CC BY
109
УДК 621.396
компактный крестообразный сверхширокополосныи монополь
С КОПЛАНАРНОЙ ЗАПИТКОЙ И УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
Е.С. Макаров, Г.К. Усков
В работе предложена новая конструкция печатного монополя диапазона 3,1-10,6 ГГц с копланарной запиткой. Разработанная антенна обладает малыми размерами и более равномерной диаграммой направленности в азимутальной плоскости по сравнению с планарными аналогами за счет создания трехмерной структуры. При этом антенна может быть выполнена по технологии печатных плат, что снижает ее массогабаритные и стоимостные показатели по сравнению с объемными цельными антеннами. Проведен корреляционный анализ излученного импульса и импульса на входе антенны
Ключевые слова: сверхширокополосные антенны, компактные антенны
Современное состояние технологии беспроводной связи характеризуется все более широким распространением широкополосных систем высокоскоростного доступа. Технология сверхширокопо-лосной (СШП) связи в полосе 3,1-10,6 ГГц представляет интерес для приложений WPAN (Wireless Personal Area Network) в силу высоких скоростей передачи данных, достижимых с ее помощью, малой требуемой дальности, малых мощностей и малой стоимости. В этой ситуации разработка антенн с широкой полосой рабочих частот становится одним из решающих факторов качества работы системы. Основными требованиями, предъявляемыми к антеннам, являются: сверхширокополосность, всена-правленность, постоянство усиления в рабочей полосе частот, высокий КПД и низкопрофильность. Несколько таких СШП монопольных антенн к настоящему времени уже предложено различными авторами [1-10].
Для увеличения полосы пропускания монопольных антенн предлагались такие способы как создание наклона излучающей части [5], использование дискового излучающего элемента [6] или закорачивающего штыря [7]. Также предлагались мо-нополи с копланарной запиткой [1-4], в силу их компактности и легкости интеграции в систему. Основным недостатком планарных сверхширокопо-лосных антенн является неравномерность излучения в азимутальной плоскости. Так, приведем на рис. 1 характеристики антенны [10] по усилению в азимутальной плоскости. Как видно из рисунка, разница между уровнями поля в направлениях осей х и у может достигать 7 дБ, а минимальное значение коэффициента усиления -7 дБ. Схожие результаты приведены в [11] для монополя, питаемого микро-полосковой линией.
В настоящей работе предложена конструкция компактной монопольной антенны с улучшенными
Макаров Евгений Сергеевич - ОАО «Концерн «Созвездие», канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, тел. 8-908-131-75-71 Усков Григорий Константинович - ВГУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. 8 (473) 290-02-94
характеристиками диаграммы направленности в смысле ее равномерности для полосы рабочих частот 3,1-10,6 ГГц. Предлагаемая антенна с улучшенными характеристиками излучения имеет простую структуру, и может быть изготовлена по технологии печатных плат с последующей пайкой составных частей. Антенна спроектирована на стеклотекстолитовой подложке БЯ-4 производства Ьо1а (Гамбург, Германия), ее толщина равна 0,5 мм, диэлектрическая проницаемость є равна 4,5. Антенна запитыва-ется 50-омной копланарной линией, ширина которой равна 1,5 мм, а зазор между ней и землей равен 0,18 мм.
Рис. 1. Усиление антенны [10] в направлениях осей х и у в зависимости от частоты
w1
Рис. 2. Внешний вид монопольной антенны в плоскостях х-2 и у-2. Серым цветом выделена поверхность с нулевым потенциалом
Рис. 3. Внешний вид монопольной антенны с 8МЛ разъемом
90
180
.330
60/ НИ] г _ -10 , }зоо -20' ^
( V'' ^ ч I I I I L
120
150
70
Эскиз прототипа всенаправленной СШП антенны и ее трехмерное изображение приведены на рис. 2, 3 соответственно. Общий размер антенны 24,9 х 30,8 х 5,8 мм, улучшение всенаправленности достигается за счет добавления проводящей пластины, представляющей собой копию основного излучателя, повернутую на 90° по оси г. Параметры антенны приведены в таблице. Частотная зависимость КСВ антенны приведена на рис. 4.
Параметр 12 13 15 17 м1 М2 м4 мб
Значение параметра 12.2 15.6 2.2 0.8 24.9 11.8 11.5 5.8
Рис. 4. Зависимость КСВ второго прототипа от частоты
Видно, что КСВ разработанной антенны не превышает 2 в полосе частот 3,1-10,6 ГГц.
Приведем диаграммы направленности по усилению в х-у плоскости (рис. 5) и в у-х плоскости (рис. 6).
Характеристика усиления антенны от частоты в направлениях координатных осей плоскости хОу приведена на рис. 7. Неравномерность ДН не превышает 3 дБ, а наихудшее значение усиления равно минус 3 дБ, что на 4 дБ превышает значение наименьшего усиления прототипа [10].
Приведем формы сигналов с ограниченным спектром (соответственно рабочей полосе частот
0,5.. 15 ГГц), излученного идеальной антенной, т.е. с постоянным усилением и временем задержки, и предложенным монополем (рис. 8, 9).
90
1ЯП
б
НИ] г -10 / \ ,300 -го-' V" \\ ^ '■ 1 ! 1
(уог
120 ч /2^0
150 ^^210
100
в
100
г
-270
-,330
— У /X
60, / \ (Щ -10 , \ -20' V ^ 300 Л 1 °
\ ¥'^г
120 ч ^ /240
150 210
Рис. 5. Диаграммы направленности антенны по усилению в х-у плоскости на частотах 3,1 ГГц (а), 5,5 ГГц (б), 7,5 ГГц (в), 10,6 ГГц (г)
а
90
90
а
1 ЯП б О,
РЫ= 0,' ^ д] /\ры = 180
60///
щ № _ '■Зг'ТД —1 1 +
Щ) 20
150^--_____ _____—'"150
90
1Я0
в
180
г
Рис. 6. Диаграммы направленности антенны по усилению ву-х плоскости на частотах 3,1 ГГц (а), 5,5 ГГц (б), 7,5 ГГц (в), 10,6 ГГц (г)
Рис. 7. Зависимости усиления антенны в направлениях осей х и у от частоты
Рис. 8. Форма импульса на входе антенны (сплошная линия) и импульса, излученного антенной вдоль оси х (пунктирная линия)
Рис. 9. Форма импульса на входе антенны (сплошная линия) и импульса, излученного антенной вдоль оси у (пунктирная линия)
Входной сигнал (на входе антенны, [В]) и излученный сигнал (в направлении главного лепестка в дальней зоне [В/м]) совмещены чисто формально, для наглядности, чтобы видеть искажения формы излученного импульса. Видно, что предложенная антенна слабо искажает форму гауссовского импульса, а следовательно, пригодна для использования в системах сверхширокополосной радиосвязи, работающих в режиме передачи импульсов.
В работе предложена новая конструкция печатного монополя с копланарной запиткой. Разработанная антенна имеет размеры 24,9 х 12,7 х 12,7 мм и обладает более равномерной диаграммой направленности в азимутальной плоскости по сравнению с ее планарными аналогами за счет создания трехмерной структуры. Неравномерность ДН в азимутальной плоскости для разработанной антенны не превышает 3 дБ. При этом антенна может быть изготовлена по технологии печатных плат, что улучшает ее массо-габаритные и стоимостные показатели.
Литература
1. H.D. Chen and H.T. Chen. A CPW-fed Dualfrequency Monopole Antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - V. 52. - № 4. - April 2004, pp.978-982.
2. D.C. Chang, J.C. Liu and M.Y. Liu. A Novel Tulipshaped Monopole Antenna for UWB Applications // Microwave and Optical Technology Letters, V. 48, № 2, December 2005, pp. 307-312.
3. W.C. Liu and P.C. Kao. CPW-fed Triangular Monopole Antenna for Ultra-wideband Operation // Microwave and Optical Technology Letters. - V. 47. - № 6. - October 2005, pp. 580-582.
4. S.W. Su, K.L. Wong and C.L. Tang. Ultrawideband Square Planar Monopole Antenna for IEEE 802.16a Operation in the 2 to 11 GHz Band // Microwave and Optical Technology Letters. - V. 42. - № 6. - July 2004, pp. 463-466.
5. M.J. Ammann. Control of the Impedance Bandwidth of Wideband Planar Monopole Antennas Using a Beveling Technique // Microwave and Optical Technology Letters, V. 30, № 4, July 2001, pp. 229-232.
6. N.P. Agrawall, G. Kumer and K.P. Ray. Wideband Planar Monopole Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - V. 46. - № 4. - April 1998, pp. 294-295.
7. M.J. Ammann and Z.N. Chen. A Wideband Shorted Planar Monopole with Bevel // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - V. 51. - № 4. - April 2003, pp. 901903.
8. R.B. Waterhouse and D. Novak. Printed Folded Flared Monopole Antenna // Electronics Letters. - V. 42. -№ 3. - February 2006, pp. 141-142.
9. K.P. Ray, Y. Ranga and P. Gabhale. Printed Square Monopole Antenna with Semicircular Base for Ultra-wide Bandwidth // Electronics Letters. - V. 43. - № 5. - March 2007, pp. 13-14.
10. W.S. Chen, K.C. Yang. A Compact CPW-fed Rec-tangle-Trapezoid-Rectangle Shaped Monopole Antenna For Ultra-Wideband Systems // Microwave Journal, 2008. - V. 51. - № 10. - pp. 150-158.
11. G. Kumar, K.P. Ray. Broadband Microstrip Antennas. - Artech House, Inc., 2003.
ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж Воронежский государственный университет
NOVEL COMPACT DART-LIKE ULTRA-WIDEBAND MONOPOLE ANTENNA WITH IMPROVED OMNI-PATTERN AND COPLANAR FEED
E.S. Makarov, G.K. Uskov
New construction of printed coplanar-fed monopole for frequency range 3.1-10.6 GHz is presented in this paper. Proposed antenna is small and its beampatterns are almost omnidirectional in H-plane due to 3D dart-like structure. The presented antenna may be produced in printed board technology to reduce cost. Correlation analysis of input and output pulses is carried out
Key words: ultra-wideband antennas, compact antennas
