Влияние двухслойной подложки на характеристики микрополосковых антенн Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ ДВУХСЛОЙНОЙ ПОДЛОЖКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

Ястребцова Ольга Игоревна,

МТУСИ, Москва, Россия, yastrebtsova@rambler.ru

Чебышев Вадим Васильевич,

МТУСИ, Москва, Россия, tedia@mtuci.ru

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10129

Ключевые слова: антенны, микрополосковые антенны, поверхностные волны, многослойные среды, MIMO.

Рассматривается возможный метод решения одной из основных проблем микрополосковых антенн - возбуждение поверхностных волн. Рассматриваемый метод заключается в использовании двухслойной диэлектрической подложки вместо одного слоя диэлектрика, используемого обычно.

Приводятся полученные условия, которым должны удовлетворять параметры диэлектрических слоев для одновременного ограничения возбуждения поверхностных волн как электрического, так и магнитного типов.

Для выявления последствий перехода от однослойной подложки к двухслойной не только с точки зрения возбуждения поверхностных волн, но и с точки зрения характеристик самих микрополосковых антенн, эти условия были применены к существующей антенне. Выбранная антенна позволяет использовать ортогональные поляризации и может являться базовым элементом для создания антенн, работающих в нескольких диапазонах частот. Переход от однослойной подложки к двухслойной был осуществлен путем добавления поверх излучателя дополнительного слоя диэлектрика, параметры которого позволяют обеспечить одновременную отсечку поверхностных волн электрического и магнитного типов. При этом сохранились основные размеры исходной антенны, что представляется удобным при проектировании. В результате осуществленного перехода ключевые параметры, в том числе полоса согласования, улучшились. Подтверждение отсутствия поверхностных волн в измененной конструкции было доказано путем нахождения S-параметров для двух излучающих элементов, расположенных на расстоянии половины длины волны друг от друга. Анализ подтвердил уменьшение взаимодействия предлагаемых элементов по сравнению со случаем двух исходных элементов. Кроме того, был определен один из параметров, характеризующий возможность использования такого элемента в составе антенной системы, работающей в режиме MIMO, - коэффициент корреляции двух излучающих элементов. В пределах рабочей полосы при использовании двухслойной подложки произошло снижение уровня корреляции. Сравнительный анализ подтвердил положительное влияние, оказываемое на рассмотренные характеристики переходом к двухслойной подложке, что свидетельствует о целесообразности применения полученных условий отсечки поверхностных волн при проектировании микрополосковых антенн.

Информация об авторах:

Ястребцова Ольга Игоревна, магистрант кафедры ТЭДиА МТУСИ, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия

Чебышев Вадим Васильевич, зав. кафедрой ТЭДиА МТУСИ, д.т.н., профессор, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия

Для цитирования:

Ястребцова О.И., Чебышев В.В. Влияние двухслойной подложки на характеристики микрополосковых антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №8. С. 32-37.

For citation:

Yastrebtsova O.I., Chebyshev V.V. (2018). Impact of a two-layer dielectric structure on the microstrip antenna characteristics. T-Comm, vol. 12, no.8, pр. 32-37. (in Russian)

Одним из основных факторов, который необходимо учитывать при проектировании микрополосковых антенн - это возбуждение поверхностных волн в диэлектрической пол-ложке. Этот вопрос, несмотря на множество имеющихся исследований, до сих пор не потерял своей актуальности. Поверхностные волны негативно сказываются на коэффициенте полезного действия микрополосковой антенны, ухудшают ее частотные свойства, могут привести к деформации диаграммы направленности и, в случае микрополосковых антенных решеток, приводят к значительному взаимовлиянию элементов решетки.

Один слой диэлектрика на проводящем экране, являющийся неотъемлемой составляющей любой микрополосковой антенны, всегда поддерживает поверхностные волны, что следует из известных []] зависимостей замедления поверхностных волн в диэлектрике на проводящем экране от толщины слоя. На рисунке I приведен их вид для поверхностных волн электрического типа при двух разных диэлектрических проницаемостях слоя (ег] = 4,5 и 2,1 на частоте 800 МГц). Из этих зависимостей видно, что низший тип волны Еоо возбуждается при сколь угодно тонкой подложке. Следующий тин волны, 1^2.0? имеет критическую частоту и не возбуждается при подложке, толщина которой меньше некоторой величины, определяемой диэлектрической проницаемостью слоя.

-----i =2.1 Ё

п о

-----. =2,1 Е,

.( . =4.5 Ё

оо

.г =4.5 Е„„

ft 40

=4.5 Е

rt 60

Рис. 1. Зависимости замедления поверхностных волн Электрического типа в однослойной среде на проводящем экране

Рассмотрев аналогичные кривые для поверхностных волн магнитного типа, можно обнаружить, что низший тип волны. Ни», имеет критическую частоту, что позволяет правильным подбором диэлектрика подложки ограничиться возбуждением только одной поверхностной волны электрического типа.

Таким образом, при проектировании микрополосковой антенны приходится выбирать подложку достаточно тонкой по сравнению с длиной волны для обеспечения одноволно-вог о режима работы для поверхностных волн.

Процесс образования поверхностных волн можно рассматривать не только путем решения однородных волновых уравнений или определения полюсов на комплексной плоскости, но и с точки зрения распространения парциальных волн согласно концепции Бриллюэна [1]. При этом поверхностная волна образуется в том случае, если парциальная плоская волна падает па границу раздела диэлектрик-воздух под углом, превышающим критический. Отсюда можно сделать вывод, что ограничение поверхностных волн должно быть связано с созданием ситуации, ког да никакая парциальная волна не будет падать под критическим углом.

В одном слое диэлектрика это можно реализовать только путем использования в качестве подложки мета материала типа DNG (double negative metamaterial), то есть композитного материала, обладающего одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемое тями.

Иным способом является использование двух слоев диэлектриков в качестве подложки (рис. 2). В литературе имеются упоминания о возможности использования такой структуры для борьбы с поверхностными волнами, так, например, в [2] приводятся результата экспериментов при использовании воздушной прослойки между экраном щелевой антенны и ее укрытием, что можно считать частным случаем двухслойной среды. Микрополосковый излучатель и щель в проводящем экране, если поверх нее имеется слой диэлектрика, оба возбуждают поверхностные волны как электрического, так и магнитного типов, поэтому упомянутые результаты применимы н для микрополосковых излучателей. В работах [3, 41 приведен метод численного анализа микрополосковых излучающих структур в многослойных средах и результаты его применения для тонких ленточных проводников и спиралей, согласно которым свойства излучателей улучшаются при некоторых соотношениях параметров слоев, что связано с подавлением поверхностных волн.

"i

Я,

7777777777777;

экран

Рис. 2. Двухслойная диэлектрическая среда на проводящем экране

Учитывая это, представляется целесообразным точно определить условия, накладываемые на параметры слоев, при которых становится возможным ограничить возбуждение поверхностных волн. Для этого был выбран метод (метод решения однородного волнового уравнения с учетом граничных условий), не учитывающий топологию микрополос-кового или щелевого излучателя, что позволяет в дальнейшем использовать полученные условия, не накладывая ограничений на геометрию и способ возбуждения излучателя.

В случае двухслойной среды возникает две границы разделов диэлектриков, причем проблему падения парциальной волны под критическим углом для внутренней границы легко решить, взяв верхний слой диэлектрика с большей диэлектрической проницаемостью по сравнению с нижним слоем. При этом станет невозможным возникновение критического угла для волн, отразившихся от экрана. Тогда остается обеспечить только отсутствие возбуждения поверхностных волн вдоль верхней границы. Однако при этом ситуация уже будет отличаться от случая однослойной среды из-за иной сгруктуры волны в верхнем слое диэлектрика. Для распространения поверхностной волны теперь будет необходимо обеспечить выполнение граничных условий на проводящем экране и непрерывность тангенциальных составляющих электрических и магнитных компонент на двух границах разделов диэлектриков. Это приводит к значительному усложнению дисперсионных уравнений, на основе которых определяются возбуждаемые типы волн.

7ТТ

В результате решения дисперсионных уравнений, что подробно описано в работе [5], для поверхностных волн в двухслойной среде на проводящем экране были получены зависимости замедления для электрических волн (рис. 3), го есть отношение скорости света в воздухе к фазовой скорости Поверхностной волны. На рисунке 3 приведена зависимость замедления от толщины нижнего диэлектрического слоя при £ri = 6, £г2 = 4 и I I [ = 0,02а.

о

Рис. 3. Зависимости замедления поверхностных волн электрического типа в двухслойной среде от толщины нижнегослоя

Каждая линия на этих графиках соответствует, как и па рис. I для однослойной среды, одному типу волны. Серым цветом выделена область, в которой происходит отсечка поверхностных волн. Аналогичным образом можно построить зависимости замедления для магнитных поверхностных волн в двухслойной среде, там также существуют зоны отсечки.

Анализ возможных условий одновременной отсечки поверхностных волн эле юр и чес ко го и магнитного типов приводит к четырем приведенным в табл. I ограничительным условиям на толщины слоев при любом целом п.

Для подтверждения полученных условий отсечки было проведено сравнение характеристик микрополосковой антенны с однослойной подложкой с характеристиками той же антенны при переходе к двухслойной подложке. В качестве исходной антенны был выбран вариант микрополосковой антенны из патента |6| (рис. 4). Антенна представляет собой питаемый перекрещенными щелями квадратный излучатель, сами щели возбуждаются микрополосковыми линиями, расположенными ниже металлического экрана.

Такая конструкция может применяться как основа для создания антенн, позволяющих работать с ортогональными поляризациями в нескольких диапазонах частот. Применяется она, в том числе, и в подвижной связи, где ее используют как элемент антенной решетки базовой станции для рабо ты с наклонными поляризациями |7}.

Ограничения, накладываемые на толщины слоев двухслойной структуры, для получения отсечки поверхностных волн

Таблица

Ограничения, накладываемые на толщины слоев двухслойной структуры

тах

7ТП

ттп

__и тг(п + \)

щ—i ;—, f< Н] <-г = . ■■ ■

£> V^Hi V 1 У ' * V*r-kl ctg(н2У[кГ^)

тах "" + сН +

Н, < min

я

А

tg(HifiTkj)

2^kl-к; ' th 4kl~kl

™ л(2п + \)

inax4 —---■;-—. > < /г, <-

[4k-~к- 24k; - к; \

7t{n+ l)

П

>{4^-,4^}

< H2< min

_. Mi

2 4kl-kl ' ih 4k\~kl

4kl~kl K K 1 tbjfJG ctg

4kf^ сь^урГЩ)

тах ■

7г(п + \) x(2n+\)

~ko ~4ki ~ k2

< H, < min

я(л+2) тт(п + \)

4к] — k^ 4~ к:

//, < min

л

Mi

tg

24^-kf Ml 4к

2 Л

fjL 4k;-k~ «.(«¿FS)

4k;-k; 1 > y ' Мг4к*-Щ etg(H2JkTk!)

34

s;,s 4- S* <s 12 2122 f

('-1 N Г+Ы D] 1(Чи»м fcffl

Представляется более удобным использовать определение на основе $-параметров. Результаты расчета по этой методике, то есть по формуле (2), приведены на рис. 7 для двух рассмотренных вариантов антенны.

„ 0.01

о 0.008 £

о 0.006

| 0.004 «о

0.002

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Ргеаиепсу

Рис. 7. Коэффициент корреляции для двух вариантов антенны: элементы исходной конструкции (кривые I) и элементы с дополнительным слоем диэлектрика (кривые 2}

Видно, что добавление слоя привело в пределах рабочей полосы к значительному уменьшению коэффициента корреляции.

Основной характеристикой систем связи является зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум. Па рисунке 8 приведены результаты расчета для четырех случаев: черной пунктирной линией - одна антенна, черной сплошной линией - две некоррелированные антенны, сплошной серой линией - две антенны исходной конструкции и пуню ирная серая линия - две антенны с дополнительным диэлектрическим слоем. На рисунке также приведены значения коэффициентов корреляции, использовавшиеся при расчетах, причем были взяты наихудшие значения в рабочей полосе. Рассматривался канал с релеевскими замираниями при алгоритме приема, основанном на выборе наилучшего канала, формулы взяты из [10].

Рис. 8. Вероятность ошибки от отношения сигнал/шум для одной антенны, двух некоррелированных антенн и двух рассмотренных вариантов конструкций млкрополосковой антенны

Видно, что наличие корреляции между двумя излучающими элементами ухудшает качество принимаемого сигнала относительно идеального случая двух некоррелированных антенн, однако случай с использованием дополнительного слоя диэлектрика позволяет приблизиться к этому идеальному случаю.

Полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии, оказываемом добавлением дополнительного слоя диэлектрика, параметры которого позволяют получить двухслойную среду, удовлетворяющую условиям одновременной отсечки электрических и магнитных поверхностных волн. Это привело к уменьшению взаимовлияния двух излучающих элементов, что было оценено не только па основе S-параметров, но и с точки зрения возможности применения такой антенны для систем с технологией MIMO.

Для этого было проведено сравнение коэффициентов корреляции исходной антенны и антенны с дополнительным слоем, а также определен выигрыш в отношении сигнал/шум при переходе к использованию двухслойной подложки. Также следует обратить внимание на то, что в конструкцию антенны были внесены минимальные изменения, заключающиеся только в изменении размера излучателя и появлении самого дополнительного слоя диэлектрика, что удобно при проектировании.

Таким образом, в статье приводятся условия одновременной отсечки поверхностных волн электрического и магнитного типов, полученные путем решения электродинамической задачи для двухслойной диэлектрической среды на проводящем экране, а также подтверждается улучшение основных параметров одног о из типов микрополосковых антенн при переходе к двухслойной подложке с соответствующим образом подобранными параметрами.

Литература

1. Вайнштейн Л.Л. Электромагнитные поля и волны. М,: Радио и связь, 1988. 442 с.

2. Красюк В Н. Антенны СВЧ с диэлектрическими покрытиями. Ленинград: Судостроение, 1986. 164 с.

3. Чебышев В В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. М: Радиотехника, 2007. 159 с.

4. Чебышев В В. Основы проектирования микрополосковых антенн методом интегральных уравнений // Антенны. 2015. №1(212). С. 3-8.

5. Ястребцова О.И. Электродинамический анализ волн в направляющих многослойных структурах // Антенны. 2016. №12. С. 22-32.

6. Патент SR 9704642-9. 1997.

7. Сос/ат L.C. Handbook on Antennas hi Wireless Communications. CRC Press. 2002. 889 p.

8. Blanch S.. Romeu J., Corbella /. Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description // Electronics Letters. 2003. V. 39. No. 9. pp. 705-707.

9. Kildal S.. Rosengren K. Correlation and Capacity of MIMO Systems and Mutual Coupling, Radiation Efficiency, and Diversity Gain of Their Antennas: Simulations and Measurements in a Reverberation Chamber// IEEE Communications Magazine. December2004. pp. 104-112.

10. Schwartz M. Bennett W. R.. Stein S. Communication System and Techniques. New York, McGraw-Hill, 1965. 618 p.

Y

IMPACT OF A TWO-LAYER DIELECTRIC STRUCTURE ON THE MICROSTRIP ANTENNA CHARACTERISTICS

Olga I. Yastrebtsova, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, yastrebtsova@rambler.ru Vadim V. Chebyshev, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia, tedia@mtuci.ru

Abstract

The article considers a possible method of solving one of the major problems of microstrip antennas which is the excitation of surface waves. The considered method is the use of a two-layer dielectric substrate instead of one dielectric layer used usually. The obtained conditions to be met by the parameters of the dielectric layers to limit the surface wave excitation both of the electric and the magnetic types are given.

To determine the consequences of the transition from a single-layer substrate to a two-layer substrate, not only from the point of view of the surface wave excitation, but also from the point of view of the microstrip antenna characteristics itself, these conditions were applied to the existing antenna. The selected antenna allows to use orthogonal polarizations and can be a basic element for designing antennas operating in several frequency bands. The transition from a single-layer substrate to a two-layer substrate was accomplished by adding an additional dielectric layer over the radiator; parameters of this layer allow simultaneous cut-off of surface waves of electric and magnetic types. In this case the basic dimensions of the original antenna were kept what is convenient for designing. As a result of the transition the key parameters including the matched band were improved.

Confirmation of the absence of the surface waves in the modified structure was proved by finding the S-parameters for two radiating elements located at a distance of half a wavelength from each other. The analysis confirmed the decrease of coupling of the proposed elements in comparison with the case of the two original elements. In addition one of the parameters characterizing the possibility of using such an element in the antenna system operating in MIMO mode was determined which is a correlation coefficient of the two radiating elements. Within the working band, when a two-layer substrate was used, the correlation level was decreased. Comparative analysis confirms the positive influence exerted by a two-layer substrate on the considered characteristics, indicating the appropriateness of applying the obtained surface wave cut-off conditions in the microstrip antenna design.

Keywords: antennas, microstrip antennas, surface waves, multilayer structures, MIMO.

References

1. Vajnshtejn L.A. (1988). Electromagnetic fields and waves. Moscow: Radio i svyaz. 442 p.

2. Krasyuk V.N. (1986). Microwave antennas with dielectric coatings. Leningrad: Sudostroenie. 164 p.

3. Chebyshev V.V. (2007). Microstrip antennas in multilayer structures. Moscow: Radiotekhnika. 159 p.

4. Chebyshev V.V. (2015). Fundamentals of designing microstrip antennas by the method of integral equations. Antenny. No.l(2l2). pp. 3-8.

5. Yastrebtsova O.I. (2016). Electrodynamic analysis of waves in guiding multilayer structures. Antenny. No.12. pp. 22-32.

6. Patent SE 9704642-9. 1997.

7. Godara L.C. (2002). Handbook on Antennas in Wireless Communications. CRC Press. 889 p.

8. Blanch S., Romeu J., Corbella I. (2003). Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description. Electronics Letters. V. 39. No. 9. pp. 705-707.

9. Kildal S., Rosengren K. (2004). Correlation and Capacity of MIMO Systems and Mutual Coupling, Radiation Efficiency, and Diversity Gain of Their Antennas: Simulations and Measurements in a Reverberation Chamber. IEEE Communications Magazine. December 2004. pp. 104-112.

10. Schwartz M., Bennett W. R., Stein S. (1965). Communication System and Techniques. New York, McGraw-Hill. 618 p. Information about authors:

Olga I. Yastrebtsova, Moscow Technical University of Communications and Informatics, master, Moscow, Russia

Vadim V. Chebyshev, doctor of technical sciences, professor of Moscow Technical University of Communication and Informatics,

Moscow, Russia

7TT