22 февраля 2016г.
В работе представлено исследование микрополосковой антенной решетки в диапазоне 2,5-2,7 ГГц в программной среде трехмерного электромагнитного моделирования FEKO с использованием ядра OPTFEKO. Выполнена оптимизация по критерию минимума коэффициента стоячей волны (КСВ) с использованием Simplex метода. Представлены частотные зависимости КСВ антенной решетки до и после оптимизации.
Одной из основных тенденций развития современных телекоммуникационных технологий является миниатюризация радиоэлектронной устройств. Известно, что характеристики этих устройств в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами еѐ антенно-фидерного устройства. В настоящие время используются различные виды многоэлементных микрополосковых антенных решѐток (МПАР) в современных технологиях, требующих высокую скорость передачи данных и дальность для предоставления качественных услуг для пользователей. МПАР, изготовляемые по технологии интегральных схем, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, габаритные размеры, массу. Использование диэлектриков в конструкции антенны позволяет дополнительно уменьшить размеры антенны.
Использование многоэлементных МПАР, возбужденных через одну точку подачи, обеспечивает высокую скорость передачи данных без увеличения общей мощности передачи и полосы пропускания канала. в целях устранения замирания, которое возникает из-за многолучевого распространения. Они широко применяется для увеличения дальности и надежности Wi-Fi LAN, Bluetooth, PDA (персональных цифровых помощников) DCS (Цифровая система связи) и, в основном, в области мобильной связи.
Микрополосковые антенны обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу. Для современных систем широкополосного беспроводного доступа, необходимы антенные решетки для базовых и абонентских станций; секторных и всенаправленных; стационарных и мобильные.
В работе рассмотрено проектирование четырехэлементной микрополосковой антенны 2,5-2,7 ГГц. Расстояния между излучателями составляет порядка половины длины волны и требует точного учета взаимного влияния между элементами антенной решетки (см. Рисунок 1).
Для моделирования использовался пакет трехмерного электродинамического моделирования FEKO, позволяющий выполнить оптимизацию параметров антенны и исследовать характеристики антенны. Для одного элемента антенной решетки был выполнен предварительный расчет согласно [1] при толщине подложки t = 1,5 мм и относительной диэлектрической проницаемости εr = 2,4 и тангенсом электрических потерь tanδ = 0,001. Оптимизация антенной решетки выполнялось в 2 этапа: по одному элементу антенной решетки для определения геометрических параметров элементов излучателя; по взаимному расположению элементов в антенной решетке.
Оптимизация параметров одного элемента излучателя микрополосковой антенной решетки выполнялась по критерию минимального коэффициента стоячей волны КСВ (VSWR) на заданной частоте
Для оптимизации использовался Simplex-метод (Nelder-Mead), известный как метод деформируемого многогранника. При реализации этого метода не используются производные целевой функции, что позволяет применять его к негладким функциям. Суть метода заключается в последовательном перемещении и деформировании треугольника («симплекса») вокруг точки экстремума.
В качестве параметров оптимизации были взяты размеры щелей (по ширине и длине) и координаты точки подключения питания (см. Рисунок 2).
Ниже приведена Табл.1 с размерами одного излучателя, полученными в ходе предварительного расчета по [1-3] и в результате оптимизации.
После выполнения процедуры оптимизации КСВ составил не более 1,3 в диапазоне частот 2,64 - 2,68 ГГц.
Ниже приведены размеры антенны, полученные после оптимизации (см. Рисунок 3).
Таблица 1
Размеры щелей МПА до и после оптимизации
|
Параметры излучателя
|
Предварительный расчет излучателя, мм
|
Размеры излучателя после оптимизации, мм
|
|
Размер горизонтальных щели
|
(16,2; 3,9)
|
(19,22; 4,75)
|
|
Место подключения питания
|
(3,14;7,9)
|
(-9,98; -6,52)
|
Компоновка излучателей в антенную решетку
приводит к тому, что КСВ такой решетки оказывается уже более 7, что связано с взаимным влиянием излучателей друг на друга. Следующим
шагом было выполнение оптимизации по взаимному
размещению между излучателями с использованием тог же критерия минимума
КСВ. Частотные
зависимости КСВ для антенной
решетки до и после оптимизации приведены на Рисунке
4.
Как показали расчеты, что расстояние между элементами антенной
решетки не должно быть меньше λ/2 для уменьшения влияния
взаимной связи между элементами.
Таким образом,
в работе проведены исследования по оптимизации конструкции микрополосковой антенной решетки S-диапазона по критерию обеспечения минимального КСВ. Показаны возможности улучшения характеристик современных антенн
при минимальных конструктивных изменениях путем оптимизации геометрических параметров антенны и выбора
место подключения питания. Коэффициент направленного действия антенной решетки в исследуемом диапазоне
частот составил 12,7 дБ, что на 1,5 дБ больше по сравнению с антенной решеткой
до оптимизации. КСВ равен 1.3 для одного элемента излучателя и многоэлементных МПАР,
и также обратная потери
RL для одного
элемента излучателя равен -16,5 ДБ и для многоэлементных МПАР равен - 25 ДБ.
Список литературы
1.
Design, Analysis and Optimization of A Slotted
Microstrip Patch Antenna, International Journal on Electrical Engineering and Informatics - Volume 2, Number 2, 2010
2.
A. Gorokhov, D. A. Gore, and A. J. Paulraj,‖
Receive antenna selection of MIMO flatfading channel: Theory and algorithms, ‖ IEEE Trans.
Inform. Theory, vol.49, pp. 2867-2896, Oct.2003
3. Кисель Н.Н. Моделирование прикладных задач
электродинамики
и
антенн
на супервычислительной системе в пакете FEKO: Учебное пособие.
– Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2013. – 326 с.
