky patche V tomto oddíle bude analyzován vliv současné změny výšky patche a vertikální části napájení na impedanční přizpůsobení a vyzařovací charakteristiky. Vzdálenost patche od horizontální části napájení, která bude neměně 18mm, bude konstantní, 5mm. Na Obr.29 jsou zaznamenány jednotlivé průběhy útlumu odrazů (Curve14: v=17mm, Lv=10mm; Curve 15: v=18mm, Lv=11mm; Curve 16: v=19mm, Lv=12mm; Curve 17: v=20mm, Lv=13mm; Curve 18: v=21mm, Lv=14mm). Na středním kmitočtu splňují podmínku útlumu odrazů pouze dva průběhy (Curve 17 a Curve 18), šířka pásma je beze změny a zisk se mění zanedbatelně (v desetinách dB). Vyzařovací charakteristika není rovněž ovlivněna. Ze Smithova diagramu je zřejmé mírné utahování a výrazný posuv smyček směrem ke středu diagramu se vzrůstajícími hodnotami v a Lv, což je žádoucí z důvodu impedančního přizpůsobení, jelikož klesá hodnota PSV. - 30 -



Obr. 29: Curve14: v=17mm, Lv=10mm; Curve 15: v=18mm, Lv=11mm; Curve 16: v=19mm, Lv=12mm; Curve 17: v=20mm, Lv=13mm; Curve 18: v=21mm, Lv=14mm

Obr. 30: Smithův diagram, současná změna parametru Lv a v

5.2.5 Současná změna horizontální i vertikální části napájení Obdobně jako v bodě 5.1 bude provedena analýza, kdy bude souběžně měněna délka jednotlivých částí „L-probe“, přičemž celková délka bude 30mm, tzn. bude-li se jeden rozměr zmenšovat, druhý se prodlouží. Vzdálenost patche od horizontální části napájení bude neměnná, 5mm. Ze Smithova diagramu (viz Obr.31), kde je zaznamenáno pět průběhu (Curve18: v=17mm, Lv=10mm, Lh=20mm; Curve 19: v=18mm, Lv=11mm, Lh=19mm; Curve 20: v=19mm, Lv=12mm, Lh=18mm; Curve 21: v=20mm, Lv=13mm, Lh=17mm; Curve 22: v=21mm, Lv=14mm, Lh=16mm), je patrné utahování smyček, aniž by docházelo k jejich posuvu.

- 31 -



Obr. 31: Smithův diagram, současná změna parametru Lh a Lv , patch v konstantní výšce od horizontální části napájení

V této části byla provedena obdobná analýza pouze s tím rozdílem, že výška patche od zemní roviny byla konstantní, 20mm. Ze Smithova diagramu (viz Obr.32), kde je zaznamenáno pět průběhu (Curve 21: Lv=10mm, Lh=20mm; Curve 22: Lv=11mm, Lh=19mm; Curve 23: Lv=12mm, Lh=18mm; Curve 24: Lv=13mm, Lh=17mm; Curve 25: Lv=14mm, Lh=16mm), je patrné roztahování smyček při zvyšujícím se parametru Lv a zároveň snižujícím se rozměru Lh, navíc dochází k posuvu smyček.

Obr. 32 Smithův diagram, současná změna parametru Lh a Lv , patch v konstantní výšce od zemní roviny

- 32 -



5.2.6 Změna velikosti zemní roviny V dostupné literatuře, např. v [2, 7], se běžně uvádí průměr zemní roviny přibližně 2λ0. Zde byl poloměr zemní roviny měněn v rozmezí od 0,57λ0 (70mm) do 1,79λ0 (220mm) krokem 0,25λ0 (30mm). Na základě analýzy v předchozích oddílech byly optimalizací určeny parametry napájení (Lh= 0,177λ0 (21,7mm), Lv=0,089λ0 (11mm), Kh=0,016λ0 (2mm)) a patche (L=0,384λ0 (47mm)), w=2/3L).Velikost zemní roviny značně ovlivňuje vyzařovací charakteristiky a zisk, resp. směrovost (rozdíl až 2,5dBi, viz Obr.34). Na Obr.33 je uvedena vyzařovací charakteristika pro uvedené nastavení. Se zvyšujícím se poloměrem dochází ke snížení zpětného vyzařování, při nejmenším poloměru zemní roviny je zpětný svazek největší jak v šířce tak i amplitudě. Při poloměru 130mm a vyšším se začínají utvářet postranní laloky. Velikost zemní roviny nemá v daném rozmezí vliv na impedanční přizpůsobení, reálná a imaginární část impedance se při změně poloměru téměř nemění, šířka pásma je 29% (705MHz). Největšího zisku (9,37dBi) je dosaženo při poloměru zemní roviny 100mm. Na Obr.35 je zachycen Smithův diagram, znázorňující impedanční přizpůsobení. Byla provedena analýza vlivu změny rovnoběžného posuvu patche vzhledem k zemní rovině (parametr d, viz Obr.16), žádné výraznější změny ve vyzařovacích charakteristikách či impedančním přizpůsobení nebyly zjištěny. Na dalších obrázcích (Obr.36-39) jsou zobrazeny vektory elektromagnetického pole, povrchové proudy a vyzařovací 3D charakteristika.

Obr. 33: Vyzařovací charakteristika v polárních souřadnicích pro střední frekvenci f0=2,45GHz

- 33 -



Obr. 34: Zisk při měnící se hodnotě parametru D1 ve sledovaném frekvenčním pásmu

Obr. 35: Smithův diagram, změna poloměru zemní roviny D1

Obr. 36: Vyzařovací 3D diagram antény - 34 -



Obr. 37: Rozložení povrchových proudů na struktuře

Obr. 38: Rozložení vektoru intenzity elektrického pole E na patchi

Obr. 39: Rozložení vektoru intenzity magnetického pole H na patchi - 35 -


5.3


Obdélníkový patch napájený „L-probe“ s dutinou

Již od svých prvopočátků je krátká anténa se zpětným zářením opatřena bočnicí (Obr.40), která mívá výšku zpravidla 0,5λ0. Přidáním bočnice se dle [2] docílí zvýšení zisku přibližně o 3dBi, resp. směrovosti při zachované šířce pásma. Rozhodující roli hraje výška, popřípadě úhel naklonění bočnice. V dalších dvou oddílech budou použity rozměry napájení (Lh= 0,177λ0 (21,7mm), Lv=0,089λ0 (11mm), Kh=0,016λ0 (2mm)), patche (L=0,384λ0 (47mm)) a zemní roviny (D1=0,816λ0 (100mm)) získané z předchozích analýz.

Obr. 40: Krátká anténa se zpětným zářením doplněná dutinou

5.3.1 Vliv výšky bočnice Výška bočnice byla měněna v rozmezí od 0,163λ0 (20mm) do 0,817λ0 (100mm). Z grafu útlumu odrazů (Obr. 41), z vyzařovací charakteristiky (Obr.42) a z grafu frekvenční závislosti hodnoty zisku (Obr.43) je patrné, že při výšce bočnice H=80mm je dosaženo nejlepších hodnot (šířka pásma 20% a zisk 13.2dBi, viditelně se však posunula střední frekvence).

Obr. 41: Útlum odrazů pro různé výšky bočnice - 36 -



Obr. 42: Zisk při měnící se hodnotě parametru H ve sledovaném frekvenčním pásmu

Obr. 43: Vyzařovací charakteristika při měnící se výšce bočnice, střední frekvenci f0=2,45GHz

5.3.2 Vliv úhlu naklonění bočnice V předchozím bodě byla určena výška bočnice 0,653λ0 (80mm), která měla velký vliv jak na impedanční přizpůsobení tak i vyzařování antény, jemnějším zvyšováním byla určena výška bočnice na 0,679λ0 (83,2mm), což odpovídá půl vlnové délce od patche. Při úhlu naklonění 10° se výrazně zvyšuje šířka pásma z 20% dosažená při nulovém sklonu bočnice na 30%, zisk vzrůstá jen nepatrně na 13.8dBi, ve Smithově diagramu (Obr. 46) je viditelná druhá smyčka. Při narůstání úhlu se však zvyšuje úroveň vedlejších laloků (viz Obr. 47). Kladným úhlem naklonění bočnice se zvětšuje poloměr apertury označený jako D2 (víko kónusu). Poloměr zemní roviny D1 je s poloměrem D2 svázán vztahem:

D2 = D1 + H ⋅ Tan (α ⋅ π / 180 )

(5.3) - 37 -



Obr. 44: Útlum odrazů pro různý sklon bočnice

Obr. 45: Zisk při měnící se hodnotě sklonu bočnice ve sledovaném frekvenčním pásmu

Obr. 46: Smithův diagram při měnícím se úhlu alfa - 38 -



Obr. 47: Vyzařovací charakteristika při měnícím se sklonu bočnice, střední frekvenci f0=2,45GHz

5.4

Doplnění struktury subreflektorem

Doplněním subreflektoru je dle [2] možné docílit zvýšení zisku o 3dBi. Avšak pouhým zakomponováním uvedeného prvku do anténní struktury o rozměrech, které byly získány z předchozích parametrických rozborů, kýžený výsledek nepřináší (navýšení zisku se pohybuje pouze v řádu desetin decibelu), navíc dochází k posuvu střední frekvence až téměř na horní okraj pracovního frekvenčního pásma (viz bod 5.3.1). Jediným pozitivem, které však zdaleka není dostačující, je úroveň potlačení postranních laloků (viz Obr.50). Na Obr. 48 je znázorněn útlum odrazů pro různé poloměry Dr subreflektoru, který byl umístěn ve stejné výšce jako horní okraj bočnice, tzn. ve výšce H. Uvedené nedostatky mají s největší pravděpodobností příčinu v rozměrech patche, konkrétně v jeho délce. V [2] je délka patche 0,312λ0 (36mm), což znamená při v [2] použitém pracovním kmitočtu 2,6GHz zkrácení délky patche o přibližně 7,3mm, drželi-li bychom se striktně vztahu (5.1) uvedeném v bodu 5.2 této práce. Přijatelné řešení a návrh celé anténní struktury bude prezentován v následující kapitole.

- 39 -



Obr. 48: Krátká anténa se zpětným zářením doplněná subreflektorem

Obr. 49: Útlum odrazů pro různý poloměr subreflektoru

Obr. 50: Vyzařovací charakteristika při měnícím se poloměru subreflektoru, střední frekvenci f0=2,45GHz

- 40 -

6 Návrh krátké antény se zpětným zářením


6 Návrh krátké antény se zpětným zářením K řešení úskalí, které vyvstalo přidáním dutiny a subreflektoru do anténní struktury (viz předchozí kapitola), se muselo přistoupit radikálním způsobem. Nejdříve bylo nutné posunout šířku pásma tak, aby střední frekvencí bylo požadovaných 2,45GHz, čehož bylo možné dosáhnout změnou rozměrů patche, potažmo jejich zmenšením, rozměry napájení se však rovněž musely přizpůsobit. Uvedenými úpravami anténu impedančně přizpůsobíme. S cílem získání co nejlepších vyzařovacích charakteristik pak byly přizpůsobeny rozměry dutiny a subreflektoru. Hledané rozměry dutiny byly nalezeny poměrně snadno. Byl zvolen minimální poloměr zemní roviny (70mm), při menších poloměrech dochází dle [1] k rozkmitání reálné a imaginární části impedance, čímž je ovlivněno impedanční přizpůsobení, a měněn sklon bočnice. Při sklonu bočnice 42° byly získány poměrně zajímavé výsledky. V návrhu byly určeny následující rozměry jednotlivých komponent: •

napájení „L-probe“: horizontální část Lh= 0,176λ0 (21,5mm), vertikální část Lv=0,069λ0 (8,5mm), spojovací část Kh=0,016λ0 (2mm)

•

patch: délka L=0,366λ0 (44,8mm), šířka w=0,244λ0 (29,87mm), tloušťka 0,1mm, výška nad zemní rovinou v=0,155λ0 (19mm), posuv patche d=6mm

•

zemní rovina: poloměr D1=0,573λ0 (70mm), tloušťka Tc=1mm

•

kónická dutina: výška H=0,776λ0 (95mm), úhel naklonění α=42°, poloměr apertury D2=1,271λ0 (155,58mm)

•

subreflektor: výška nad zemní rovinou Hr=0,776λ0 (95mm), poloměr Dr=0,163λ0 (20mm)

Z níže uvedených obrázků je zřejmé velice dobré impedanční přizpůsobení, šířka pásma 30% a maximální směrovost 16,2dBi.

Obr. 51: Útlum odrazů závěrečného návrhu krátké antény se zpětným zářením - 41 -



Obr. 52: Zisk krátké antény se zpětným zářením ve sledovaném frekvenčním pásmu

Obr. 53: Smithův diagram krátké antény se zpětným zářením

Obr. 54: Vyzařovací charakteristika krátké antény se zpětným zářením - 42 -



Obr. 55: Vyzařovací 3D charakteristika směrovosti krátké antény se zpětným zářením

Obr. 56: Vyzařovací 3D charakteristika křížové polarizace krátké antény se zpětným zářením

Obr. 57: Průběh reálné části impedance krátké antény se zpětným zářením

- 43 -



Obr. 58: Průběh imaginární části krátké antény se zpětným zářením

Obr. 59: Průběh vektoru intenzity elektrického E ve směru normály zemní roviny od patce k subreflektoru

Obr. 60: Průběh vektoru intenzity magnetického pole H ve směru normály zemní roviny od patce k subreflektoru

- 44 -

7 Zhodnocení výsledků


7 Zhodnocení výsledků K parametrickému rozboru anténní struktury byl použit simulační software CST Microwave Studio. Rozměry jednotlivých komponent musely být zpravidla alterovány, tzn. nebylo možné v plné míře využít výchozích parametrů z [1]. Výrazně pozměněnými rozměry byly délka a sní vztahem (5.2) svázaná šířka patche, kdy byla v návrhu krátké antény se zpětným zářením použita délka L=0,366λ0 (44,8mm) a šířka w=0,244λ0 (29,87mm). Rozměry napájení se rovněž liší, kdy horizontální a vertikální část napájení je délky Lh= 0,176λ0 (21,5mm), resp. část Lv=0,069λ0 (8,5mm). Nejvýrazněji byly upraveny parametry dutiny, kdy její výška H=0,776λ0 (95mm) a úhel naklonění α=42°, a poloměr zemní roviny D1=0,573λ0 (70mm). Nalezení náhradního obvodu napájení (viz bod 5.1), patche jakožto paralelního RLC obvodu (viz [1], str.29) a jejich vzájemné propojení (viz [1], str.37) umožňuje vysvětlení jednotlivých komponent na fyzikální úrovni. Náhradní obvod potvrzuje fakt, že napájení je s primárním zářičem svázán kapacitní vazbou. Vytvoření náhradního obvodu celé anténní struktury je však z důvodu své komplexnosti prakticky nemožné. Návrh krátké antény je v této práci uveden po jednotlivých krocích, kdy je možné sledovat postupný nárůst zisku z 9,37dBi, resp. směrovost, kdy anténní strukturu tvořila zemní rovina, napájení a patch, až po výsledných 16,2dBi dosažených celkovou anténní sestavou. Směrovost navržené antény je velmi uspokojivá, přičemž odstup od postranních svazků je -21,1dB, čímž se potvrdila obecná charakteristika krátké antény se zpětným zářením, šířka hlavního svazku je 26° pro pokles o 3dB. Úroveň křížové polarizace je zanedbatelná. Účinnost apertury je 73%. Šířka pásma dosahuje 30% (pro RL<-10dB). Při návrhu antény byly vyzkoušeny různé tvary subreflektoru (čtvercový, obdélníkový, kulová výseč) a byl přidán druhý subreflektor různých průměru, který byl úspěšně použit v [4], žádných zajímavých výsledků však nebylo dosaženo. Jako nejlepší tvar dutiny se projevil kónický tvar. Po vzoru [5] byl pod patch přidán vertikální drát, který mírně zlepšoval přizpůsobení. Výšku bočnice a s ní zvětšující se aperturu je možné ještě zvyšovat, čímž se dá dosáhnout směrovosti kolem 17,2dBi, avšak výška bočnice by měřila přibližně již 140mm, což by nemuselo splňovat požadavky na ekonomičnost antény.

- 45 -

8 Závěr


8 Závěr V rámci této práce jsem se poměrně podrobně blíže seznámil s principy antén, konkrétně antén reflektorových. Účelem bylo navrhnout krátkou anténu se zpětným zářením, přičemž návrh probíhal v několika krocích, kdy v každém následujícím stupni byla přidána další anténní komponenta. Bylo tak možné porozumět vlivům jednotlivých částí na vyzařovací charakteristiky a impedanční přizpůsobení. Důkazem toho je výsledný návrh krátké antény se zpětným zářením, který se svými charakteristikami může měřit s anténami prezentovanými např. v [4, 7, 8, 9], či je dokonce předčí. Díky náhradnímu obvodu, který byl kompletně převzat z [1], lze vysvětlit princip funkčnosti napájení a patche na fyzikální úrovni. Samotná dutina a subreflektor jsou dle mého svou podstatou rovněž rezonátory, čímž se celá struktura stává velmi komplexní. Návrh této antény by mohl být v dalším kroku fyzicky zrealizován a ověřen praktickým měřením.

- 46 -

9 Literatura


9 Literatura [1] Procházka,T.: Mikropáskové antény s dutinou, diplomová práce, FEL ČVUT, 2009 [2] Hazdra,P., Mazánek,M.: Wideband SHorted Backfire Antenna with L-probe fed Microstrip Patch, EuCAP 2010 [3] Gray,D.P., Shafai,L.: Parametric Study of Short Backfire Antennas with Different Cavity Profiles. Antennas and Propagation Society International Symposium,2000 IEEE. Dostupné z WWW: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00874446 [4] Kirov,G.S.: Design of Short Backfire Antennas. IEEE Antennas & Propagation Magazíne, Volume 51, No. 6, December 2009, s. 110 -120 [5] Hazdra,P., Mazánek,M., Čermák,J. : Wideband Rectangular Microstrip Patch Antenna Using L-probe Feeding System, Radioengineering, Vol. 16, No. 3, September 2007 [6] Mazánek,M., Pechač,P.: Šíření elektromagnetických vln a antény, Skripta ČVUT, Praha 2007 [7] Ohmori,S., Miura, S., Kameyama, K., Yoshimura, H.: An Improvement in Electrical Characteristics of a Short Backfire Antenna. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,

VOL.

AP-31,

NO.

4,

JULY

1983,

s.

644

–

646.

Dostupný

z WWW:

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1143099 [8] Li, R.L., Thompson, D.C., Papapolymerou, J., Laskar, J., Tentzeris, M.M.: Circularly Polarized Short Backfire Antennas Excited by an Unbalance-Fed Cross Aperture. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 54, NO. 3, MARCH 2006, s. 852 – 859. Dostupný z WWW: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1603811 [9] D. C. Thompson, R. L. Li, J. Papapolymerou, J. Laskar, and M. M. Tentzeris: New Short Backfire Antennas

for

Wireless

Applications.

Dostupný

z WWW:

http://www.athena-

gatech.org/papers/thompson3.pdf [10] Changlu, L., Ximing, S.: SHORT BACKFIRE ANTENNA RESEARCH. Dostupný z WWW: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1149087

- 47 -

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Recommend Documents