22 февраля 2016г.
В статье приведены результаты моделирования характеристик микрополосковой антенны на частоте 2,4 ГГц. 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 -25 дБ, коэффициент усиления составляет порядка 6дБ.
В настоящее время микрополосковые антенны имеют широкое применение, что связано высокой технологичностью и повторяемостью, низкой стоимостью, возможностью легко реализовать линейную, круговую и эллиптическую поляризации, развитие технологии позволяет интегрировать вместе с антеннами дополнительные устройства выполняющие обработку сигналов, например, фазовращатели, фильтры [1-2]. Одним из недостатков таких антенн является резонансный их характер и узкий рабочий диапазон.
Для расчета и оптимизации микрополосковой антенны использовался пакет FEKO. Конфигурация исследуемой антенны и основные геометрические размеры приведены на Рисунке 1. Диэлектрическая проницаемость материала подложки ε=2,4 и толщина подложки h=1,58 мм. Питание реализовано с помощью микрополоскового порта.
В качестве оптимизируемых параметров выбраны размеры W, L, S, P, указанные на Рисунке 1 и Табл.1. В качестве критерия оптимизации задан минимум обратных потерь или минимум коэффициента стоячей волны (КСВН). Для параметров заданы границы изменения в Табл.1. Оптимизация антенны выполняется в диапазоне частот 2,4 ГГц ±50МГц [3].
Таблица 1 Диапазон изменения параметров антенны
Параметры
|
W
|
L
|
P
|
S
|
Диапазон изменения размеров
|
40 - 50
|
35 - 45
|
5 – 20
|
0 - 10
|
Для определения места подключения антенны питающего фидера использовался метод Simplex (Nelder- Mead) − метод Нелдера-Мида, также известный как метод деформируемого многогранника или симплекс-метод. При реализации этого метода не используются производные целевой функции, что позволяет применять его к негладким и/или зашумлѐнным функциям. Суть метода заключается в последовательном перемещении и деформировании треугольника («симплекса») вокруг точки экстремума [4].
В качестве целевой функции рассматривается оптимизация по элементам матрицы рассеяния S-parameter Goal − задается минимум КСВ(VSWR) на заданной частоте
Алгоритм метода заключается в следующем, предположим, имеется целевая функция n-переменных VSWR (x, y) функция определена во всех встречающихся точках х, у (координаты питающего фидера).
Параметры метода задаются по умолчанию:
· коэффициент отражения α>0, обычно выбирается равным 1.
· коэффициент сжатия β>0, обычно выбирается равным 0,5.
коэффициент растяжения γ>0, обычно выбирается равным 2.
4. Находится «отражение» точки ph относительно pс с коэффициентом α (при α = 1 это соответствует центральной симметрии), в полученной точке новой точки
вычисляются по формуле pr вычисляется значение
целевой функции VSWR r . Координаты
pr = (1+ a) pс -a * ph .
1.
Выполняется сравнение возможных условий:
VSWR r со значениями
КСВ VSWR h , VSWR g , VSWR l и проверка если VSWR r < VSWR l , то направление выбрано удачно и можно
увеличить шаг «растяжения», новая точка
pe = (1+ g ) pс - gpr ;
если VSWR e < VSWR l , то можно расширить
симплекс до этой точки:
присваиваем точке ph значение pe и прервать итерацию;
если VSWR e > VSWR l , то
перемещение слишком далеко:
присваивается
точке ph значение pr , заканчивается итерация и проверяется выполнение критерия сходимости;
если VSWR l < VSWR r < VSWR g , то выбор точки неплохой (новая точка лучше
двух прежних).
Присваивается точке ph значение pr и проверяется выполнение критерия сходимости;
если VSWR h < VSWR r < VSWR g , то меняются местами
значения pr и ph , после чего выполняется операция «сжатия»;
если VSWR r > VSWR h , выполняется операция
«сжатия».
После преобразования получим VSWR r > VSWR h > VSWR g > VSWR l
2.
Выполняется операция «сжатия», строится точка следующих:
ps = bph + (1- b ) pс и выполняется одно из если сходимости;
VSWR s < VSWR h ,
то присваиваем точке ph значение ps и проверяется выполнение критерия
если VSWR s > VSWR h , то первоначальные точки оказались
самыми удачными.
3.
Выполняется «глобальное сжатие»
симплекса к точке с наименьшим значением
pi = pl + ( pi - pl ) / 2 , i ¹ l . pl :
4.
Проверяется сходимость,
заключающаяся
в
проверке
взаимной
близости
полученных вершин симплекса.
Оптимизированные параметры антенны с использованием симплексного метода приведены в Табл.2.
Таблица 2
Геометрические параметры антенны после оптимизации
Рассчитанная частотная характеристика обратных
потерь S11 антенны на частоте 2,4 ГГц показала, что обратные потери
не превышают -25 дБ, КСВН близок к единице
(см. Рисунок 2), максимальный коэффициент усиления составляет 6,67 дБ (см. Рисунок
3).
Оптимизация патч антенны была реализована симплексным методом с помощью пакет Feko suite 5.5. Этот метод легкий,
точный и надежный
для оптимизирования работы
микрополосковых антенн. Этот метод также может быть использован в дизайн различных сложных СВЧ и цепей миллиметровых волн. Желаемые результаты были достигнуты.
Список литературы
5.
Constantine A Balanis
Antenna Theory,
Analysis and Design. John Wiley &
Sons Inc, 2nd Edition, 2005(Reprint).
6.
K.P. Yang and K.L. Wong Dual-band
circular-polarized microstrip antenna// IEEE TransAntennas Propagat,
Vol. 49, 377–381, 2001.
7.
Yogesh Choukiker, S K Behera, D Mishra & R K Mishra Optimization of dual band micro strip antenna using PSO 2009 IEEE.
8. Кисель Н.Н. Моделирование прикладных задач
электродинамики
и
антенн
на супервычислительной системе в пакете FEKO: Учебное пособие.
– Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2013. – 326 с.