ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИПОВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАТЧ-АНТЕННЫ ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.015 УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИПОВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАТЧ-АНТЕННЫ ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

С.М. Фёдоров, А.С. Бадаев, Е.А. Ищенко, М.А. Сиваш

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются проблемы выбора проводниковых материалов для патч-антенны, которая была сконструирована в соответствии с частотным диапазоном сетей пятого поколения, определенного FCC - 37 ГГц. Важность данного исследования вызвана очень высокими частотами работы стандарта IMT-2020 (5G), так как характеристики потерь материалов начинают играть более важную роль, нежели чем на низких частотах. Были определены основные характеристики излучателя в зависимости от типа применяемого материала изготовления проводящего элемента - матрица рассеивания (обратных потерь), коэффициент стоячей волны по напряжению, а также основные параметры диаграмм направленности для выбранного типа излучателя. Проверка производилась с использованием CST Studio Suite, в процессе проверки материал изготовления излучателя изменялся, при сохранении материала диэлектрической подложки производилось моделирование. На основе полученных результатов были составлены таблицы, по которым удобно производить сравнение характеристик антенны в зависимости от типа использованного материала, можно произвести выбор проводника, который рекомендуется нанести на диэлектрическую подложку антенны-излучателя. Показано, что наилучшими характеристиками по обратным потерям (5ц) обладает тантал, а по общей эффективности антенны и эффективности излучения - серебро. Статья содержит графики матрицы рассеивания (обратных потерь), диаграммы направленности патч-антенны с основными параметрами

Ключевые слова: патч-антенна, матрица рассеивания, обратные потери, коэффициент стоячей волны по напряжению, диаграмма направленности, проводящие материалы

Введение

Сети пятого поколения - 5G поставили перед разработчиками новые требования не только к конструкции и типам применяемых антенн, но также и к материалам изготовления диэлектрических подложек и проводникам для изготовления излучателя. Одним из самых популярных типов антенн для сетей пятого поколения является прямоугольный патч-излучатель, который зарекомендовал себя за небольшие геометрические размеры, простоту производства, возможности построения MIMO антенных решеток [1-3]. Особый интерес уделен разработке диэлектрических подложек, которые способны обеспечить стабильные характеристики на СВЧ, а также интерес в выборе проводника, который будет применен в процессе формирования антенны, однако производство большого числа моделей одной антенны с разными материалами достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс, который можно упростить с использованием специализированного программного обеспечения, например, CST Studio Suite.

Основные исследуемые характеристики

В СВЧ технике очень удобной в процессе

моделирования и анализа является матрица рассеивания - матрица S-параметров, которая связывает между собой параметры комплексных амплитуд волн, падающих и отраженных в клеммах эквивалентного четырехполюсника. Так, каждый порт питания СВЧ устройства принято представлять в виде линии передачи с основным типом волн. В рассматриваемом случае применяется только один порт питания и в результате моделирования будет получен только один элемент матрицы - , на основе которого можно получить коэффициент стоячей волны по напряжению:

5„(дЕ) = 20^(КСШ ~11 . (1)

11 Ч КСВН +1)

Идеальным теоретическим случаем является КСВ = 1, что обозначает идеальное прохождение сигнала без отражений и потерь, в данном случае 5ц = —от дБ. По параметру КСВН, а соответственно и удобно определять частоту резонанса излучателя, а также полосу рабочих частот.

Другим важным параметром любой антенны является диаграмма направленности в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (по углу места) плоскостях. Для анализа излучателя в данной статье использовались следующие параметры диаграммы направленности:

© Фёдоров С.М., Бадаев А.С., Ищенко Е.А., Сиваш М.А., 2020

1. Коэффициент направленного действия (Directivity) - служит для определения излучаемой мощности в заданном направлении.

2. Реальный коэффициент усиления, с учетом потерь на отражение (realized gain) - важный параметр, так как учитывает проблемы несогласованности импедансов анетнны и линии передачи.

3. Эффективность антенны (radiation efficiency) и общая эффективность (total efficiency) - являются показателями эффективности излучения и представляют собой КПД излучателя.

4. Уровень боковых лепестков - показывает, насколько уровень боковых лепестков меньше главного.

5. Ширина главного лепестка по уровню 3

дБ.

По всем данным характеристикам удобно отслеживать влияние проводника на характеристики излучателя, так как у каждого материала будут индивидуальные характеристики проводимости [4].

Модель антенны и ее геометрические размеры

Микрополосковый патч-излучатель представляет собой прямоугольный излучатель, нанесенный на подложку из СВЧ-диэлектрика с микрополосковой линией питания - рис. 1.

t

1-1 ег, tan5

Рис. 1. Параметрическая модель антенны

Проектирование такого излучателя следует начинать с выбора материала-подложки, так как на основе его диэлектрической постоянной производится нахождение геометрических параметров [1]. В исследуемом случае в качестве материала был выбран Rogers RO4730G3, который был специально разработан для создания антенн, работающих в сетях пятого поколения. Диэлектрик выпускается с различными геометрическими размерами, так, для моделирования была выбрана толщина листа - 145 мкм, на который напыляется слой проводника толщиной

35 мкм. Итоговые геометрические параметры антенны приведены в табл. 1.

Таблица 1 Геометрические размеры патч-антенны

L, W, Wf, Lf, H, Si, Sg,

мм мм мкм мм мкм мкм мкм

2,259 2,834 364,5 2,587 145 783 101,2

На основе полученных геометрических размеров была построена 3D-модель излучателя в CST Studio (рис. 2).

Вид сверху Е £ со 2.58 mm

2.26 mm

0.10 mm

0.36 mm

2.83 mm

Вид спереди ?

Рис. 2. Модель антенны в CST Studio Suite

Данная антенна рассчитана и настроена для работы на частоте /0 = 37 ГГц, что соответствует одному из диапазонов 5G, которые были выделены FCC в 2019 году [5], причем ее типичная диаграмма направленности в 3D-режиме на частоте резонанса приведена на рис. 3.

Рис. 3. Диаграмма направленности в трехмерном виде

Исследование влияния проводниковых материалов на S-матрицу

Для исследования влияния материала были выбраны проводящие материалы, которые обладают различными свойствами и характеристиками, более подробно о них рассказано в [4]. Так, для большинства микрополосковых антенн

в настоящее время используется медь, но для более детального изучения характеристик использовались: алюминий, золото, серебро, железо, платина, тантал, молибден.

Было произведено моделирование излучателя со всеми материалами, которые приведены в списке выше, по результатам чего был по-

Измерительные линии используются для отображения смещения частот для тантала, платины, железа (с 37 ГГц до 36,955 ГГц), а также для отображения разности минимума и

Согласно полученным результатам, наименьшие обратные потери и наименьший КСВН обеспечивает тантал, в то время как наихудшими показателями обладает серебро, так, разность в показателях составляет 6,36 дБ. Но только на основе полученных данных нельзя сделать вывод о необходимости использования конкретного материала для изготовления излучателя, так как необходимо произвести анализ диаграмм направленности антенны, а также ее эффективности.

строен общий график параметров (рис. 4), на графике материалы подписаны своими английскими наименованиями: медь - copper, алюминий - aluminum, золото - gold, железо -iron, молибден - molybdenum, платина - platinum, серебро - silver, тантал - tantal; а также по полученным данным была составлена табл. 2.

максимума значения для тантала и серебра, маркеры показывают минимумы и частоты для каждого из материалов.

Таблица 2

Исследование диаграмм направленности патч-антенны в зависимости от применяемого проводника

Для исследования основных характеристик диаграмм направленности необходимо выбрать частоту, на которой будет производиться построение графиков, в данном случае она будет соответствовать частоте резонанса-диапазона 5G - 37 ГГц. Все диаграммы направленности будут построены для двух плоскостей: вертикальной (по углу места ^ = 90°) и горизонтальной (азимутальной в = 90°). На диаграммах направленности имеются все основные характеристики - направление излучения, ширина главного лепестка, уровень боковых лепестков, КНД.

S-Parameters- [Magnitude in dBl d-0.045

36.6 36.7 36.8 36.9 | 36.9551 [37] 37.1 37.2 37.3

Frequency t GHz

Рис. 4. График S-параметров для всех исследуемых материалов

Анализ резонансных характеристик антенны в зависимости от проводника

Медь Алюминий Золото Серебро Железо Платина Тантал Молибден

Частота

резонанса, ГГц 37 37 37 37 36,955 36,955 36,955 37

^и, дБ -17,83 -18,71 -18,28 -17,76 -22,3 -22,9 -24,12 -20,29

КСВН 1,29 1,26 1,28 1,30 1,17 1,15 1,13 1,21

Farfîeld Directrvty Abs (Phi=90)

v30 Phi=270

Theta / Degree ws, dBi

Frequency = 37 GHz Mari lobe magntude = 7.64 dB Mail lobe direction = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side lobe level = -16.1 dB

Farfield Directivity Abs (Theta=90)

Phi / Degree vs. dBi

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

а) 6)

Рис. 5. Диаграммы направленности при использовании меди: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Drectivty Abs (Pt*=90)

Frequency » 37 GHz Man lobe magrutude = 7.64 dBi Main lobe drection = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.3 deg. Side lobe level ■ -16.1 dB

Farfield Drectivty Abs (Theta=90)

Phi / Degree vs. dBi

Frequency = 37 GHz Main lobe magnitude = -2.88 dBi Mar lobe drecbon = 124.0 deg. Angular width (3 dB) = 182.1 deg. Side lobe level = -1.7 dB

а) б)

Рис. 6. Диаграммы направленности при использовании алюминия: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Drectivty Abs (Phi=90)

Frequency = 37 GHz Man lobe magntude = 7.64 dBi Man lobe drectnn = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.3 deg. Side lobe level = -16.1 dB

Farfield Drectivty Abs (Theta=90)

- farfield (f=37) [1]

Phi / Degree vs. dBi

Frequency = 37 GHz Mar lobe magntude = -2.88 dBi Mar lobe drection = 56.0 deg. Angular width (3 dB) = 181.9 deg. Side lobe level = -1.7 dB

а) б)

Рис. 7. Диаграммы направленности при использовании золота: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Drectivty Abs (Phi=90)

Phi= 90 30

30 Phi=270

- farfield (f=37) [1]

Frequency = 37 GHz Mar lobe magntude = 7.64 dBi Man lobe drection = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side bbe level = -16.1 dB

Farfield Drectivty Abs (Theta=90)

Frequency = 37 GHz Man lobe magntude = -2.89 dBi Man bbe drecbon = 56.0 deg. Angular width (3 dB) = 181.8 deg. Side bbe level » -1.7 dB

а) б)

Рис. 8. Диаграммы направленности при использовании серебра: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Drectvity Abs (Phi-90)

d(f=37)[l]

Theta / Degree vs. dBi

Frequency = 37 GHz Main lobe magnitude = 7.63 dBi Main lobe direction = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side lobe level = -16.1 dB

- farfield ff=37) [1]

Phi / Degree vs. d&

Frequency = 37 GHz Man bbe magnitude ■ -2.86 dBi Man bbe drection ■ 56.0 deg. Angular width {3 dB) - 183.9 deg. Side lobe level = -1.8 dB

а) б)

Рис. 9. Диаграммы направленности при использовании железа: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Drectvty Abs (Theta=90)

Farfield Drecövty Abs (Phi=90)

Frequency - 37 GHz Man bbe magntude = 7.63 dBi Man bbe drecöon = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side bbe level« -16.1 dB

a)

- farfield (f=37) [1]

Phi / Degree vs. dBi

Frequency ■ 37 GHz Main lobe magnitude = -2.86 dB Man lobe drecton = 124.0 deg. Angular width (3 dB) = 183.8 deg Side lobe level = -1.8 dB

6)

Рис. 10. Диаграммы направленности при использовании платины: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Directivity Abs (Phi=90)

Theta / Degree vs. dBi

Frequency = 37 GHz Main bbe magntude = 7.63 dBi Main bbe drecbon = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side bbe level = -16.1 dB

Farfield Drectvty Abs (Theta=90)

Frequency = 37 GHz Main bbe magnitude = -2.85 dB Main bbe direction = 123.0 deg. Angular width (3 dB) = 184.5 deg. Side bbe level = -1.9 dB

а) б)

Рис. 11. Диаграммы направленности при использовании тантала: а - вертикальная; б - горизонтальная

Farfield Directivity Abs (Phi=90)

Theta / Degree vs. t

a)

Frequency = 37 GHz Main lobe magnitude ■ Main lobe direction = Angular width (3 dB) = 80.2 deg. Side bbe level = -16.1 dB

= 7.64 dl 6,0 deg.

Farfield Directivity Abs (Theta=90)

Phi / Degree vs. dBi

б)

Frequency = 37 GHz Main bbe magnitude = -2-87 dl Main bbe drection = 56.0 deg. Angular width (3 dB) = 182.8 deg. Side bbe level = -1.8 dB

Рис. 12. Диаграммы направленности при использовании молибдена: а - вертикальная; б - горизонтальная

На основе полученных результатов была отображены все основные результаты модели-

сформирована сводная табл. 3, в которой рования для диаграмм направленности.

Таблица 3

Зависимость характеристик диаграмм направленности от материала изготовления излучателя

Медь Алюминий Золото Серебро Железо Платина Тантал Молибден

КНД, дБи 7,638 7,635 7,636 7,638 7,630 7,634 7,628 7,635

Эффективность излучения, дБ -1,585 -1,696 -1,643 -1,576 -2,089 -2,128 -2,230 -1,887

Общая эффективность, дБ -1,658 -1,755 -1,708 -1,649 -2,110 -2,154 -2,252 -1,927

КНД в вертикальной плоскости, дБи 7,64 7,64 7,64 7,64 7,63 7,63 7,63 7,64

Направление излучения в вертикальной плоскости, ° 6 6 6 6 6 6 6 6

Ширина главного лепестка 3 дБ в вертикальной плоскости, ° 80,2 80,3 80,3 80,2 80,2 80,2 80,2 80,2

УБЛ в вертикальной плоскости, дБ -16,1 -16,1 -16,1 -16,1 -16,1 -16,1 -16,1 -16,1

КНД в горизонтальной плоскости, дБи -2,89 -2,88 -2,88 -2,89 -2,86 -2,86 -2,85 -2,87

Направление излучения в горизонтальной плоскости, ° 124 124 56 56 56 124 123 56

Реальный коэффициент усиления, дБи 5,980 5,880 5,928 5,989 5,513 5,480 5,375 5,707

По полученным данным видно, что наилучшими характеристиками излучения обладают серебряный и медный излучатели, при этом КПД серебряного излучателя лучше, нежели чем медного. Наихудшим оказался излучатель, который изготовлен из тантала.

Заключение

1. По полученным результатам можно сделать вывод, что применение различных материалов в качестве проводников на частотах сетей пятого поколения (5G) оказывает серь-

езное влияние на характеристики матрицы рассеивания и диаграмму направленности.

2. Наилучшие показатели по коэффициенту стоячей волны по напряжению оказывает тантал, однако его применение является достаточно трудоемким, так как у этого материала наблюдается изменение удельного сопротивления под электрической нагрузкой в атмосферных условиях, для борьбы с этим недостатком рекомендуется проводить легирование азотом, что приводит к удорожанию и усложнению процесса применения данного материала.

3. По проведенному моделированию диаграмм направленности можно сделать вывод, что наилучшими характеристиками излучения обладает серебро, которое достаточно часто применяют в СВЧ технике для создания слоя с высокой проводимостью, однако главным недостатком серебра является склонность к проникновению внутрь диэлектрической подложки, особенно при высоких температурах и влажности, что является существенным недостатком, так как подобные патч-антенны ис-

пользуются в MIMO антенных решетках в мобильных устройствах, которые, как правило, рассчитаны на работу в диапазоне от 0 до 35 °С и при влажности от 0 до 90%.

4. Таким образом, медь является по-прежнему наиболее оптимальным материалом для изготовления излучающих элементов в СВЧ диапазоне.

Литература

1. Comparative Study of Rectangular and Circular Microstrip Patch Antennas in X Band / Tahsin Ferdous Ara Nayna; A. K. M. Baki; Feroz Ahmed, IEEE, 2014. 5 p.

2. Design of Rectangular Microstrip Patch Antenna / Houda Werfelli, Khaoula Tayari, Mondher Chaoui, Mongi Lahiani, Hamadi Ghariani, IEEE, 2016. 6 p.

3. Design of 2x2 MIMO Microstrip Antenna Rectangular Patch Array for 5G Wireless Communication Network / Yusnita Rahayu, Ivan Rafli Mustofa// Conference: 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium - Fall (PIERS - FALL). 2017. 5 p.

4. Чернышов А.В., Бадаев А.С. Радиоматериалы: проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы: учеб. изд. Воронеж: Из-во ВГТУ, 2008. 202 с.

5. The FCC'c 5G FAST Plan / FCC Technical Note, Washington DC, 2019. 1 p.

Поступила 20.06.2020; принята к публикации 18.08.2020 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: fedorov_sm@mail.ru

Бадаев Андрей Станиславович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29

Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Сиваш Михаил Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru

STUDY OF THE INFLUENCE OF TYPES OF CONDUCTOR MATERIALS ON THE CHARACTERISTICS OF THE PATCH-ANTENNA FOR THE FIFTH GENERATION

COMMUNICATIONS

S.M. Fyedorov, A.S. Badaev, E.A. Ishchenko, M.A. Sivash Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the problems of selecting conductive materials for a patch antenna, which was designed in accordance with the frequency range of the fifth-generation networks defined by the FCC - 37 GHz, are considered. The importance of this study is due to the very high frequencies of the IMT-2020 (5G) standard since the characteristics of material losses begin to play a more important role than at low frequencies. The main characteristics of the emitter were determined depending on the type of material used for the manufacture of the conductive element - the scattering matrix (return loss), the voltage standing wave ratio, as well as the main parameters of the radiation patterns for the selected type of emitter. Verification was carried out using CST Studio Suite, during the verification process the material of manufacture of the emitter was changed, while maintaining the material of the dielectric substrate, modeling was performed. Based on the results obtained, tables were compiled according to which it is convenient to compare the characteristics of the antenna depending on the type of material used, according to which it is possible to choose a conductor that is recommended to be applied to the dielectric substrate of the antenna emitter. It was shown that tantalum has the best return loss (Sn) characteristics, while silver has the highest overall antenna

115

and radiation efficiency. The article contains graphs of the dispersion matrix (return loss), radiation patterns of the patch antenna with the main parameters

Key words: patch-antenna, scattering matrix, return loss, voltage standing wave ratio, radiation pattern, conductive materials

References

1. Tahsin Ferdous Ara Nayna, Baki A.K.M., Feroz Ahmed "Comparative study of rectangular and circular microstrip patch antennas in X band", IEEE, 2014, 5 p.

2. Houda Werfelli, Khaoula Tayari, Mondher Chaoui, Mongi Lahiani, Hamadi Ghariani "Design of rectangular microstrip patch antenna", IEEE, 2016, 6 p.

3. Yusnita Rahayu, Ivan Rafli Mustofa "Design of 2x2 MIMO microstrip antenna rectangular patch array for 5G wireless communication network", Conference: 2017Progress in Electromagnetics Research Symposium - Fall (PIERS - FALL), 2017, 5 p.

4. Chernyshov A.V., Badaev A.S. "Radio materials: conductor, semiconductor and magnetic materials" ("Radiomaterialy: provodnikovye, poluprovodnikovye i magnitnye materialy"), VSTU, 2008, 202 p.

5. "The FCC'c 5G FAST Plan", FCC Technical Note, Washington DC, 2019, 1 p.

Submitted 20.06.2020; revised 18.08.2020 Information about the authors

Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

Andrey S. Badaev, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Mikhail A. Sivash, student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru