ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ ПАТЧ-ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI iQ.25987/VSTU.2Q2Q.i6.2.Qi6 УДК 62i.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ ПАТЧ-ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

С.М. Фёдоров, Е.А. Ищенко, М.А. Сиваш, И.А. Зеленин Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрено влияние длины микрополосковой прямоугольной патч-антенны на число рабочих диапазонов, резонансную характеристику и диаграммы направленности. Исследование было проведено на основе данных, полученных в процессе моделирования. Описаны основные правила расчета и выбора материала диэлектрика для микрополосковой патч-антенны, настроенной для приема сигнала на частоте 37 ГГц, что соответствует одному из стандартов связи пятого поколения (5G). Моделирование проводилось с использованием двух программ - Antenna Magus, которая использовалась для автоматизированного расчета геометрических параметров антенны; CST Studio Suite - для моделирования основных резонансных характеристик антенны и построения диаграмм направленности. На основе полученных результатов были сделаны выводы о возможности формирования дополнительных частотных диапазонов. Также было определено смещение основной рабочей частоты, которая обладает минимальным значением обратных потерь и коэффициента стоячей волны по напряжению, относительно изначально выбранной частоты резонанса. Приведены результаты моделирования в виде трехмерных моделей излучателей, графиков обратных потерь (S11 параметры), правил перевода значений S11 в КСВН, диаграмм направленности в полярных координатах, зависимости коэффициента усиления и ширины главного лепестка от частоты

Ключевые слова: патч-излучатель, Magus, CST Studio Suite

Введение

С 2Q2Q года будет происходить повсеместное внедрение сетей пятого поколения. Для приема сигналов в данном диапазоне мобильные устройства будут использовать технологию MU-MIMO, а антенная решетка будет формироваться на основе простейших патч-антенн. Сама по себе патч-антенна представляет собой тонкую излучающую пластинку, как правило квадратной прямоугольной формы с микропо-лосковой линией питания. Частоты, которые планируется использовать в будущем, лежат в диапазоне 25-42 ГГц, позволят достигать рекордных скоростей интернета (свыше iQ Гбит/с), а самое главное позволят снизить задержку (ping) до рекордных i мс, при том, что домашний Wi-Fi 5 ГГц обеспечивает задержку 2 мс, а LTE-A около 25 мс. Таким образом, повышение скорости и снижение задержки позволит ускорить внедрение и разработку интернет вещей (IoT), даст толчок облачным игровым сервисам, которые позволят пользователю играть в игры, не покупая игровую приставку или игровой компьютер, сейчас такими разработками занимается Google (Stadia), Microsoft (Xbox Project xCloud) [i-3].

микрополосковая патч-антенна, резонансные характеристики, 5G, Antenna

Поэтому особо важно производить исследование и моделирование антенн, работающих в основных диапазонах 5G, а также исследовать влияние их геометрических параметров на охватываемые диапазоны.

Расчет геометрических параметров патч-антенны

Патч-антенна является достаточно простым по конструкции излучателем, который можно рассчитать автоматизировано в большинстве специализированных программ, например, Antenna Magus. Основная модель такой антенны представлена на рис. 1.

© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Сиваш М.А., Зеленин И.А., 2Q2Q

Рис. 1. Модель антенны с указанием параметров

Процедура проектирования и расчетов геометрических параметров микрополосковой патч-антенны начинается с выбора диэлектрика. Для работы на частотах от 20 до 40 ГГц необходимы диэлектрики нового поколения, разработкой которых занимаются многие ком-

пании. Одним из лидеров в производстве диэлектрических материалов является Rogers corporation, которая представила новое поколение диэлектриков, которые были специально предназначены для работы на частотах 20-40 ГГц. Примером такого диэлектрика может послужить Rogers RO4730G3. Это термостойкий материал с керамическим наполнением, который усилен стекловолокном, при этом не содержит в своем составе фторопласт. Материал специально разработан так, что не деформируется во время пайки и имеет высокую надежность металлизированных отверстий [4-6].

Таблица 1

Характеристики материала Rogers RO4730G3

Наименование * Пов. сопротивление, МОм Рабочие частоты, ГГц

Rogers RO4730G3 3.00 ±0.05 2.78- !08 до 70

Данный диэлектрик выпускается в нескольких исполнениях:

- толщина: 0.145 мм, 0.272 мм, 0.526 мм, 0.780 мм, 1.034 мм, 1.542 мм;

- размеры пластины: 305x457 мм, 610x457 мм, 610x915 мм, 1224x915 мм (возможен заказ на нестандартный размер).

Следующим этапом необходимо рассчитать геометрические параметры излучателя, для этого используются следующие формулы:

1. Размер ширины излучателя производится по следующей формуле:

№ =-г-. (1)

2-/о'

£ro+1

2. Для определения длины излучателя необходимо вычислить Эффективную Диэлектрическую постоянную:

£eff

8ro+1 + £ro~i,

(2)

1+-,

3. Следующим этапом производится расчет

длины излучателя:

ДL = h■ 0.4l2 ■

(£e// + 0.3)-(^+0.264) (£e//-0.258)-(^+0.8)

L = Leff - 2Д!

(3)

(4)

(5)

где c - скорость света в вакууме (3 • 10° м/с); /о - резонансная частота (Гц); sR0 - диэлектрическая проницаемость подложки;

h - высота подложки.

Для запитывания патч-антенны используется или микрополосковая линия, или коакси-

альная линия, которая заводится через земляную пластину и диэлектрик, такой режим питания использует Qualcomm в своей 5G антенне (рис. 2).

Рис. 2. 5G антенна Qualcomm

В данном случае будет использоваться микрополосковая линия (рис. 3) питания. Сопротивление такой линии должно составлять 50 Ом, а расчет выполняется по достаточно трудоемким формулам, поэтому для оптимизации используются специально написанные калькуляторы, так один из них встроен в макросы CST Studio. Формулы для расчета приведены ниже.

Рис. 3. Размеры микрополосковой линии

Импеданс микрополосковой линии, эталонное значение 50 Ом:

ZL(W,H,T,£r) =

reff

(Wr,H,Er)

(6)

Волновое сопротивление микрополосковой

линии в однородной среде:

= + , (7)

/ , НЧ 0.75284

/„ = 6 + (2* -6) • ехр (30.666 • ] . (8)

Эффективная относительная диэлектрическая проницаемость изолирующего материала подложки:

£ге/^,я,£г)=^ + ^(1 + 10^)~ай , (9) Я(М) = 1+ (^Щ + (1 + Ш3). (10)

4 у 49 V и4+0.432 У 18.7 \ Ч18.1У )

4(1г) = 0.564 -(а=н)

0.053

(11) (12)

Эффективная ширина микрополосковой линии:

Wr = W + ДЖ.

w

и = —

н

ДШГ = • (l + sch{^£~-1)) ДИ^ = —-ln(l+T-4g .

1 H-n у ^-cth2(V6.517W)

(13) , (14)

. (15)

где - волновое сопротивление микрополосковой линии в омах (Ом);

волновое сопротивление микрополос-ковой линии в однородной среде в омах (Ом);

- волновое сопротивление вакуума, 120п Ом;

£г - относительная диэлектрическая проницаемость изолирующего материала подложки;

Н - высота подложки в мм;

W - ширина микрополосковой линии в мм;

Т - высота микрополосковой линии в миллиметрах, международный стандарт - 35 мкм (0,035 мм);

Щ- - эффективная ширина микрополоско-вой линии в мм;

°reff

- эффективная относительная диэлектрическая проницаемость изолирующего материала подложки.

Произведя расчеты по данным формулам, а также в программе Antenna Magus, были получены следующие геометрические параметры излучателя, наименование параметра совпадает с рис. 1.

Таблица 2

Размеры патч-антенны

L, W, Щ, h' H, Si,

мм мм мкм мм мкм мкм мкм

2.259 2.834 364.5 2.578 145 783 101.2

Моделирование излучателя с определением влияния длины патча на характеристики

При получении стандартных геометрических параметров произведем моделирование излучателя с использованием CST Studio. Частоту резонанса антенны в данном случае определим на основе графика S11 в дБ. Так сама модель антенны приведена на рис. 4 с указанными размерами, после моделирования были получены S11 параметры (рис. 5) [7-8].

Рис. 4. Модель излучателя

Перевод S-

11

Рис. 5. График S11 параметров

По графику 811 параметров можно определить частоту резонанса, которая соответствует минимальным значениям, которые присутствуют на графике, если необходимо данные параметры можно перевести в коэффициент стоячей волны по напряжению - табл. 3.

Таблица 3

в КСВ

КСВ то 40 20 10 8 6 5 4 3.5 3 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1.15 1.1 1

S11, (лин) 1.0 0.95 0.9 0.82 0.78 0.71 0.67 0.6 0.56 0.5 0.33 0.29 0.23 0.17 0.09 0.07 0.05 0

|S11|, дБ 0 0.4 0.9 1.8 2.1 3 3.5 4.4 5 6 9.5 11 13 15.5 21 23 26 то

Теперь по полученному значению резонанса произведем моделирование для определения диаграммы направленности, так приведем диа-

граммы направленности в полярных координатах при угле ^ = 90° (рис. 6), в = 90° (рис. 7).

FarfeU (Array} Drectrrty Abs (Phi—90)

3D Phi=270

Theta / Degree vs. dBi

Frequency = 37 GHz Main lobe magnitude = 7.64 dBi Main lobe drecbon = 6.0 deg. Angular xvtfth (3 dB) = 80.2 deg. Side lobe level = -l&.l dB

Рис. 6. ДН в полярных координатах ^ = 90°

FarfieH (Array) Drectivty Abs (Theta=9Q)

Phi / Degree vs. dBi

Frequency ■ 37 GHz Main lobe magnitude - -2.89 dBi Mar lobe drecbon - 124.0 deg. Angular width (3 dB) - 181.9 deg. Side lobe level = -1.7 dB

Рис. 7. ДН в полярных координатах в = 90°

Также построим зависимость коэффициента усиления от частоты (рис. 8) и зависимость ширины первого лепестка от частоты (рис. 9).

Рис. 8. График зависимости коэффициента усиления от частоты

Рис. 9. Ширина первого лепестка по уровню 3 дБ в зависимости от частоты

Как видно, антенна имеет резонанс на частоте 37 ГГц, причем на этой частоте обеспечивается наилучший баланс коэффициента усиления и ширины первого лепестка.

Так, особый интерес представляет влияние длины излучателя на характеристики антенны.

Будем изучать влияние данного параметра на характеристики антенны при шаге изменения параметра равному длины волны (8 мм). На рис. 10 приведена модель излучателя с указанными размерами, а также произведено моделирование S11 параметров - рис. 11.

Рис. 10. 3D-модель удлиненного излучателя

Рис. 11. Б11 параметры при увеличении длины до 10 мм

По полученным результатам видно, что произошло смещение частоты резонанса с 37 ГГц до 35.065 ГГц, а также возникли малоэффективные побочные резонансы на частотах: 17.718 ГГц, 26.438 ГГц, 43.552 ГГц. Также приведем диаграмму направленности в полярных координатах на частоте 35 ГГц при угле <р = 90° (рис. 12), в = 90° (рис. 13).

Farfeld Directivty Abs (Phi=90) 0

30 Phi=270

Frequency = 35 GHz Mail lobe magnitude = 9.96 dB Main lobe drecbon = 24.0 deg. Angular width (3 dB) = 22.5 deg. Side lobe level = -3.2 dB

Рис. 12. Диаграмма направленности на частоте 35 ГГц, при (р = 90°

Farfield Directn/ty Abs (Theta=90)

Phi / Degree vs. dBi

Frequency = 35 GHî Mari ' .- magnitude = 1.5 dBi Man ГаЬе drectfln = 270.0 deg. Angubr ™dth (3 dB) = 51 8 deg. Side lobe fevel = -1.3 dB

Рис. 13. ДН на частоте 35 ГГц, при в = 90°

Теперь построим зависимость коэффициента усиления от частоты (рис. 14), а также зависимость ширины главного лепестка от частоты (рис. 15).

Рис. 14. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Рис. 15. Зависимость ширины главного лепестка от частоты

Таким образом видно, что при удлинении излучателя происходит уменьшение резонансной частоты, которое сопровождается формированием побочных диапазонов, хотя в данном случае их роль мала. Но по полученным результатам уже можно обнаружить то, что происходит увеличение резонансов.

Произведем увеличение длины до 18 мм, так 3D-модель излучателя приведена на рис. 16, 811 параметры на рис. 17.

Уже при длине излучателя в 18 мм произошло появление семи резонансов, из которых явными являются 4 диапазона, так их 811 параметры менее -5 дБ, эти частоты соответственно: основной резонанс - 34.345 ГГц, пер-

вый боковой резонанс - 29.589 ГГц, малоэффективные - 24.692 ГГц, 39.101 ГГц.

Рис. 16. 3D-модель излучателя с увеличенной длиной

Рис. 17. 811 параметры излучателя

Также приведем диаграмму направленности для частоты главного резонанса - 34.345 ГГц при угле (р = 90° (рис.18), в = 90° (рис. 19).

Также для удобства изучения зависимости коэффициента усиления от частоты и ширины главного лепестка построим эти графики (рис. 20, 21), по которым видно, как изменяется коэффициент усиления и ширина главного лепестка, так антенна становится более направленной при увеличении длины излучателя.

Farfield (Array) Drtctivity Abs (Phi=90) □

Phi= 90 ЗО-^^^-тНтт^^^-З0 Phi-270

- farfield (f=34.345) [1]

Theta / Degree v

Frequency = 34.345 GHz Main lobe magnitude = 9.01 dl Man lobe direction = 64.0 deg. Angular width (3 dB] = 25.7 dec Side lobe level = -1.4 dB

Рис. 18. ДН при угле ^ = 90° на частоте главного резонанса - 34.345 ГГц

Farpeld (Amy) DremvtyAbs (Theta=gcl)

- farfeld (f-34.345) [1]

Phi I Degree vs. <

Frequent = 34.345 GHz Main kibe magnitude - 4.72 Jl Main kiba diracson = 245.0 deg. Angular widtii(3 dB) - 73.9 deg. Sde lobe level - -3.0 dB

Рис. 19. ДН при угле в = 90° на частоте главного резонанса - 34.345 ГГц

Рис. 20. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Рис. 21. Зависимость ширины первого лепестка от частоты

Таким образом заметно, что удлинение патча на п число длин волн приводит к формированию побочных (боковых) рабочих частот, что позволяет произвести оптимизацию и дона-стройку антенны, что позволит излучать/принимать сигнал в нескольких диапазонах частот.

Увеличим длину излучателя до 26 мм (рисунок 22), при этом уже сформируется достаточно интересная картина резонансов на графике S11 (рис. 23), по которому видно, что центральный резонанс - частота 30.7 ГГц, первые боковые диапазоны - 27.34 ГГц и 34.01 ГГц, вторые боковые диапазоны - 23.94 ГГц и 37.42 ГГц, также побочными являются 20.58 ГГц, 17.13 ГГц.

Рис. 22. 3D-модель излучателя с увеличенной до 26 мм длиной

Рис. 23. График Б11 параметра

Также рассмотрим диаграмму направленности данного излучателя на частоте 30.7 ГГц при угле ф = 90° (рис. 24), 9 = 90° (рис. 25).

Farfield (Array) Direetivty Abs (Phi=90)

- farfield (f=30.7) [1]

Theta / Degree vs. d

Frequency = 30.7 GHz Main lobe magnitude = 9.26 d Main lobe direction = 47.0 deg. Angular width (3 dB) = 13.3 de? Side lobe level = -1.3 dB

Рис. 24. Диаграмма направленности при (р = 90°

Farfield (Array) Drectiviy Abs (Theta=90)

- farfield (f=30.7) [1]

Frequency = 30.7 GHz Main lobe magnitude = 3.68 dBi Main lobe direction = 313.0 deg. Angular width (3 dB) = 13.7 deg. Side lobe level = -2.9 dB

частот, дополнительных лепестков на диаграмме направленности. Если произвести грамотную оптимизацию и настройку длины излучателя, можно сформировать такую антенну, которая позволит излучать/принимать сигнал в нескольких диапазонах, что является достаточно важной задачей, так как это позволит уменьшить число антенн в процессе реализации устройств.

Литература

Рис. 25. Диаграмма направленности при в = 90°

Построим графики зависимости коэффициента усиления от частоты (рис. 26); ширины главного лепестка (рис. 27).

Рис. 26. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Рис. 27. Ширина главного лепестка в зависимости от частоты

Таким образом, по результатам исследования видно, что увеличение длины излучателя приводит к формированию новых резонансных

1. John L. Volakis, Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition, McGraw-Hill Education: New York, 2007, 1755 p.

2. Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, 2nd Edition, Wiley-IEEE Press, 2005, 632 p.

3. Handbook of antennas in wireless communications. Ed. by L.C. Godara. Boca Raton: CRC Press LLC. 2002. 889 p.

4. Бобылкин И.С., Макаров О.Ю. Оптимизация тепловых характеристик при проектировании конструкций радиоэлектронных средств // Надежность и качество: тр. междунар. симпозиума. 2013. Т. 2. С. 121-122.

5. Procedure of complex analysis of mechanical properties of printed circuit boards in electronic modules/ A.V. Turetsky, O.Y. Makarov, M.A. Romashchenko, P.P. Chura-kov, I.S. Bobylkin // International journal of control theory and applications. 2016. V. 9. № 30. pp. 227-239.

6. Бобылкин И.С., Макаров О.Ю., Шуваев В.А. Основные методики решения задач оптимального теплового проектирования конструкций радиоэлектронных средств// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 4. № 2. С. 47-52.

7. Методика проектирования синтезатора частот прямого цифрового синтеза на базе ПЛИС / А.А. Пирогов, Е.А. Бочаров, Э.В. Сёмка, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 6. С. 108-116.

8. Пирогов А.А., Буслаев А.Б., Костюков А.С. Разработка моделей и алгоритмов проектирования цифровых устройств с использованием программируемых логических интегральных схем// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 88-95.

Поступила 21.02.2020; принята к публикации 25.03.2020 Информация об авторах

Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Сиваш Михаил Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29

INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE PATCH EMITTER LENGTH

ON ITS CHARACTERISTICS

S.M. Fyedorov, E.A. Ishchenko, M.A. Sivash, I.A. Zelenin

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article considers the effect of the length of the microstrip rectangular patch emitter on the number of operating ranges, the resonance characteristic, and the radiation pattern. The study was conducted on the basis of data obtained in the simulation process. The article describes the basic rules for calculating and selecting the dielectric material for a microstrip patch antenna configured to receive a signal at 37 GHz, which corresponds to one of the fith-generation communication standards (5G). The simulation was performed using two programs - Antenna Magus, which was used for automated calculation of the radiator's geometric parameters; CST Studio Suite for modeling the basic resonant characteristics of the antenna and building directional diagrams. Based on the results obtained, conclusions were drawn about the possibility of forming additional frequency ranges. It was also determined the offset of the main operating frequency, which has a minimum value of return loss and voltage standing wave ratio. The results of modeling are presented in the form of three-dimensional models of emitters, return loss graphs (S11 parameters), rules for converting S11 values to VSWR, directional diagrams in polar coordinates, and the dependence of the max gain and the angular 3dB width of the main lobe on the frequency

Key words: patch emitter, microstrip patch antenna, resonance characteristics, 5G, Antenna Magus, CST Studio Suite

References

1. Volakis J.L. "Antenna engineering handbook", New York, McGraw-Hill Education, 2007, 1755 p.

2. Milligan T.A. "Modern antenna design", Wiley-IEEE Press, 2005, 632 p.

3. Ed. by Godara L.C. "Handbook of antennas in wireless communications", Boca Raton: CRC Press LLC, 2002, 889 p.

4. Babylkin I.S., Makarov O.Yu. "Optimization of thermal performance in the design of radio electronic facilities", Proc. of the International Symposium Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr.mezhdunar. simpoziuma), 2013, vol. 2, pp. 121-122

5. Turetsky A.V., Makarov O.Y., Romashchenko M.A., Churakov P.P., Bobylkin I.S. "Procedure of complex analysis of mechanical properties of printed circuit boards in electronic modules", International Journal of Control Theory and Applications, 2016, vol. 9, no. 30, pp. 227-239

6. Bobylkin I.S., Makarov O.Yu., Shuvaev V.A. "Basic methods for solving problems of optimal thermal design of radio-electronic equipment structures", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2014, vol. 4, no. 2, pp. 47-52

7. Pirogov A.A., Bocharov E.A., Syemka E.V., Makarov O.Yu. "Method of designing a direct digital synthesis frequency synthesizer based on FPGA", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 6. pp. 108-116.

8. Pirogov A.A., Buslaev A.B., Kostyukov A.S. "Development of models and algorithms for designing digital devices using programmable logic integrated circuits", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 4. pp. 88-95.

Submitted 21.02.2020; revised 25.03.2020

Information about the authors

Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Mikhail A. Sivash, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: [email protected]

Ivan A. Zelenin, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29