Rok / Year: 2012
Svazek / Volume: 14
Číslo / Issue: 5
Štěrbinová anténní řada na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu Substrate Integrated Waveguide Slot Antenna Array Petr Sedláček, Tomáš Mikulášek
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Abstrakt: Článek popisuje návrh, simulaci a realizaci štěrbinové anténní řady 2x2 na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu pro pásmo Wi-Fi 5 GHz. Cílem bylo navrhnout anténní řadu s minimálním činitelem odrazu a maximálním ziskem v celém pracovním pásmu kmitočtů pomocí programu Ansoft HFSS. Získané simulované výsledky jsou ověřeny v programu CST Microwave Studio a měřením vyrobeného prototypu. V článku je uvedeno srovnání simulovaných a měřených výsledků anténní řady.
Abstract: This paper presents a substrate integrated waveguide slot antenna array. The antenna operates in 5 GHz Wi-Fi band. The antenna is designed in Ansoft HFSS and subsequently fabricated. The simulated and the measured results are presented and discussed.
2012/61 – 29. 10. 2012
Štěrbinová anténní řada na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu Petr Sedláček, Tomáš Mikulášek Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: {xsedla31, xmikul30}@stud.feec.vutbr.cz
Abstrakt – Článek popisuje návrh, simulaci a realizaci štěrbinové anténní řady 2x2 na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu pro pásmo Wi-Fi 5 GHz. Cílem bylo navrhnout anténní řadu s minimálním činitelem odrazu a maximálním ziskem v celém pracovním pásmu kmitočtů pomocí programu Ansoft HFSS. Získané simulované výsledky jsou ověřeny v programu CST Microwave Studio a měřením vyrobeného prototypu. V článku je uvedeno srovnání simulovaných a měřených výsledků anténní řady.
1 Úvod
h
h p d εr
εr aRWG
a
Obrázek 1: Obdélníkový vlnovod a struktura SIW. 1.1 Přepočet běžného vlnovodu na strukturu SIW
V posledních letech získávají stále větší pozornost bezdrátové systémy a komponenty v oblasti centimetrových a milimetrových vln. Většina aplikací těchto systémů závisí na efektivní a cenově dostupné technologii, vhodné pro sériovou výrobu. Slibným kandidátem pro rozvoj obvodů a komponent pracujících v oblasti mikrovln je vlnovod integrovaný do substrátu (z angl. Substrate Integrated Waveguide, SIW). Krajní stěny tohoto vlnovodu jsou tvořeny dvěma řadami prokovů, které spojují horní a spodní pokovení dielektrického substrátu s relativní permitivitou εr a tloušťkou b. Tím je tvořen běžný obdélníkový vlnovod (z angl. Rectangle Waveguide, RWG) v planární formě, viz obrázek 1. Struktura SIW je popsána třemi parametry: průměrem prokovů d, rozestupem prokovů p a šířkou příčné strany vlnovodu a tvořeného prokovy. Struktura vlnovodu s prokovy vykazuje podobné vlastnosti jako běžný kovový vlnovod, včetně rozložení elektromagnetického pole a rozptylových parametrů. Na rozdíl od kovových vlnovodů se v této struktuře mohou šířit pouze módy TEm0. Řešením vlnovodných komponent založených na vlnovodu integrovaném do substrátu lze podstatně snížit velikost a hmotnost součástek oproti realizaci běžným kovovým vlnovodem. Výhodou SIW technologie je možnost integrace všech komponent, ať už pasivních nebo aktivních, na jeden substrát. Není zde potřeba přechodů mezi elementy vyrobenými různými technologiemi, což redukuje cenu zařízení a jeho ztráty [1]. Prezentovaná anténa je navržena pro aplikaci Wi-Fi v pásmu 5,47–5,725 GHz. Požadavky kladené na anténu jsou: hodnota činitele odrazu s11 < –10 dB v celém pracovním pásmu kmitočtů a dosažení maximálního zisku antény. Sledovanými parametry jsou šířka hlavního laloku 2θ0,7 a potlačení bočních laloků.
Komponenty na bázi SIW je možné modelovat běžným obdélníkovým vlnovodem, jelikož obě struktury mají shodné vlastnosti. Výhoda je zejména v jednoduchosti modelu komponenty SIW, s čímž souvisí nízká výpočetní náročnost. Optimalizované komponenty lze přepočítat na strukturu s prokovy dle matematických vztahů (2–6) z literatury [2]. Vstupními parametry pro přepočet jsou průměr prokovu d, rozestup prokovů p a šířka příčné strany obdélníkového vlnovodu s pevnými stěnami aRWG daná vztahem a RWG
c 2 f krit r
,
(1)
kde fkrit je kritický kmitočet vlnovodu. Hledaným parametrem je délka příčné strany vlnovodu a. Závislost mezi příčnou stranou vlnovodu tvořeného prokovy a a příčnou stranou obdélníkového vlnovodu aRWG je daná vztahem (2) aRWG a a , kde ̅ je normalizovaná šířka ekvivalentního vlnovodu, kterou lze určit dle vzorce
a k1
k2 . p k1 k2 k3 d k3 k1
Parametry kx se stanový pomocí následujících vztahů 0,3465 k1 1,0198 , a 1,0684 p
61 – 1
1,2729 , a 1,201 p 0,9163 k 3 1,0082 . a 0,2152 p k 2 0,1183
(3)
(4)
(5)
(6)
VOL.14, NO.5, OCTOBER 2012
2012/61 – 29. 10. 2012
2 Návrh a realizace anténní řady 2x2
ʎg/2
d c
ʎg/4
b
Rozložení EM pole ve vlnovodu
Obrázek 2: Umístění štěrbin ve stěně SIW. Štěrbinová anténa na bázi SIW je tvořena jednou či několika podélně umístěnými štěrbinami v širší stěně vlnovodu. Poloha štěrbin je odvozena z rozložení elektromagnetického (EM) pole ve vlnovodu tak, aby jejich středy ležely v maximech tohoto pole, viz obrázek 2. Rezonanční frekvence antény je určena délkou štěrbiny b a šířkou c. Štěrbina umístěná na přenosovém vedení s charakteristickou vodivostí G0 představuje paralelně zapojenou admitanci Y. Normalizovaná admitance štěrbiny je dána vztahem Y G B (7) j g 0 jb0 , G 0 G0 G0 kde g0 a b0 je vodivost a susceptance štěrbiny normalizovaná vodivostí přenosového vedení G0. U antény s N štěrbinami je žádoucí, za účelem vyzáření celé efektivní energie, aby byla splněna následující podmínka [3] n 1
1.
(8)
h
n
λg/2
g0
2,09ag h
cos 2 2 g
.
Výchozí délka štěrbiny b je určena ze vztahu g , b 2 2 r 1
b
aRWG
Požadovaná hodnota vodivosti štěrbiny gn je závislá na vzdálenosti štěrbiny od osy vlnovodu d a lze ji vypočítat ze vztahu [4] d , (9) g n g 0 sin a kde g0 je normalizovaná vodivost štěrbiny závislá na geometrických rozměrech vlnovodu a a h, na vlnové délce ve volném prostředí λ a vlnové délce ve vlnovodu λg, a je dána vztahem
aRWG
Napájecí Y - článek
(10)
λg/4
c
N
g
Anténní řada 2x2 se skládá ze dvou částí, napáječe a anténní části se štěrbinami, viz obrázek 3. Příčná strana vlnovodu aRWG je odvozena z mezní frekvence vlnovodu fkrit = 4 GHz. Napáječ je vytvořen z části vlnovodu ve tvaru písmene Y a obsahuje tři prokovy, které slouží pro rovnoměrné dělení energie do obou ramen anténní části. Pro napájení antény je použit přechod koaxiální vedení na vlnovod realizovaný SMA konektorem. Tento přechod vykazuje nulové parazitní vyzařování oproti mikropáskovým přechodům [6]. Poloha tří prokovů i poloha SMA konektoru je optimalizována pro minimální činitel odrazu s11 na střední pracovní frekvenci 5,6 GHz. Anténní část se skládá ze dvou paralelně umístěných anténních řad 2x1 tak, aby po přepočtu na strukturu SIW vznikla mezi nimi jedna společná stěna z prokovů. V této konfiguraci je dosaženo i maximálního možného potlačení bočních laloků, protože vyšší potlačení lze získat pouze přiblížením štěrbin blíže k sobě, což z důvodu konstrukce antény nelze provést. Vzdálenost mezi středy štěrbin v obou polarizačních rovinách je 0,72 λ0. Dle [4] by se měla vzdálenost mezi štěrbinami pro získání úzkého hlavního laloku pohybovat v intervalu 0,5–0,7 λ0. Požadované šířky pásma je dosaženo volbou šířky štěrbiny c na základě parametrické analýzy antény 2x1. Maximální zisk je nastaven velikostí zemní plochy L a W anténní řady 2x2. Výsledky parametrické analýzy s podrobnějším popisem volby velikosti zemní plochy jsou uvedeny v [7]. Anténa je navržena v programu Ansoft HFSS na substrátu Arlon CuClad 217 s relativní permitivitou εr = 2,17, ztrátovým činitelem tg δ = 0,0009 a tloušťkou h = 1,52 mm.
aRWG
1.2 Konfigurace a návrh štěrbinové antény
Anténní část se štěrbinami
Obrázek 3: Model anténní řady 2x2 s RWG. (11)
kde εr je relativní permitivita materiálu uvnitř vlnovodu. Konečné hodnoty parametrů b a d jsou získány optimalizací v simulačním programu s cílem minimalizace činitele odrazu s11 na vstupu antény. Popsaný návrhový postup byl použit z důvodu malého počtu štěrbin. V případě vyššího počtu štěrbin je nutné počítat se vzájemnou vazbou mezi štěrbinami a tu následně kompenzovat. Podrobnější popis s užitím Stegenových parametrických křivek a Elliottové metody výpočtu je uveden v [5].
2.1 Struktura anténní řady Model anténní řady 2x2 z obrázku 3 byl přepočítán pomocí vztahů (2–6) na strukturu se SIW. Na obrázku 4 je zobrazena struktura anténní řady 2x2 po přepočtu s geometrickými parametry L = 137,87 mm, W = 73,74 mm, a = 26,87 mm, p = 3,65 mm, d = 2,00 mm, b = 22,40 mm, c = 4,70 mm. Z průběhu činitele odrazu na obrázku 5 je patrné, že přepočtením pevných stěn vlnovodu na strukturu SIW mají obě antény ekvivalentní vlastnosti.
61 – 2
VOL.14, NO.5, OCTOBER 2012
2012/61 – 29. 10. 2012
h
2.3 Anténní řada s boxem pro venkovní použití
d
p b
c
a
W
L
s11 [dB]
Obrázek 4: Struktura anténní řady 2x2 se SIW. 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
anténa s RWG anténa se SIW
5.2
5.3
5.4
5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 Frekvence [GHz] Obrázek 5: Srovnání simulovaného činitele odrazu anténní řady 2x2 s RWG a SIW.
Anténní řada 2x2 byla doplněna o univerzální venkovní box (GentleBox JE-200) určený pro Wi-Fi komponenty. Na Ústavu radioelektroniky FEKT VUT Brno byly změřeny frekvenční závislosti relativní permitivity εr a povrchové vodivosti ζ materiálu, ze kterého je box vyroben. Změřené hodnoty materiálu pro střední pracovní frekvenci 5,6 GHz jsou εr = 2,69 a ζ = 2,50 mS. Vypočtená hodnota ztrátového činitele je tg δ = 0,00298. Dle reálných geometrických rozměrů a změřených materiálových parametrů boxu je vytvořen model anténního boxu v programu Ansoft HFSS a vložena do něj anténní řada 2x2 se SIW z předchozího kroku návrhu, viz obrázek 7. Pro uchycení antény k boxu pomocí distančních sloupků je k anténě přidán přesah nepokoveného substrátu o velikosti 22 mm. Vložením antény do boxu jsou její vlastnosti značně ovlivněny. Optimální poloha antény byla nastavena pouze změnou parametru Δz reprezentující vzdálenost antény od největších stěn boxu. Hodnota parametru Δz = –4,0 mm. Anténa byla dále doladěna mírným zkrácením štěrbin na hodnotu b = 22,20 mm. Výsledná velikost antény je: L = 159,87 mm, W = 117,74 mm. Na obrázku 8 je znázorněno srovnání činitele odrazu s11 pro anténní řadu 2x2 bez boxu a s boxem pro dvě hodnoty parametru Δz. U doladěné antény s boxem je patrné zvětšení šířky pásma oproti anténě bez boxu. Srovnání simulovaných směrových charakteristik pro anténní řadu 2x2 bez boxu a s boxem je zachyceno na obrázku 9. Vlivem boxu došlo k zúžení šířky hlavního laloku v rovině H o 6° na hodnotu 42° a k mírnému nárůstu hodnoty zisku antény na 12,02 dBi. V rovině E mají antény shodné vlastnosti, viz tabulka 1. Potlačení bočních laloků v obou polarizačních rovinách pro anténu s boxem je větší jak 20 dB.
2.2 Experimentální výsledky anténní řady +Δz
s11 [dB]
Simulované výsledky z programu Ansoft HFSS byly ověřeny programem CST Microwave Studio (MWS) a měřením realizované antény. Výsledné průběhy činitele odrazu jsou vykresleny na obrázku 6. Změřený činitel odrazu s11 odpovídá s malými odchylkami výsledkům ze simulací. Realizovaná anténa pokrývá celé pásmo Wi-Fi se šířkou pásma 275 MHz. Šířka pásma odečtená ze simulace je 290 MHz (Ansoft HFSS) a 298 MHz (CST MWS).
b
Přesah substrátu
L
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
-Δz
HFSS CST MWS Měření
5.2
5.3
W
5.4
5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 Frekvence [GHz] Obrázek 6: Simulovaný a změřený činitel odrazu.
Obrázek 7: Model anténní řady 2x2 s boxem.
61 – 3
VOL.14, NO.5, OCTOBER 2012
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
s11 [dB]
s11 [dB]
2012/61 – 29. 10. 2012
Bez boxu delta z = 0 mm delta z = - 4 mm
5.2
5.3
5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
H rovina, s boxem
-5
-15 -25 -35 -180
-120
-60
0 60 120 θ[°] Obrázek 9: Simulované směrové charakteristiky anténních řad 2x2.
Normovaný zisk [dB]
Zisk [dBi]
H rovina, bez boxu
2θH [°]
Anténa 2x2 bez boxu
11,22
48
48
Anténa 2x2 s boxem
12,02
48
-10 -20
-30 -40
0 60 120 180 θ[°] Obrázek 11: Simulované a změřené směrové charakteristiky anténní řady 2x2 s boxem v rovině E na kmitočtu 5,6 GHz.
180
-120
-60
0 Normovaný zisk [dB]
2θE [°]
5.4
HFSS CST MWS Měření
-50 -180
Tabulka 1: Srovnání hodnot zisku a šířky hlavních laloků. Zisk [dBi] (HFSS)
5.3
0
E rovina, bez boxu
5
Měření
5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 Frekvence [GHz] Obrázek 10: Simulovaný a změřený činitel odrazu.
5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 Frekvence [GHz] Obrázek 8: Simulovaný činitel odrazu pro anténní řadu 2x2 bez boxu a s boxem.
E rovina, s boxem
CST MWS
5.2
5.4
15
HFSS
42
2.4 Experimentální výsledky anténní řady 2x2 s boxem Vlastnosti anténní řady 2x2 s boxem byly ověřeny přepočtem antény v programu CST MWS a měřením činitele odrazu, směrových charakteristik a zisku vyrobeného prototypu. Simulovaný a měřený průběh činitele odrazu s11 je porovnán na obrázku 10. Z charakteristik je patrná velmi dobrá shoda simulovaných výsledků s měřením. Anténa s boxem zcela pokrývá Wi-Fi pásmo s šířkou pásma 343 MHz. Realizovaná anténa dosahuje oproti simulacím o 15 MHz větší šířky pásma. Směrové charakteristiky v rovině E a H anténní řady 2x2 s boxem byly změřeny v bezodrazové komoře na Ústavu radioelektroniky FEKT VUT Brno. Srovnání simulovaných a změřených směrových charakteristik pro střední pracovní frekvenci 5,6 GHz je zobrazeno na obrázku 11 a 12.
61 – 4
HFSS CST MWS Měření
-10 -20 -30 -40
-50 -180.0 -120.0 -60.0
0.0 θ[°]
60.0
120.0
180.0
Obrázek 12: Simulované a změřené směrové charakteristiky anténní řady 2x2 s boxem v rovině H na kmitočtu 5,6 GHz. Tabulka 2: Simulované a změřené parametry anténní řady 2x2 s boxem. Typ antény
Bs11 < -10 dB [MHz]
Zisk [dBi]
Model antény 2x2 HFSS
328
12,02
Model antény 2x2 MWS
327
11,75
Vyrobený prototyp 2x2
343
11,45
VOL.14, NO.5, OCTOBER 2012
2012/61 – 29. 10. 2012
Ze změřených směrových charakteristik je patrné, že realizovaná anténní řada 2x2 s boxem má shodné směrové vlastnosti jako její model ze simulace. Změřená hodnota zisku je 11,45 dBi. Rozdíl oproti simulaci v HFSS činí pouze 0,5 dB. V tabulce 2 jsou uvedeny simulované a změřené parametry anténní řady 2x2 s boxem na střední pracovní frekvenci 5,6 GHz.
3 Závěr Tento článek představil návrh a realizaci anténní řady 2x2 se strukturou SIW pro pásmo Wi-Fi 5 GHz. Anténní řada byla doplněna o box pro venkovní použití. Změřené charakteristiky vykazují velmi dobrou shodu s parametry získanými simulací v programech Ansoft HFSS a CST MWS. Anténní řada zcela pokrývá pásmo Wi-Fi s šířkou pásma 343 MHz. Změřená hodnota zisku na kmitočtu 5,6 GHz je 11,45 dBi. Funkčnost antény byla úspěšně ověřena v praxi, kdy byla komerční anténa Wi-Fi nahrazena realizovanou anténní řadou 2x2 s boxem. Domácí síť LAN byla bez problémů připojena prostřednictvím této antény k internetu.
Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, který je financovaný z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.
Literatura [1] BOZZI, M.; GEORGIADIS, A.; WU, K. Review of substrate-integrated waveguide circuits. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2011, vol. 5, no. 8, p. 909-920. [2] YAN, L.; HONG, W.; HUA, G.; CHEN, J.; WU, K.; CUI, T. J. Simulation and experiment on SIW slot array antennas. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2004, vol. 14, no. 9, p. 446-448. [3] XU, J.F.; HONG, W.; CHEN, P.; WU, K. Design and implementation of low sidelobe substrate integrated wavefuide longitudinal slot array antennas. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2009, vol. 3, p.790-797. [4]
VOLAKIS, John L. Antenna Engineering Handbook. 4th edition. New York : Mc. Graw-Hill, 2007.
[5] ELLIOTT, R. S. Antenna Theory and Design, John Wiley & Son Inc., 2003. [6] MORINI, A., et al. Design of Low-Cost non-radiative SMA-SIW. In proceeding of the 36th European Microwave Conference. Manchester : Univ. Politecnica delle Marche, Ancona, Italy, 2006, s. 526-529. [7] SEDLÁČEK, P. Štěrbinová anténní řada na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu: diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, 2012. 102 s.
61 – 5
VOL.14, NO.5, OCTOBER 2012
