Моделювання окремих профільованих щілин антен в середовищі CST MicroWave Studio

Рис.2.7(а) Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти



Рис.2.7(б) Залежність КСД від частоти

Рис.2.7(в) Залежність КСХН від частоти

Проведемо дослідження, як геометричні розміри випромінювача впливають на характеристики мікросмужкової антени.

Оскільки найбільш чутливим до зміни геометрії є коефіцієнт еліптичності та коефіцієнт відбиття (S11) тому будемо досліджувати їх зміну при різних значеннях геометричних параметрів.

1. Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні розміру квадратного випромінювача (xa) в межах 25.22-25.52мм.

При зміні розміру випромінювача змінюється діапазон робочих частот (рис.2.8). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.9) не дуже чутливе до зміни розмірів випромінювача. При зміні цього параметру на 0.15мм по відношенню до найкращого (25.37мм) коефіцієнт еліптичності змінюється не більше ніж 1.5дБ, але смуга робочих частот , яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, змінюється в залежності від значення даного параметру (ха).

Рис.2.8 S11 при різних значення розмірів випромінювача

Рис.2.9 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від розмірів випромінювача



Рис.2.9 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від розмірів випромінювача

2. Визначимо вплив величини зрізів (srez) на характеристики антени при зміні в межах 11.39-11.69мм.

Збільшення або зменшення величини зрізу призводить до погіршення узгодження (рис.2.11). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.12) мало чутливе до зміни величини зрізу. При зміні на 0.15мм по відношенню до найкращого значення (11.54мм) коефіцієнт еліптичності погіршується менше, ніж на 0,3дБ, але розміри зрізу впливають на смугу робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ (рис.2.13).

Рис.2.11 S11 при різних значеннях величини зрізів



Рис.2.12 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від величини зрізу

Рис.2.13 Коефіцієнт еліптичності в залежності від величини зрізу.

3. Визначимо вплив розташування точки живлення на характеристики антени при зміні х та у.

Зміна розташування точки живлення по х в межах 15.06-15.36мм та по у в межах 4.49-4.79мм, тобто, відхилення на ±0.15мм від найкращого значення по х (15.21мм), по у (4.64мм) призводить до погіршення узгодження, а саме, амплітуди ортогональних мод відрізняються між собою або зливаються в одну, а для отримання колової поляризації нам необхідно щоб вони були рівні (рис.2.14). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.15) при зміні розташування точки живлення по координаті х суттєво не змінюється, а по координаті у при зміні на -0.15мм коефіцієнт еліптичності погіршується на 0.5дБ. Смуга робочих частот , яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, практично не змінюється від зміни розташування точки живлення по координаті х. При зміні координати у на -0.15мм характеристика зміщується ліворуч, що призводить до зміни смуги робочих частот.

Рис.2.14(а) S11 при зміні точки живлення по х



Рис.2.14(б) S11 при зміні точки живлення по у

Рис.2.15(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по х



Рис.2.15(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по у

Рис.2.16(а) Коефіцієнт еліптичності при зміні точки живлення по х



Рис.2.16(б) Коефіцієнт еліптичності при зміні точки живлення по у

За отриманими результатами проведеного дослідження можна зробити висновок, що на характеристику даної антени найбільш впливає величина зрізів , розміри випромінювача та розташування точки живлення, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення розмірів випромінювача чи зрізу призведе до погіршення узгодження та зсуву характеристик з робочої частоти, а порушення розташування точки живлення призведе до нерівності амплітуд двох ортогональних мод та зміни смуги робочих частот.

2.2 Антена з коловоми профілем

Для налаштування антени на необхідну частоту ми змінювали радіус випромінювача. Вирізами в металізації досягли збудження двох мод з рівними амплітудами та зсувом фаз 90°. Для того, щоб отримати необхідне узгодження, змінювалась відстань від центра випромінювача до точки живлення антени. Зміщенням живлення був скоректований коефіцієнт еліптичності до прийнятного значення.

Конструкція МСА з коловим профілем зображена на рис.2.17:

Рис.2.17

Параметри антени, що зображена на рис.2.17 :

w - ширина вирізу.

h - висота вирізу.

ra - радіус випромінювача.

xg - ширина і довжина підкладинки.

В процесі моделювання найкращі результати були отримані при геометрії випромінювача , зображеній на рис.2.17, де w=6.48мм, h=5.11мм, ra=27.86мм, xg=112мм, точка живлення має координати (11.6,-6.54), початок системи координат знаходиться в центрі випромінювача .

Наведемо параметри, отримані при такій геометрії.

На залежності коефіцієнта відбиття(S11) від частоти(рис.2.18) можна побачити два резонанси, отже збуджуються дві моди. За рахунок того, що на центральній частоті вони будуть мати приблизно однакові амплітуди та зсув фаз на 90°, ми і отримуємо колову поляризацію. Смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом відбиття складає 1.5353-1.6743ГГц.



Рис.2.18 Значення параметру S11

По графіку залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН) (рис.2.19) можна побачити, що в необхідному діапазоні частот (1.5675-1.637ГГц) КСХН не перевищує значення 1.2, що задовольняє вимогам до антени (КСХН<2).

Рис.2.19 Значення КСХН

Наведемо діаграми спрямованості ДС та значення коефіцієнта спрямованої дії КСД для правої поляризації на частотах 1.59, 1.6, 1.61 ГГц в полярній системі координат в площині ц=0 (рис.2.21).

Рис.2.20 Тривимірна модель антени та її ДС на частоті 1.6 ГГц

Зауважимо, що кут ц відраховується в напрямку від осі Х до осі У, кут и - кут підняття, відраховується від осі Z.

У відповідності до чисельного розрахунку, значення КСД на частоті 1.6 ГГц становить 7.1дБ, ширина діаграми 84.5°; на частоті 1.59 ГГц КСД становить 7.1дБ, ширина діаграми 84.4°; на частоті 1.61 ГГц КСД становить 7.1дБ, ширина діаграми 84.6°. Ширина діаграми направленості по коефіцієнту еліптичності на частоті 1.6ГГц складає 154.9°.

З наведених діаграм можна зробити висновок, що в межах робочого діапазону частот характеристики антени відповідає вимогам до приймальних антен системи GPS по коефіцієнту підсилення. Ми отримали значення КСД в зеніті не гірше 7.1 дБ при вимогах 6-8дБ.

Наведемо значення коефіцієнта еліптичності в прямокутній системі координат для частот 1.59, 1.6, 1.61ГГц (рис.2.22) в межах кута підняття и від -90° до 90°, тому що нас цікавить верхній напівпростір над антеною.



Рис.2.21 ДС та КСД (від кута и) на частоті 1.59ГГц, 1.6ГГц, 1.61ГГц

На частоті 1.6ГГц значення коефіцієнта еліптичності в зеніті становить -0.83дБ; на частоті 1.59ГГц значення коефіцієнта еліптичності -2дБ; на частоті 1.61ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.5дБ.

Рис.2.22 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.59ГГц, 1.6ГГц, 1.61ГГц

Визначимо, який з параметрів найбільше обмежує смугу робочих частот: коефіцієнт еліптичності, КСД чи КСХН.

Коефіцієнт еліптичності більше всього обмежує смугу робочих частот антени (рис.2.23), і по рівню -3дБ вона складає 1.5796-1.6141ГГц, що задовольняє вимогам.

Рис.2.23(а) Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

Рис.2.23(б) Залежність КСД від частоти



Рис.2.23(в) Залежність КСХН від частоти

Проведемо дослідження, як геометричні розміри випромінювача впливають на характеристики мікросмужкової антени.

Оскільки найбільш чутливим до зміни геометрії є коефіцієнт еліптичності та коефіцієнт відбиття (S11) тому будемо досліджувати їх зміну при різних значеннях геометричних параметрів.

1. Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні радіуса випромінювача (ra) в межах 27.81-28.11мм.

При зміні радіуса випромінювача змінюється діапазон робочих частот та узгодження (рис.2.24). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.25) чутливе по відношенню до зміни радіуса випромінювача. Зміна в бік збільшення радіуса на 0.15мм призводить до погіршення коефіцієнту еліптичності на 2дБ. При зміні параметру (ra) змінюється смуга робочих частот по рівню -3дБ, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти (рис.2.26).



Рис.2.24 S11 при різних значення радіусу випромінювача

Рис.2.25 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу випромінювача

2. Визначимо, як змінюються характеристики антени при зміні ширини вирізів(w) в межах 6.4-6.5мм.

Зміна ширини вирізів впливає на узгодження, а саме, зміною даного параметру ми досягаємо рівності двох ортогональних мод (рис.2.27). Коефіцієнт еліптичності не сильно залежить від зміни ширини вирізів. При зміні на 0.15мм від проектного значення (6.48мм), даний параметр погіршується менше ніж на 0.5дБ (рис.2.28). Смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ, при зміні ширини вирізу зміщується ліворуч (рис.2.29).

Рис.2.26 коефіцієнт еліптичності при зміні радіуса випромінювача

Рис.2.27 S11 при різній ширині вирізу



Рис.2.28 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від ширини вирізу

Рис.2.29 Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях ширини вирізу

3. Визначимо вплив глибини вирізів (h) на характеристики антени при зміні в межах 4.96-5.26мм.

Збільшення глибини вирізів призводить до погіршення узгодження, а саме ми втрачаємо рівність амплітуд двох ортогональних мод (рис.2.30). Значення коефіцієнта еліптичності чутливе до зменшення глибини вирізів, тобто, при зменшенні вирізу на 0.15мм по відношенню до проектного (5.11мм) коефіцієнт еліптичності погіршується на 1дБ (рис.2.31). Смуга робочих частот, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти по рівню -3дБ, при зміні глибини вирізу звужується (рис.2.32).

Рис.2.30 S11 при зміні глибини вирізів



Рис.2.31 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні глибини вирізів

Рис.2.32 КСД при зміні глибини вирізів

4. Подивимось, як на параметр S11, коефіцієнт еліптичності впливає розміщення точки живлення по координаті х та у.

Зміна точки живлення по координаті х призводить до віддалення амплітуд двох ортогональних мод, а для отримання колової поляризації нам необхідно щоб амплітуди були рівні і розташовані якнайближче одна до одної (рис.2.33(а)). Зміна точки живлення по координаті у призводить до погіршення узгодження, а саме амплітуди двох ортогональних мод перестають бути рівними (рис.2.33(б)). Смуга робочих частот, яка визначається залежністю коефіцієнта еліптичності від частоти по рівню -3дБ (рис.2.34) та коефіцієнт еліптичності на робочій частоті 1.6ГГ (рис.2.35) практично не залежать від зміни точки живлення по координаті х та у .

Рис.2.33(а) S11 при зміні точки живлення по х



Рис.2.33(б) S11 при зміні точки живлення по у

Рис.2.34(а) КСД при зміні точки живлення по х



Рис.2.34(б) КСД при зміні точки живлення по у

Рис.2.35(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по х



Рис.2.35(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні точки живлення по у

За отриманими результатами проведеного дослідження можна зробити висновок, що на характеристику даної антени впливає величина вирізів, радіус випромінювача та розташування точки живлення, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення радіуса випромінювача призводить до зміни робочої частоти антени , погіршення коефіцієнту еліптичності та зміни смуги робочих частот. Наслідком зміни розмірів вирізів є те, що погіршується узгодження, коефіцієнт еліптичності і смуга робочих частот. При зміщення точки живлення по координаті х або у погіршується лише рівність амплітуд двох ортогональних мод, а коефіцієнт еліптичності і смуга робочих частот практично не залежать від зміни розташування точки живлення.

2.3 Антена з кільцувим профілем

Конструкція МСА з кільцевим профілем зображена на рис.2.36:



Рис.2.36

w - ширина мікросмужки чверть хвильового трансформатора.

wv - ширина вирізів.

w2 - довжина контактної площинки точки живлення.

wp - ширина контактної площинки точки живлення.

L, L, Ltr - довжини відрізків лінії чверть хвильового трансформатора.

lv - висота вирізу.

rmin - внутрішній радіус випромінювача.

rmax - зовнішній радіус випромінювача.

xg - ширина і довжина підкладинки.

Для налаштування антени на необхідну частоту ми використовували зміну радіусів випромінювача , а також зміною довжин відрізків лінії від внутрішнього кола до місця включення живлення , яка приблизно дорівнює чверть хвильовому трансформатору. Вирізами в металізації досягли збудження двох мод з рівними амплітудами та зсувом фаз 90°. Для того , щоб отримати необхідне узгодження , змінювалась довжина відрізків лінії та розміри вирізів за допомогою яких і досягається кругова поляризація.

В процесі моделювання найкращі результати були отримані при геометрії випромінювача , зображеній на рис.2.36 , де w=2.26мм , w2=4.5мм , wv=2.6мм, wp=2.05мм, L=7.84мм, L1=5.29мм, Ltr=10.11мм, lv=3.05мм, rmin=16.28мм, rmax=22.06мм, xg=110мм.

Наведемо параметри, отримані при такій геометрії.

На залежності коефіцієнта відбиття(S11) від частоти (рис.2.45) можна побачити два резонанси, отже збуджуються дві моди. За рахунок того, що на центральній частоті вони будуть мати приблизно однакові амплітуди та зсув фаз на 90°, ми і отримуємо колову поляризацію. Смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом відбиття складає 1.5581-1.6376 ГГц.

Рис.2.37 Значення параметру S11

По графіку залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою(КСХН) (рис.2.38) можна побачити, що в необхідному діапазоні частот (1.59-1.61ГГц) КСХН не перевищує значення 1.1, що задовольняє вимогам до антени (КСХН<2).



Рис.2.38 Значення КСХН

Наведемо діаграми спрямованості ДС та значення коефіцієнта спрямованої дії КСД для правої поляризації на частотах 1.5950, 1.6, 1.6050 ГГц в полярній системі координат в площині ц=0(рис.2.40).

Рис.2.39 Тривимірна модель антени та її ДС на частоті 1.6 ГГц

Зауважимо, що кут ц відраховується в напрямку від осі Х до осі У, кут и - кут підняття, відраховується від осі Z.

У відповідності до чисельного розрахунку, значення КСД на частоті 1.6 ГГц становить 7.0дБ, ширина діаграми 84.8°; на частоті 1.5950 ГГц КСД становить 7.0дБ, ширина діаграми 84.9°; на частоті 1.6050 ГГц КСД становить 7.0дБ, ширина діаграми 84.9°. Ширина діаграми направленості по коефіцієнту еліптичності на частоті 1.6ГГц складає 158.3°.

Рис.2.40 ДС та КСД (від кута и) на частоті 1.5950ГГц, 1.6ГГц, 1.6050ГГц

З наведених діаграм можна зробити висновок, що в межах робочого діапазону частот характеристики антени відповідає вимогам до приймальних антен системи GPS по коефіцієнту підсилення. Ми отримали значення КСД в зеніті не гірше 7.0дБ при вимогах 6-8дБ.

Наведемо значення коефіцієнта еліптичності в прямокутній системі координат для частот 1.5950, 1.6, 1.6050ГГц (рис.2.41) в межах кута підняття и від -90° до 90°, тому що нас цікавить верхній напівпростір над антеною.

На частоті 1.6ГГц значення коефіцієнта еліптичності в зеніті становить -0.8дБ; на частоті 1.5950ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.66дБ; на частоті 1.6050ГГц значення коефіцієнта еліптичності -1.62дБ.



Рис.2.41 Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.5950ГГц, 1.6ГГц, 1.6050ГГц.

Визначимо, який з параметрів найбільше обмежує смугу робочих частот: коефіцієнт еліптичності, КСД чи КСХН.

Коефіцієнт еліптичності більше всього обмежує смугу робочих частот антени (рис.2.42) , і по рівню -3дБ вона складає 1.59-1.61ГГц.

Рис.2.42(а) Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти



Рис.2.42(б) Залежність КСД від частоти

Рис.2.42(в) Залежність КСХН від частоти

Проведемо дослідження, як геометричні розміри випромінювача впливають на характеристики мікросмужкової антени.

Оскільки найбільш чутливим до зміни геометрії є коефіцієнт еліптичності та коефіцієнт відбиття (S11) тому будемо досліджувати їх зміну при різних значеннях геометричних параметрів.

1. Визначимо , як змінюються характеристики антени при зміні радіусів випромінювача (rmin , rmax) в межах 16.1-16.4мм та 22-22.3 відповідно.

При зміні радіусів випромінювача змінюється діапазон робочих частот та рівність амплітуд ортогональних мод (рис.2.43). Значення коефіцієнта еліптичності (рис.2.44) чутливе по відношенню до зміни радіусів випромінювача. Зміна на 0.15мм (rmin) або (rmax) призводить до погіршення цього параметру на 1.5дБ. Смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ з верхньою і нижньою частотою, дуже чутлива до зміни радіусів випромінювача , тобто, в залежності від того чи збільшуються радіуси випромінювача чи зменшуються, верхня і нижня частота змінюється.

Рис.2.43(а) S11 при різних значення радіусу(rmin) випромінювача



Рис.2.43(б) S11 при різних значення радіусу(rmax) випромінювача

Рис.2.44(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу(rmin) випромінювача



Рис.2.44(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6 ГГц в залежності від радіусу(rmax) випромінювача

Рис.2.45(а) КСД при різних значеннях радіусу(rmin) випромінювача



Рис.2.45(б) КСД при різних значеннях радіусу(rmax) випромінювача

2. Визначимо , як змінюються характеристики антени при зміні довжин (L, L1, Ltr) відрізків лінії живлення в межах 7.69-7.99мм , 5.14-5.44мм , 9.96-10.26мм відповідно.

По отриманим графікам можна сказати, що довжина відрізків лінії живлення значною мірою впливає на узгодження антени, а саме, змінюючи довжину відрізків (L, L1, Ltr) погіршує узгодження, тобто, амплітуди двох ортогональних мод стають нерівними за значенням, що суперечить отриманню колової поляризації (рис.2.46). Коефіцієнт еліптичності та смуга робочих частот практично не залежать від довжини відрізків (L, L1, Ltr) лінії живлення мікросмужкової антени (рис.2.47, рис.2.48 ).



Рис.2.46(а) S11 при різній довжині відрізка L

Рис.2.46(б) S11 при різній довжині відрізка L1



Рис.2.46(в) S11 при різній довжині відрізка Ltr

Рис.2.47(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка L



Рис.2.47(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка L1.

Рис.2.47(в) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц в залежності від довжини відрізка Ltr



Рис.2.48(а) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка L.

Рис.2.48(б) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка L1



Рис.2.48(в) Коефіцієнт еліптичності при різних значеннях довжини відрізка Ltr.

3. Визначимо вплив довжини і ширини контактної площинки точки живлення на характеристики антени при зміні в межах wр=1.9-2.2мм, w2=4.35-4.65мм.

Збільшення розміру (w2) 0.15мм призводить до погіршення узгодження і віддалення резонансів один від одного (рис.2.49), а зміна параметру (wр) майже не впливає на значення параметра S11. Коефіцієнт еліптичності (рис.2.50) та смуга робочих частот (рис.2.51) даної МСА майже не залежать від зміни розмірів контактної площинки точки живлення.



Рис.2.49(а) S11 при зміні w2

Рис.2.49(б) S11 при зміні wр



Рис.2.50(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні w2

Рис.2.50(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні wр



Рис.2.51(а) Коефіцієнт еліптичності при зміні w2

Рис.2.51(б) Коефіцієнт еліптичності при зміні wр

4. Подивимось, як на параметр S11, коефіцієнт еліптичності та смугу робочих частот впливає ширина і висота вирізів при зміні в межах wv=2.45-2.75мм, lv=2.9-3.2мм.

При збільшенні величини даних параметрів (wv) та (lv) на 0.15мм від проектного значення , погіршується узгодження і коефіцієнт еліптичності, а саме, два резонанси віддаляються один від одного (рис.2.52) і значення коефіцієнту еліптичності погіршується на 1.3дБ (рис.2.53). При зменшенні на 0.15мм резонанси зливаються в один (рис.2.52), але коефіцієнт еліптичності покращується (рис.2.53) . Зміна верхньої та нижньої частоти смуги робочих частот майже не змінюється при збільшенні або зменшенні величини розмірів вирізів (рис.2.54).

Рис.2.52(а) S11 при зміні wv

Рис.2.52(б) S11 при зміні lv

Рис.2.53(а) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні wv.

Рис.2.53(б) Коефіцієнт еліптичності на частоті 1.6ГГц при зміні lv



Рис.2.54(а) Коефіцієнт еліптичності при зміні wv

Рис.2.54(б) Коефіцієнт еліптичності при зміні lv

За отриманими результатами проведеного дослідження можна зробити висновок, що на характеристику даної антени найбільш впливає величина вирізів, радіуси випромінювача, величина відрізків лінії живлення та розміри контактної площинки, а отже при виробництві антени необхідно якомога точніше дотримуватися проектних значень. Збільшення або зменшення радіуса випромінювача призводить до погіршення узгодження, погіршення коефіцієнту еліптичності, зсуву характеристик з робочої частоти та зміни смуги робочих частот. Відхилення від проектного значення довжини відрізків лінії живлення призводить до погіршення узгодження і нерівності амплітуд двох ортогональних мод. Зміна величини вирізів призводить до погіршення коефіцієнту еліптичності та частково до зміни смуги робочих частот. Величина розмірів площинки до якої підключається живлення практично не впливає на характеристики антени.

2.4 Висновки

Проаналізувавши обрані види мікросмужкових антен, а саме :

1. Квадратний профіль МСА.

2. Коловий (дисковий) профіль МСА.

3. Кільцевий профіль МСА.

За результатами аналізу МСА з квадратним, коловим та кільцевим профілем встановлено, що:

- Найменші розміри мікросмужкового випромінювача має антена з кільцевим профілем, а саме: rmin=16.28 мм, rmax=22.06 мм, xg=110 мм.

- Найбільшу смугу робочих частот по коефіцієнту відбиття має антена з квадратним профілем і вона складає 155.7 МГц (1.5265-1.6822ГГц).

- Найбільша смуга частот, що визначається по коефіцієнту еліптичності по рівню -3дБ має антена з квадратним профілем випромінювача і вона дорівнює 41 МГц (1.5642-1.641ГГц).

- Діаграма спрямованості найбільша у мікросмужкової антени з квадратним профілем, а саме 86.2?.

- Мікросмужкова антена з квадратним профілем має найбільшу діаграму спрямованості по коефіцієнту еліптичності і вона дорівнює 159.6?

3. ДОСЛІДЖЕННЯ РЕШІТКИ МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН РОЗМІРАМИ 2х2

В наш час спостерігається інтенсивний розвиток систем бездротового зв'язку, і найважливішим напрямком досліджень у даній області є підвищення їхньої ефективності. Одним з найбільш перспективних підходів до рішення даного завдання є використання антенних решіток (АР) , які на додаток до часового, частотного або кодового поділу користувачів, дозволяють застосувати просторовий поділ, що може значно збільшити число користувачів, що обслуговуються. Далі ми розглянемо антенні решітки, які спроектовані на раніше розглянутих профілях мікросмужкових антен.

3.1 Решітка на основі мікросмужкової антен з квадратним профілем

Тривимірна модель антенної решітки з використанням квадратної мікросмужкової антени зображена на рис.3.1.

Рис.3.1 Тривимірна антенна решітка розмірами 2х2 елементи

Елементи в АР розташовані на відстані л/2 один від одного, де л розраховувалася для частоти 1.6ГГц і дорівнює 187мм. Проведемо дослідження, що відбудеться з характеристиками кожної мікросмужкової антени з квадратним профілем АР, в порівнянні з антеною квадратного профілю, яка була розглянута в частині другій даної роботи, пункт 2.1.

Проаналізувавши отримані результати можна сказати, що узгодження мікросмужкових антен в АР значно погіршилися відносно характеристики окремої мікросмужкової антени з квадратним профілем (рис.3.2). Ми бачимо, що в антенах з яких складається АР зникає рівність амплітуд двох ортогональних мод, зміщується робоча частота антен, а також зменшується коефіцієнт відбиття. Коефіцієнт еліптичності сильно погіршується при розташуванні антен в АР (рис.3.4) по відношенню до коефіцієнта еліптичності окремої антени (рис.3.3), а саме, в головному напрямку антени він погіршується майже на -4дБ відносно коефіцієнту еліптичності окремої квадратної мікросмужкової антени, який дорівнює -0.297дБ.

Рис.3.2 Порівняння значень S-параметрів окремої мікросмужкової антени та антен в АР



Рис.3.3 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкової антени з квадратним профілем

Рис.3.4 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкових антен в АР

З отриманих результатів випливає, що причиною погіршення характеристик антен в АР відносно окремої антени є те, що вони розташовуються на відстані л/2 одна від одної, а отже, їх вплив між собою великий, оскільки розміри і площа випромінювачів достатня, щоб виникав вплив сусідніх елементів. Вплив сусідніх елементів показано на рис.3.5.

Рис.3.5 Вплив сусідніх елементів на характеристики кожної антени в АР

Враховуючи вплив сусідніх випромінювачів, проаналізуємо, як зміниться смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ АР в порівнянні з коефіцієнтом еліптичності окремого випромінювача. Смуга робочих частот зменшилася і тепер вона складає 33.4МГц (1.5932-1.6266ГГц) (рис.3.6).



Рис.3.6 Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

3.2 Решітка на основі мікросмужкової антени з коловим профілем

Елементи в АР розташовані на відстані л/2 один від одного, де л розраховувалася для частоти 1.6ГГц і дорівнює 187мм. Проведемо дослідження, що відбудеться з характеристиками кожної мікросмужкової антени з круговим профілем АР, в порівнянні з антеною кругового профілю, яка була розглянута в частині другій даної роботи, пункт 2.2.

Проаналізувавши отримані результати можна сказати, що узгодження мікросмужкових антен в АР значно погіршилися відносно характеристики окремої мікросмужкової антени з коловим профілем (рис.3.7). Ми бачимо, що в антенах з яких складається АР зникає рівність амплітуд двох ортогональних мод, зміщується робоча частота антен. Коефіцієнт еліптичності сильно погіршується при розташуванні антен в АР (рис.3.9) по відношенню до коефіцієнта еліптичності окремої антени (рис.3.8), а саме, в головному напрямку антени він погіршується майже на -2дБ відносно коефіцієнту еліптичності окремої кільцевої мікросмужкової антени, який дорівнює -0.829дБ.



Рис.3.7 Порівняння значень S-параметрів окремої мікросмужкової антени та антен в АР

Рис.3.8 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкової антени з коловим профілем



Рис.3.9 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкових антен в АР

З отриманих результатів випливає, що причиною погіршення характеристик антен в АР відносно окремої антени є те, що вони розташовуються на відстані л/2 одна від одної, а отже, їх вплив між собою великий, оскільки розміри і площа випромінювачів достатня, щоб виникав вплив сусідніх елементів. Вплив сусідніх елементів показано на рис.3.10.

Рис.3.10 Вплив сусідніх елементів на характеристики кожної антени в АР

Враховуючи вплив сусідніх випромінювачів, проаналізуємо, як зміниться смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ АР в порівнянні з коефіцієнтом еліптичності окремого випромінювача. Смуга робочих частот зменшилася і тепер вона складає 27.8МГц (1.5859-1.6137ГГц) (рис.3.11).

Рис.3.11 Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

3.3 Решітка на основі мікросмужкової антени з кільцевим профілем

Елементи в АР розташовані на відстані л/2 один від одного, де л розраховувалася для частоти 1.6ГГц і дорівнює 187мм. Проведемо дослідження, що відбудеться з характеристиками кожної мікросмужкової антени з круговим профілем АР, в порівнянні з антеною кругового профілю, яка була розглянута в частині другій даної роботи, пункт 2.3.

Проаналізувавши отримані результати можна сказати, що узгодження мікросмужкових антен в АР значно погіршилися відносно характеристики окремої мікросмужкової антени з кільцевим профілем (рис.3.12). З отриманих графіків видно, що в антенах, з яких складається АР амплітуд двох ортогональних мод стають нерівними або взагалі зливаються в одну, зміщується робоча частота антен. Коефіцієнт еліптичності сильно погіршується при розташуванні антен в АР (рис.3.14) по відношенню до коефіцієнта еліптичності окремої антени (рис.3.13), а саме, в головному напрямку антени він погіршується майже на -2дБ відносно коефіцієнту еліптичності окремої кільцевої мікросмужкової антени, який дорівнює -0.8дБ.

Рис.3.12 Порівняння значень S-параметрів окремої мікросмужкової антени та антен в АР



Рис.3.13 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкової антени з кільцевим профілем

Рис.3.14 Значення коефіцієнту еліптичності мікросмужкових антен в АР.

З отриманих результатів випливає, що причиною погіршення характеристик антен в АР відносно окремої антени є те, що вони розташовуються на відстані л/2 одна від одної, а отже, їх вплив між собою великий, оскільки розміри і площа випромінювачів достатня, щоб виникав вплив сусідніх елементів. Вплив сусідніх елементів показано на рис.3.15.

Рис.3.15 Вплив сусідніх елементів на характеристики кожної антени в АР

Рис.3.16 Залежність коефіцієнту еліптичності від частоти

Враховуючи вплив сусідніх випромінювачів, проаналізуємо, як зміниться смуга робочих частот, що визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ АР в порівнянні з коефіцієнтом еліптичності окремого випромінювача. Смуга робочих частот зменшилася і тепер вона складає 16МГц (1.5958-1.6118ГГц) (рис.3.16).

3.4 Висновки

Проаналізувавши характеристики МСА з квадратним, круговим та кільцевим профілем, як елемента АР на прикладі 2х2 - елементної решітки встановлено:

- Найбільші спотворення діаграми спрямованості зазнала АР з квадратним профілем випромінювача в порівнянні з окремим випромінювачем, а саме, ширина ДС складає 69.58? , а була 86.2?.

- Найбільше спотворення за коефіцієнтом еліптичності зазнала ДС АР з коловим профілем випромінювача, ширина діаграми спрямованості дорівнює 27.45? в головному напрямку антенної решітки в порівнянні з одиночним випромінювачем в якого ширина складає 155?.

- Смуга робочих частот найбільше змінилася в АР з випромінювачем квадратного профілю і тепер вона складає 146.4МГц (1.5323-1.6787ГГц), а була 155.7МГц (1.5265-1.6822ГГц).

- Найбільше змінилася смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ в АР з квадратним профілем випромінювача і вона складає 33.4МГц (1.5932-1.6266ГГц), а в окремого випромінювача вона складала 41МГц (1.5776-1.6186ГГц).

ВИСНОВКИ

В процесі виконання дипломної роботи було проведене моделювання і аналіз мікросмужкових антен з різними профілями випромінювачів і на їх основі створені моделі антенних решіток.

За отриманими результатами аналізу окремих мікросмужкових антен з квадратним, круговим та кільцевим профілем можна сказати, що:

- Найменші розміри мікросмужкового випромінювача має антена з кільцевим профілем, а саме: rmin=16.28 мм, rmax=22.06 мм, xg=110 мм.

- Найбільшу смугу робочих частот по коефіцієнту відбиття має антена з квадратним профілем і вона складає 155.7 МГц (1.5265-1.6822ГГц).

- Найбільша смуга частот, що визначається по коефіцієнту еліптичності по рівню -3дБ має антена з квадратним профілем випромінювача і вона дорівнює 41 МГц (1.5642-1.641ГГц).

- Діаграма спрямованості найбільша у мікросмужкової антени з квадратним профілем, а саме 86.2?.

- Мікросмужкова антена з квадратним профілем має найбільшу діаграму спрямованості по коефіцієнту еліптичності і вона дорівнює 159.6?

Проаналізувавши характеристики мікросмужкових антен з квадратним, коловим та кільцевим профілем, як елемента АР розмірами 2х2 елемнти встановлено, шо:

- Найбільші спотворення діаграми спрямованості зазнала АР з квадратним профілем випромінювача в порівнянні з окремим випромінювачем, а саме, ширина ДС складає 69.58? , а була 86.2?.

- Найбільше спотворення за коефіцієнтом еліптичності зазнала ДС АР з коловим профілем випромінювача, ширина діаграми спрямованості дорівнює 27.45? в головному напрямку антенної решітки в порівнянні з одиночним випромінювачем в якого ширина складає 155?.

- Смуга робочих частот найбільше змінилася в АР з випромінювачем квадратного профілю і тепер вона складає 146.4МГц (1.5323-1.6787ГГц), а була 155.7МГц (1.5265-1.6822ГГц).

- Найбільше змінилася смуга робочих частот, яка визначається коефіцієнтом еліптичності по рівню -3дБ в АР з квадратним профілем випромінювача і вона складає 33.4МГц (1.5932-1.6266ГГц), а в окремого випромінювача вона складала 41МГц (1.5776-1.6186ГГц).

Отже, в результаті проведених досліджень антенних решіток виявилося, що найбільш практичним при використанні в АР є мікросмужковий випромінювач з кільцевим профілем, оскільки , даний тип випромінювача зазнав найменшого спотворення характеристик при розташуванні його в антенній решітці розмірами 2х2 елементи.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Воскресенский Д. И. Проектирование активных фазированных антенных решёток / Под. ред. Д. И. Воскресенского -- М.: Радиотехника, 2003. -- С. 334--351.

2. http://morfish.ru/ums/files/CRNC.pdf

3. Microstrip antenna design handbook/ Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl. - Boston, London: Artech House, 2001

4. Handbook of antennas in wireless communications/Lan Chand Godara - New York: CRC Press LLC, 2002

5. Handbook of microstrip antennas/ J.R. James, P.S. Hall. - London: Peter Peregrinus Ldt, 1989

6. Advances in microstrip and printed antennas/ Kai Fong Lee, Wei Chen. - New York: John Wiley and sons inc., 1997

7. Harrington R.G. Field Computation by Moment Methods, N.-Y., 1968, pp. 230

8. Н.Mott Polarisation in Antennas and Radar. - New York: John Wiley and sons inc., 1997

9. Electromagnetic simulation using the FDTD method/ Dennis M. Sallivan. - New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2000

10. Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method/ Allen Taflove, Susan S. Hagness. - Boston, London: Artech House, 2000

11. Н. Т. Бова, Г. Б. Резников., “Антенны и устройства СВЧ”. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд - во, 1982. - 278 с.

12. M. Clemens, Weiland T., “Discrete Electromagnetism With The Finite Integration Technique”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 32, 2001, pp. 65-87.

13. Yee, K.S., “ Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media,” IEEE Trans. Antenna and Propagation, Vol. 14, 1996, pp. 19 - 23.

Размещено на Allbest.ru