Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
Katedra elektromagnetického pole
Bakalářská práce
Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným
napáječem
2010
Vít Podivinský
Poděkování
Rád bych poděkoval panu Ing. Pavlu Hazdrovi, Ph. D. za jeho pečlivé vedení mé
bakalářské práce a za jeho velice vstřícný a přátelský přístup, se kterým mi pomáhal
řešit všechny problémy, které se v práci vyskytly.
Dále bych chtěl poděkovat mým rodičům, bez jejich podpory ve studiu by tato práce
nejspíš nikdy nevznikla.
Zkratovaná mikropásková anténa s lomeným napáječem
(Shorted microstrip patch antenna with the L-probe feed)
Vyjděte z práce [1] a navrhněte na f=2.45 GHz strukturu elektricky zmenšenou
pomocí zkratovací stěny - jako budící prvek zvolte lomený napáječ („L-probe“).
Vytvořte náhradní model antény sestavený z diskrétních prvků. Zjistěte vliv
jednotlivých částí antény na impedanční a vyzařovací parametry a optimalizujte
je tak, aby bylo dosaženo maximální šířky pásma a vyzařování pokud možno
v ose antény.
Vzorek antény vyrobte a proměřte (minimálně impedančně).
Lit.:
[1] Procházka, T.: Miniaturizace mikropáskových patch antén, semestrální
projekt, FEL ČVUT, 2007
[2] Volakis, J.: Antenna Engineering Handbook, McGraw Hill, 2007
Anotační list
Jméno autora:
Vít PODIVINSKÝ
Název semestrálního projektu:
Zkratovaná
napáječem
Anglický název:
Shorted microstrip patch antenna with the
L – probe feed
Rok:
2010
Katedra, obor:
ČVUT FEL, Katedra elektromagnetického pole,
Elektronika a sdělovací technika
Vedoucí semestrálního projektu:
Ing. Pavel Hazdra, Ph. D.
Bibliografické údaje:
Počet stran: 60
mikropásková
anténa
s lomeným
Počet obrázků: 50
Počet tabulek: 4
Počet příloh: 1
Klíčová slova:
Anténa, patch, miniaturizace, napájení, náhradní
obvod, lomený napáječ
Keywords:
Antenna,
patch,
miniaturization,
equivalent circuit, L - probe
Anotace:
Tato práce se zabývá návrhem mikropáskové
antény
se
zkratovací
stěnou
uprostřed
rezonančního s lomeným napáječem a vytvořením
a ověřením náhradního obvodu této antény.
Obsahuje modely vytvořené v programu CST
Microwave Studio a náhradní obvody sestavené
v programu AWR Microwave Office. Součástí
práce je ověření a porovnání dosažených výsledků.
Abstract:
This thesis deals with the design of a microstrip
patch antenna with the shorting wall and the L –
probe feed. It contains models created in CST
Microwave Studio and AWR Microwave Office.
One part of this thesis provides the comparison of
the gained results.
feeding,
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Zkratovaná mikropásková anténa
s lomeným napáječem“ vypracoval samostatně a použil jsem pouze literární prameny
uvedené v bibliografii.
……………………………………
Vít Podivinský
V Uherském Hradišti dne 21.5.2010
Obsah
1.
2.
3.
4.
Úvod ...................................................................................................................... - 11 1.1.
Základní charakteristika mikropáskové antény ............................................. - 11 -
1.2.
Princip činnosti anténního prvku ................................................................... - 12 -
1.3.
Výhody a nevýhody mikropáskových antén .................................................. - 13 -
Způsoby miniaturizace mikropáskové antény ....................................................... - 14 2.1.
Vliv substrátu na velikost antény ................................................................... - 14 -
2.2.
Metoda prodloužení proudových cest ............................................................ - 14 -
2.3.
Metoda „zabalení“ antény .............................................................................. - 15 -
2.4.
Metoda zkratování okraje patche ................................................................... - 16 -
Způsoby napájení ................................................................................................... - 18 3.1.
Napájení pomocí mikropáskového vedení ..................................................... - 18 -
3.2.
Napájení pomocí koaxiálního vedení ............................................................ - 18 -
3.3.
Napájení vazební štěrbinou ............................................................................ - 18 -
3.4.
Napájení otevřeným koncem vedení.............................................................. - 19 -
Návrh obdélníkové patch antény se zkratovací stěnou buzené L –
sondou .................................................................................................................... - 20 4.1.
Návrh nezmenšeného obdélníkového patche ................................................. - 20 -
4.2.
Zkrácení patche na polovinu použitím zkratovací stěny ............................... - 21 -
4.3.
Návrh napájecí L – sondy .............................................................................. - 21 -
4.4.
Hledání optimálních parametrů ..................................................................... - 22 -
4.5.
Vlastnosti navržené antény ............................................................................ - 28 -
5.
Zjištění vlivu jednotlivých částí antény na impedanční a vyzařovací
parametry ............................................................................................................... - 35 -
6.
Stanovení náhradního obvodu antény se zkratovací stěnou
uprostřed rezonančního rozměru buzené L – sondou ........................................ - 37 6.1.
Přehled výsledků vypracovaných T. Procházkou .......................................... - 37 -
6.1.1.
Náhradní obvod patche ........................................................................... - 38 -
6.1.2.
Náhradní obvod napájení ........................................................................ - 39 -
6.1.3.
Náhradní obvod celé struktury ............................................................... - 40 -
6.2.
Doplnění o zkratovací stěnu .......................................................................... - 40 -
6.2.1.
Náhradní obvod po doplnění zkratovací stěny ....................................... - 42 -
6.3.
Porovnání výsledků........................................................................................ - 43 -
6.4.
Ověření platnosti náhradního obvodu ............................................................ - 45 -
7.
Ověření správnosti návrhu měřením ...................................................................... - 55 -
8.
Závěr ...................................................................................................................... - 57 -
9.
Použitá literatura .................................................................................................... - 58 -
10. Příloha .................................................................................................................... - 59 -
Seznam obrázků
Obr. 1:
Rozložení pole a magnetických proudů v základním modelu [7] .............. 12
Obr. 2: Princip vzniku rozptylového pole v základním modu kmitání,
pohled zboku[7] ........................................................................................................... 12
Obr. 3: Rozložení el. pole (horní řada) a povrchového proudu (dolní řada)
pro vidy TM10 (levý sloupec) a TM01 (pravý sloupec)[7] ......................................... 13
Obr. 4: Rozdělení proudových cest na povrchu obdélníkového patche
s natáčecími štěrbinami, (a)natáčecí štěrbiny, (b) patch tvaru „motýlek“ [4] ............. 15
Obr. 5:
Ukázka několika štěrbinových patchů [4] ................................................... 15
Obr. 6:
Ukázka „zabalení“ antény [6] ..................................................................... 16
Obr. 7: Patch anténa se (a) zkratovací stěnou, (b) zkratovací deskou, (c)
zkratovacím válečkem [4] ............................................................................................ 17
Obr. 8: Způsoby napájení patch antény (a) koaxiálním vedením, (b)
mikropáskovým vedením, (c) otevřeným koncem vedení, (d) vazební
štěrbinou [3] ................................................................................................................. 19
Obr. 9:
Simulace prvotního návrhu ......................................................................... 22
Obr. 10: Vyzařovací charakteristiky prvotního návrhu ............................................. 23
Obr. 11: Závislost impedančního přizpůsobení při změně šířky W .......................... 24
Obr. 12: Hodnota s11 pro pozměněnou strukturu ..................................................... 25
Obr. 13: Vyzařovací charakteristiky pro upravenou strukturu .................................. 25
Obr. 14: Změna lh ...................................................................................................... 27
Obr. 15: Změna velikosti zemní roviny ..................................................................... 28
Obr. 16: Posun po zemní rovině ................................................................................ 28
Obr. 17: Navržená anténa .......................................................................................... 29
Obr. 18: Činitel odrazu v dB v závislosti na frekvenci ............................................. 30
Obr. 19: Smithův diagram pro navrženou anténu...................................................... 31
Obr. 20: Reálná a imaginární část impedance v závislosti na frekvenci ................... 31
Obr. 21: Směrová charakteristika 3D ........................................................................ 32
Obr. 22: Směrová charakteristika v rovině H ............................................................ 33
Obr. 23: Směrová charakteristika v rovině E ............................................................ 33
Obr. 24: Závislost směrovosti na frekvenci ............................................................... 34
Obr. 25: Rozložení intenzity el. pole ......................................................................... 37
Obr. 26: Rozložení povrchového proudu .................................................................. 38
Obr. 27: Náhradní obvod patche [2] .......................................................................... 39
Obr. 28: Náhradní obvod napájení [2] ....................................................................... 39
Obr. 29: Náhradní obvod kompletní antény [2] ........................................................ 40
Obr. 30: Rozložení intenzity el. pole ......................................................................... 41
Obr. 31: Rozložení povrchového proudu .................................................................. 41
Obr. 32: Náhradní obvod antény se zkratovací stěnou .............................................. 42
Obr. 33: Modul S11 [dB]- anténa .............................................................................. 43
Obr. 34: Modul S11 [dB] – náhradní obvod .............................................................. 43
Obr. 35: Reálná (červená) a imaginární (zelená) část impedance – anténa ............... 44
Obr. 36: Reálná a imaginární část impedance – náhradní obvod .............................. 44
Obr. 37: Změna lh – anténa ....................................................................................... 45
Obr. 38: Změna lh – náhradní obvod ......................................................................... 46
Obr. 39: Změna lh – náhradní obvod – detail ............................................................ 46
Obr. 40: Změna lv – anténa ....................................................................................... 48
Obr. 41: Změna lv – náhradní obvod ......................................................................... 48
Obr. 42: Změna strana1 – anténa ............................................................................... 50
Obr. 43: Změna strana1 – náhradní obvod ................................................................ 50
Obr. 44: Změna strana2 – anténa ............................................................................... 51
Obr. 45: Změna výšky patche – anténa ..................................................................... 53
Obr. 46: Změna výšky patche – náhradní obvod ....................................................... 53
Obr. 47: Fotografie realizované antény ..................................................................... 55
Obr. 48: Porovnání simulovaného (červená) a změřeného (černá) průběhu S11 ....... 56
Obr. 49: Náhradní obvod mikropáskové antény bez zkratovací stěny ...................... 59
Obr. 50: Náhradní obvod mikropáskové antény se zkratovací stěnou uprostřed
rezonančního rozměru.................................................................................................. 60
Seznam tabulek
Tab. 1: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy –
změna lv ..................................................................................................................... 46
Tab. 2: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy –
změna lv ..................................................................................................................... 48
Tab. 3: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy –
změna strana1 .............................................................................................................. 50
Tab. 4: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy –
změna výšky patche ..................................................................................................... 53
Seznam použitých symbolů
λ0
L, Strana1
W, Strana2
J
E
H
t
h, vyskapatche
εr
S11
[mm]
[mm]
[mm]
[Am-2]
[V/m]
[A/m]
[mm]
[mm]
[-]
[dB]
Vlnová délka ve volném prostoru
Délka patche
Šířka patche
Hustota povrchových proudů
Intenzita el. pole
Intenzita mag. pole
Tloušťka patche
Tloušťka substrátu
Relativní permitivita prostředí
Modul odrazu
Bakalářská práce
Vít Podivinský
1. Úvod
V 50. letech 20. století vzniká nová technologie výroby elektrotechnických a
elektronických zařízení – fotolitografická technika výroby plošných spojů a s ní nový
typ antén (nejčastěji podle podobnosti s přenosovými vedeními realizovanými touto
technologií), antény mikropáskové (také též tištěné či planární). První zmínky o
konceptu tištěných antén byly publikovány již na počátku 50. let. Trvalo však dalších
dvacet let, než byl koncept tohoto typu antén využit pro potřeby raketového průmyslu.
Bylo to působeno především neexistencí vhodných dielektrických substrátů pro
mikrovlnou techniku, které jsou nezbytné. V dnešní době zažívají tyto antény boom
způsobený masivním rozvojem mobilních komunikací. [1]
1.1.
Základní charakteristika mikropáskové antény
V základní formě se mikropásková anténa skládá z vyzařujícího patche (česky
záplata, flíček, skvrna) na jedné straně dielektrického substrátu, který je na druhé straně
celý pokovený. Patch se obecně vyrábí z dobře vodivého materiálu jako je měď nebo
zlato a může mít prakticky libovolný tvar. Vzor patche a napájecí vedení je obvykle
vyráběn fotolytickou litografií. Z důvodu jednoduché analýzy a návrhu se používají
patche ve tvaru obdélníku, kruhu, prstence či jiné symetrické tvary. Délka L
obdélníkového patche se obvykle pohybuje v rozmezí od 0,333 λ0 do 0,5 λ0, kde λ0 je
vlnová délka ve volném prostoru. Tloušťka patche t je závislá od použité technologie
výroby a platí t<<λ0. Tloušťka h dielektrického substrátu je obvykle v rozmezí 0,003 λ0
až 0,05 λ0. Hodnota relativní permitivity substrátu εr je obvykle v rozmezí 2,2 až 12.
[5][7]
Na vyzařování mají největší podíl hlavně rozptylová pole na protilehlých okrajích
patche. Toto pole můžeme rozložit (vhledem k zemní rovině) na tečné a normálové
složky. Normálové složky jsou, z důvodu délky patche odpovídající polovině vlnové
délky, fázově posunuty o 𝜋/2, a jimi vytvořené pole se tak ve větší vzdálenosti od
patche vyruší. Naopak tečné složky jsou ve fázi a jimi vytvořené pole je maximální
v příčném směru (směr kolmý na patch). [1][5][7]
- 11 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 1: Rozložení pole a magnetických proudů v základním modelu [7]
Obr. 2: Princip vzniku rozptylového pole v základním modu kmitání, pohled zboku [7]
1.2.
Princip činnosti anténního prvku
Mikropáskový anténní zářič se při vhodném nastavení chová jako zvláštní druh
rezonátoru, ve kterém k rezonanci dochází tehdy, když se alespoň podle jedné hrany
(délka L, šířka W) rozloží celistvý násobek půlvln elektrického pole. Toto pole se
vlivem vysoké hodnoty relativní permitivity nosného substrátu koncentruje převážně
v dielektriku. Elektrické pole může nabývat různý tvar, v závislosti na tom, kolik půlvln
a podle jaké hrany vznikne. Tyto varianty rozložení se nazývají anténní mody (nebo
taky vidy). Vidy se značí TMmn, kde číslo m reprezentuje rezonanci podle hrany L a
- 12 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
číslo n podle hrany W. Stav, kdy jsou obě čísla rovna nule, je nepřípustný, protože by
odpovídal nulovému poli mezi zemní rovinou a patchem. [1]
Obr. 3: Rozložení el. pole (horní řada) a povrchového proudu (dolní řada) pro vidy
TM01 (levý sloupec) a TM10 (pravý sloupec)[7]
1.3.
-
Výhody a nevýhody mikropáskových antén
VÝHODY
- nízká váha
- malé rozměry v jednom směru (tloušťka)
- malé výrobní náklady
- schopnost pracovat na více rezonančních frekvencích
-
NEVÝHODY
- malá impedanční šířka pásma
- nízká efektivita
- malý zisk
- nízký přípustný napájecí výkon
- velké ztráty v napájecím vedení
Některé z těchto nevýhod můžou být minimalizovány vhodnou konstrukcí antény.
[5][7]
- 13 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
2. Způsoby miniaturizace mikropáskové antény
2.1.
Vliv substrátu na velikost antény
Základní metodou miniaturizace mikropáskové antény je použít vhodný nosný
dielektrický substrát s vysokou hodnotou relativní permitivity εr. Tato hodnota má
největší vliv na velikost antény a její vlastnosti. Malá hodnota způsobuje velké
rozptylové pole na hraně zářiče, čímž zvyšuje jeho účinnost, ale na druhou stranu
zvětšuje geometrické rozměry antény. Použití substrátu s hodnotou relativní permitivity
2 až 3 zmenší velikost antény přibližně na 0,35 λ0. Naopak při použití substrátu s velkou
hodnotou relativní permitivity se velikost antény zmenšuje, což je žádoucí. Nevýhodou
ovšem je, že se zmenšuje impedanční šířka pásma a zvyšují se nároky na geometrickou
přesnost antény. Při použití substrátu s hodnotou relativní permitivity 10 se rozměry
antény zmenší přibližně na 0,2 λ0. [1][5]
S hodnotou relativní permitivity ještě souvisí i tloušťka substrátu. Zmenšování
tloušťky substrátu má podobný efekt jako zvyšování permitivity. Ale i zde se k tomu
vážou problémy se zužováním impedanční šířky pásma a poklesem účinnosti antény. [1]
2.2.
Metoda prodloužení proudových cest
Další metodou miniaturizace patch antény je prodloužení proudových cest na
anténím zářiči. Tohoto prodloužení lze dosáhnout použitím natáčecích štěrbin na
nevyzařující hranu patche (například jako na Obr. 4 (a)). Tyto delší proudové cesty
snižují základní rezonanční frekvenci patche a také jeho fyzické rozměry. V závislosti
na délce těchto štěrbin se dá dosáhnout zmenšení rozměrů antény o 10% - 20%. V praxi
se pak na zářič umísťují ještě další štěrbiny na zbylé dvě hrany patche. Je to z důvodu
dosáhnutí kruhové polarizace vyzařované vlny. Natáčecí štěrbiny také redukují činitel
jakosti, čímž dochází k rozšiřování impedanční šířky pásma. [4]
- 14 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 4: Rozdělení proudových cest na povrchu obdélníkového patche s natáčecími
štěrbinami, (a)natáčecí štěrbiny, (b) patch tvaru „motýlek“ [4]
Obr. 5: Ukázka několika štěrbinových patchů [4]
2.3.
Metoda „zabalení“ antény
Třetí metoda minimalizace spočívá v „zabalení“ jednovrstvé patch antény (včetně
substrátu a zemní roviny) do dvouvrstvé struktury, jako je znázorněno na obrázku (Obr.
6), a tak zmenšit rovinný rozměr na polovinu. Nevýhodou této metody je nárůst výšky
antény. [6]
- 15 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 6: Ukázka „zabalení“ antény [6]
2.4.
Metoda zkratování okraje patche
Poslední používanou metodou miniaturizace je zkratování patche. Toto zkratování
patche se provádí v místě nulové intenzity elektrického pole, tj. uprostřed delšího
rozměru L. Zkratováním patche se délka antény zmenší na polovinu a vlnová délka
patche se změní z poloviční na čtvrtinovou. Na zkratování se může použít zkratovací
stěna, zkratovací deska nebo zkratovací váleček. Zkrácená stěna představuje indukčnost.
Tato indukčnost se dá kompenzovat vhodným zapojením kondenzátoru. Při použití
zkratovací desky nebo zkratovacího válečku se také zmenšuje základní rezonanční
frekvence, čímž se rozměry dále zmenší. [4]
- 16 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 7: Patch anténa se (a) zkratovací stěnou, (b) zkratovací deskou, (c)
zkratovacím válečkem [4]
- 17 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
3. Způsoby napájení
Mikropásková anténa může být napájena různými způsoby, které můžeme rozdělit na
dvě základní kategorie – kontaktní (mikropáskové, koaxiální vedení) a bezkontaktní
(vazební štěrbinou, otevřeným koncem vedení). U kontaktního napájení je zdroj energie
připojen
přímo
na
vyzařující
vzor
patche.
U
bezkontaktního
je
napájení
zprostředkováno elektromagnetickou vazbou. Čtyři nejpopulárnější způsoby napájení
jsou uvedeny v následujících podkapitolách.
3.1.
Napájení pomocí mikropáskového vedení
U tohoto způsobu napájení je mikropáskové vedení připojeno přímo na hranu
patche. Výhodou tohoto způsobu napájení je použití stejné technologie výroby
napájecího vedení jako samotného patche. Z důvodu dobrého impedančního
přizpůsobení a vynechání přizpůsobovacích obvodů se napájecí vedení zanořuje (Obr.
8b). Je to způsobené klesající impedancí od kraje vedení (100 Ω – 300 Ω) po střed (0
Ω), v závislosti na použitém substrátu a šířce patche, dle funkce Z = cos2(𝜋x/L); L je
délka patche. S klesající tloušťkou substrátu rostou povrchové vlny a zvyšují se ztráty
v přívodním vedení a klesá tak účinnost antény a zužuje se šířka pásma. [3]
3.2.
Napájení pomocí koaxiálního vedení
Napájení pomocí koaxiálního vedení je velice častý způsob napájení. Jak je patrné
z obrázku (Obr. 8a), vnitřní vodič prochází otvorem v zemní rovině a dále skrz substrát
a je připojen na vyzařující vzor patche, vnější vodič je připojen na zemní rovinu.
Největší výhodou tohoto způsobu napájení je možnost připojení napájení přímo do
místa s nejlepším impedančním přizpůsobením. Tento způsob se také snadno vyrábí a
má malé parazitní vyzařování. Nevýhodou je zužování šířky pásma a obtížnost
modelace, kterou komplikuje díra v substrátu a vyčnívající konektor koaxiálního vedení
ze zemní roviny. Pro tenké substráty pak model není planární. Při použití tlustých
substrátů se prodlužuje délka volného vnitřního vodiče, což zvyšuje jeho parazitní
indukčnost, a ta zhoršuje impedanční přizpůsobení [3]
3.3.
Napájení vazební štěrbinou
V tomto typu napájení je vyzařující vzor patche a napájecí mikropáskové vedení
odděleno zemní rovinou (Obr. 8d). Vazba je zprostředkována pomocí štěrbiny v zemní
- 18 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
rovině. Vazební štěrbina je obvykle vystředěna uprostřed pod patchem, což díky
symetrii způsobuje křížovou polarizaci vyzařované vlny. O kvalitě vazby rozhoduje
velikost, tvar a umístění vazební štěrbiny. Díky zemní rovinou separovanému patchi od
napájecího vedení je minimalizováno parazitní vyzařování. Z důvodu optimalizace
vyzařování se pro spodní úzký substrát používá materiál s vysokou relativní
permitivitou a v horní části se používá tlustý substrát s nízkou relativní permitivitou.
Toto je však zároveň i největší problém tohoto způsobu napájení – komplikovaná
výroba různě tlustých vrstev různých materiálů. Dále pak vícevrstvá struktura zvyšuje
tloušťku antény. [3]
3.4.
Napájení otevřeným koncem vedení
Jak je z obrázku Obr. 8c zřejmé, napájecí vedení vede mezi vrstvami dvouvrstvého
dielektrického substrátu a vyzařující patch je umístěn na povrchu horní vrstvy substrátu.
Největší výhodou tohoto zapojení je eliminování parazitního vyzařování, velká šířka
pásma (až 13%). Impedanční přizpůsobení se provádí změnou délky volného konce
vedení a změnou vzdálenosti patche od napájecího vedení. Největší nevýhodou je
komplikovaná výroba, z důvodu dvouvrstvého substrátu. [3]
Obr. 8: Způsoby napájení patch antény (a) koaxiálním vedením, (b) mikropáskovým
vedením, (c) otevřeným koncem vedení, (d) vazební štěrbinou [3]
- 19 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
4. Návrh obdélníkové patch antény se zkratovací
stěnou buzené L – sondou
V této části práce budou popsány jednotlivé kroky návrhu mikropáskové patch
antény pracující na frekvenci 2,45 GHz elektricky zmenšené zkratovací stěnou, tak jak
byly postupně prováděny. Cílem návrhu je určení všech geometrických rozměrů patche
tak, aby byla anténa dobře impedančně přizpůsobená, měla co největší šířku pásma, a
aby bylo, pokud možno, dosaženo vyzařování v ose antény.
Protože použití zkratovací stěny je jednou z minimalizačních technik, je nutno první
navrhnout anténu nezmenšenou. Protože však tato nezmenšená anténa je jen mezikrok,
který slouží k získání hrubého odhadu o rozměrech celé struktury, bude proveden pouze
návrh podle obecných předpokladů bez další optimalizace.
Návrh nezmenšeného obdélníkového patche
4.1.
Pokud chápeme mikropáskový patch jako dvojdimenzionální zářič, je rezonanční
frekvence dána vztahem:
fr = k mn
c
2π εr
(4.1)
kde
mπ
L
k 2mn =
2
+
nπ
W
2
(4.2)
Úkolem je navrhnout anténu pracující na frekvenci 2,45 GHz, jejíž substrát bude
vzduch. Pro vlnovou délku λ platí:
c
λ=
= 122,45 mm
f εr
(4.3)
Pro tloušťku substrátu h platí, že se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1 – 0,2 λ, což
v našem případě je 12 – 24 mm. Pro další návrh, i s ohledem na dostatek prostoru pro
napájení, bylo proto zvoleno h = 20 mmm. Tento parametr byl pro další optimalizaci
antény určen jako neměnný.
Pro délku patche L v prvním přiblížení platí:
L1 =
c
2f εr
= 61,22 mm
(4.3)
Tedy že délka patche má rozměr poloviny vlnové délky.
- 20 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Dále se pak v návrhu musí zohlednit rozptylové pole na okrajích patche (viz Obr. 7).
To se zohlední tak, že délka patche L se o malý kousek zkrátí. Velikost tohoto zkrácení
je závislá na tloušťce substrátu. Pro potřeby hrubého návrhu obdélníkové patche bylo
toto zkrácení odhadnuto na:
∆𝐿 = 2,5 𝑚𝑚
(4.4)
Výsledná délka patche L pak je:
𝐿 = 𝐿1 − 2∆𝐿 = 56,22 𝑚𝑚
(4.5)
Šířka patche W se obvykle pohybuje v rozmezí 0,5 L – 2 L tedy v našem případě 28
– 112,4 mm. Pro další návrh jsem zvolil W = 40 mm
4.2.
Zkrácení patche na polovinu použitím zkratovací stěny
Při použití zkratovací stěny v polovině rezonančního rozměru se zmenší jak délka L
tak šířka W na polovinu, tloušťka substrátu zůstává nezměněna. Nové hodnoty těchto
parametrů tedy jsou:
L = 28 mm
W = 20 mm
h = 20 mm
4.3.
Návrh napájecí L – sondy
Napájecí L – sonda se skládá z vertikální a horizontální části. Velikost vertikální
části byla určena nepřímo přes vzdálenost horizontální části od patche. Tato vzdálenost
byla zvolena jako 1/5 výšky patche, tedy 4 mm. Protože však pro realizaci antény bude
použit koaxiální kabel s poloměrem vnitřního vodiče a = 0,6 mm, a protože určení
vzdálenosti sondy od patche bylo uvažováno pro nekonečně malý průměr vnitřního
vodiče, je potřeba tuto skutečnost zohlednit. Pro další návrh bude tedy uvažována
vzdálenost sondy od patche 4,5 mm. Podobně jako výška patche se i tento parametr při
další optimalizaci nebude měnit. Horizontální část napájení byla do začátku zvolena
jako ½ délky L, tedy 12 mm.
- 21 -
Bakalářská práce
4.4.
Vít Podivinský
Hledání optimálních parametrů
Při simulaci výše navrženého patche v programu CST Microwave Studio bylo
dosaženo výsledků uvedených v grafech na Obr. 9 a 10.
Obr. 9: Simulace prvotního návrhu
- 22 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 10: Vyzařovací charakteristiky prvotního návrhu
Z grafu (Obr. 9) je patrné, že rezonanční frekvence je vyšší než požadovaných 2,45
GHz, tedy že délka patche je větší a je třeba ji zkrátit. Hodnota parametru L byla proto
zmenšena na 25 mm. Očekává se však nutnost dalšího doladění, protože optimalizace
dalších parametrů bude jistě na frekvenci mít vliv.
Z téhož grafu a z obrázku (Obr. 10) je zřejmé, že vyzařovací charakteristika,
směrovost a i impedanční přizpůsobení není optimální. Největší vliv na tyto vlastnosti
má šířka patche W.
- 23 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 11: Závislost impedančního přizpůsobení při změně šířky W
V grafu (Obr. 11) vidíme, že nejlepší impedanční přizpůsobení nastává pro hodnotu
šířky W kolem 110 mm. Z důvodu lepší šířky pásma bylo rozhodnuto použít W = 80
mm, pro kterou je impedanční přizpůsobení stále velice dobré.
Po zanalyzování struktury s opravenými parametry (viz graf Obr. 12) vidíme, že se
rezonanční frekvence posunula na hodnotu f = 2,25 GHz, která už je nízká a impedanční
přizpůsobení na této frekvenci dosáhlo -24 dB.
- 24 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 12: Hodnota s11 pro pozměněnou strukturu
Obr. 13: Vyzařovací charakteristiky pro upravenou strukturu
- 25 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Z obrázku (Obr. 13) je zřejmé, že směrové charakteristiky i směrovost se výrazně
zlepšily.
Je ještě třeba znova doladit rezonanční frekvenci. Toho je možné dosáhnout buď
zvětšením délky L patche, nebo, jak je z grafu (Obr. 14) patrné, i změnou horizontální
části napájecí sondy, která má prakticky vliv právě jen na frekvenci. Změna délky
patche již nemá v tomto případě tak velký vliv a musela by se výrazně zvětšit za cenu
větší velikosti antény a zúžení frekvenčního pásma. Doladění tedy provedeme
nastavením parametru lh = 10 mm.
Obr. 14: Změna lh
Další část antény, která může mít vliv na vlastnosti antény, je zemní rovina,
respektive její velikost. V předchozích úvahách byla zemní rovina uvažována jako
nekonečná, v simulacích pak o rozměrech 400 mm x 400 mm.
- 26 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 15: Změna velikosti zemní roviny
Z grafu (Obr. 15) je patrné, že s výjimkou největších dvou rozměrů, na velikosti
zemní roviny nezáleží. Protože se však anténa bude i vyrábět a protože jsou již
předpřipravené zemní roviny o rozměrech 200 mm x 200 mm, bude použita zemní
rovina těchto rozměrů.
Další optimalizaci tvaru by mohlo být možné dosáhnout posunem antény (patch se
zkratovací stěnou + napájení) po zemní rovině. Protože anténa dominantně vyzařuje z
nezkratované hrany, je možné, že na straně u zkratovací stěny nebude potřeba tak velká
plocha zemní roviny.
- 27 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 16: Posun po zemní rovině
Jak je z obrázku (Obr. 16) zřejmé, tento předpoklad se nepotvrdil, protože pro
nulový posun je hodnota impedančního přizpůsobení druhá nejvyšší z testovaných.
4.5.
Vlastnosti navržené antény
Vlastnosti konečného návrhu byly, na rozdíl od návrhu patche, simulovány
s vyšší přesností (přibližně dvojnásobný počet buněk, přesnost výpočtu zvětšena z -30
dB na -50 dB), proto se může zdát, že jednotlivé průběhy jsou jiné než v kapitole 4.4.
Dále pak byl ideálně vodivý materiál nahrazen materiálem reálným, takovým, který
bude použit při výrobě antény. Jedná se hlavně o impedanční přizpůsobení na
rezonanční frekvenci.
Na obrázku (Obr. 17) je navržená anténa. Střed svislé části napájení je umístěn
v jedné rovině s hranou patche.
- 28 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 17: Navržená anténa
Na obrázku (Obr. 18) je vykreslen průběh činitele odrazu v závislosti na frekvenci.
Z charakteristiky je patrné, že navržená anténa rezonuje na požadované frekvenci 2,45
GHz, na které dosahuje parametr S11 hodnoty přibližně -26,3 dB. Frekvenční šířka
pásma pro pokles o 10 dB je 610MHz (od 2,15 GHz do 2,76 GHz) což je přibližně
24,9% Tato hodnota je pro mikropáskové antény, které se obvykle vyznačují malou
šířkou pásma, poměrně vysoká.
- 29 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 18: Činitel odrazu v dB v závislosti na frekvenci
Na obrázku (Obr.: 19) je Smithův diagram, který zobrazuje reálnou a imaginární
část impedance Z v závislosti na frekvenci. Ta je ještě uvedena i na dalším obrázku
(Obr.: 20). Imaginární část impedance má nulovou hodnotu na frekvencích 2,48 GHz a
2,89 GHz. Na pracovní frekvenci 2,45 GHz má reálná hodnota impedance hodnotu 55,6
Ω a imaginární část impedance 1,6 Ω.
- 30 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 19: Smithův diagram pro navrženou anténu
Obr. 20: Reálná a imaginární část impedance v závislosti na frekvenci
- 31 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Na dalších obrázcích je uvedena směrová charakteristika (3D, řezy v hlavních
rovinách) a závislost směrovosti na frekvenci.
Obr. 21: Směrová charakteristika 3D
- 32 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 22: Směrová charakteristika v rovině H
Obr. 23: Směrová charakteristika v rovině E
- 33 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
V rovině E jsou postraní laloky potlačeny o 8,9 dB, v rovině H o 7,1 dB. Šířka
hlavního laloku je v rovině E 59,2° a v rovině H 118,3°.
Z obrázků 21 – 23 je vidět jeden z největších nedostatků této antény a tím je
vyzařování mimo geometrickou osu. Směr hlavního laloku je od ní odkloněn o 35°
Obr. 24: Závislost směrovosti na frekvenci
Z grafu na obrázku 24 je patrné, že maximum směrovosti je na frekvenci 2,5 GHz.
Efektivita je nejvyšší na frekvenci 2,45 GHz a prakticky se blíží 100%.
- 34 -
Bakalářská práce
5. Zjištění
Vít Podivinský
vlivu
jednotlivých
částí
antény
na
impedanční a vyzařovací parametry
Současně s návrhem a optimalizací antény byly zjištěny tyto vlivy jednotlivých
parametrů na impedanční a vyzařovací charakteristiky antény:
Strana L má největší vliv na frekvenci, na které anténa pracuje. Se zvětšujícím se L
se zvětšuje i plocha patche a zvětšuje se tak vyzařování a tím i impedanční
přizpůsobení. Rozměr L je však pevně dán pracovní frekvencí a není možné jej příliš
měnit
Strana W má největší vliv na impedanční přizpůsobení a směrovou charakteristiku
antény. Tento rozměr můžeme měnit ve velkém rozsahu. Se zvětšující se velikostí této
strany se zvětšuje plocha a prodlužuje hrana, ze které patch dominantně vyzařuje.
Zvětšování strany W mělo velmi příznivý efekt na směrovost, kdy se zvětšováním
strany docházelo k zužování hlavního laloku, a tím k nárůstu směrovosti (resp. zisku).
Zvětšování však nemůže probíhat do nekonečna, konkrétně u této antény byl simulací
zjištěn limit při rozměru 115 mm, kdy se výrazně změnily vyzařovací charakteristiky –
maximum vyzařování už nebylo podél nezkratované hrany, ale podél dvou bočních
stran kolmých na zkratovací stěnu. S největší pravděpodobností je to způsobeno
vybuzením vyšších vidů. Avšak i v tomto případě, kdy vznikly dva vyzařovací laloky,
tyto laloky směřovaly pod stejným úhlem jako při činnosti antény v základním vidu.
Výška patche nad zemní rovinou má velký vliv na frekvenci a impedanční
přizpůsobení. Je to způsobeno tím, že výška patche určuje velikost rozptylového pole na
hranách, a tím i frekvenci a vyzařovací účinnost (resp. hodnotu parametru S11).
S rostoucí výškou se zvětšuje objem celé struktury a množství energie akumulované
v substrátu. Naopak při malé vzdálenosti mezi patchem a substrátem může docházet
k nežádoucím interakcím s proudy tekoucími po povrchu zemní roviny. Nijak
neovlivňuje vyzařovací charakteristiky.
Vertikální část antény nejvíce ovlivňuje povrchové proudy na patchi. Při velké
vzdálenosti horizontální části od patche (= malé lv) je hustota proudů na patchi menší a
klesá tak vyzařovací účinnost, patch tak vyzařuje i míň z hrany a tím se posouvá
pracovní frekvence. Vyzařování z napájecí sondy je v porovnání s vyzařováním
z patche zanedbatelné.
- 35 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Horizontální část sondy má v rozsahu přibližně od ¼ do ½ délky L minimální vliv
pouze na frekvenci, na které je minimum parametru S11. Dá se tak využít na finální
jemné doladění frekvence. Nemá žádný vliv na vyzařovací charakteristiky.
Z výše uvedeného vyplývá, že žádný z parametrů nemá vliv na směřování hlavního
laloku, a ten tudíž nemohl být směřován do geometrické osy antény. Tento bod ze
zadání tak nebylo možno splnit.
- 36 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
6. Stanovení náhradního obvodu antény se zkratovací
stěnou uprostřed rezonančního rozměru buzené
L – sondou
V této části práce navazuji na projekt Tomáše Procházky [2], který sestavoval
náhradní obvod antény buzené L-sondou se základním obdélníkovým tvarem patche.
Mým úkolem pak bylo doplnit tuto strukturu pro anténu, u které byla provedena
miniaturizace pomocí zkratovací stěny uprostřed rezonančního rozměru.
6.1.
Přehled výsledků vypracovaných T. Procházkou
Rozložení intenzity el. pole a povrchového proudu pro anténu se základním
obdélníkovým tvarem patche je uvedeno na následujících dvou obrázcích (Obr. 25 a 26)
Obr. 25: Rozložení intenzity el. pole
- 37 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 26: Rozložení povrchového proudu
V náhradním obvodu představují použité diskrétní součástky tyto veličiny:
Rezistor - ztráty způsobené vyzařováním
Kapacita – intenzita el. pole
Indukčnost - protékající proud
6.1.1. Náhradní obvod patche
Náhradní obvod vychází z představy patche jako rezonátoru tvořeného úsekem
půlvlného vedení. [2]
- 38 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 27: Náhradní obvod patche [2]
6.1.2. Náhradní obvod napájení
Indukčnosti reprezentují proud protékající volným koncem vnitřního vodiče
koax. kabelu. Odpor vyjadřuje ztráty vyzařováním a kapacity elektrické pole vodiče nad
zemní rovinou. [2]
Obr. 28: Náhradní obvod napájení [2]
- 39 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
6.1.3. Náhradní obvod celé struktury
Vznikl propojením náhradních obvodu patche a napájení. Tyto dva obvody jsou
na sebe vázány elektrickým polem, které představují kapacity a dále je obvod doplněn o
kapacity představující el. pole mezi patchem a zemní rovinou. Pro lepší čitelnost je
tento náhradní obvod uveden ještě zvětšený v příloze. [2]
Obr. 29: Náhradní obvod kompletní antény [2]
6.2.
Doplnění o zkratovací stěnu
Při doplňování náhradního obvodu jsem vycházel z představy, že zkratovací stěna je
vlastně „prodloužení“ patche, které je spojeno se zemní rovinou. Při pozorném pohledu
na obrázek s rozložením povrchového proudu (Obr. 31) je patrné, že na každé straně
zkratovací stěny teče proud jiným směrem. Pro větší korektnost by tedy bylo vhodné,
aby tato skutečnost byla reprezentována dvojicí paralelních indukčností, avšak z důvodu
- 40 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
další práce s tímto obvodem toto není vhodné a bude použita indukčnost pouze jedna.
Z dalšího obrázku (Obr. 30), který popisuje tvar elektrického pole v okolí antény je
patrné, že zkratovací stěna toto pole poměrně značně ovlivňuje. I přes to bylo
rozhodnuto již sestavený náhradní obvod pro patch bez zkratovací stěny pouze doplnit o
zkratovací stěnu, v náhradním obvodu reprezentovanou opět paralelním RLC obvodem.
Obr. 30: rozložení intenzity el. pole
Obr. 31: Rozložení povrchového proudu
- 41 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
6.2.1. Náhradní obvod po doplnění zkratovací stěny
Obr. 32: Náhradní obvod antény se zkratovací stěnou
Pomocí simulačního softwaru AWR Microwave Office byly stanoveny hodnoty
součástek, tak jak jsou na obrázku. Optimalizoval se nejen parametr modul odrazu S11,
ale i reálná a imaginární část impedance. Cílem bylo, aby náhradní obvod měl průběhy
těchto parametrů co nejvíce podobné průběhům odsimulovaným pro navrženou anténu.
Stejně jako pro anténu bez zkratovací stěny, je i tento náhradní obvod součástí přílohy.
Jak je z výsledných grafů patrné (Obr.: 33 – 36), jednotlivé parametry pro
simulovanou anténu a pro náhradní obvod si svým průběhem zhruba odpovídají.
Navržený obvod splňuje všechny hlavní požadavky (rezonance na 2,45 GHz, šířka
pásma pro pokles o 10 dB, reálná část impedance 50 Ω a imaginární část 0 Ω pro
frekvenci 2,45 GHz).
- 42 -
Bakalářská práce
6.3.
-
Vít Podivinský
Porovnání výsledků
Modul odrazu S11 [dB]
Obr. 33: Modul S11 [dB]- anténa
Obr. 34: Modul S11 [dB] – náhradní obvod
- 43 -
Bakalářská práce
-
Vít Podivinský
Reálná a imaginární část impedance [Ω]
Obr. 35: Reálná (červená) a imaginární (zelená) část impedance – anténa
Obr. 36: Reálná a imaginární část impedance – náhradní obvod
- 44 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Z grafů je zřejmé, že průběhy jednotlivých parametrů pro anténu a pro její náhradní
obvod se v důležitých bodech příliš neliší a mají i hodně podobné průběhy.
6.4.
Ověření platnosti náhradního obvodu
Při ověřování platnosti náhradního obvodu jsem postupně měnil jednotlivé rozměry
antény a stejných výsledků se pak snažil dosáhnout ekvivalentní změnou hodnot
součástek v náhradním obvodu. Vždy jsem určil součástky, které se při změně určitého
rozměru změní a směr kterým se změní. Pomocí těchto změn jsem se pak snažil
parametr s11 pro náhradní obvod co nejvíc připodobnit parametru s11 pro simulovanou
anténu.
Změna vodorovné části napájecí sondy – lh:
Tento případ je nejméně přesný. V náhradním modelu měním pouze hodnotu
indukčnosti lh. Zvětšení vodorovné části napájení u antény znamená zvětšení
indukčnosti, která tuto část reprezentuje u náhradního obvodu. Pro větší korektnost by
bylo vhodné měnit i kapacity, které ji propojují s patchem a zemní rovinou a nejspíš i
samotný patch (resp. součástky které jej reprezentují).
Obr. 37: Změna lh - anténa
- 45 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 38: Změna lh – náhradní obvod
Obr. 39: Změna lh – náhradní obvod – detail
- 46 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
1
2
3
4
5
6
Lv [nH]
29,22
33,22
34,22
35,22
36,22
40,22
Lv (cst) [mm]
6
7
8
9
10
11
Tab. 1: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy – změna lv
I přes malou přesnost je zřejmé, že zmenšení velikosti lh antény, způsobovalo posun
minima po kmitočtové ose do prava a zmenšení přizpůsobení a zvětšení pak posun do
leva a zmenšení. Toho samého se dosáhlo i odpovídající změnou indukčnosti lh – tedy
zmenšení způsobilo posun do prava a zhoršení přizpůsobení a zvětšení posun do leva a
zhoršení přizpůsobení.
Změna svislé části napájecí sondy – lv
Svislou část sondy jsem měnil nepřímo přes vzdálenost vodorovné části sondy od
patche – tento parametr byl pojmenován „odstupsondy“. Zmenšení lv tedy odpovídá
zvětšení parametru „odstupsondy“. Výška patche nad zemní rovinou zůstala zachována.
Předpokládané změny součástek:
lv – zmenšení svislé části sondy odpovídá zmenšení indukčnosti, která ji
reprezentuje
C6, C7 (kapacity, které reprezentují el. pole, které spojuje vodorovnou část sondy se
zemní rovinou) – zmenšení lv odpovídá přiblížení sondy k zemní rovině a to znamená
zvětšení kapacity.
- 47 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 40: Změna lv – anténa
Obr. 41: Změna lv – náhradní obvod
- 48 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
1
2
3
4
5
Lv [nH]
10,81
6,41
4,11
2,71
1,21
C7 [pF]
-3,48
-2,28
-0,48
5,42
5,82
C6 [pF]
-0,31
-0,23
-0,19
-0,18
-0,13
Odstup sondy (CST) [mm]
2
4
6
8
10
Tab. 2: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy – změna lv
Z tabulky je zřejmé, že předpoklady jsou správné. Pro větší korektnost by bylo
vhodné měnit i kapacity, které spojují sondu s patchem, a nejspíš i samotný patch.
Změna délky patche:
V modelech není použito označení pro delší stranu L, ale je tento parametr označený
jako strana1.
Předpokládané změny součástek:
R1 (vyjadřuje ztráty vyzařováním) – větší strana1 znamená větší plocha patche, což
znamená větší vyzařování a větší ztráty
L1 (vyjadřuje proud tekoucí patchem) – větší vyzařování patche znamená větší
povrchové proudy po něm tekoucí.
C2 (spolu s L1 tvoří patch) – očekávané zvětšení je svázáno se zvětšováním L1.
L5 (vyjadřuje proud zkratovací stěnou) – proudy patchem a zkratovací stěnou jsou
navzájem propojené, proto zvětšení L1 znamená zvětšení L5.
C3 (spolu s L5 tvoří zkratovací stěnu) – analogicky ke změně L1 a C2 je očekávaná
změna i pro kombinaci L5 a C3
- 49 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 42: Změna strana1 - anténa
Obr. 43: Změna strana1 – náhradní obvod
- 50 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
1
2
3
4
5
R1 [ohm]
6,19
9,79
19,99
22,39
28,99
L5 [nH]
-3,77
-2,87
-2,63
-2,51
-2,39
L1 [nH]
-0,69
-0,23
-0,19
-0,04
0,08
C3 [pF]
3,49
3,97
4,15
4,33
4,57
C2 [pF]
-8,66
-7,49
-6,14
-5,96
-5,15
20
25
30
35
Strana1 (cst) [mm] 15
Tab. 3: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy – změna
strana1
Z tabulky je zřejmé, že předpoklady se opět potvrdily jako správné.
Změna šířky patche:
V modelech není použito označení pro delší stranu W, ale je tento parametr
označený jako strana2.
Obr. 44: Změna strana2 - anténa
- 51 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Z porovnání průběhů pro změnu délky a šířky patche (obr. 42 a Obr. 44) je patrné,
že průběh je stejný jak u parametru strana1, a i změny hodnot součástek náhradního
obvodu, by byly stejné a dosáhlo by se tak stejných výsledků jak pro rozměr strana1.
Změna výšky patche:
V modelu jsem měnil výšku patche se zachováním konstantní mezery mezi sondou a
patchem (parametr odstupsondy).
Předpokládané změny součástek:
R3 (vyjadřuje ztráty vyzařováním z patche) – výš umístěný patch znamená větší
plochu zkratovací stěny a ta odpovídá většímu vyzařování.
L5 (reprezentuje proudy tekoucí zkratovací stěnou) – větší vyzařování odpovídá
větším proudům, které po zkratovací stěně tečou.
C3 (spolu s L5 tvoří zkratovací stěnu) – předpokládané zvětšení je spojeno se
zvětšováním L5
Lv – vzdálenost mezi patchem a sondou je konstantní, proto se zvětšováním výšky
patche zvětšuji i svislou část sondy
C6, C7 (spojují sondu se zemní rovinou) – analogicky k případu změna lv
C1 (reprezentuje rozptylové pole na okraji patche) - čím vyšší patch, tím větší
rozptylové pole, ale současně menší kapacita kapacitoru „zemní rovina – patch“, kterou
tato kapacita současně taky reprezentuje.
- 52 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 45: Změna výšky patche - anténa
Obr. 46: Změna výšky patche – náhradní obvod
- 53 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
1
2
3
4
5
6
R3 [ohm]
36,89
41,39
42,29
45,89
53,09
59,39
L5[nH]
-3,13
-2,33
-2,63
-2,63
-2,13
-2,03
Lv [nH]
3,07
6,07
6,41
10,81
21,01
38,61
C7 [pF]
-0,58
-0,13
-2,28
-2,63
-3,73
-3,78
C6 [pF]
-0,43
-0,48
-0,23
-0,28
-0,43
-0,53
C3 [pF]
4,03
4,63
4,15
4,21
4,33
4,45
C1 [pF]
-5,19
-4,89
-6,49
-6,19
-5,69
-5,49
15
20
25
30
35
Výška patche (cst) [mm] 10
Tab. 4: Hodnoty součástek náhradního obvodu pro jednotlivé průběhy – změna
výšky patche
Z tabulky je zřejmé, že všechny změny hodnot součástek se pohybují správným
směrem. Nemonotónnost v případě kapacity C1 bude podle všeho způsobena tím, že pro
větší výšku patche převládá zmenšení kapacity kapacitou „zemní rovina – patch“ nad
zvětšováním rozptylového pole na hraně patche.
- 54 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
7. Ověření správnosti návrhu měřením
V rámci ověření správnosti navržené antény byla anténa vyrobena a bylo změřeno
její impedanční přizpůsobení. Na následujícím obrázku (Obr. 47) je realizovaná anténa
vyfocena a na grafu na další stránce (Obr. 48) je uvedeno srovnání parametru S11 pro
simulaci a měření.
Obr. 47: Fotografie realizované antény
- 55 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Porovnání simulovaného a změřeného
průběhu S11 [dB]
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Frekvence [GHz]
Obr. 48: Porovnání simulovaného (červená) a změřeného (černá) průběhu S11
U skutečné antény se posunula pracovní frekvence na hodnotu 2,54 GHz a hodnota
parametru S11 dosáhla -31 dB. Frekvenční šířka pásma je 0,51 GHz což je 19,76%.
Rozdíl hodnot u skutečné antény oproti hodnotám simulovaným je s největší
pravděpodobností způsoben nepřesnostmi při výrobě.
- 56 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
8. Závěr
Náplní bakalářské práce bylo seznámit se s problematikou mikropáskových antén,
se způsoby napájení a způsoby miniaturizace. Dalším cílem bylo navrhnout
mikropáskovou anténu zmenšenou pomocí zkratovací stěny uprostřed rezonančního
rozměru buzenou lomeným napáječem a poté sestavit a ověřit náhradní obvod této
antény. Návrh antény byl prováděn v programu CST Microwave Studio, sestavení a
ověření náhradního obvodu pak v programu AWR Microwave Office.
V první kapitole jsou stručně popsány vlastnosti a princip činnosti mikropáskové
antény, včetně jejich stručné historie.
Ve druhé kapitole jsou popsány čtyři metody miniaturizace mikropáskových antény,
jejich výhody a nevýhody.
Ve třetí kapitole jsou popsány čtyři základní způsoby napájení mikropáskové antény,
jejich vlastnosti a výhody a nevýhody.
Ve čtvrté kapitole je popsán samotný návrh antény po jednotlivých krocích tak, jak
byly postupně prováděny. Návrh začíná hrubým návrhem nezkratované antény
v základním tvaru a pokračuje zmenšením pomocí zkratovací stěny a následnou
optimalizací této struktury v programu CST Microwave Studio. Součástí kapitoly je i
vyhodnocení navržených výsledků.
V páté kapitole jsou rozebrány vlivy jednotlivých částí antény (a jejich rozměrů) na
impedanční přizpůsobení a směrové charakteristiky antény.
V šesté kapitole je popsáno sestavení a ověření správnosti náhradního obvodu
navržené antény. V této kapitole navazuji na práci Tomáše Procházky, který sestavoval
náhradní obvod antény bez zkratovací stěny.
V sedmé kapitole je uvedeno ověření správnosti návrhu měřením a porovnáním
naměřených a simulovaných průběhů parametru S11. Z průběhů je patrné, že anténa je
navržena správně. Rozdíl v pracovní frekvenci je s největší pravděpodobností způsoben
nepřesností při výrobě.
- 57 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
9. Použitá literatura
[1] Mazánek M., Pechač P.: Šíření elektromagnetických vln a antény, Česká technika –
nakladatelství ČVUT, 2008
[2] Procházka T.: Mikropáskové antény s dutinou, Bakalářská práce FEL ČVUT, 2009
[3] Zhi Ning Chen, Michael Y. W. Chia: Broadband planar antennas – design and
aplications, John Wiley and sons, 2006
[4] Kin – Lu Wong: Compakt and Broadband microstrip antennas, John Wiley and
sons, 2002
[5] www.irianto.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/2878/Chapter3.pdf
[6] HUANG, J. A rewiew of antenna miniauturization techniques for wireless
aplications [online]. [s.l.], 200?. 4 str. California Institute of Technology. Dostupné z
WWW: <http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/12385/1/01-0484.pdf>.
[7] Polívka, M. Mikropáskové antény [online]. Praha, 2009. 22 str. Výukový materiál
předmětu
X17NKA.
ČVUT
v
Praze,
FEL.
Dostupné
z
WWW:
<http://www.elmag.org/lib/exe/fetch.php/k317:nka:01pr_x17nka_mikropaskove_anteny
_polivka.pdf>.
- 58 -
Bakalářská práce
10.
Vít Podivinský
Příloha
Obr. 49: Náhradní obvod mikropáskové antény bez zkratovací stěny
- 59 -
Bakalářská práce
Vít Podivinský
Obr. 50: Náhradní obvod mikropáskové antény se zkratovací stěnou uprostřed
rezonančního rozměru
- 60 -