Rok / Year: 2015
Svazek / Volume: 17
Číslo / Number: 2
Integrovaná dvoupásmová flíčkovo-monopólová anténa The integrated dual band monopole patch-antenna David Krutílek, Michal Mrnka, Vladimír Hebelka, Zbyněk Raida
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Abstrakt: Tento článek se zabývá problematikou návrhu anténních soustav vhodných pro radioreléové spoje. V článku popisujeme postup návrhu a optimalizaci antény, která se skládá ze dvou anténních elementů, jejichž vzájemné ovlivňování je díky vhodné koncepci anténní struktury minimální. Širokopásmová anténa je navržena pro frekvenční pásmo 10 až 13 GHz, úzkopásmová anténa pracuje na kmitočtu 38 GHz. Anténní soustava byla numericky modelována a optimalizována v programu CST Microwave Studio s použitím lokálních optimalizačních metod.
Abstract: This paper deals of designing antenna system suitable for relay links. In the paper is described the process of design and optimization of antenna, that consists of two antenna elements. First element is on the top side, second one is on the bottom. The interaction between antenna elements is minimal due to an adequate conception of the antenna structure. The wideband antenna is designed for the frequency range 10-13 GHz, the narrowband antenna for the frequency of 38 GHz. This Antenna system was numerically modeled and optimized in CST Microwave Studio.
VOL.17, NO.2, APRIL 2015
Integrovaná dvoupásmová flíčkovo-monopólová anténa David Krutílek, Michal Mrnka, Vladimír Hebelka, Zbyněk Raida Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně Email:
[email protected],
[email protected] [email protected],
[email protected]
Abstrakt – Tento článek se zabývá problematikou návrhu anténních soustav vhodných pro radioreléové spoje. V článku popisujeme postup návrhu a optimalizaci antény, která se skládá ze dvou anténních elementů, jejichž vzájemné ovlivňování je díky vhodné koncepci anténní struktury minimální. Širokopásmová anténa je navržena pro frekvenční pásmo 10 až 13 GHz, úzkopásmová anténa pracuje na kmitočtu 38 GHz. Anténní soustava byla numericky modelována a optimalizována v programu CST Microwave Studio s použitím lokálních optimalizačních metod
2 Anténní soustava Širokopásmová anténa pro nižší kmitočtové pásmo je koncipována jako monopól. Rameno monopólu tvoří relativně velká pokovená plocha. Tato plocha vytvoří zemní desku antény navržené pro vyšší pásmo. Anténou pro vyšší pásmo je zkratovaná flíčková anténa [3], [4]. Umístěním menší antény na tu část větší antény, kde je nižší koncentrace povrchových proudů, zajistíme menší interakci mezi oběma anténami. Optimalizací vzájemné polohy antén můžeme jejich vzájemnou vazbu minimalizovat.
1 Úvod V současné době může moderní komunikační zařízení podporovat více bezdrátových služeb, provozovaných v různých kmitočtových pásmech. Pro vícepásmovou komunikaci se využívají vzhledem k omezenému prostoru a požadavku na nízké výrobní náklady vícepásmové antény. Koncepce a uspořádání antény, které se věnujeme v tomto článku, vychází z článku [1]. Publikovaná anténa komunikovala v širokopásmém spektru 3.1 – 10.6 GHz a bylo se možné přepnout do úzkopásmého módu pracujícího na frekvenci 5.1 GHz. Výhodou popsaného řešení je možnost obsloužit jedinou anténou více služeb. Námi navržená anténa pokrývá kmitočtová pásma 10 až 13 GHz a 38 GHz. U námi navržené struktury leží úzkopásmový mód v pásmu milimetrových vln, a tedy neleží v rámci širokopásmového módu 10 – 13 GHz. Vybraná mikrovlnná pásma se využívají pro radioreléové spoje: Volné pásmo se nachází na frekvenci 10 GHz. Spoj na frekvenci 10 GHz je vhodný na krátké a střední vzdálenosti. Vysílací výkon musí být nižší než 2 mW, šířka obsazeného kanálu musí být do 28 MHz. Pásmo 10 GHz se využívá k distribuci internetu. Regulované pásmo na frekvenci 11 GHz je vhodné pro bezdrátový přenos na střední a delší vzdálenosti. Pásmo na frekvenci 38 GHz je opět regulované. Je vhodné spíše pro kratší spoje, např. v rámci města a pro vysokokapacitní spoje.
Obrázek 1: Planární motiv širokopásmového monopólu (horní strana substrátu). Širokopásmovou anténu 10 až 13 GHz i úzkopásmovou anténu 38 GHz jsme navrhli na substrát Taconic TLC s relativní permitivitou εr = 3 ± 0,05 a výškou h = 0,79 mm.
Anténa, kterou v článku popisujeme, pokrývá všechny výše popsaná kmitočtová pásma. Její rozměry jsou redukovány oproti případu, kde bychom požili dvě nezávislé antény pro dané pásma. Vícepásmové antény jsou obecně geometricky složitější struktury a vhodně zvolená optimalizační metoda může značně urychlit finální návrh struktury.
Širokopásmová anténa, která je umístěna na horní straně substrátu, je nakreslena na obrázku 1. Jedná se o planární širokopásmový monopól, který je tvořen postupně se rozšiřujícím
33
VOL.17, NO.2, APRIL 2015 ramenem monopólu a zemní plochou. V zemní ploše je navrženo koplanární vedení, jež anténu napájí. Můžeme nalézt mnoho kalkulátorů, které za zaobírají návrhem koplanárního vedení. Pro účely naší antény byl návrh proveden pomocí volně dostupného online kalkulátoru Coplanar Waveguide Analysis/Synthesis Calculator [5].
K buzení numerických modelů antén jsme využili vlnovodové porty. Pro analýzu antén jsme vybrali řešič pracující v časové oblasti, který je schopen charakterizovat chování analyzované struktury v celém rozsahu kmitočtů během jediné simulace. Abychom numerický model anténní soustavy zjednodušili, nahradili jsme měděný pokov substrátu dokonalým vodičem. Relativní permitivitu a tloušťku substrátu jsme nastavili dle skutečnosti. Jelikož CST pracuje s diferenciálním popisem simulovaných struktur, musíme anténní soustavu umístit do ohraničeného prostoru. Okrajové podmínky prostoru nastavíme na ekvivalent nekonečného volného prostoru.
Obrázek 4: Buzení širokopásmového monopólu vlnovodovým portem. Obrázek 2: Planární motiv úzkopásmového flíčku (spodní strana substrátu).
Kmitočtový průběh činitele odrazu na vstupu širokopásmového monopólu je nakreslen na obrázku 5, průběh činitele odrazu na vstupu flíčku znázorňuje obrázek 6. Na požadovaných frekvencích jsou hodnoty činitele odrazu nižší než -10 dB při referenční impedanci 50 Ω. Požadované výsledky jsme dosáhli využitím optimalizačních algoritmů implementovaných přímo v CST MWS. V našem případě se nejlépe osvědčila interpolační kvazi-Newtonova metoda [7] a Nelderova-Meadova simplexní metoda [8]. Na vyzařovací charakteristiky a pracovní kmitočty zkoumané anténní soustavy měl největší vliv vzájemná pozice obou antnén.
Úzkopásmová flíčková anténa je umístěna na spodní straně substrátu (Obrázek 2). Rozměry flíčku, jeho poloha vůči širokopásmovému monopólu a poloha prokovu ovlivňují rezonanční kmitočet antény. Počáteční rozměry flíčku jsme určili z obecně platných vztahů uvedených v [6]. Poté došlo opět k optimalizaci v programovém balíku CST.
Obrázek 3: Buzení úzkopásmové flíčkové antény vlnovodovým portem. Funkčnost navržené anténní soustavy jsme ověřili v elektromagnetickém simulátoru CST Microwave Studio (CST). Pro simulaci jsme v CST zvolili výpočetní mód pro planární antény.
Obrázek 5: Simulovaný kmitočtový průběh velikosti činitele odrazu na vstupu širokopásmového monopólu.
34
VOL.17, NO.2, APRIL 2015
Obrázek 6: Simulovaný kmitočtový průběh velikosti činitele odrazu na vstupu úzkopásmového flíčku.
Obrázek 7: Vypočtená směrová charakteristika široko-pásmového monopólu na frekvenci 10 GHz v rovině E.
Na obrázcích 7 až 12 jsou vykresleny směrové charakteristiky navržené anténní soustavy na kmitočtech 10 GHz (obrázek 7 a 8), 11 GHz (obrázek 9 a 10) a 38 GHz (obrázek 11 a 12). Směrové charakteristiky jsou vykresleny pro rovinu E. Rovina E je kolmá na plochu substrátu, a současně prochází podélnou osou širokopásmového monopólu (podélnou osou planárního napáječe flíčkové antény). Ze směrových charakteristik je patrný širší hlavní lalok širokopásmé antény. Dalo by se říct, že se jedná o realativně všesměrový zářič v obou požadovaných pásmech. Na obrázcích 10 a 11 jsou nakresleny směrové charakteristiky úzkopásmového flíčku navrženého pro kmitočet 38 GHz. Deformace směrové charakteristiky je způsobena nedostatečně rozlehlou zemní rovinou, kterou tvoří širokopásmý monopól s lineární polarizací souhlasnou v obou pásmech.
3 Závěr
Obrázek 8: Vypočtená směrová charakteristika široko-pásmového monopólu na frekvenci 10 GHz ve 3D
V článku jsme popsali anténní soustavu pro bezdrátovou komunikaci v kmitočtových pásmech 10 - 13 GHz a 38 GHz. Anténní soustava byla navržena v programu CST Microwave Studio, kde byly nalezeny kritické rozměrové parametry a ty jsme posléze optimalizovali optimalizačním modulem za pomocí Kvazi-Newtonovi a Melder-Meadovy metody, jenž je součástí téhož programového balíku. Použití těchto metod vycházelo ze zkušeností s optimalizací malých antén, kdy jsme tyto metody shledali jako nerychlejší a nejúčinnější. Širší laloky navržených antén a jejich relativně malé rozměry dávají dobrý předpoklad pro umístění anténního systému do kapesního zařízení, u něhož se nepředpokládá ideální nasměrování antény k vysílači. Protože jsme nepočítali s výrovou antény, v simulacích jsme neuvažovali koaxiální konektor. Ten by vnesl minimální změnu oproti naší počítané variantě, protože vlnovodný port měl vstupní impedanci 50Ω. Vzrostly by avšak výpočetní nároky a tím se výrazně prodloužila i doba samotné optimalizace. Na pracovních kmitočtech jsme dosáhli hodnoty činitele odrazu na vstupu antény menší než 10 dB s lineárně polarizovanou vlnou.
Obrázek 9: Vypočtená směrová charakteristika široko-pásmového monopólu na frekvenci 11 GHz v rovině E.
35
VOL.17, NO.2, APRIL 2015
Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory grantu FR-TI3/447 Ministerstva průmyslu a obchodu České Republiky. Výzkum popsaný v tomto příspěvku byl realizován v laboratořích výzkumného centra SIX; www.six.feec.vutbr.cz.
Literatura
Obrázek 10: Vypočtená vyzařovací charakteristika širokopásmového monopólu na frekvenci 11 GHz ve 3D
Obrázek 11: Vypočtená směrová charakteristika úzko-pásmového flíčku na frekvenci 38 GHz v rovině E.
Obrázek 12: Vypočtená směrová charakteristika úzko-pásmového monopólu na frekvenci 38 GHz ve 3D
36
[1]
EBRAHIMI, E., KELLY, J., and HALL, P. „Integrated Wide-Narrowband Antenna for Multi-Standard Radio“ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 7, July 2011
[2]
CST MWS 2013 [online]. [cit. 2015-1- 14]. Dostupné z: https://www.cst.com/
[3]
RAIDA, Z. Učebnice EM vln a mikrovlnné techniky Multimediální učebnice. Brno: FEKT VUT v Brně, 2010. http://www.urel.feec.vutbr.cz/~raida/multimedia/index.php?
[4]
ČERNOHORSKÝ, D., a další. Analýza a optimalizace mikrovlnných struktur. Brno: VUTIUM v Brně, 1999.
[5]
COPLANAR WAVEGUIDE ANALYSIS/SYNTHESIS CALCULATOR [online]. [cit. 2015-1-14]. Dostupné z: http://wcalc.sourceforge.net/cgi-bin/coplanar.cgi
[6]
BALANIS, Constantine A. BALANIS. Antenna theory: analysis and design. 3rd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2005, xvii, 1117 s. ISBN 978-0-471-66782-7.
[7]
RAIDA, Z. Optimalizace v elektrotechnice. Internetová učebnice. Brno: FEKT VUT v Brně, 2004. Dostupné z: http://www.urel.feec.vutbr.cz/~raida/optimalizace/index.htm
[8]
NELDER, A., MEAD, R., A Simplex Method for Function Minimization. Computer Journal, 1965, 7, 308-313
