CC BY
95
УДК 396.621.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ СБОРА ЭНЕРГИИ Е.В.Кузьмин, С.В.Платонов*, И.М.Юхно, М.А.Хаванова MODELING OF AN ANTENNA ARRAY FOR ENERGY HARVESTING DEVICES
E.V.Kuz'min, S.V.Platonov*, I.M.Iukhno, M.A.Khavanova
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород
Приведен расчет антенной решетки с воздушным диэлектриком для системы сбора радиочастотной энергии. Рассчитан четвертьволновый трансформатор антенной решетки, обеспечивающий согласование между собой линий передачи с различными волновыми сопротивлениями. Также в статье произведен расчет делителя мощности для равномерного сбора и распределения мощности сигнала на все четыре излучателя. Для измерения параметров полученной антенны, был разработан стенд, в котором были использованы две установки: ОБЗОР-804 и Siglent АКИП-4205/2.
Ключевые слова: антенная решетка, четвертьволновый трансформатор, полосковая антенна, делитель мощности
This paper is devoted to the radiofrequency energy harvesting system modeling. The system is realized on the base of aerial antennas array. A quarter-wave antenna array transformer for matching transmission lines with different wave resistances is evaluated. Calculation of the power divider for equal collection and distribution of the signal power to all four radiators is also performed in the article. There is designed a stand for measuring the antenna parameters, which uses two measuring installations: vector analyzer circuits ОБЗОР-804 and spectrum analyzer АКИП-4205/2.
Keywords: antenna array, quarter-wave transformer, patch antenna, power divider
Вступление
Энергосбережение приобрело актуальность в условиях растущего дефицита электроэнергии для питания большого числа электрических и электронных систем.
Устройства сбора энергии — новое направление в электронике, актуальное для тех систем, эксплуатацию которых замена батарей осложняет, особенно в тех случаях, где требуется непрерывная работа датчиков в недоступном для человека месте [1]. Концепция устройств сбора энергии основана на ис-
V
Генера ПУ Аттеню Усили
тор —► —► атор —► тель
О V
Детек Конве
тор —► ртер
Рис.1. Структурная схема экспериментальной установки
пользовании доступных видов энергии — механической, тепловой, оптической, жидкостной, радиочастотной. Сбор энергии из окружающей среды, запасание и использование ее для питания компонентов позволяет питать беспроводные сенсорные узлы и другие компоненты вне срока службы/питания от батарей, повышать доступный выход мощности для двигателей и приводов.
В настоящий момент имеется большое количество типов антенн, но наилучшими параметрами обладают антенны, построенные по принципу антенных решеток.
Цель исследования, проводимого в данной работе, — разработать узконаправленную антенную решетку для работы системы сбора СВЧ энергии на небольших расстояниях.
1. Система сбора радиочастотной энергии
Разработанная и исследуемая система передачи — сбора радиочастотной энергии состоит из генератора, предварительного усилителя (ПУ), аттенюатора, усилителя, передающей и приемной антенн, детектора и конвертера RF в DC. Структурная схема данной системы показана на рис. 1 [2].
Для формирования сигнала на входе используется генератор ZX95-253C+, при напряжении питания которого в 5 В мощность на выходе составляет 3,71 мВт. Для получения необходимого уровня сигнала на передающей антенне в схему был включен усилитель мощности ZX60-272LN с коэффициентом усиления 14 дБм. В качестве детектора излучения в схеме был применен смеситель ZX05-43MH+S, имеющий потери преобразования в сигнал на частоте 2440 МГц равные 5,12 дБ. Для передачи сигнала были использованы пять типов антенн. По результатам измерений наибольшее расстояние передачи энергии было получено с параболической антенной. Данная система может передавать энергию на расстояние около 910 см с потенциалом на конечном преобразователе около 20 мВ. Частота генерации была равна 2,44 ГГц.
2. Проектирование антенной решетки
На рис.2 показано схематичное изображение антенной решетки из четырех излучателей.
Излц чате ль 14 шт.!
^заземления
Диэлектрик /
Рис.2. Антенная решетка
Проектирование антенной решетки начинается с разработки одиночного излучателя. Необходимо убедиться, что излучатель имеет достаточный уровень КСВ и коэффициента усиления во всем рабочем диапазоне частот. В статье [1] мы уже разработали излучатель для нужной нам частоты с приведенными характеристиками. А в статье [3] была приведена диаграмма направленности полученного излучателя.
В качестве излучателей проектируемой антенной решетки были выбраны полосковые антенны. Они являются узкополосными. В качестве диэлектрика используется стеклотекстолит. Антенная решетка выполнена по схеме с воздушным диэлектриком.
Структурно, как видно из рис.3, антенная решетка состоит из двух печатных плат, расположенных на расстоянии d друг от друга. В качестве диэлектрика между платами используется воздух. На верхней плате расположен непосредственно излучатель, который излучает и принимает сигналы нашего Wi-Fi диапазона. На второй, нижней, плате расположена пластина заземления, в этом главное отличие конструкции данного излучателя от того, который описан в [3]. В предыдущей конструкции пластина заземления расположена с другой стороны печатной платы излучателя, здесь же между ними находится
Рис.3. Полосковая антенна
воздух. Это позволяет существенно расширить рабочую полосу частот антенны. СВЧ-энергия подводится и отводится от излучателя с помощью проводника, который соединяет обе печатные платы.
Параметры А и В определяют размеры излучателя. Они влияют в первую очередь на резонансную частоту излучателя. В результате расчетов получилось, что резонансная частота соответствует требуемой при Л = B = 41 мм.
Параметр Н — это толщина печатной платы. Поскольку у нас в роли диэлектрика выступает воздух, то этот параметр минимизирован для снижения потерь СВЧ энергии в диэлектрике. Однако его нельзя делать слишком тонким: должна обеспечиваться необходимая жесткость конструкции. Кроме того, производитель печатных плат должен иметь возможность изготовить печатную плату данной толщины. Исходя из всех этих особенностей, была выбрана толщина печатной платы Н = 1,6 мм. Экспериментальный образец излучателя показан на рис.4.
Рис.4. Экспериментальный образец излучателя
Параметр d — это расстояние между двумя печатными платами антенной решетки, или, с другой стороны, толщина воздушного диэлектрика. При увеличении этого параметра увеличивается полоса частот антенной решетки, но до определенного предела, после которого падает коэффициент усиления.
Величина p — это сдвиг точки подвода питания относительно центра излучателя. Этот сдвиг влияет на входное сопротивление антенны. Использованные в антенной решетке излучатели, настроены на входное сопротивление 100 Ом. Данное сопротивление было получено при p = 17 мм.
Исходя из этого, получаем, что конструкция антенны с воздушным диэлектриком обладает следующими преимуществами: во-первых, большой коэффициент усиления излучателя, а во-вторых — более широкая рабочая полоса частот.
3. Описание конструкции антенной решетки
Эскиз антенной решетки представлен на рис.5.
Антенная решетка состоит из двух печатных плат, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. На верхней печатной плате находятся 4 излучателя. На нижней плате расположены пластина заземления и делитель мощности. Между платами находится воздух.
Принцип работы данной антенной решетки заключается в следующем: СВЧ-энергия сигнала Wi-Fi принимается излучателями. Затем через проводник энергия передается на входы делителя мощности, который расположен на нижней плате. Делитель мощности суммирует между собой энергию со всех четырех выходов и направляет ее к СВЧ-разъему.
Рис.5. Эскиз антенной решетки (вид сбоку, вид сверху и вид снизу)
Рис.6. Основные размеры антенной решетки
/¡иная передачи с сопротивлением 20
Четбертьдолнобыи трансформатор /¡иная передачи с сопротивлением 7/
¡¡излектрик Пластина заземления
Рис.7. Четвертьволновый трансформатор
Антенная решетка делается из нескольких излучателей для повышения коэффициента усиления, т. е. чем больше излучателей в решетке, тем больше коэффициент усиления антенны. Данная антенная решетка будет состоять из 4 излучателей.
Размеры, указанные на рис.6, приведены в
табл.1.
Таблица 1
Размеры антенной решетки
Параметр А В Н d Р С D Е G
Величина, мм 41 41 1,5 8 17 195 235 100 100
В таблице параметры Л, В, Н, d, р были определены, когда мы выбирали тип излучателя для нашей решетки. Все расчеты были выполнены по формулам, приведенным в книге [4].
Расстояние между излучателями после подбора получилось равное 100 мм, т. е. С = D = 100 мм. Теперь последние неопределенные величины Е и G. В данном случае размеры платы можно оценить, исходя из простого эмпирического условия: С > Е + 2Л, D > G + 2В. Для данной платы были выбраны следующие размеры сторон антенны: С = 195 мм, D = 235 мм.
4. Делитель мощности
Основная задача делителя мощности — собирать мощность с четырех элементов антенной решетки в один коаксиальный кабель при работе на прием и разделять мощность, приходящую из кабеля, на четыре излучателя при работе на передачу. В СВЧ диапазоне обязательно согласование волновых сопротивлений линий. Длина линий передачи от точки подключения СВЧ-разъема до точек подключения должна быть одинаковой для всех излучателей. Для выполнения этих условий был сделан симметричный делитель мощности.
Волновые сопротивления должны быть согласованы. Это является главным условием того, что вся мощность будет передаваться от источника в нагрузку. Так как линия передачи имеет сопротивление 50 Ом, а излучатель — 100 Ом, то используем четвертьволновый трансформатор.
4.1. Четвертьволновый трансформатор
Четвертьволновый трансформатор изображен на рис.7.
Необходимо согласовать между собой две линии передачи с различными волновыми сопротивлениями Z0 и Волновые сопротивления линий передачи на печатной плате зависят от их ширины, а также от толщи-
ны печатной платы. Чтобы согласовать их с помощью четвертьволнового трансформатора, необходима третья линия передачи длиной в одну четверть рабочей волны. Волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора рассчитывается как среднее геометрическое волновых сопротивлений линий передачи:
■^гранс. = 4¿0 * ¿1. (1)
Необходимо согласовать две линии передачи, которые имеют волновые сопротивления 50 Ом и 100 Ом. Рабочая частота равна 2,44 ГГц. Толщина печатной платы равна 1,5 мм, материал диэлектрика — фольгированный стеклотекстолит.
С помощью программы рассчитали, ширину линий передачи, обладающих сопротивлениями 50 Ом и 100 Ом. Результаты расчетов приведены на рис.8 и 9.
И
Рис.8. Волновое сопротивление 50 Ом (ширина дорожки 3 мм)
Рис.9. Волновое сопротивление 100 Ом (ширина дорожки 0,65 мм)
Волновым сопротивлением в 50 Ом обладает линия передачи шириной в 3 мм, а волновым сопротивлением в 100 Ом — линия передачи шириной в 0,65 мм. Необходимо согласовать эти две линии. Требуемое сопротивление четвертьволнового трансформатора согласно формуле (1) равно
г ^н,. =7100*50 = 71 Ом. (2)
В результате расчетов с помощью программы получили, что линия передачи на печатной плате с таким волновым сопротивлением должна иметь ширину примерно 1,6 мм (рис.10).
Рис.10. Волновое сопротивление 71 Ом (ширина линия передачи 1,6 мм)
Рассчитаем длину четвертьволнового трансформатора. С учетом длины волны в диэлектрике получаем
г 14 мм. (3)
1 с 1 3*10
т=—*-=—*-
4 f 4 2,44 *109 *л/4з
*10 *
Полученный результат показан на рис. 11.
4.2. Расчет делителя мощности антенной решетки
На рис. 12 приведен эскиз делителя мощности и обозначены размеры. В табл.2 приведены параметры делителя мощности.
Таблица 2
Параметры делителя мощности
Параметр а t2 t3 X У т
Величина, мм 0,65 1,6 3 100 26 12
Рис.11. Четвертьволновый трансформатор 50-100 Ом
В центре делителя мощности размещается СВЧ-разъем антенны, к которому будет подсоединяться коаксиальный кабель. Сопротивление коаксиального кабеля равно 50 Ом. От этой точки влево и вправо отходят две линии передачи. Для полного согласования они должны иметь волновые сопротивления по Z0 = 100 Ом. Ширину линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом мы рассчитали выше, она у нас получилась равной ^ = 0,65 мм. Данные линии передачи с сопротивлением по 100 Ом, включенные параллельно, дадут нам 50 Ом и обеспечат согласование.
Входное сопротивление одиночного полоско-вого излучателя равно 100 Ом, т. е. от каждого излучателя будут отходить линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом. Точки подключения излучателей отмечены на рис.12 соответствующими обозначениями. Две линии передачи от излучателей соединяются в одну точку А. Далее к точке А подключен четвертьволновый трансформатор. Длина этих двух четвертьволновых трансформаторов равна четверти длины волны в диэлектрике и равна 12 мм. Затем рассчитали и получили X = 100 мм, У = 26 мм, это необходимо для соединения делителя мощности с излучателями.
5. Платы антенной решетки
Антенная решетка состоит из двух печатных плат (рис.13). Топология данных печатных плат была реализована с помощью программного продукта 8рйП;^ауоШ;50. Затем рисунок топологии выжигался на текстолите с помощью лазерной установки LPKF ProtoLaser Ш. Данная антенна обладает вертикальной поляризацией.
К потчц №1
К потчд №2
/ /
<\|
У
К патчу №3
$МА - разьем
К патчу ■
Отверстия под заземление
Рис.12. Делитель мощности данной антенны
Рис.13. Платы антенной решетки
Замеры параметров данной антенной решетки проводились на двух установках: ОБЗОР-804 и SIGLENT АКИП-4205/2. Для измерения диаграммы направленности был разработан и собран стенд, состоящий из измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения (ИККПО) «0бзор-804» в первом случае (во втором случае SIGLENT АКИП-4205/2), градуированной шкалы, на которую крепилась измеряемая приемная антенная решетка. Также к ИККПО была подключена приемная дипольная антенна (Антенна А1 типа TP-LINK TL-ANT2408CL) (рис.14).
А1
Рису.14. Схема для измерения диаграммы направленности
На передающую антенну подавался сигнал мощностью 10 мВт на частоте 2,44 ГГц. Градуированную шкалу и закреплённую на ней передающую антенну располагали на расстоянии 2 м от приёмной антенны. С помощью градуированной шкалы проводилось измерение коэффициента направленного действия (КНД), изменяя угол расположения передающей антенны по отношению к приемной с шагом в 10 градусов. Полученные диаграммы направленности представлены на рис. 16.
6. Результаты эксперимента
Итак, на рис.15 приведен график зависимости 511 от частоты для получившейся антенной решетки, на рис.16 — диаграмма направленности антенны на частоте 2,44 ГГц.
По результатам анализа полученных графиков рабочая полоса частот данной антенной решетки получилась от 2,35 ГГц до 2,55 ГГц, т. е. получен запас по частотному диапазону по 100 МГц в каждую сторону. Во всем этом диапазоне параметр антенны 511 меньше -12 дБ. Также видно, что на частоте 2,44 ГГц параметр S11 менее -19 дБ.
Рис.15. График зависимости S11 от частоты для антенной решетки
Рис.16. Диаграмма направленности антенной решетки
Диаграмма направленности антенны однолепе-стковая и имеет небольшие боковые лепестки, ширина диаграммы направленности меньше 30°, что гово-
рит об узконаправленности антенны. Кроме того, данная антенная решетка обладает вертикальной поляризацией.
Заключение
В статье приведены результаты расчета и моделирования полосковой антенной решетки с воздушным диэлектриком. Для проведения моделирования выбрана полосковая антенная решетка с 4 излучающими элементами. Были рассчитаны размеры и параметры антенной решетки, также был рассчитан четвертьволновый трансформатор для согласования линий передачи с различными волновыми сопротивлениями при создании делителя мощности. В результате проведенного исследования было выявлено, что для данной антенной решетки коэффициент 511 на центральной частоте 2,44 ГГц равен -19 дБ. Исходя из графика зависимости коэффициента 511 от частоты, получено, что данная антенная решетка обладает рабочей полосой частотой от 2,35 ГГц до 2,55 ГГц, т.е. запасом по 100 МГц в каждую сторону. Также данная антенная решетка обладает вертикальной поляризацией и является узконаправленной.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания, проект №11.7069.2017/8,9.
1. Сысоева С.А. Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов // Электронные компоненты. 2011. №6. С.42-45.
2. Кузьмин Е.В., Платонов С.В., Хаванова М.А., Петров Р.В. Система сбора энергии СВЧ диапазона// Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2017. №7(105). С.52-58.
3. Кузьмин Е.В., Платонов С.В., Никитин А.О. и др. Исследование устройства сбора радиочастотной энергии // Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2017. №6 (104). С.63-66.
4. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972. 233 с.
References
1. Sysoeva S.A. Ustroistva dlia besprovodnogo i bezbatareinogo pitaniia avtonomnykh uzlov [Wireless nonbattery power supply devices for self-contained units]. Elektronnye komponenty - Electronic Components, 2011, no. 6, p. 42-45.
2. Kuz'min E.V., Platonov S.V., Khavanova M.A., Petrov R.V. Sistema sbora energii SVCh diapazona [Microwave energy harvesting system]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2017, no. 7(105), pp. 52-58.
3. Kuz'min E.V., Platonov S.V., Nikitin A.O., Khavanova M.A., Petrov R.V. Issledovanie ustroistva sbora radiochastotnoi energii [The study of the radiofrequency energy harvesting device]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2017, no. 6(104), pp. 63-66.
4. Maloratskii L.G., Iavich L.R. Proektirovanie i raschet SVCh elementov na poloskovykh liniiakh [Engineering and design of microwave elements and devices on the basis of strip lines]. Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1972. 233 p.
