ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ   УНИВЕРСИТЕТ   ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра

«Телевидение и радиовещание»

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов специальности

5522100 – «Телевидение, радиосвязь и радиовещание», 

по дисциплине «Распространения радиоволн и антенно-фидерные устройства»

Ташкент - 2013

Учебное пособие охватывает вопросы конструктивных особенностей и свойств микрополосковых антенн, получивших в последнее время широкое распространение в современных беспроводных системах телекоммуникации.

В пособии рассматриваются микрополосковые антенны, особенности их конструкции и принципа работы, направленные и электрические свойства, приводятся основные технические характеристики.

Данное учебное пособие рассчитано для использования в учебном процессе и будет полезно при изучении курса «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» для подготовки бакалавров специальности «Телевидение, радиосвязь и радиовещание»

                                    СОДЕРЖАНИЕ                                                стр.

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН СОВРЕМЕННЫХ РАДИОУСТРОЙСТВ…………………………4

1.1. Особенности микрополосковых антенн……………….…………………4   

1.2. Размеры микрополосковых антенн и способы их уменьшения ………..7   

1.3. Геометрия микрополосковых антенн …………………………………..12   

2. ВИДЫ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН………………………………14

2.1. Частотные свойства микрополосковых антенн………………………..14

2.2. Микрополосковые антенны с двойной поляризацией…………………16

2.3. Микрополосковые антенны с повышенным усилением………………19

3. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН……………………………21

3.1. Широкополосные микрополосковые антенны…………………………21

3.2. Двухчастотные и двух-поляризованные широкополосные микрополосковые антенны…………………………………………………..24

3.3. Широкополосные и двухполосно-циркулярно-поляризованные микрополосковые антенны…………………………………………………..26

3.4. Апертуро-связанная укороченная микрополосковая антенна………..28

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН………………………………………….31

4.1 Задачи проектирования микрополосковых антенн……………………..31

4.2 Особенности компьютерного моделирования микрополосковых антенн………………………………………………………………………….38

4.3. Микрополосковые антенны современных беспроводных устройств…42

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН СОВРЕМЕННЫХ РАДИОУСТРОЙСТВ

1.1. Особенности микрополосковых антенн

Известно, что качественные характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в значительной степени определяются свойствами и конструктивными особенностями антенн, являющихся обязательным элементов любого радиоустройства. При конструировании малогабаритных радиоустройств на первый план выходит еще одна важнейшая задача – миниатюризация антенн. Таким образом, становится очевидным, что в современных радиоустройствах требуется применение антенн с очень малыми размерами, без каких-то выступающих элементов, при этом обладающих хорошими направленными и электрическими свойствами.

Еще одним важным моментом является технологичность изготовления антенн. Практически все современные радиоустройства, работающие в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, собираются на печатных платах, на которых, кроме электронных деталей размещаются и антенны, т.е. они представляют собой определенную конфигурацию проводников, расположенных на той же самой печатной плате. Это очень технологично, как с точки зрения процесса изготовления антенн, так и сточки зрения их повторяемости без изменения направленных и электрических свойств.         

Еще одним моментом является то, что применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию антенн при весьма жёстких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам. В особенности это относится к бортовым антеннам летательных аппаратов, других движущихся объектов, где нередко предельные возможности РЭА определяются инженерно-техническим уровнем разработки антенной структуры.

Например, искусственные спутники Земли и пилотируемые космические корабли 60–70-х гг. имели от 15 до 120 антенн со сложной и разветвлённой фидерной системой. При этом антенны занимали примерно 20% площади всего объекта. Применение же в современных радиосистемах миниатюрных, высокотехнологичных антенн снижает эту проблему до минимума.  

Микрополосковые антенны, изготовляемые по технологии интегральных, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоёмкость, габаритные размеры, массу.

Чаще всего микрополосковые  антенны (МА)  представляют собой металлическую пластину (или полоску определенной конфигурации), – далее, согласно международной терминологии – патч, – расположенную над заземленной подложкой (т.е., по сути, над печатной платой).  

Такие МА обладают следующими свойствами: 

- низкий профиль;

- легкий вес;

- простое изготовление;

- удобная эксплуатация.

Пример МА показан на рис.1.1, антенны такого типа используют в мобильных аппаратах систем сотовой связи.  Конфигурацию проводников и их размеры рассчитывают и определяют, исходя из требуемых полосы рабочих частот, направленных и электрических свойств (коэффициент усиления, входное сопротивление).

Однако следует сразу же отметить, что основным фактором, определяющим размеры антенны, является рабочая частота.

Рис.1.1. Образец микрополосковой антенны

для мобильного телефона

К сожалению, МА имеют недостатки, главным из которых является  узкая полоса пропускания. Однако имеются пути решения этой проблемы, как и решение другой проблемы – невысокие направленные свойства.

Наиболее эффективным способом увеличения диапазонных свойств МА является использование так называемых фрактальных антенн (рис.1.2).

Рис.1.2. Фрактальная антенна

Как показывают зарубежные исследования, фрактальные антенны обладают очень хорошими диапазонными свойствами вследствие своей уникальной структуры.

Таким образом, уменьшение размеров и пропускной способности МА  становятся основными причинами их практического применения в современных беспроводных системах телекоммуникации. Но необходимы многочисленные исследования МА для выявления способов достижения компактности при одновременном расширении диапазонных и направленных свойств. Находятся новые конструктивные решения, позволяющие улучшить качественные показатели МА, примером тому являются широкополосные МА, двухчастотные МА, МА с двойной и круговой поляризацией. О них и пойдет далее речь.

1.2. Размеры микрополосковых антенн и способы их уменьшения

Сразу следует сказать, что практически все шаги при разработке МА направлены на решение задачи уменьшения их размеров либо при фиксированной частоте, либо в полосе частот.

МА имеют структуру полуволновода и работают на основном резонансном режиме  волны типа TM01 или TM10 с определенной резонансной частотой, определяемой размерами и конфигурацией проводников, из которых выполнена МА.

Излучающий проводник (далее – патч) МА имеет резонансную длину приблизительно пропорциональную 1/ε (где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, из которого выполнена подложка МА).

Использование микроволновой подложки с большей диэлектрической проницаемостью может позволить уменьшить размеры МА.

На рис.1.2 приведены две МА с разными диэлектрическими проницаемостями. 

В первом варианте (рис.1.2,а) используется материал с  ε=3 и толщиной H = 1,524 мм. Во втором варианте (рис.1.2,б) используется материал с  ε=28,2 и толщиной H = 4,75 мм. 

Из рисунков видно, что размер второго патча в три раза меньше первого. Такое уменьшение размеров связано с увеличением резонансной частоты, вследствие использования диэлектрика с большей диэлектрической проницаемостью

а)                             б)

Рис.1.2. Две микрополосковые антенны с разными диэлектрическими проницаемостями диэлектрических подложек 

Приведенный пример показывает, что уменьшение размеров МА можно получить, используя подложку с относительной диэлектрической проницаемостью  ε=28,2 вместо ε=3.

Использование части патча МА так же может позволить уменьшить  ее размеры (например, так можно уменьшить физическую длину антенны в два раза на фиксированной частоте).

Создание короткого замыкания патча (оно также называется  частичным коротким замыканием стенки) (рис.1.2,а) может привести к дополнительному снижению основной резонансной частоты антенны и, таким образом, можно получить еще большее уменьшение размеров антенны.

Существуют еще несколько вариантов короткого замыкания патча, которые показаны на рис.1.3,б,в. В этих случаях размер контактов  короткого замыкания, нагруженных на прямоугольный патч, может быть равен одной трети его размера, что соответствуют патчу МА без короткого замыкания контактов в той же рабочей частоте.

Рис.1.2. Антенны с короткозамкнутыми патчами

Развязка возбужденного пространства в МА с излучающим патчем также является эффективным методом для достижения понижения основной резонансной частоты, и, тем самым, уменьшения размеров микрополосковой антенны. В случае прямоугольного  излучающего патча, развязка может быть достигнута путем введения нескольких узких щелей на его поверхности (рис.1.3).

Рис.1.3. Прямоугольный патч с щелями

Из рисунка видно, что с помощью щелей создаются дополнительные пути прохождения поверхностных токов. Это приводит к значительному снижению основной резонансной частоты антенны, и, в результате,  может быть получено значительное уменьшение ее размеров.

На рис.1.4 приведена конструкция так называемого патча-«бабочки». По сравнению с прямоугольным патчем с тем же линейным размером, патч-«бабочка» имеет более низкую резонансную частоту, и, следовательно, уменьшение размера МА может быть получено на данной рабочей частоте. Рассмотренные способы удлинения возбужденной поверхности патча основаны на компланарных или однослойных микрополосковых структурах.

Рис.1.4. Патч-«бабочка»  

Удлинение поверхности патча также может быть получено с помощью перевернутого патча U-формы (рис.1.5,а), сложенного патча (рис.1.5,б), или двойного сложенного патча (рис.1.5,в).

Рис.1.5. Варианты удлинения поверхности патчей: а - патч U-формы,  б - сложенный патч,  в – патч, сложенный вдвое

С помощью таких патчей резонансные частоты могут быть значительно снижены по сравнению с обычными однослойными микрополосковыми антеннами с такой же площадью.

Резонансная частота в таких конфигурациях значительно снижена за счет изгиба пути, по которому распределен поверхностный ток. При этом не создаются боковые составляющие токов, в отличие от способов удлинения антенн, показанных выше. 

По этой причине МА с использованием изогнутых патчей обладают хорошей перекрестной поляризацией в пределах рабочей  полосы частот.

1.3. Геометрия микрополосковых антенн

МА могут иметь различную структуру патчей, в зависимости от конфигурации щелей, в них прорезанных. На рис.1.6 приведены некоторые типы патчей, подходящих для работы в радиоустройствах.  

Рис.1.6. Патчи с различной конфигурацией щелей

Например, патч, в котором прорезана крестообразная щель, создает развязку поверхностного тока в двух ортогональных направлениях. Это позволяет использовать МА для излучения или приема волны с круговой поляризацией, или для работы в ортогональных плоскостях.

Конструкции с парой изогнутых щелей, группой из четырех изогнутых щелей, перфорированных квадратных  патчей, круглых отверстий, щелью в виде смещенного круга, и других видов патчей, успешно применяются в современных радиоустройствах в качестве двухчастотных МА для приема и излучения радиоволн с линейной, круговой и эллиптической поляризациями.

Особое внимание следует уделять «извилистым» щелям и прорезям в патче. Экспериментально было получено, что такие патчи  значительно снижают добротность микрополосковых структур, следовательно, снижают реактивную составляющую входного сопротивления и расширяют полосу пропускания.

2. ВИДЫ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

2.1. Частотные свойства микрополосковых антенн

Узкая полоса пропускания является одним из основных недостатков МА. Так, на практике, для современных беспроводных систем связи требуется, чтобы полоса пропускания составляла:

- 7,6% для систем мобильной связи (GSM, 890…960МГц);

- 12,2% системы мобильной связи (UMTS; 1920…2170MHz);

- 9,5% для систем цифровой связи (DCS; 1710…1880МГц);

- 7,5% для радиосистем.

Для удовлетворения этих требований к пропускной способности были разработаны многочисленные методы увеличения диапазонных свойств МА.

Как было уже сказано выше, одним из способов увеличения полосы рабочих частот является  прямоугольных МА с двумя патчами с разрывами. Экспериментальные результаты показывают, что с использованием в качестве подложки материала с ε=4,4, толщиной  1,6 мм такая антенна может иметь полосу пропускания, равную окол 12,7%, что составляет в 6,35 раза больше, чем у антенн с простым патчем.

Уменьшение добротности МА является эффективным способом повышения их диапазонных свойств. Этого можно добиться путем заполнения пространства в щели диэлектрическим материалом, либо путем использования тонких диэлектрических подложек. 

Кроме того, очень большое значение имеет система питания МА. Часто питание МА производится с помощью контактного штыря, который в диэлектрике подложки имеет собственное реактивное сопротивление. Поэтому возникают проблемы, связанные с достижением хорошего согласование в полосе частот контактного штыря с патчем.

Для решения этой проблемы можно применить так называемое  трехмерное питание, прорезав две широкие щели в одном из излучающих крае патча.  Можно также использовать модифицированный зонд, как, например, в случаях L-полосного питания и L-зондового питания. В этих случаях щель связана с зондом через емкостную связь.

В вышеупомянутой конструкции полоса пропускания зонда может быть повышена до 25%  и более. Кроме того, использование сильной связи щелей с зондом и питания может эффективно снизить добротность МА.

Другим эффективным способом повышения полосы пропускания МА является использование патчей в виде каскадно-микрополосковых линии, выполняющих роль реактивных нагрузок.

 Такие конструктивные способы  увеличивают реальное пространство  МА и связь с другими ее частями, что приводит к увеличению входного сопротивления.

Однако чаще всего требуется использование МА, работающих в двух полосах частот. Двухчастотные МА привлекают большое внимание с точки зрения их использования в современных радиоустройствах, например, в качестве антенн мобильных телефонов.

Две рабочие частоты могут иметь одинаковые плоскости поляризации или прием (излучение) ведется в ортогональных плоскостях поляризации.

Двойная частота сигнала может быть получена с помощью прямоугольной антенны с L-квадратом  или в виде сложенной щели (рис.2.1). Эта антенна состоит из двух связанных резонаторов разного размера. Чем меньше длина щели, тем на большей резонансной частоте резонирует антенна. Чем длиннее участки щели, тем на более низкой частоте резонирует антенна. 

Рис.2.1. Двухчастотные микрополосковые антенны 

Двухчастотные МА привлекают большое внимание с точки зрения их использования в современных радиоустройствах, например, в качестве антенн мобильных телефонов.

Две рабочие частоты могут иметь одинаковые плоскости поляризации или прием (излучение) ведется в ортогональных плоскостях поляризации.

2.2. Микрополосковые антенны с двойной поляризацией

МА с двойной поляризацией находят применение в системах беспроводной связи, которые требуют повторного использования частоты или разной поляризации. МА с двойной поляризацией позволяют бороться с многолучевым распространением в беспроводной связи и, тем самым, повысить качество работы радиосистемы.

На рис.2.2 показана МА с двойной поляризацией и с двухзондовым возбуждением. Уменьшение размера антенны достигается за счет четырех изогнутых щелей встроенных в квадратный патч.

Результаты показывают, что при использовании подложки с толщиной 1,6 мм и относительной диэлектрической проницаемостью 4,4 достигается высокий коэффициент кроссполяризации (порядка – 35 дБ) . Это значительно лучший результат, чем получают в обычной квадратной МА без встроенных щелей.

Рис.2.2. Микрополосковая антенна с двойной поляризацией и с двухзондовым возбуждением

В последнее время разработано большое количество МА для реализации круговой поляризации и имеющих высокие технические характеристики.

В дополнение к методу использования подложки с высокой диэлектрической проницаемостью (как показано на рис.2.2) может быть реализована МА с круговой поляризацией путем создания щелей или прорезей определенной конфигурации в излучающем патче или в заземлении МА.

Эти конструкции обычно используют точечное возбуждение с помощью зонда или путем возбуждения края МА с наличием прорезей в патче для достижения узкого излучения волны с круговой поляризацией (рис.2.3).

Рис.2.3. Микрополосковая антенна с короткозамыкающим шлейфом настройки в виде прямоугольного отрезка проводника (а) и с изогнутым шлейфом (б)

Для уменьшения размеров МА используется короткозамыкающий шлейф в виде отрезка проводника, при этом необходима его настройка путем изменения его длины. Следует учесть, что увеличение длины шлейфа приводит к понижению средней рабочей частоты.  

При увеличении допустимой длины шлейфа происходит уменьшение размера МА, что позволяет значительно уменьшить напряжение возбуждения по сравнению с соответствующей обычной круговой поляризацией МА на той же рабочей частоте.  Это является большим  преимуществом для практического применения, особенно при уменьшении размеров МА с круговой поляризацией.

2.3. Микрополосковые антенны с повышенным усилением

Как было сказано выше, одним из недостатков МА является их невысокий коэффициент усиления. Обычно он не превышет 1,5 дБи, что для беспроводных систем, работающих с большой энергетикой входных сигналов (например, мобильная связь) вполне достаточно. Однако, если речь, например, идет о приеме в сложных условиях, когда сигнал на входе антенны мал и постоянно меняется, требуется использование антенн с более высоким усилением. Поэтому актуальной задачей является разработка МА с повышенным коэффициентом усиления.

Для получения высокого коэффициента усиления МА разработаны методы, связанные с конструктивными особенностями МА (выбор возбуждения антенны, диэлектриков подложки с высокой диэлектрической проницаемостью), а также путем использования активных схем.

В первом случае коэффициент усиления МА может быть увеличен примерно на 10 дБ. В случае же активной схемы возможно еще большее усиление, которое определяется, прежде всего, собственными возможностями усилителя.

3. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

3.1. Широкополосные микрополосковые антенны

Узкая полоса пропускания является одним из основных недостатков МА в практических приложениях. Для современных беспроводных систем связи, требуемые рабочие  полосы пропускания составляют:

- около 7,6% для GSM 890…960МГц;

- 12,2% для UMTS, 1920…2170MHz;

- 9,5% для систем DCS 1710…1880МГц).

Для удовлетворения этих требований и повышения пропускной способности были разработаны методы, позволяющие расширить диапазонные свойства МА. Методика повышения пропускной способности использует МА с компланарно направленной связью и с разрывом связи  паразитическими патчами.

Типичная конструкция показана на рис.3.1, которая  показывает прямоугольную МА  с прямым подключением и два патча с  разрывом  их связи. Эта антенна имеет компактную конфигурацию и необходимое пространство для минимизации размеров. Экспериментальные результаты показывают, что с  использованием недорогих подложек  толщиной 1,6 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,4, такая антенна может иметь полосу частот порядка 12,7%, что в 6,35 раз больше, чем антенны с управляемым  патчем.

Уменьшение добротности МА также является эффективным способом повышения пропускной способности антенны. Данный метод по повышению пропускной способности  включает в себя использование плотной воздушной или пеновой подложки и нагрузочного резистора на микрополосковой антенне с тонкой диэлектрической подложкой.

В данном случае  используется  зондовое питание, и благодаря реактивному сопротивлению длинного контактного штыря в плотном   слое подложки достигается хороший импеданс в широкой полосе частот.

Для  решения проблемы, связанной с подачей зондового питания  микрополосковых  конструкций, нужно  вставить U-образную щель в патч, используя трехмерное микрополосковое питание перехода, вырезать пару широких щелей в одном из излучающего краев патча ( E-патчей), согнуть патч в 3DV форму или в горизонтальной плоскости с  перевернутым              V-образным заземлением), и использовать модифицированный зонд конфигураций, таких как L-полосное питание и L-зондовое питание. 

В вышеупомянутой конструкции полоса пропускания зонда питания МА с воздушной подложкой может быть повышено до более чем 25%. Кроме того, использование большей связи щелей  для связи с апертурной связью питания может эффективно снизить добротность МА и, тем самым, может быть повышен ее импеданс.

Рис.3.1. Широкополосная микрополосковая антенна с прямым приводом и двумя разрывами связи патчей

Другим эффективным методом по улучшению эффективности  пропускной способности является возбуждение двух или более резонансных  режимов с такими же излучающими  характеристиками на соседних частотах в виде широкой рабочей полосы пропускания. Такой метод пропускной способности включает в себя загрузку подходящих щелей в излучающий патч или интеграцию разделов каскадно-микрополосковых линии  (микрополосковой реактивной нагрузки) в излучающей патч.

Преимущество низкого профиля МА сохраняется для обоих щелей в интегрированных микрополосковых реактивных нагрузках, а  полоса рабочих частот может быть в 2,0…3,5 раза  больше, чем в  обычной МА. Такие конструктивные методы  увеличивают связь МА с пространством, при этом полоса частот может быть увеличена в три раза.

Еще одним методом расширения полосы частот является использование дополнительного питания элементов МА с одинаковыми амплитудами и 180-фазовым сдвигом. В результате этого достигается уменьшение перекрестной поляризации МА примерно на 5…10 дБ в                       ее Е-плоскости и H-плоскости.

3.2. Двухчастотные и двух-поляризованные широкополосные микрополосковые антенны

Конструкции двухчастотной микрополосковой антенны с сопротивлением пропускной способности и их двумя рабочими частотами более 10% не поступало. С помощью L-зонда питания  для двух элементов антенной  двухчастотный операции для GSM / PCS двух диапазонной базовой станции антенны были продемонстрированы. Было также показано, что широкополосная двухчастотная операция может быть получена с помощью трехмерной V-формы патча (рис.3.2).

Эта конструкция может быть обеспечена апертурно-диафрагмовым   или зондовым питанием. В случае с апертурно-диафрагмовым питанием , две отдельные группы, работающей с 10 дБ обратных потерь , может быть получена пропускная способность более 10%. и частотным нормированием  между двумя рабочими частотами около 1,28…1,31.

Рис.3.2. Виды трехмерной V-формы  патча (а) с апертуросвязанным    питанием и (б) питанием зонда

Различные широкополосные микрополосковые антенны с двойной поляризацией были зарегистрированы в последнее время. Высокая изоляция между двумя портами питания и низкой перекрестной поляризации для двух линейной поляризации, имеющие более широкую полосу пропускания сопротивления являются основными соображениями конструкции.

Очень хороший порт развязки между двумя портами питания  диафрагмы связанных микрополосковых антенны через широкую полосу пропускания сопротивление были получены тщательным согласованием двух слотов в связи с заземлением антенны. Использование гибридных питаний разрыва связей и зондового питания   и H-слот связанного питания  также было установлено, что перспективной двойной поляризованной конструкции для достижения высокой развязки порта

3.3. Широкополосные двухполосно циркулярно-поляризованные микрополосковые антенны

Для достижения широкополосной связи циркулярно-поляризованных МА с одним входом конструкции с  чип-резистором нагрузки  была показана перспективность  пропускной способности и  может быть увеличена в два раза.

С помощью диафрагмы связанной с подачей YY-формы связи слота для прямоугольных микрополосковых антенн, пропускная способность также может быть повышена до примерно 2,1 раза. Полученные значения пропускной способности для этих широкополосных  микрополосковых антенн с одним входом с тонкой диэлектрической подложкой, как правило, менее 3%. Как и в случае одной подачи микрополосковой антенны с толстой подложкой воздуха, это непростая задача  для достижения  пропускной способности более 6%.

Чтобы добиться гораздо большей  пропускной способности, следует использовать две подачи конструкции включения плотной подложки воздуха и внешнего фазовращателя  или делителя мощности.

Было рассмотрено, что с использованием  двойного разрыва связи или  каналов с емкостной связью  делителя мощности Уилкинсона для обеспечения хорошего равного расщеплению мощности  в течение двух каналов, полученных 3 дБ осевого соотношения пропускная способность может быть как около 46%, так и 34% соответственно.

Можно использовать ветки муфты, как четыре внешних поэтапных переключения, и, такими образом, получить полосу рабочих частот порядка 60% относительно средней частоты в 2,2 ГГц.

Конструкция с возбуждением 0-90…270 фазовыми сдвигами для одной МА позволило увеличить пропускную способность на 38%.

Относительно очень медленной деградации аксиального соотношения  от поперечного направлении антенны на большие углы может быть получено по сравнению с соответствующими широкополосными циркулярно-поляризованной микрополосковой антенны с двумя подачами дизайна.

Типичная конструкция циркулярно-поляризованной антенны показана на рис.3.3.

Рис.3.3. Геометрия двухдиапазонной  циркулярно-поляризованный микрополосковой антенны

Циркулярно-поляризованная антенна двух диапазонного действия получена путем внедрения двух пар дугообразных слотов надлежащей длины, близких к границе кругового патч и выступает одним из дугообразных слотов с узкой щелью. Две отдельные полосы  антенны сосредоточены на 1561 и 2335 МГц, с полосой пропускания около 1,3% и 1,1% соответственно. Другие методы включают в себя использование зонда питания   прямоугольных микрополосковых антенн  с центральным слотом и вставленными щелями, с зондом питания множественно эллиптической микрополосковой антенны и микрополосковых антенн с множественной связью диафрагмы.

3.4. Апертуро-связанная укороченная патч антенна

 Обеспечивающая питание апертуро-связанная  укороченная патч антенна является перспективной конструкцией для достижения широкополосной работы. На рис.3.4 показана геометрия широкополосной апертуро-связанной укороченной патч антенны с Н-образной связью слота. Прямоугольный участок длины L и ширины W является коротким замыканием заземленной подложки FR4 (толщина 0,8 мм и относительной диэлектрической проницаемости 4.4) проводящей стенки с размерами            W × h. 

В этом случае укороченный патч рассматривается  как имеющий воздушную подложку толщиной -h.  H-образная щельная связь разрезается в плоскости земли и по центру под укороченным патчем.

Верхняя (ближе к стене короткого замыкания) и нижние  части  двух  боковых  плеч Н-образных слотов имеют длины S1 и S2, соответственно, и имеют одинаковую ширину 1 мм.

Рис.3.4. Геометрия широкополосного апертуро-связанного сочетания короткой антенна с H-образных соединительных слота

Через Н-образную соединительную щель  электромагнитная энергия  от  50  ОМ питающей микрополосковой линии отпечатывается на другой стороне заземленной подложки и может быть эффективно соединена с укороченным  патчем.

При настройке Ws, S1, S2, и настройки-заглушки длины т микрополосковой линией передачи, для этой антенны может быть достигнуто  хорошее согласование импеданса в широком диапазоне частот.

Для достижения надлежащего значения указанных параметров, IE3DTM моделирования программного обеспечения является полезным как в  процессе проектирования, так и с использованием Н-образной связи слота, обратное  излучение  связи антенны  может быть снижено  по сравнению с конструкциями  обычных узко щелевых слотов.  

На рис.3.5 показывается измеренные возвратные потери построенного прототипа. Толщина h воздушной подложки  была выбрана равной 12 мм, что соответственно примерно 0,07 раза больше, чем свободном пространстве длины волны центральной рабочей частоты. Размеры укороченного патча были выбраны 30 × 40mm2. Измеренные результаты показывают  что  два резонансных режима  возбуждают  хорошее согласование полного сопротивления.

Эта характеристика аналогична наблюдаемой для широкополосной  патч антенны с толстой воздушной подложкой. В этом случае, сопротивление полосы пропускания, определяющей 10 дБ обратных потерь, составляет 450 МГц, или около 26,2% ссылаемых на центральную частоту в 1715 МГц .

Рис.3.5. Измеренные обратные потери

Полученное полное сопротивление  пропускной способности, также сравнимо с обычной широкополосной  антенной питающего зонда с                 U-образной щелью  или E-формой  патча, несмотря  на то, что размер патча  для антенны изучен значительно меньше для фиксированной рабочей частоты.

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

4.1. Задачи проектирования микрополосковых антенн

Для решения задач проектирования МА необходимо сформулировать их особенности и преимущества перед другими типами антенн.

Но сначала следует сказать, что наибольшее распространение МА получили в мобильных системах связи и в системах беспроводного широкополосного доступа.

Итак, особенности МА:

-  более узкополосные по сравнению с другими типами;

-  легко реализуют круговую поляризацию;

-  обеспечивают меньшее удельное поглощение мощности излучаемого сигнала в голове (в условиях мобильной связи);

-  имеют более узкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости, чем вибраторные и спиральные.

Часть этих особенностей МА можно рассматривать как недостатки, часть - как достоинства. Например, МА, в отличие, например, от спиральной,  может реализовать любой вид поляризации, причем эта поляризация может эффективно меняться. В любом случае, эти особенности нужно учитывать при проектировании микрополосковых антенн.

 Как уже отмечалось выше, МА - в общем случае многослойная структура, на поверхности каждого из слоев которой нанесены металлические проводники определенной формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну подается возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения.

Кроме точек возбуждения, на печатной антенне могут быть точки заземления (присоединения к заземляющей  плоскости). Токи, наведенные в этой сложной конструкции, формируют диаграмму направленности и реализуют другие характеристики антенны, необходимые для установления связи с базовой станцией. Поскольку в результате электродинамического расчета удается определить распределение токов в системе, то их анализ может послужить основой для модернизации антенны.

В процессе проектирования антенны необходимо, прежде всего, получить входное сопротивление, близкое к 50 Ом, поскольку в этом случае можно будет с меньшими потерями согласовать антенну с малошумящим входным усилителем и усилителем мощности передающего тракта.

Например, если величина возвратных потерь антенны составляет порядка  –20 дБ, то это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством.

Такая величина, как – 20 дБ  показывает, что мощность генератора будет почти без отражения поглощаться антенной, которая в свою очередь нагружена свободным пространством. Антенна по сути является трансформатором между выходом усилителя мощности (или входом малошумящего усилителя) и свободным пространством, волновое сопротивление которого для плоской волны в дальней зоне можно считать равным 377 Ом.

 Следующее требование – характеристика направленности антенны, которая определяют ее способность излучать в разные направления. При проектировании и расчете антенны обычно интересуются сечениями диаграммы направленности в двух взаимноперпендикулярных плоскостях:  азимутальной и меридиональной. Диаграмма в азимутальной плоскости определяет способность антенны излучать в горизонтальной плоскости, диаграмма в меридиональной плоскости – в вертикальной.

Если говорить об антеннах мобильных телефонов, то и та, и другая диаграммы направленности крайне важны. Первая определяет всенаправленность, и она более характерна для оценки излучения в условиях эксплуатации. Параметры направленности печатной антенны или её модификаций, должны быть не хуже, чем у других типов антенн.

В процессе проектирования МА необходимо: 

- разработать форму антенны, которая бы удачно вписывалась в корпус сотового телефона, обеспечивая при этом эффективное излучение (коэффициент усиления антенны);

- найти оптимальную точку питания (обычно со входным сопротивлением 50 Ом), к которой подключается вход приемопередающего устройства (дуплексный фильтр);

-         рассчитать согласующую структуру между входом дуплексного фильтра и точкой питания МА;

-         в случае внутреннего расположения МА - оптимизировать земляную поверхность (иногда называемую противовесом), т.е. найти оптимальное заполнение внутренней поверхности корпуса телефона проводящими участками. В настоящее время это часто реализуется закраской отдельных частей  корпуса проводящей краской. 

Целью проектирования МА является получение требуемой диаграммы направленности и хорошее согласование в рабочей полосе (или нескольких полосах) частот.

Современные модели сотовых телефонов имеют отрывающуюся крышку. Проектировщик должен обеспечить требуемую диаграмму направленности телефона с закрытой крышкой (т.е. в режиме ожидания) и с открытой крышкой (в режиме разговора). Предпочтительный вид диаграмм направленности – всенаправленная, поскольку в условиях эксплуатации сотового телефона в большом городе, отражения от зданий и стен не позволяют выделить направление на определенную базовую станцию. 

Необходимо также оценить влияние тела пользователя (головы и руки, держащей телефон), на ДН, а также оценить, насколько ухудшается реальная чувствительность телефона из-за близости человека.

Однако необходимо обеспечить требования на величину мощности, поглощаемую в голове и руке человека (усредненная величина или в самой опасной точке), с тем, чтобы гарантировать выполнение санитарных норм по облучению СВЧ мощностью.    

Проектирование МА начинают с оценки её размеров, определяемых заданным частотным диапазоном. Длину антенны можно оценить по формуле

,                        (4.1)                                     

где  - заданная резонансная частота, e - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки.

Эта формула не принимает во внимание влияния ширины подложки антенны и толщины подложки на резонансную частоту, но это влияние обычно незначительное. Формула (4.1) отражает физическую природу  печатной  антенны как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте  = 1,9 ГГц и e = 1 (воздух) из (4.1) получаем                A80 мм.  Антенна  с такими размерами слишком большая для использования в современных мобильных телефонах.

Длина антенны может быть уменьшена, по крайней мере, в два раза (при работе на той же частоте), если один её конец заземлить. В этом случае получатся так называемая инвертированная F-антенна (PIFA), которая представляет из себя четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлен, а другой открыт (холостой ход).

PIFA возбуждается коаксиальным кабелем в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом. Таким образом, длина PIFA может быть приблизительно оценена как 

                                                  (4.2)

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту  = 1.9 ГГц и              e = 1, как в вышеупомянутом примере, получаем  a  40 мм, что является подходящим для мобильных телефонов.

Нужно также отметить, что фактический размер антенны может быть даже меньше благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора.

Ширина  плоской антенны b - менее важный параметр, чем длина, и может быть выбрана из конструктивных или эстетических соображений совместимости с размером телефонной трубки.

Высоту h положения активного полотна МА над земляной плоскостью рекомендуется выбирать по формуле                                       
h = 0.04l.                                                      (4.3)

Для расширения рабочего диапазона частот приходится идти на усложнение конструкции, например использовать многослойные печатные структуры. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программных пакетов, моделирующих электромагнитные структуры. 

Отметим, что преимущество малого размера PIFA достигается за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же обычно PIFA антенны узкополосны.

Для сохранения эффективности излучения микрополосковой антенны при уменьшении её размеров в микрополосковом проводнике прорезается щелевая линия. Эта линия формирует характеристики антенны на собственной частоте, но и изменяет характеристики на смежной частоте.

Анализ ближнего поля в такой антенне показывает, что в  щели происходит концентрация электромагнитной энергии, а путь тока, протекающего по проводнику, увеличивается, что ведет к снижению частоты по сравнению с антенной без щели. Наличие щели играет большую роль в формировании  диаграммы направленности и частотной характеристики антенны.

С известным приближением можно считать эту щель  несимметричной щелевой линией, концентрирующей продольный магнитный ток. Известно, что замедление основной волны в щелевой линии определяется формулой

,                             (4.4)

где  l - длина волны в свободном пространстве, m, e - относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды или части среды.

Эта формула позволяет оценить резонансную длину щели в общем случае магнито-диэлектрической подложки МА с учетом замедления волны в эквивалентной щелевой линии.

Исходя из соображений безопасности здоровью, необходимо уменьшать долю СВЧ энергии, поглощаемой в теле человека, пользующегося сотовым телефоном. Для этого необходимо перераспределить ближнее поле антенны так, чтобы вывести голову и руку пользователя из области его наибольшей концентрации.

Как показывают расчеты, сочетание печатной антенны с щелевой линией позволяет решить эту задачу.  Такую комбинацию  проводника и щели можно трактовать как одну из реализаций элемента Гюйгенса – комбинацию взаимно-перпендикулярных электрического и магнитного диполей, - создающего излучение преимущественно в одну полусферу.

4.2. Особенности компьютерного моделирования микрополосковых антенн

Основная часть процесса проектирования МА основана на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчетов и соображений.

При создании модели необходимо помнить, что геометрия должна соответствовать реальному положению антенны во время работы, т.е. так, чтобы, например, корпус мобильного телефона находился в вертикальном положении (или под небольшим углом). В этом случае МА находится в положении “на ребре”. Такое положение отличается от наиболее часто используемого при моделировании расположения антенны в горизонтальной плоскости XY, реализованной в программе “HP Momentum” и IE3D (фирма Zeland).

Рассмотрим методы  численного электродинамического анализа микрополосковых антенн и современные программы, реализующие эти методы. 

Метод моментов. Этот метод предполагает описание конструкции антенны в виде многослойной планарной конструкции. Слои, там, где это необходимо, соединяются с помощью металлических перемычек.

Считается, что токи в этих перемычках имеют только вертикальную составляющую по оси Z. Используя известные функции Грина для элементарных металлических форм, на которую разбивается вся металлическая форма плоской антенны, программа решает систему уравнений, составленную на основании непрерывности полей на границах слоев.   

Приведем пример расчета методом моментов  в программе Microwave Office  (MWO) микрополосковой patch антенны (рис.4.1). Популярная программа MWO проста в использовании, но имеет, к сожалению, ограниченные возможности для проектирования сотового телефона в корпусе. Другим примером коммерческой программы, реализующей метод моментов, является часть пакета HP ADS, программа HP Momentum . 

Метод моментов также реализован в программе  IE3D, и в этой программе имеются более широкие возможности, по сравнению с Momentum  и  MWO, для моделирования сотового телефона.

Представление  patch антенны в виде плоскости, с  VIA в точке питания в программе Microwave Office	Распределение поля в плоскости параллельной path-антенны	Результаты анализа параметра |S11| Patch антенны с помощью программы Microwave Office (MWO)

Рис.4.1. Моделирование микрополосковой патч антенны методом моментов

Метод конечных элементов. В этом методе (Finite Element Method, FEM) все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы, в соответствии с ожидаемой скоростью изменения поля. Формируется набор неизвестных (значения поля) на гранях конечных элементов, составляется система уравнений, которая решается в частотной области (рис.3.2).

Одной из программ, которая рассчитывает СВЧ конструкции в трехмерном представлении, является программа HFSS.  Эта программа совмещена с AutoCAD, поэтому рисование конструкции в ней аналогично черчению объектов в среде AutoCAD. 

Недостатком HFSS для решения задачи излучения в сотовом телефоне является то, что она требует задания бесконечной земляной платы, поэтому для корпусных трубок диаграмма направленности имеет идеализированную форму (только верхняя полусфера). Поэтому некоторые современные программы в ущерб такой универсальности, какой обладает HFSS, имеют частные опции, созданные для решения довольно узких задач.

Микрополосковая антенна, запитанная коаксиальным кабелем, идущим со стороны земляной плоскости. Вертикальное положение печатной  антенны соответствует её реальному положению в сотовом телефоне	Частотная характеристика микрополосковой антенны (вне корпуса), полученная с помощью программы HFSS

Рис.4.2. Моделирование микрополосковой антенны методом конечных элементов

Так, для решения задачи поглощения электромагнитной энергии в теле пользователя  специально была разработана программа FIDELITY (фирма Zeland). Эта программа использует прямое интегрирование уравнений Максвелла во временной области, используя импедансные эквиваленты электромагнитного поля.

Для исследуемой структуры (рис.4.3) рассчитывается переходной процесс, возникающий при подаче на её вход импульса Дирака. После сходимости переходного процесса выполняется обратное преобразование Фурье и получается частотная характеристика антенны. 

Программа FIDELITY  использует метод FDTD  и рассчитывает переходной процесс в реальной трехмерной конструкции.  Программа требует предельных компьютерных возможностей.

Микрополосковая антенна в поле программы FIDELITY	Частотная характеристика Patch  #2, рассчитанная FIDELITY

Рис.4.3. Моделирование микрополосковой антенны в программе FIDELITY

4.3. Микрополосковые антенны современных беспроводных устройств

В данном параграфе приводятся примеры МА современных беспроводных устройств. В качестве примера рассматриваются антенны  Bluetooth. Это делается по нескольким причинам, главная из которых - антенны  Bluetooth являются наиболее малогабаритными из всех существующих антенн и поэтому представляют особый интерес для рассмотрения и анализа. Кроме того, антенны Bluetooth производятся ведущими телекоммуникационными компаниями, такими как Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion. Этими компаниями выпускается широкий набор антенн, которые применяются в сотовой телефонии и специально предназначены для систем Bluetooth, используя керамические материалы с хорошими высокочастотными свойствами.

Фирма Hitachi Metals выпустила антенны типа "E-Type Electrode Configuration" (рис.4.4), хорошо подходящие для приложений Bluetooth. Место, требуемое для новой антенны, очень маленькое (15x3x2 мм), она не чувствительна к расположению периферийных частей, может быть выполнена в виде высокоэффективной антенны-кристалла для Bluetooth, проста в использовании.

Рис.4.4. Вид антенны Hitachi Metals для Bluetooth

Фирма Antek Wireless Inc. разработала антенну оригинальной конструкции на 2,4 ГГц, которая обеспечивает эффективность, превышающую фактически любые технические требования, миниатюрна, и может быть установлена почти в любое устройство. Антенна применима для различных приложений типа беспроволочной передачи видеосигнала, аудиооборудования, головных телефонов, модемов, мобильных компьютеров, портативных телефонов и других переносных карманных устройств.

Компания Centurion International разработала внутреннюю антенну PIFA или разновидности плоской антенны для использования в переносных компьютерах, использующих технологию Bluetooth. Новая антенна даёт возможность компьютерным фирмам-изготовителям разработать переносные устройства, которые легко связываются с портативными телефонами и системами обмена сообщениями, соединяются с Интернетом на высоких скоростях передачи данных.

Murata Manufacturing Co. производит встроенные диэлектрические антенны для ноутбуков, использующих технологию Bluetooth (рис.4.5). Размеры модуля новой серии G2 - 15x5,8x7,0 мм.

Рис.4.5. Chip-антенна ANCG22G41 Murata

Компания Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. выпускает сверхкомпактную антенну для Bluetooth-устройств (рис.4.6). Антенна выполнена на керамической основе и имеет размеры 5x1,2x1,2 мм. Это самая маленькая антенна в индустрии Bluetooth. Характеристики антенны следующие: рабочая частота 2,4 ГГц, коэффициент усиления -2 дБи, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 2,0.

Рис.4.6. Керамическая антенна в корпусе сотового телефона

TDK Corp. выпускает две полуволновые антенны небольшого размера          (7 на 7мм) для использования в изделиях на основе технологии Bluetooth. Антенна CANPB0715 имеет коэффициент усиления -5 дБи, а антенна CANPB0716 - 3 дБи.

Большинство других малых антенн являются четвертьволновыми. Их использование возможно только в более крупных мобильных устройствах, таких как ноутбуки, где осуществляется заземление на корпус устройства.

Следует иметь в виду, что плоские антенны имеет одну сторону открытую, а другую - заземлённую, что сделано для сокращения размера, но открытая сторона подчинена влиянию заземляющего электрода. Поэтому требуется большая область, чтобы реализовать антенные свойства в заданном пространстве, и необходима осторожность при проектировании расположения периферийных компонентов.

Кроме того, плоские антенны высоко чувствительны (высокое усиление) и имеют высокие направленные свойства, делая их неподходящими для приложений Bluetooth, где необходима всенаправленность.

Тип антенны, разработанный Hitachi Metals, имеет уникальные достоинства обратной плоской антенны, но включает заземляющие электроды с обеих сторон и добавляется центральный, конусообразный электрод.

Другими словами, новая конфигурация E-Type Electrode, изобретённая в Hitachi Metals, может быть ещё более миниатюризирована, и существенно не воздействует на близлежащие заземляющие электроды. Чем меньше антенна, тем меньше корпус влияет на её параметры.

Анализ всех конструкций антенн для системы Bluetooth, приведённых выше, позволяет выделить основные антенные параметры, входящие в спецификацию антенны, на основании чего можно выбирать метод проектирования сотового телефона с такой антенной.

Технические требования на антенну системы Bluetooth:

- рабочая полоса частот - 2400…2500 МГц;

- среднее усиление - -3 дБи;

- входное сопротивление - 50 Ом;

- КСВ - 3 или меньше.

Из обзора существующих антенн для системы Bluetooth видно, что они имеют металлические формы сложной конфигурации, напылённые на одной или нескольких сторонах трёхмерной подложки, чаще всего керамической с большой проницаемостью.

Поскольку антенны для системы Bluetooth находятся в полузамкнутом экране сложной формы, характеристики антенной системы могут значительно отличаться от характеристик, рассчитанных по теоретическим формулам. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программных пакетов, моделирующих электромагнитные структуры (рис.4.7).

Рис.4.7. Интенсивность излучения антенны в корпусе телефона

Одной из задач, стоящих перед разработчиками антенн Bluetooth, является обеспечение их всенаправленного характера, ибо при непроизвольном вращении могут исказиться данные, передающиеся от одного прибора к другому. Чем меньше размеры собственно антенны, тем меньше влияние корпуса на азимутальную диаграмму сотового телефона (рис.4.8-4.9).

Рис.4.8. Угломестная диаграмма направленности антенной системы Bluetooth

Рис.4.9. Азимутальная диаграмма направленности сотового телефона с антенной системы Bluetooth

Исследования показали, что влияние тела абонента на диаграмму направленности маленькой антенны значительно меньше, чем на диаграмме направленности основной антенны сотового телефона. То же можно сказать и на обратное воздействие излучаемой мощности антенны Bluetooth на тело человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Compact and broadband microstrip antennas – Kin-Lu Wong. A Wiley-Intersciencs Publication, 2002.

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

рассмотрено на заседании кафедры ТВ и РВ __________г. (протокол № __ )

и рекомендовано к печати.

Рассмотрено на

Научно-методическом Совете ТУИТ                (протокол № ___ от _______)

и рекомендовано к печати.

   Составитель доц. Губенко В.А

     Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н.