CC BY
169
20 декабря 2011 г. 12:23
Как видно, система изображенная на рис. 2 имеет чисто активную входную проводимость. Г1о аналогичному принципу можно построить излучающую систему. состоящую из большего числа микрополосковых резонаторов. Однако это усложнит конструкцию и изготовление антенны, поэтому остановимся на системе из двух резонаторов.
23. Особенности конструкции антенны
Из теории длинных линий [3] известно, что в линии разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение и ток вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом Х/2 (X - ;пина волны в линии). На конце линии имеет место максимум (пучность) напряжения и минимум (ноль) тока. Сечения линии, в которых имеет место минимум (ноль) напряжения называются точками нулевых потенциалов линии (рис 3).
Точки нулевых потенциалов обладают следующим свойством: если в сечениях, соответствующих этим точкам, линию замкнуть накоротко при помощи металлических замыкающих перемычек (рис. 3). то распределение напряжения и тока в лини не изменится. Другими словами, коротко-замыкающие перемычки, помещенные в точках нулевых потенциалов, не оказывают влияния на структуру поля в линии.
Для рассматриваемой системы из двух соединенных между собой микрополосковых резонаторов (рис. 2) положение точек нулевых потенциалов соответствует центрам резонаторов. На рис. 3 положение точек нулевых потенциалов отмечено черными кружками. В этих точках можно установить элементы крепления системы полосковых резонаторов нал экраном, представляющие собой металлические опоры, перпендикулярные плоскости экрана (штыри или винты). Элементы крепления (рис. 4), размещенные в точках нулевых потенциалов, не будут оказывать влияния на структуру электромагнитного поля в микронолосковом резонаторе, это значит, что они не будут влиять на характеристики излучения антенны.
СЕ
; аа ; д/« |я/« } д/< |ла 1 лл !
’ К'О» Г и
Л и маї/
И и -А \
1 / П4^ і /|\^/^\ ! !
■ \ Т ; : / Течь* ■> шил ■■тгвнва «л* '
} І I
п Т I 1
■ Напряжение Ток
, Напряжение Ток
Рис. 3. Распределение напряжения и тока в лмннн разомкнутой на конце. Расположение короткою мы кающих перемычек в точках нулевых потенциалов
Такой способ крепления микрополосковых резонаторов к рефлектору позволяет обойтись без диэлектрической подложки. Отсутствие диэлектриков в конструкции антенны дает следующие преимущества.
Во-первых, это повышает коэффициент направленного действия (КНД) антенны, так как высокие значения диэлектрической проницаемости подложки
уменьшают размеры резонатора, что приводит к снижению направленности.
Во-вторых, отсутствие диэлектрика повышает КПД антенны, поскольку потерн в микрополосковых антеннах в основном определяются потерями в диэлектрической подложке.
В-третьих, при є, - I добротность резонатора меньше чем при Сг > 1, так как электромагнитное поле в основном концешрируется в диэлектрике, поэтому из-за отсутствия диэлектрика уменьшается количество энергии, запасенное в резонаторе, т.с. уменьшается его добротность, меньшей добротности соответствует более широкая полоса частот антенны.
Рис. 4. Система из двух микрополосковых резонаторов
без диэлектрика
И. наконец, в-четвертых. а1гтснна оказывается замкнутой по постоянному току благодаря наличию металлических короткозамыкающих перемычек, что обеспечивает антенне необходимую 1розозашиту.
Таким образом, при расчете антенны, во всех формулах в которые входит диэлектрическая проницаемость ПОДЛОЖКИ, МОЖНО ПОЛОЖИТЬ Е, I (е, - I). То
есть, мы будем рассчитывать микрополосковый резонатор с воздушным заполнением на центральной частоте рабочего диапазона / = 2450 МГ ц (длина волны X * Ао * 122,45 мм)
2.4. Расчет конструкции ашеннои решетки
В конструкции антенны предполагается использовать решетку, состоящую из четырех микрополосковых резонаторов без диэлектрической подложки. Элементы решетки будут соединены с питающим фидером параллельно с помощью подводящих полосковых линий, имеющих ширину полоски н’о. Для согласования антенны с питающим фидером необходимо чтобы входное сопротивление антенны было равно волновому сопротивлению питающего коаксиального фидера, которое в нашем случае составляет 50 Ом. Поскольку мы имеем дело с параллельным соединением волновых сопротивлении двух полосковых линий, то волновое сопротивление одной подводящей линии должно быть равно
= 2-50 Ом = 100 Ом. По известному значению волнового сопротивления можно найти ширину полоски.
В (4] приведена формула для расчета относительных размеров МИЛ по заданному значению волнового сопротивления линии:
»•/ Л = 6411 - [ 1,0455 - 0.0512 • 60»/(г, ])'' {.
(5)
и•/А = 2! схр|г.„/бо|-(ехр|/!,^ё, „/зо)-*) ,.
*.>■
гдс £, *, = 0.2775 + 0.772с, ■
Т-Сотт, #8-2011
121
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
: 200 Ом.
При Z. = 100 Ом И при £, ~ 1 (Є, 4* * I, с, 44 = 1.0495 ) по формуле (2.5) можно найтн относительную ширину полоски нолводяшей линии (рис. 2): Wo/h ■ 1,578.
Ширину олнночного резонатора и- найдем из условия согласования волновою сопротивления подводящей линии (Z. = 100 Ом) с входным сопротивлением системы из двух микрополосковых резонаторов (рис. 2). Система имеет чисто активную входную проводимость. которая определяется по формуле (4). В результате получаем
™ I 30 к Ж 30 122.45
/. и » , откуда и- * _ * * 37 мм.
* и- ' 100
Ширину полоски и’|, соединяющей два резонатора в системе (рис. 2). найдем из условия согласования волновою сопротивления соединительной линии с входным сопротивлением одиночною резонатора шириной и, который имеет чисто активную входную проводимость, определяемую но формуле (2). В результате подучаем
ш I = 60). 60 122.45 .
• = G™ " и- “ 37 8
По известному значению волновою сопротивления соединительной линии, пользуясь формулой (5). можно найти ей ширину. В результате получаем »»’, /А = 0.2636.
Расстояние /; между полосковой линией и экраном примем равным 6 мм. при этом ширина полоски w0 -1.578/ї « 9.5 мм. а ширина w*t = 0.2636Л * 1.6 мм.
Полоска шириной и-, получилась довольно узкая. Поэтому вместо неё можно использовать цилиндрический проводник (проволоку), радиусом а. Волновое сопротивление цилиндрического проводника, расположенною над металлической плоскостью равно половине волнового сопротивления эквивалентной двухпроводной линии с противофазным возбуждением, которое определяется по формуле |4|
If = 120lnl*/o + л/(а7^)5_^Т]= l20arch(A/o) •
По требуемому значению волнового сопротивления линии (Н =■ 400 Ом) можно определить сх‘ относительные размеры:
А/л=сН(117120) = (г* ’=•+«• ' ,*У2=(е“і:*+г
При И = 6 мм. радиус проволоки а = 6/14 * 0.43 мм. диаметр 2а = 0.86 мм.
Длина резонатора / определяется выражением / « X 2±2А/. где А/ - удлинение или укорочение резо-нагора в зависимости от емкостной иди индуктивной реакции его открытого конца. Как следует из формул (1) и (3) реактивная составляющая проводимости резонатора обычно имеет емкостной характер и ее компенсация достигается укорочением хжиы резонатора до значений примерно (0.48 -*• 0,49)Х, где - длина волны на средней частоте диапазона. Дія л а 122.45 мм получаем / * (58.78 + 60.00) мм.
Добротность резонатора определяется по формуле
[4]
Q = c сГшН 4/Л = 3-10* 4-2.45■10’* 0.006 »5,1
Оттюсіттельная ширина патосы частот резонатора рас-счюывастся |4.5) по допустимому значению К« = 1.25 4Г//»(К„-1)/е^кГ-(1^5-1)/У^й5 = 0.044(4,4%) Поскольку’ относительная ширина рабочего диапазона аігтенньї (2.4...2,5 ГГц) составляет (0.1/2.45)* 100%
= 4%, то можно сказать, что в пределах рабочего диапазона частот значение КСВ не превышает 1.25.
Рис. 5. Решетка нт четырех полосковых рею на торов
Па рис. 5 изображена решетка из четырех полосковых резонаторов.
2.4. Направленные свойства антенны
При элементарном подходе диаірамма направленности (ДН) прямоугольною микрополосковою резонатора в плоскости Н (плоскости Х02 на рис. 2.1) эквн-валентна диаграмме щели дій ной и\ прорезанной в плоском проводящем экране н имеющей равномерное распределение ноля. В плоскости Е(плоскости YOZ на рис. 2.1) излучение микрополосковою резонатора определяется как излучение двух таких щелей, разнесенных на длину резонатора /.
ДН двух отверстий, разнесенных на расстояние /„ имеет следующий вид |3, 5|:
в плоскости Н
2cos0
Jcos: 0 + [і • ctg( h) j; ^ArivsinO
в плоскости Е
2 cos О cos I
F,{ 0) =
I ^ A/sinoj
^/4* +[е, сояО-^ЦЛЛ)] 5 где 4 = ^е, -Бт:0: к = 2л/Х; е, - относительная диэлектрическая проницаемость матсриата подложки: угол 0 отсчтывается от нормаш к плоскости излучателя (от оси 2 на рис. 1).
На рис. 6 приведены расчетные ДМ прямоугольного микрополосковою рсюнатора в плоскостях // и Е. Расчет произведен на средней частоте рабочею диапазона антенны (/■ 2,45 ГГц) при е, I. дтя резонатора со следующими размерами и’ = 37мм. / = 60 мм. И = 6 мм.
Следует обратить внимание на спад уровня излучения резонатора в плоскости Е при углах, близких к 90°. При элементарном рассмотрении излучения микропо-лоскового рсюнатора этого явления установить не удается.
КПД полоскового рсюнатора можно определить по формуле о = • Ьн . где О/ и О/, - парциальные
КПД игтучателя в плоскостях Е и // соответственно, которые можно найти по известным диаграммам направленности полоскового рсюнатора в соответствующих плоскостях:
о».« = =/ К,
(0)-sin 0 «/О •
122
T-Comm, #8-2011
(</ : л. см. рис 7,6), где X - длина волны на срелнсй частоте диапазона. Мри пом несколько увеличивается ширина главного лепестка Д!I антенны в //-плоскости (рис. 8м) по сравнению с шириной главного лепестка ДН в плоскости Е (рис. Я,6).
В результате элементы антенной решетки будут располагаться не в вершинах квадрата, а в вершинах прямоугольника. вертикальная сторона которого равна длине волны, а горизонтальная несколько меньше (рис. 5).
F,] f (to) sin О
L(0)*sinO
ats-
01
005
014 А
* / \ / \ 1 у\ 012 01 М У \ \ \\
/ \ / \ \ V- *- \ S \ V \ \ \ X V аос 00* (104 002 . 0 *> \ \ \ 1 \ '■ лх V V / \\ I/ / \ V / . . \j\_/. ч \ \ \ \
а) для элемента Рис. 9. Определение КНД графическим методом
Заключение
Рассмотрена антенна, предназначенная для оборудования беспроводных сетей Wi-Fi диапазона 2.4-3.5 ГТп. Антенна представляет собой решетку из четырех излучателей, расположенных над металлической плоскостью (экраном или рефлектором). Элсмсн-том решетки является микрополосковый ипучатель (МНИ), т.е. металлический проводящий прямоугольник. питание к которому подводится несимметричной полосковой линией. В обшем случае МНИ - это отрезок полосковой линии резонансной длины (/ % Х/2), расположенный на диэлектрической подложке, ширина которого (»»• < Х/2) выбирается исходя из требуемой величины входного сопротивления излучателя. Излучение происходит за счет торисвых кромок МПИ шириной и1, возбужденных синфазно.
Язя повышения нанравлснносги излучения используется система, состоящая из двух МПИ. соединенных отрезком полосковой линии. Расстояние между отдельными МПИ в этом случае должно быть равно длине волны X. тогда они будут ихтучать синфазно. а входная проводимость одного излучателя будет пересчитываться к входу другого без трансформации.
В центрах МНИ находятся точки нулевых потенциалов. если в этих точках излучатели прикрепить к экрану при помощи металлических шпилек или винтов, то в конструкции антенны можно обойтись без диэлектрической подложки.
Для повышения направленных свойств антенны в двух плоскостях используется вторая пара МПИ, размещенная рядом с первой и подключенная к пей па-раз лслыю.
Ширина одного МПИ выбрана таким образом, чтобы его входное сопротивление было равно 200 Ом. Тогда входное сопротивление решетки, состоящей из 4-х пара тлел ьно соединенных резонаторов, будет равно 50 Ом. что не гребует специальных согласующих устройств при подключении стандартного коаксиального кабеля.
б) для антенны
Диаграмма направленности одиночного полоскового резонатора в плоскости Н (горизоигазьной плоскости) несколько шире, чем в плоскости Е (вершкальной плоскости). После перемножения диаграммы элемента и множителя системы уровень боковых лепестков в плоскости // окажется выше, чем в плоскости Е. Для того чтобы понизить уровень бокового нхтучения антенны в горизонтальной плоскости и сделать его примерно таким же как в вертикальной плоскости, необходимо уменьшить уровень множителя системы в направлениях. прилегающих к экрану. '>го достигается путем уменьшения расстояния между излучателями в горизоигазьной плоскости (</ 0.817Х), по сравнению
с расстоянием между элементами в вертикальной плоскости («/ = X).
КНД антенны, рассчитывается графическим способом по найденной диаграмме направленности в двух плоскостях и составляет примерно 15.4 дБ.
Геометрические размеры антенны рассчитаны на средней частоте рабочею диапазона 2,45 ГГц. Расстояние между излучателями по вертикали составляет
122.5 мм (длина волны), а по горизонтали 100 мм. Расстояние между экраном и полосковой структурой принято равным 6 мм. Для настройки МНИ в резонанс его длина берется несколько меньше полуволны, т.е. 60 мм. Ширина МПИ с входным сопротивлением 200 Ом равна 37 мм. Размеры экрана выбраны таким образом» чтобы расстояние от центра излучателя до кромки экрана составляло не менее полуволны. Размеры экрана 222,5x245 мм.
Пара резонаторов соединена между собой узкой полосковой линией с волновым сопротивлением 200 Ом. шириной 1.6 мм. К каждой паре резонаторов питание подводится болсс широкой полосковой линией с волновым сопротивлением 100 Ом, ширина которой
9.5 мм
Ширина рабочей полосы частот антенны определяется шириной рабочей полосы одного МПИ, которая по уровню КСВ равному 1,25 составляет около 4% от средней частоты.
124
T-Comm, #8-2011
