CC BY
32УДК 621.396.67
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ АНТЕННЫ С РЕКУРСИВНЫМ ТОПОЛОГИЧЕСКИМ РИСУНКОМ
Драч Владимир Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронных приборов» Калужского филиала ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)».
E-mail: drach@bmstu-kaluga.ru
Мишенев Роман Александрович
магистрант кафедры «Проектирование и технология производства электронных приборов» Калужского филиала ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени
Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)».
E-mail: mishenev.r@yandex.ru
Адрес: 248000, Российская Федерация, г. Калуга, ул. Баженова, д. 2. Аннотация: В настоящее время разрабатывается широкий спектр многофункциональных телекоммуникационных устройств беспроводной связи, имеющих малые массогабаритные характеристики, т.к. это портативные устройства. Одним из важнейших элементов таких устройств является антенна. К антенне предъявляется целый ряд противоречивых требований: широкая полоса частот, компактные размеры, простая технология изготовления, низкая цена, способность работать в нескольких частотных диапазонах и т.п. Одним из перспективных видов сверхширокополосных антенн с высоким коэффициентом усиления являются фрактальные антенны с рекурсивным топологическим рисунком. Цели работы: показать преимущества фрактальной структуры с рекурсивным топологическим рисунком при проектировании сверхширокополосных антенн; промоделировать сверхширокополосную антенну для заданного частотного диапазона. С применением компьютерного моделирования разработана модель фрактальной сверхширокополосной антенны с копланарным волноводом. Получены коэффициент отражения в диапазоне частот 2-20 ГГц и диаграммы направленности в дальней зоне. Предложены различные конфигурации сверхширокополосной антенны с рекурсивным топологическим рисунком и показана возможность ее применения. Промоделированы основные характеристики. Рассмотрены конструктивы с разным количеством шагом итерации.
Ключевые слова: антенна, сверхширокополосный, HFSS, моделирование.
Введение
Развитие систем аэрокосмической гражданской связи, дальней космической связи [1], мобильных сетей пятого поколения (5G) и рост популярности носимых электронных устройств обуславливают интерес к поиску новых конструкций приёмных и передающих антенн. Создаётся огромное количество многофункциональных телекоммуникационных устройств беспроводной связи, имеющих малые массогабаритные характеристики. Такие устройства широко применяются в радарах подповерхностного зондирования, радарах наблюдения сквозь стены, автомобильных радарах, медицинских системах визуализации и системах связи. Наиболее перспективными
являются устройства, совместимые с Bluetooth, Wi-Fi, GSM-стандартами, работающими в беспроводных локальных сетях, а также системах спутниковой и наземной радиосвязи, телевидении (C-, X-, Ku-диапазоны).
Основные научные исследования в области создания сверхширокополосных устройств сосредотачиваются на разработке новых геометрических форм и поиске новых материалов диэлектрической подложки. В качестве диэлектрической подложки в микрополосковых устройствах (антеннах в частности) используется множество различных материалов, как керамических на основе бинарного соединения алюминия с кислородом [2], так и на основе органических соединений. Диапазон зна-
г) д)
Рис. 1. Предлагаемый топологический рисунок антенного устройства (а — первая итерация, б — вторая итерация, в — третья итерация, г — четвёртая итерация, д — пятая итерация)
чений диэлектрической проницаемости лежит в очень широких пределах, но наиболее часто применяются материалы с диэлектрической проницаемостью 2-20 [3].
Раньше, ввиду высокой рентабельности конструкции, микрополосковые антенны использовались совместно с земляным полигоном, действующим как отражатель [4-5]. Такие антенны использовали канонические формы излучающего элемента: треугольные, прямоугольные, круглые и т.д.
В современных беспроводных системах все чаще применяются антенны с излучающим элементом, выполненным в виде сложной иррегулярной структуры, которые не описываются правилами евклидовой геометрии. Ключевыми преимуществами так называемых
фрактальных антенн являются их улучшенные широкополосные характеристики и пассивность к частотам нерабочего диапазона [6].
Моделирование сверхширокополосной антенны
Фрактальная антенна с шестиугольным излучающим элементом уже рассмотрена в [7]. В данной статье рассматривается подобный конструктив с дополнительной пятой итерацией и возможностью использования такого решения на частотах выше 5 ГГц.
Предлагаемый топологический рисунок излучающего элемента (ИЭ) представлен на рис. 1, на котором показаны шаги итерации при последовательном приближении к результирующей геометрии. Как видно из рис. 1, ан-
тенна представляет собой структуру, образованную из шестиугольников.
Вместе с излучающим элементом, на рис. 1 показаны поверхности нулевого потенциала (плоскости «земли» или ПЗ), расположенные симметрично относительно копланарного волновода.
Моделирование антенного устройства и численные эксперименты произведены с помощью САПР ANSYS Electronics Desktop с интегрированным модулем анализа сложных элементов ВЧ/СВЧ-схем HFSS. Излучающий элемент, центральный проводник (ЦП) и плоскость земли размещены на лицевой стороне диэлектрической подложки толщиной 1,6 мм с габаритными размерами 24^26 мм. При этом расстояние «ПЗ — ЦП» и «ПЗ — ИЭ» приняты равными 0,5 и 1 мм соответственно. В качестве материала подложки выбран стеклотекстолит FR4 со значением диэлектрической проницаемости 4,4. Значения остальных параметров, используемых в процессе моделирования, представлены на рис. 2.
Ширина центрального проводника рассчитана исходя из величины волнового сопротивления Z = 50 Ом. Известно, что антенны с очень широкой полосой и копланарным волноводом имеют хорошую диаграмму направленности, пригодную для широкополосной передачи [8].
Излучающий элемент возбуждается при помощи копланарного волновода, состоящего из центрального проводника, плоскости земли и расположенного перпендикулярно ему копланарного волноводного порта, как показано на рис. 3.
Рис. 4 иллюстрирует динамику изменения коэффициента отражения от входа. Введение пятой итерации приводит к возникновению четырёх резонансных частот: 6,2 ГГц; 10,1 ГГц; 13,1 ГГц; 16,5 ГГц. Соответствующие этим значениями полосы пропускания:
«а
2i
R1
R5
R1/R2/R3/Ri/R5=5.75/i.3/3A/2A/1.7 !мн/ г 1/г2/r3/ri/r5=t3/3.3/,2.5/1.8/1.3 {мм)
Рис. 2. Параметры топологического рисунка
2,9 ГГц; 2,8 ГГц; 1,8 ГГц; 4,2 ГГц измерены относительно эталонной линии -10 дБ. Значения коэффициента отражения для резонансных частот: -33,09 дБ; -20,1 дБ; -14,7 дБ; -32,4 дБ.
Диаграммы направленности в дальней зоне для четырёх резонансных частот в плоскостях Е и Н представлены на рис. 6.
Можно заметить, что для всех резонансных частот излучение в Н-плоскости почти всенаправленно. На частотах 6,2 ГГц и 10,1 ГГц наблюдается стабильная диаграмма направленности в Е-плоскости.
Излучающий
ЭЛЕМЕНГП
Центральный пробойник коплонарного болнойойа
Копланарный болнойойный порт
Подложка
Плоскость ЗЕМли коплонарного йолнойоЭа
Рис. 3. Структура предлагаемого антенного устройства
0.00
-5.00
-10.00
Р-15.00 со
Ш-20.00 -25.00 -30.00
-35.00
y
\
\
\ l
\ / \
\ / \
1 / l
/ \
1 1
1 \
1 1
1
— Curve Info
— - dB(S(1,1)
II
2.00 4.00
¡.00
8.00
10.00 12.00 Freq [GHz]
14.00 16.00 18.00 20.00
Рис. 4. Динамика изменения коэффициента отражения от частоты
Стабильность диаграммы направленности позволяет рекомендовать к применению предложенный вариант для работы
в системах наземной и спутниковой радиосвязи на частотах выше 5 ГГц.
Выводы
В статье рассмотрена сверхширокополосная антенна с рекурсивной топологией на базе шестиугольника, описана область применения и построена компьютерная модель, учитывающая пять шагов итераций. Основные параметры антенны были получены с использованием САПР ANSYS Electronics Desktop.
Простота исполнения и стабильность диаграммы направленности позволяют рекомендовать применение антенны в C, X и Ku- диапазонах.
Несомненными преимуществами данной антенны являются компактность, простота изготовления, низкая себестоимость, гибкость применения в сверхширокополосных прикладных задачах. Результаты моделирования показали, что рассматриваемая антенна обладает хорошей направленностью и коэффициентом усиления по сравнению с обычной патч-антенной.
В качестве дальнейшего развития работы планируется исследование влияния различных диэлектрических материалов, в том числе подложек фирмы Rogers на электрофизические свойства антенны, а также анализ диссипатив-ных потерь в излучающем элементе
Литература
1. Антипенко О.В., Дубинина М.С., Ловецкий Г.И., Рыжов С.В., Сиркели А.И. Техника и технология космической связи: методология исследо-
Поступила 11 октября 2021 г.
ваний // Электронный журнал: наука, техника и образование. 2017. № СВ2 (13). С. 225-230. URL: http://nto-iournal.ru/uploads/articles/1985605f7b45 f0a41d8320dd8a9f003a.pdf (дата обращения 10.11.2021)
2. Симин А., Холодняк Д. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига [Электронный ресурс] // Компоненты и Технологии. 2005. №49. URL: https://kit-e.ru/svch/integralnye-shemy-sverhvysokih-chastot-svch/ (дата обращения: 10.11.2021).
3. Абдрахманова Г.И., Багманов В.Х. Сверхширокополосная антенна на основе фрактальных структур // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т.3 №3. С. 52-59.
4. Romeu J., Soler J. Generalized Sierpinski fractal multiband antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2001. V.49. No. 8. Pp. 1237-1239.
5. Krzysztofk W.J. Take advantage of fractal geometry in the antenna technology of Modern Communications // 11th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services (TELSIKS). 2013. Pp. 419-428.
6. Потапов А.А., Матвеев Е.Н. Фрактальная электродинамика, скейлинг фрактальных антенн на основе кольцевых структур и мультимасштабные частотно-избирательные 3Б-среды или фрактальные "сэндвичи": переход к фрактальным наноструктурам. Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 10. С. 1157-1177.
7. Yogaprasad K., Anitha V.R. CPW Fed Hexa-to-Hexa Fractal Antenna for Multiband Applications // Microelectronics, Electromagnetics and Telecommunications. Springer Singapore: Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 655. Pp. 277-283.
8. Хабаров А. Компактная антенна WI-MAX/WLAN // Электронные компоненты. 2014. №8. C. 22-24.
English
SIMULATION OF ULTRABROADBAND ANTENNA WITH RECURSIVE TOPOLOGY-BASED DESIGN
Vladimir Evgenyevich Drach — PhD, Associate Professor, Kaluga Affiliated Branch of "Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)". E-mail: drach@bmstu-kaluga.ru
Roman Aleksandrovich Mishenev — Graduate Student, Kaluga Affiliated Branch of "Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)". E-mail: mishenev.r@yandex.ru
Address: 248000, Russian Federation, Kaluga, Bazhenov str., 2.
Abstract: The development of aerospace civil communication systems, deep-space communication, 5G (the fifth generation) mobile networks, popularity rise of wearable electronic devices contribute to increasing demand level for inexpensive broadband printed antennas that can operate in a few frequency bands. One of
the advanced types of ultrabroadband high-gain antennas are fractal antennas with recursive topology-based design, which are not described as per Euclidean geometry principles. Key benefits of so-called fractal antennas are their improved broadband response and passivity to frequencies of non-operational range. The paper proposes various configurations of ultrabroadband antenna and possibility of its application. Key features are simulated and dynamic pattern of frequency-dependent reflection factor is analyzed. Constructs with different numbers of iteration step are proposed. Antenna basic parameters were calculated using ANSYS Lectron-icsDesktop CAD. Implementation simplicity and antenna diagram stability enable to regard its operational use in C, X and Ku bands.
Keywords: antenna, ultrabroadband, HFSS, simulation.
1. Antipenko O.V., Dubinina M.S., Lovetsky G.I., Ryzhov S.V., Sirkeli A.I. Technology and technology of space communication: research methodology // Electronic journal: Science, Technology and education. 2017. No. SV2 (13). Pp. 225-230. URL: http://nto-iournal.ru/uploads/articles/1985605f7b45fDa41d8320dd8a9fD03a.pdf (access date 15.04.2021)
2. Simin A., Kholodnyak D. Multilayer integrated circuits of ultrahigh microwave frequencies based on ceramics with a low firing temperature [Electronic source]. Components and Technologies. 2005. No.49. URL: https://kit-e.ru/svch/integralnye-shemy-sverhvysokih-chastot-svch (access date 04.15.2021).
3. Abdrakhmanova G.I., Bagmanov V.H. Ultra-broadband antenna based on fractal structures. Elektrotehniches-kie i informacionnye kompleksy i sistemy. 2013. Vol. 3. No. 3. Pp. 52-59.
4. Romeu J., Soler J. Generalized Sierpinski fractal multiband antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 49. No. 8. Pp. 1237-1239.
5. Krzysztofik W.J. Take advantage of fractal geometry in the antenna technology of Modern Communications. 11th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services (TEL-SIKS). 2013. Pp. 419-428.
6. Potapov A.A., Matveev E.N. Fractal electrodynamics, scaling of fractal antennas based on ring structures and multiscale frequency-selective 3D media or fractal "sandwiches": transition to fractal nano-structures. Radiotehnika i elektronika. 2010. Vol. 55. No. 10. Pp. 1157-1177.
7. Yogaprasad K., Anitha V.R. CPW Fed Hexa-to-Hexa Fractal Antenna for Multiband Applications. Microelectronics, Electromagnetics and Telecommunications. Springer Singapore: Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 655. Pp. 277-283.
8. Khabarov A. Compact WI-MAX/WLAN antenna. Elektronnye komponenty. 2014. №8. Pp. 22-24.
