Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ WIMAX СВЯЗИ

Авторы:
Город:
Таганрог
ВУЗ:
Дата:
22 февраля 2016г.

В статье приведены результаты моделирования характеристик микрополосковой антенны на частоте 3,2 ГГц для WiMax связи. Геометрические размеры антенны оптимизированы в специализированном пакете 3D- электромагнитного проектирования Feko. В результате оптимизации уровень обратных потерь для рабочей полосы частот 100 МГц не превышает -13 дБ, коэффициент усиления составляет порядка 5дБ.

Исследованию микрополосковых антенн (МПА) посвящено большое количество публикаций. Главные достоинства микрополосковых антенн состоят в том, что они компактны, просты в изготовлении, дешевы и конформны с поверхностями, на которых размещаются [1-3].

Излучающий элемент может быть составлен из единственного источника или из группы источников. Составными частями простейшего типового микрополоскового излучателя являются тонкая прямоугольная металлическая пластина (1), расположенная на диэлектрической пластине (2) (подложка), обратная сторона которой полностью металлизирована и экрана (3); такая МПА представлена на рис. 1.

МПИ представлен в виде последовательного соединения двух отрезков открытой на конце линии, причем сумма длин отрезков равна физической длине излучателя.

Для антенн СВЧ предпочтительной является толщина диэлектрика от  где  – длина волны в свободном пространстве, 𝜀    – соответственно диэлектрическая и магнитная  проницаемости подложки. При этом толщина антенного устройства может колебаться от 0,794 до 3,175 мм. Хотя форма металлических пластин излучателей в общем случае весьма разнообразна, далее рассматривается вариант МПА в виде прямоугольного патча.

От формы излучателя, зависят характеристики излучения антенны, которые, по существу, определяют распределение, полей в антенне. Поэтому форма излучателя определяет выбор способа подключения сигнальных линий (линии питания или возбуждения).

Существует различные варианты возбуждения подключения сигнальных линий к микрополосковым антеннам, один из которых приведен на Рисунке 2.

Оптимальная ширина прямоугольного излучателя микрополосковой антенны может быть найдена при помощи выражения:

Повышение излучающей способности приводится с увеличением ширины антенны. Однако, при ширине антенны, превышающей некоторое оптимальное значение, начинают возбуждаться волны более высоких порядков, что ухудшает характеристики излучения.

Среда вокруг излучателя не является однородной. С одной стороны излучателя находится диэлектрик, с другой стороны воздух. Поэтому эффективная диэлектрическая проницаемость излучателя оценивается по формуле:


Модели линии передачи используют бесконечную плоскость заземления. Однако, из практических соображений, плоскость заземления должна быть конечной. Было показано, что получаемые результаты для конечных и бесконечных плоскостей оказываются сходными, если размер плоскости заземления больше размера патча примерно на шестикратное значение толщины подложки.

Таким образом, для этой конструкции (Рисунок 2), размеры плоскости заземления задаются следующим образом:



где: D- КНД антенны, h - толщина подложки.
Поскольку ширина частотного диапазона обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости подложки, она увеличивается с ростом высоты подложки.

В работе исследована прямоугольная МПА, возбуждаемая коаксиальным зондом. Точка питания должна быть расположена на патче в таком месте, чтобы входное сопротивление оказалось равным 50 Ом на резонансной частоте. Выбор точки питания происходит следующим образом: Для разных местоположений точки питания, сравниваются значения потери на отражение (S11) и найденная точка соответствует минимальной величине S11. Этот процесс реализован в виде задачи оптимизации по заданному критерию в пакете FEKO [4].

Были выбраны следующие параметры: диэлектрическая проницаемость подложки  = 2.2 (материал Rogers

RT/duroid 5880 (tm)), тангенс диэлеткрических потерь tan(δ) = 0.001, толщина диэлектрика h = 0.32 мм. Размеры антенны из инженерной методики расчета рассчитаны ширина W=33 мм и длина L= 27 мм. Для выбранных размеров, как показали расчеты уровень обратных потерь составляет около -10дБ, а КСВ не превышает 2,5. Выполнение процесса оптимизации геометрических размеров антенны привело к тому, что обратные потери не выше 12,8 дБ и КСВ не превышает 1,5 (см. Рисунок.3), а коэффициент усиления составляет 5 дБ.


Таким образом, даже используя микрополосковые излучатели простейшей формы, можно получать достаточно хорошие результаты как по КСВ антенны, так и по коэффициенту усиления. Процесс оптимизации антенны является неотъемлемым этапом моделирования, так как приближенные формулы позволяют только задать начальное приближение.

 

Список литературы

1.     R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl and A. Ittipiboon, ―Microstrip Antenna Design Handbook‖, Artech House Antennas & Propagation Library, Nov 2000 .

2.     R. Dewan, S. K. A. Rahim, S.F. Ausordin, H. U. Iddi and M.Z.A. Abd. Aziz. X-Polarization Array Antenna with Parallel Feeding for WiMAX 3.55 GHz Application// IEEE International RF and Microwave Conference (RFM 2011), 12th - 14th December 2011, Seremban, Malaysia,pp.368-372.

3.     Adnane-Latif Design of Miniature Patch Antenna Around the Frequency 3.5 GHz for WIMAX Technology// IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol. 9, Issue 1, No 2, January 2012,pp.357-361

4.     Кисель Н.Н. Моделирование прикладных задач электродинамики и антенн на супервычислительной системе в пакете FEKO: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2013. – 326 с.