L - elmag.org

A0M17NKA
Návrh a konstrukce antén
A0M17NKA
Milan Polívka a kol. K13117
zima 2010/11
A0M17NKA
Podmínky zápočtu
•
•
•
Rozsah: 2 + 2, z, zk (5 kreditů)
Podmínky zápočtu:
1. vypracování a prezentace 4 projektových úloh
- odevzdání do 12. týdne (16.12.), prezentace 13. týden (ppt)
2. účast na přednáškách a cvičení
- doplňkový obsah; obsahují vše nezbytné k úspěšnému zvládnutí
zkoušky
Zkouška:
test v zápočtovém týdnu (13. týden)
výsledná známka tvořena ze
40 % projekty
10 % prezentací
50 % testem
2/43
A0M17NKA
Náplň předmětu X17NKA
Problematiky dle týdnů (př. 204, cv. 823). Antény:
1. Mikropáskové (Polívka), projekt č.1
2. RFID antény (Švanda)
3. Reflektorové (Mazánek), projekt č.2,
EM modelování antén (Hazdra) (čt 7.10. př., 823)
4. EM modelování v CST MWS (Hazdra)(st 13.10. cv., 823),
Dr. Jeffrey Pawlan (USA): „Modeling and Measurement of Dual-Circular
Polarized Feed for Prime Focus“ (čt 14.10. př., 132)
5. Šroubovicové (Mazánek), projekt č.3
6. Spirálové, čočky, (čt 28.10. státní svátek)
7. Elektricky malé (Polívka), projekt č.4
8. UWB antény (pro časovou oblast) (Černý)
9. Státní svátek (17.11.), čt 18.11. samostatné zpracování úloh
10. Trychtýřové s ploutvovým vedením (Hradecký)
11. Umělé EM povrchy a materiály v anténách (Polívka)
12. Symetrizační a transformační členy (Polívka)
13. Prezentace projektů (15.12.), čt 16.12. zkouška (předtermín)
3/43
A0M17NKA
Mikropáskové antény
A0M17NKA
Milan Polívka
září 2010
A0M17NKA
Osnova
• Podmínky zápočtu, náplň předmětu X17NKA
• Mikropáskové antény (MPA)
- původ a vývoj, vlastnosti, typy antén, …
• Metody analýzy a návrhu
- model vedení, dutinový model, numer. metody ...
- návrhové vztahy, způsoby napájení, šířka pásma,
směrové diagramy, ..
• Metody vylepšování vlastností MPA
- zvětšení šířka pásma
- miniaturizace
- vícepásmovost
• Řady MPA
5/43
A0M17NKA
Co to je mikropásková anténa?
Planární vyzařující rezonátor (ploška, dipól, štěrbina)
– vodivý motiv nad zemní rovinou
– dielektrický nebo vzduchový substrát
– napájení – mikropáskové, koaxiální, vazební štěrbinou, kapacitní
vazbou, …
vodivá ploška
zemní
rovina
dielektrický
substrát
tloušťky h
6/43
A0M17NKA
Původ a vývoj mikropáskových antén
•
•
~ 1950-60, nová technologie - mikropásková (filtry, koncept MPA )
1953 návrh první MPA
•
~ 1970-80 MPA se stávají populárními (nízkoztrátové materiály, vývoj
metod analýzy, specializované knihy, …), vhodné jako antény pro
letadla, rakety, …
•
~ 1990-2000 vývoj EM simulátorů pro analýzu MPA, miniaturizační a
vícepásmové techniky (s rozvojem mobilních komunikací)
•
~ 2000-2009 použití umělých EM (meta)materiálů pro vylepšování
vlastností MPA (potlačení povrchových vln, fokusaci energie, ..)
7/43
A0M17NKA
Vlastnosti mikropáskových antén
Výhody
• malá hmotnost, nízký profil, konformní tvar
• integrovatené na DPS, s aktivními prvky
• lineární i kruhová polarizace
• elektricky zmenšené a vícepásmové
• nízké výrobní náklady
Nevýhody
• nižší účinnost
• nižší výkonová zatížitelnost
• úzká šířka pásma (vyšší Q)
• horší polarizační čistota
8/43
A0M17NKA
Typy mikropáskových antén
Patchové (flíčkové) antény
Planární dipoly a štěrbiny
Antény s postupnou vlnou
9/43
A0M17NKA
Napájení
koaxiální
Vyzařující patch
Zemní rovina
mikropáskové
Dielektrický substrát
Koaxiální
sonda
Mikropásk.
vedení
Vyzařující patch
Zemní rovina
10/43
A0M17NKA
Napájení
vazební štěrbinou (Pozar, 1985)
Vyzařující patch
Nosný diel. substrát
Vazební štěrbina
Zemní rovina
Dielektrický substrát
Mikropáskové vedení
11/43
A0M17NKA
Napájení
kapacitní vazbou (1987)
Vyzařující patch
Nosný substrát
Pahýl na konci
otevřený
Zemní rovina
Micropáskové vedení
Dielektrický substrát
12/43
A0M17NKA
Princip činnosti MPA
anténa vyzářuje ze dvou zdrojových oblastí – tzv. štěrbin
(vyzařování z apertur + Huygensův princip)
• pohled z boku
λg/2
• pohled shora
• vyzařování „štěrbin“
13/43
A0M17NKA
Metody analýzy mikropáskových antén
• Model vedení – MPA jako úsek vedení, jednoduchý,
méně přesný, dobrý fyzikální náhled na princip činnosti
• Dutinový model – MPA jako dutina, složitější, přesnější
• Vlnová (úplná, full-wave) analýza – proudy/intenzity polí
na/kolem na MPA, přesná, nutnost implementovat
numerické řešení integrálních nebo diferenciálních
rovnic, dostupné v mnoha komerčních simulátorech
pole (Zeland Software IE3D, FEKO, CST MWS, Ansoft
HFSS, WIPL, …)
14/43
A0M17NKA
Model vedení (Transmission line model)
• MPA může být modelována jako dvojice vyzařujících
štěrbin spojených širokým úsekem mikropáskového
vedení délky L ~ λg/2
Vstupní impedance
- transformací obou ZŠ
do napájecího bodu
Z + jZ c tan βL1
Z1 = Z c š
Z c + jZ š tan βL1
2 π ε re
β =
λo
Z š + jZ c tan βL2
Z2 = Zc
Z c + jZ š tan βL2
L1 L2
Zc
Zš
Zc
Zš
⇒ Z in = 1 / (1 / Z 1 + 1 / Z 2 )
15/43
Zin
A0M17NKA
Admitance “vyzařujících štěrbin”
•
Vyzařující štěrbina je reprezentována admitancí Yš = 1/Zš = G + jB
kde
G - vyzařovací ztráty,
B - energie akumulovaná v rozptylovém poli, též kapacitní
prodloužení rezonanční délky
pro h < 0.1λo empirické vztahy pro G, B1)
W
G = G1 = G2 =
120λo
1
⎡
2⎤
(
)
−
k
h
1
⎢ 24 o ⎥
⎣
⎦
W
[1 − 0.636 ln(k o h )]
B = B1 = B2 =
120λo
1) Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1997
16/43
A0M17NKA
Vstupní impedance MPA
V rezonanci je Zin = Rin
1
⎛ πy ⎞
⎛ πy ⎞
R in ( y = y 0 ) = R in ( y = 0 ) cos 2 ⎜ 0 ⎟ =
cos 2 ⎜ 0 ⎟
⎝ L ⎠ 2G1
⎝ L ⎠
L
W
yo
Typické hodnoty Rin (y0 = 0) = 100 až 300 Ω dle W, h, …
Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1997
17/43
A0M17NKA
Návrhové vztahy
Rozměry MPA
L=
c
2 ε ef f r
W=
c
2 fr
− 2 dl
2
ε r +1
Charakteristická impedance
mikropáskového vedení
⎧
60
⎡ 8h W ⎤
+
ln
⎪
⎥⎦
⎢
W
h
4
ε
⎣
re
⎪⎪
120 π
Zc = ⎨
⎪
⎡W
⎞⎤
⎛W
⎪ ε re ⎢ + 1 .393 + 0 .667 ln ⎜ + 1 .444 ⎟ ⎥
⎪⎩
⎝ h
⎠⎦
⎣h
ε re =
ε r +1 ε r −1 ⎛
2
+
2
10h ⎞
⎜1 +
⎟
W ⎠
⎝
W
≤1
h
W
>1
h
−1 / 2
(ε re + 0.3)⎛⎜ W
⎞
+ 0.264 ⎟
dl
⎝ h
⎠
= 0.412
h
(ε re − 0.258)⎛⎜ W + 0.813 ⎞⎟
⎝ h
⎠
Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1997
18/43
A0M17NKA
Dutinový model MPA
• Výška substrátu h malá (h << λ, h << W, L )
• E pole se nemění s výškou h =>
E = Ez (x, y), H = Hxy (x, y) – TM módy
• Hraniční podmínky:
Et = 0
Ht = 0
shora, zdola (PEC)
boční stěny (PMC)
Hn = 0
En = 0
z vlnové rovnice pro E rozložení pole v dutině
⎛ mπ x0 ⎞
⎛ nπ y0 ⎞
⎛ mπ x ⎞
⎛ nπ y ⎞
cos ⎜
cos ⎜
cos ⎜
cos ⎜
⎟
⎟
⎟
⎟
jωµ0 I 0
⎝ L ⎠
⎝ W ⎠
⎝ L ⎠
⎝ W ⎠
E z ( x, y ) =
∑∑
2
L ⋅W m =0 n =0
k02ε r (1 − j tg δ eff ) − kmn
∞
z
⎛ mπ ⎞ ⎛ nπ ⎞
k =⎜
⎟ +⎜ ⎟
⎝ L ⎠ ⎝W ⎠
2
2
x
Rezonanční frekvence
∞
2
mn
y
f R ,mn =
1
2π µε
⎛ mπ ⎞ ⎛ nπ ⎞
⎜
⎟ +⎜
⎟
⎝ L ⎠ ⎝W ⎠
2
2
Wef, Lef – místo W, L
19/43
A0M17NKA
Dominantní módy
Mód(-y) s nejnižší rezonanční frekvencí - dominantní mód(-y)
TM01
( f r )01 =
TM10
( f r )10
=
c
2L ε r
c
2W ε r
TM10
TM01
z
y
x
Intenzita elektrického pole
Proudová hustota
20/43
A0M17NKA
Dutinový model MPA
Vstupní impedance - dutinový model (40 módů) a komerční MoM simulátor
Z in ( x0 , y0 ) = − jωµ0 h∑∑
m
n
Ez ,n ( x, y ), J z ( x0 , y0 )
Ez ,n ( x, y ), Ez ,n ( x, y )
2
(
1
=
k ε (1 − j tg δ eff ) − kn2
)
2
0 r
⎛ nπ W p
⎛ mπ x0 ⎞ 2 ⎛ nπ y0 ⎞
cos 2 ⎜
cos ⎜
sinc 2 ⎜
⎟
⎟
jωµ0 h
⎝ L ⎠
⎝ W ⎠
⎝ 2
=−
∑∑
L ⋅W m n
k02ε r (1 − j tg δ eff ) − kn2
(
)
⎞
⎟ κ mκ n
⎠
Wp = r e3/ 2
21/43
A0M17NKA
Vyzařování z aperturové teorie
Zdrojové oblasti vyzařování - 4 štěrbiny
štěrbiny #1, #2 – hlavní zdroj vyzařování (ekv. mag. proud. hustota M)
štěrbiny #3, #4 – vyzařování lze zanedbat, M v protifázi
dvojice zářičů (štěrbin) vzdálených ~ λg/2
maximum vyzařování ve směru normály k ploše
M = −2nˆ × E
#3
#1
W
L ~ λ/2
•
•
•
•
#2
#4
22/43
A0M17NKA
Vyzařování z aperturové teorie
23/43
A0M17NKA
Vzdálené pole, směrová charakteristika
• El. pole ve vzdálené oblasti
Eφ = + j
− jk 0 r
V0 ⋅ e
πr
dvojice
⎛
⎛ k ⋅W
⎞⎞
⎜
sin ⎜ 0
⋅ cos θ ⎟ ⎟
2
⎜
⎠ ⎟ ⋅ 2 cos ⎛ k 0 ⋅ L ⋅ sin θ ⋅ sin φ ⎞
⎝
sin
θ
⋅
⎜
⎟
⎜
⎟
cos θ
2
⎝
⎠
⎜⎜
⎟⎟
⎝
⎠
štěrbina
E rovina, xy
H rovina, xz
24/43
A0M17NKA
Směrové diagramy
Příklad měřených charakteristik
f0 = 10 GHz
εr = 2,2
h = 1,6 mm
L = 9,06 mm
Le= 10,68 mm
E-rovina
H-rovina
25/43
A0M17NKA
Směrovost, účinnost
•
•
Lineární polarizace
Směrovost ~ 6 – 10 dBi
•
Účinnost:
η=
•
Pvyz
141,0 x 61,5 x 3,0 mm,
εr = 3,05, tgδ = 0,003
h/λ0 ~ 0,009,
η ~ 60 %
Pvyz + Pvod + Pdiel + Ppovrch
Ztráty
–
–
–
–
vyzařovací
vodivostní
dielektrické
povrchovými vlnami
26/43
A0M17NKA
Šířka pásma BW
•
Impedanční šířka pásma (BW) je frekvenční rozsah, ve kterém je
poměr stojatých vln na vstupu antény lepší než PSV ≤ 2 (používané
v literatuře, v praxi vyžadováno zpravidla PSV ≤ 1,5 event. 1,2, v
mobilních komunikacích naopak i horší PSV ≤ 3)
Typická šířka pásma BW ≈ 1 – 3 % pro h ≈ 0,02 λ0
27/43
A0M17NKA
Šířka pásma BW
•
Impedanční šířka pásma (BW) je frekvenční rozsah, ve kterém je
poměr stojatých vln na vstupu antény lepší než PSV ≤ 2 (používané
v literatuře, v praxi vyžadováno zpravidla PSV ≤ 1,5 event. 1,2, v
mobilních komunikacích naopak i horší PSV ≤ 3)
0
100
-2
80
-4
Realná
60
-6
40
-8
20
-10
0
-12
-20
-14
Imaginární
-40
-16
2
2.5
3
3.5
MS11 vs. frekvence
4
2
2.5
3
3.5
4
Vstupní impedance vs. frekvence
Typická šířka pásma BW ≈ 1 – 3 % pro h ≈ 0,02 λ0
28/43
A0M17NKA
Metody rozšíření šířky pásma
1. Snížením činitele jakosti Q
- použití malé εr, vzduchový substrát (BW < 10%)
- zvýšením výšky h substrátu (L-napájecí sonda, BW = 35 ~ 50%)
2. Vícenásobnými blízkými rezonancemi
- multimódový provoz patchů (BW = 20 ~ 30%)
- parazitní prvky kapacitně vázané k patchi (koplanární, vrstvené)
29/43
A0M17NKA
Techniky zmenšování a vícepásmového provedení
• Tvarovou úpravou motivů zkratováním a použitím zářezů
a štěrbin
30/43
A0M17NKA
Vícepásmové MPA
• Antény mobilních telefonů Nokia 8810 (vlevo) a 3210
31/43
A0M17NKA
Vícepásmové MPA
•
Typický příklad – PIFA (Planar Inverted F Antenna) v mobilním telefonu
tvarovaný multirezonátor – znázornění proudové hustoty, zde
(a obvykle) základní rezonance jednotlivých dílčích částí
napájení
zkrat
Z. Ying a kol. (Ericsson, 2000,
PSV = 2 ~ MS11= - 10 dB
patenty US6452250, US6326921) PSV = 3 ~ MS11= - 6 dB
32/43
A0M17NKA
Vícepásmové MPA
•
PIFA (Planar Inverted F Antenna) mobilního telefonu
tvarovaný multirezonátor – znázornění intenzity elektrického pole
IMST
33/43
A0M17NKA
Řady MPA
• Paralelní uspořádání zářičů
50 Ω
100 Ω
100 Ω
Source
75 Ω
100 Ω
λ/4 transformer
Antenna 1
50 Ω
Antenna 2
100 Ω
...
34/43
A0M17NKA
Řady MPA
• Seriové uspořádání zářičů
lLine
Z Patch
Z
Z Patch
Line
~
Z Line
lPatch
-U2
U1
-U1
~
U2
lLine
Patch 2
λ/2
Patch 1
35/43
A0M17NKA
Anténní řada radarového senzoru
• Velká anténní řada s tvarovaným svazkem (Toyota)
Signal
Signalprocessing
processingininbaseband
baseband(ESPRIT
(ESPRITetc...)
etc...)
36/43
A0M17NKA
MPA na K13117
•
Plošná třísektorová anténa – Závodný, V. (DP 2002)
– Cíl: plošná anténa se skloněným maximem směrové charakteristiky
do tří sektorů podle volby vstupního konektoru (3 vstupy)
– Metoda:
• použití 4-prvkové uniformně buzené anténní řady patchových zářičů
• realizace fazového posunu napájecích proudů pomocí Butlerovy
matice
37/43
A0M17NKA
Plošná třísektorová anténa
• Návrh dílčích komponent antény
4-prvková řada patchů
3 dB příčkový dělič
Butlerova matice
3dB dělič – Wilkinsonův
posouvač fáze
38/43
A0M17NKA
Plošná třísektorová anténa
• Směrové charakteristiky
39/43
A0M17NKA
Kolineární MPA
•
•
•
•
1)
Původní nápad - Franklin, 1924 1)
Soufázové buzení vyzařovacích elementů
Implementace v koaxiálním 2), mikropáskovém 3,4) vedení a
ve struktuře patchové antény 5)
2)
Franklin 1924,
British patent 242342-1924
3)
4)
Solbach 1982
5)
Bancroft, Bateman 2003,
US patent application 60/461 689
Polívka, Holub 2006,
CZ patent no. 296985
40/43
A0M17NKA
Kolineární MPA
•
•
•
MPA pracující na vyšších módech
Použití poruchových prvků (PP) ve formě λg/2 štěrbin
PP eliminují vyzařování z nefázových zdrojových proudů (sudých
půlvln)
Vektorová
proudová
hustota
CoMPA TM03 and TM05 modes
Boční a podélné plošné
rozšíření CoMPA
(PCoMPA)
=> zvětšení zisku
PCoMPA with TM03 mode
PCoMPA with TM05 mode
41/43
A0M17NKA
Kolineární MPA
0
Rozměry:
patch 189 x 222 mm,
štěrbiny 56 mm,
zářezy 28 mm,
zemní rovina 240 x 260 mm,
výška substrátu 5 mm,
koaxiální napájení
E-copol
30
330
300
270
Gsim ~ 15.4 dBi,
Gmeas~ 14.6 dBi
240
BW ~ 7.1 %
Úroveň postranních smyček cca -10 dB
PZ poměr cca -20 dB
0 90
-40 -30 -20 -10
120
210
150
180
0 H-copol
0
30
330
reflection coefficient [dB]
60
E-xpol
-5
H-xpol
60
300
-10
-15
-20
measurement
-25
simulation
-30
2300
270
-40 -30 -20 -10
120
240
2350
2400
2450
frequency [MHz]
2500
2550
2600
42/43
210
150
180
90
0
A0M17NKA
Děkuji za pozornost
43/43