Mikropáskové antény

Návrh a Konstrukce Antén
A0M17NKA
Úvodní informace
Milan Polívka a kol.
ČVUT v Praze, FEL
B2: 639, l.2270
[email protected]
zima 2013/14
1
Podmínky zápočtu
• Rozsah: 2 + 2, z, zk (5 kreditů)
• Podmínky zápočtu:
1. vypracování a prezentace jedné ze 4 projektových úloh
- odevzdání průběžné, nejpozději do 12. týdne (19.12.)
- prezentace (ppt, pdf) 13. týden na cvičení
2. účast na přednáškách a cvičení
- doplňkový obsah; obsahují vše nezbytné k úspěšnému zvládnutí zkoušky,
povolené max. 3 absence
• Zkouška:
předtermín: písemný test v zápočtovém týdnu (14. týden)
výsledná známka tvořena ze
40 % projekty
10 % prezentací
50 % testem
2/43
Náplň předmětu
Přednáška - středa, 11:00-12:30 (621)
Cvičení - čtvrtek, 11:00-12:30 (823)
Problematiky dle týdnů
týden
datum
př.
datum
cv.
1.
25.9.
26.9.
Mikropáskové antény
Matlab, měření
2.
2.10.
3.10.
Antény pro RFID a nositelné antény
RFID ident., experiment
3.
9.10.
10.10. Malé antény I.
Matlab, modely
4.
16.10.
17.10. Malé antény II.
Matlab/CST MWS
Polívka, Polívka
5.
23.10.
24.10. Antény pro časovou oblast
měření
Černý, Černý
6.
30.10.
31.10. Reflektorové antény
projektové příklady
3. Reflekt. anténa
Mazánek, Mazánek
7.
6.11.
7.11.
projektové příklady
4. Šroubovice
Mazánek, Mazánek
8.
13.11.
14.11. Teorie charakt. módů, činitel jakosti antén
Matlab, modely
Hazdra, Hazdra
9.
20.11.
21.11
CST MWS modelování
Hazdra, Hazdra
10.
27.11.
28.11. Širokopásmové trychtýřové antény
protažená přednáška
Hradecký, Hradecký
11.
4.12.
5.12.
Matlab/CST MWS
Polívka, Polívka
12.
11.12.
12.12. Uměle vytvářené EM materiály v anténách
Matlab, měření
Polívka, Polívka
13.
18.12.
19.12. Symetrizační a transformační členy
prezentace projektů, Z
Polívka, Polívka
14.
1.1.
Zkouška - předtermín
- , Polívka/Mazánek
2.1.
přednáška (st)
Šroubovicové antény
Elektromag. modelování vyzařujících struktur
Vybrané typy antén
státní svátek/Nový rok
cvičení (čt)
projekt
1. Patch
kdo (př., cv.)
Polívka, Polívka
Švanda, Švanda
2. Malé antény
Polívka, Polívka
3/43
Návrh a Konstrukce Antén
A0M17NKA
Mikropáskové antény
Milan Polívka
ČVUT v Praze, FEL
B2: 639, l.2270
[email protected]
zima 2013/14
Osnova – co se dozvíte?
• Mikropáskové antény (microstrip antennas, MA)
- klasifikace, původ a vývoj, vlastnosti, způsoby napájení, použití
• Metody analýzy a návrhu
- model vedení, dutinový model, numer. metody ...
- návrhové vztahy, způsoby napájení, šířka pásma,
směrové diagramy, ..
• Metody vylepšování vlastností
- zvětšení šířka pásma
- vícepásmovost
- zvýšení zisku
- kruhová polarizace
- miniaturizace
5/43
Mikropásková patchová/flíčková anténa (MPA)
Planární vyzařující rezonátor (ploška, dipól, štěrbina)
• vodivý motiv nad zemní rovinou
• dielektrický nebo vzduchový substrát
• napájení – mikropáskové, koaxiální, vazební štěrbinou, kapacitní
vazbou, …
6/43
Klasifikace mikropáskových antén
Patchové (flíčkové) antény
Planární dipóly a štěrbiny
Antény s postupnou vlnou
7/43
Původ a vývoj MA
• 1950-60 - nová technologie páskových vedení (filtry, koncept MPA )
• 1953 - návrh první MPA (Munson)
• 1970-80 - MA se stávají populárními
(nízkoztrátové materiály,
vývoj metod analýzy,
specializované knihy, …),
vhodné jako antény pro letadla, rakety, …
• 1990-2000 - vývoj EM simulátorů pro analýzu MA, miniaturizační a
vícepásmové techniky (s rozvojem mobilních komunikací)
• od 2000 - použití uměle vytvářených EM materiálů pro vylepšování
vlastností MA, MPA (potlačení povrchových vln, fokusaci energie, ..)
8/43
Vlastnosti MPA
Výhodné
• malá hmotnost, nízký profil, konformní tvar
• integrovatelné na DPS s aktivními prvky
(on-chip antennas and flexible antennas)
• lineární i kruhová polarizace
• elektricky zmenšené a vícepásmové
• nízké výrobní náklady
Nevýhodné
• nižší účinnost
• nižší výkonová zatížitelnost
• úzká šířka pásma (vyšší Q)
• horší polarizační čistota
9/43
Napájení
koaxiální
Vyzařující patch
Zemní rovina
mikropáskové
Dielektrický substrát
Koaxiální sonda
Mikropásk.
vedení
Vyzařující patch
Zemní rovina
10/43
Napájení
vazební štěrbinou (Pozar, 1985)
Vyzařující patch
Nosný diel. substrát
Vazební štěrbina
Zemní rovina
Dielektrický substrát
Mikropáskové vedení
11/43
Napájení
kapacitní vazbou (1987)
Vyzařující patch
Nosný substrát
Pahýl na konci
otevřený
Zemní rovina
Micropáskové vedení
Dielektrický substrát
12/43
Metody analýzy
• Model vedení – MPA jako úsek vedení s vyzařujícími štěrbinami,
jednoduchý, méně přesný, dobrý fyzikální náhled na princip činnosti
• Dutinový model – MPA jako dutina, složitější, přesnější
• Vlnová analýza (full-wave) – proudy/intenzity polí na/kolem na
MPA, přesná, nutnost implementovat numerické řešení integrálních
nebo diferenciálních rovnic (MoM, FDTD, FEM, hybridní metody),
komerční simulátory pole (Zeland Software IE3D, FEKO, CST MWS,
Ansoft HFSS, WIPL, …)
13/43
Model vedení (Transmission line model)
MPA může být modelována jako dvojice vyzařujících štěrbin
spojených širokým úsekem mikropáskového vedení délky L ~ λg/2
• Rozložení E-pole
Rozměry, návrhové vztahy
L + 2 dl = λ g / 2
L=
W =
c
2 ε ef f r
c
2 fr
− 2 dl
2
ε r +1
14/43
Model vedení (TLM)
MPA může být modelována jako dvojice vyzařujících štěrbin
spojených širokým úsekem mikropáskového vedení délky L ~ λg/2
Vstupní impedance transformací impedancí ZŠ obou štěrbin
podél úseků vedení L1 a L2 do napájecího
bodu
L1
Zš
Zc
Zin
⇒ Z in = 1 / (1 / Z 1 + 1 / Z 2 )
L2
Zc
Zš
Z š + jZ c tan β L1
Z1 = Z c
Z c + jZ š tan β L1
Z š + jZ c tan β L2
Z2 = Zc
Z c + jZ š tan β L2
β =
2π
ε re
λo
15/43
Model vedení (TLM)
Charakteristická admitance mikropáskového vedení

60
 8h W 
ln
+



W
4
h
ε


re

120 π
Zc = 

W
W

+ 1 . 444  
 ε re  + 1 . 393 + 0 . 667 ln 

 h

h
ε re =
ε r +1 ε r −1 
2
1)
+
2
10 h 
1 +

W


−1 / 2
W
≤1
h
W
>1
h
(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
16/43
Model vedení (TLM)
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
Empirické vztahy pro G, B 1)
G = G1 = G 2 =
W
120 λ o
1

2
1
−
(
k
h
)
 24 o



W
[1 − 0.636 ln (k o h )]
B = B1 = B 2 =
120 λ o
1)
h/λ0 < 1/10
0,35 < W/λ0 < 2
Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1997
17/43
Vstupní impedance MPA
Typický průběh Zin a koeficientu odrazu
100
0
80
-2
Rin
60
-4
-6
40
Xin
-8
20
-10
0
-12
-20
-14
-16
-40
2
2.5
3
3.5
Vstupní impedance vs. frekvence
4
2
2.5
3
3.5
4
MS11 vs. frekvence
18/43
Vstupní impedance TLM
V rezonanci je Zin = Rin
1
 π L1 
2  π L1 
R in ( x = L1 ) = R in ( x = 0 ) cos 
cos 
=

 L  2 G1
 L 
2
L1/L
Typické hodnoty Rin (L1 = 0) ~ 100 až 300 Ω dle W, h, …
19/43
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) – TMnm módy
Hraniční podmínky:
shora, zdola (PEC)
boční stěny (PMC)
Et = 0
Ht = 0
Hn = 0
En = 0
Z vlnové rovnice pro E rozložení pole v dutině
jωµ 0 I 0
E z ( x, y ) =
L ⋅W
∞
∞
∑∑
 mπ x0
cos 
 L
m =0 n=0

 nπ y0 
 mπ x 
 nπ y 
 cos  W  cos  L  cos  W 







2
2
k 0 ε r (1 − j tg δ eff ) − k mn
π
Rezonanční frekvence
f R , mn =
1
2π µε
 m π   nπ 

 +

L

 W 
2
 mπ   nπ 
k =
 + 
 L  W 
2
2
2
mn
2
Zohlednění rozptylového pole efektivními rozměry: Wef, Lef místo W, L
20/43
Dominantní módy
Dva módy s nejnižší rezonanční frekvencí - dominantní módy
TM10
( f r )10
=
TM01
( f r )01
=
c
2L ε r
c
2W
εr
TM10
TM01
z
y
x
Intenzita elektrického pole E
Proudová hustota J
21/43
Dutinový model MPA
Vstupní impedance - dutinový model (40 módů) a komerční MoM simulátor
Z in ( x0 , y0 ) = − jωµ 0 h ∑ ∑
m
=−
n
jωµ 0 h
∑∑
L ⋅W m n
E z , n ( x , y ), J z ( x0 , y0 )
E z , n ( x , y ), E z , n ( x , y )
 mπ x0
cos 2 
 L
2
(
1
=
k ε (1 − j tg δ eff ) − k n2
)
2
0 r
nπ W p

2  nπ y 0 
2 
 cos  W  sinc  2




2
k 0 ε r (1 − j tg δ eff ) − k n2
(
)

 κ mκ n

W p = r e3 / 2
Mazánek, M. Pechač, P., Šíření elektromagnetických vln a antény, skriptum ČVUT, 2008
22/43
Vyzařování z aperturové teorie
Zdrojové oblasti vyzařování – štěrbiny s el. polem
štěrbiny #1, #2 – hlavní zdroj vyzařování (ekviv. mag. proud. hustota M)
štěrbiny #3, #4 – vyzařování lze zanedbat, M v protifázi
dvojice zářičů (štěrbin) vzdálených ~ λg/2
M = − 2nˆ × E
maximum vyzařování ve směru normály k ploše
#3
#1
W
L ~ λ/2
•
•
•
•
#2
#4
23/43
Vzdálené pole, směrová charakteristika
• El. pole ve vzdálené oblasti
dvojice
Eφ
V 0 ⋅ e − jk 0 r
= + j
πr

 k ⋅W


⋅ cos θ  
sin  0
2


  ⋅ 2 cos  k 0 ⋅ L ⋅ sin θ ⋅ sin φ 
⋅
sin
θ




cos θ
2






štěrbina
E rovina, xy
H rovina, xz
24/43
Směrové diagramy
Příklad měřených charakteristik
f0 = 10 GHz
εr = 2,2
h = 1,6 mm
L = 9,06 mm
W = 10,68 mm
E-rovina
H-rovina
25/43
Vyzařování - tok Poyntingova vektoru
26/43
Šířka pásma
Impedanční šířka pásma (BW) je frekvenční rozsah, ve kterém je poměr
stojatých vln PSV na bráně antény lepší než daná hodnota (typ. PSV ≤ 2,
v praxi zpravidla PSV ≤ 1,5 event. 1,2, v mobilních komunikacích naopak i horší
PSV ≤ 3)
BW =
QT =
PSV − 1
⋅100
QT PSV
ω ⋅ WT
PT
1
[%], pro PSV = 2 je BW =
 1
1
1 
1
 =
= 1 
+
+
 Qd Qc Qr  tgδ ef
ω ⋅ WT
Qd =
Qc =
2QT
=
Pd
ω ⋅ WT
Typická BW ≈ 1 až 3 % pro h ≈ 0,02 λ0
Qr =
Pc
1
tgδ
= π fµ 0σ t
ω ⋅ WT
Pr
⋅ 100 [%]
=c
εr
4f h
27/43
Směrovost, účinnost
• Lineární polarizace
• Směrovost ~ 6 – 10 dBi
• Účinnost:
η=
•
•
Pvyz
Pvyz + Pvod + Pdiel + Ppovrch
141,0 x 61,5 x 3,0 mm,
εr = 3,05, tgδ = 0,003
h/λ0 ~ 0,009,
η ~ 60 %
Pokles účinnosti pro velmi nízké h/λ0 (< 0,01)
Ztráty
o
o
o
o
vyzařovací
vodivostní
dielektrické
povrchovými vlnami
28/43
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%)
BW ~ 1 / QT
Qr =
ω ⋅ WT
Pr
=c
εr
4f h
2. Vícenásobnými blízkými rezonancemi
- multimódový provoz patchů (BW = 20 ~ 30%)
- parazitní prvky kapacitně vázané k patchi (koplanární, vrstvené)
29/43
Techniky zmenšování a vícepásmového provedení
• Tvarovou úpravou motivů zkratováním a použitím zářezů
a štěrbin
30/43
Vícepásmové MPA
• Antény mobilních telefonů Nokia 8810 (vlevo) a 3210
31/43
Vícepásmové MPA
• PIFA (Planar Inverted F Antenna) mobilního telefonu
tvarovaný multirezonátor – znázornění intenzity elektrického pole
IMST
33/43
Kruhově polarizované MPA
• Vybuzení dvou kolmých módů s fází posunutou o 90°
33/43
Zvýšení zisku – anténní řadou
• Paralelní uspořádání zářičů
50 Ω
100 Ω
100 Ω
Zdroj
75 Ω
100 Ω
λ/4 transformátor
Anténa 1
50 Ω
Anténa 2
100 Ω
...
34/43
Zvýšení zisku – anténní řadou
• Seriové uspořádání zářičů
~
lLine
Z Line
Patch
Z
Z
Line
-U2
Patch
U1
-U1
~
U2
Z
lPatch
lLine
Patch 2
λ/2
Patch 1
35/43
Anténní řada radarového senzoru
• Velká anténní řada s tvarovaným svazkem (Toyota)
Signal processing in baseband (ESPRIT etc...)
36/43
Zvýšení zisku - 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
37/43
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
38/43
Kolineární MPA
E-copol
0
30
330
Rozměry:
patch 189 x 222 mm,
štěrbiny 56 mm,
zářezy 28 mm,
zemní rovina 240 x 260 mm,
výška substrátu 5 mm,
koaxiální napájení
300
60
E-xpol
270
0 90
-40 -30 -20 -10
120
240
Gsim ~ 15.4 dBi,
Gmeas~ 14.6 dBi
BW ~ 7.1 %
Úroveň postranních smyček cca -10 dB
PZ poměr cca -20 dB
210
150
180
0 H-copol
30
330
0
reflection coefficient [dB]
H-xpol
60
300
-5
-10
270
-15
-20
measurement
-25
simulation
-30
2300
2350
-40 -30 -20 -10
120
240
2400
2450
f requency [MHz]
2500
2550
2600
90
0
210
150
180
39/43
Anténní řada MPA s vychylovaným svazkem
• Plošná třísektorová anténa – Závodný, V. (DIP 2002)
o Cíl: plošná anténa se skloněným maximem směrové charakteristiky
do tří sektorů podle volby vstupního konektoru (3 vstupy)
o Metoda:
• použití 4-prvkové uniformně buzené anténní řady patchových zářičů
• realizace fázového posunu napájecích proudů pomocí Butlerovy matice
40/43
Plošná třísektorová anténa
• Návrh dílčích komponent antény
4-prvková řada patchů
3 dB příčkový dělič
Butlerova matice
3dB dělič – Wilkinsonův
posouvač fáze
41/43
Plošná třísektorová anténa
• Směrové charakteristiky
42/43
Děkuji za pozornost
[email protected]
43/43