CC BY
42
DOI 10.36622/VSTU.2020.16.6.008 УДК 621.396
ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫ ВИВАЛЬДИ ОТ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОДЛОЖКИ
С.М. Фёдоров, А.С. Бадаев, Е.А. Ищенко, Е.В. Папина, К.А. Бердников, С.И. Деревянкин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается антенна Вивальди, рабочий диапазон которой соответствует частотам, выделенным Государственной комиссией по радиочастотам для сетей пятого поколения. Применение различных проводниковых материалов при изготовлении излучателя позволяет достичь как экономических преимуществ, так и требуемых характеристик диаграмм направленности. В процессе моделирования были определены обратные потери антенны, а также влияние на них материала изготовления проводящей части антенны, диаграммы направленности, коэффициента полезного действия. Все характеристики определялись путем электродинамического моделирования. Исследование производилось для таких проводящих материалов, как медь, алюминий, золото, серебро, железо, платина, тантал, молибден. По полученным результатам было определено, что наилучшим проводником является серебро, при этом медь и алюминий не сильно уступают ему по характеристикам излучения и эффективности. Наихудшими материалами изготовления проводниковой части антенны являются тантал, железо и платина, так при их применении происходит снижение коэффициента полезного действия антенны, реального коэффициента усиления антенны. В статье представлены графики Sn-параметров для исследуемых случаев, произведено их сравнение, а также приведены основные характеристики диаграмм направленности и определено влияние на них проводниковых материалов
Ключевые слова: антенна Вивальди, матрица рассеяния, обратные потери, диаграмма направленности, проводниковые материалы
Введение
Печатные антенны являются одними из самых простых по технологии производства, так как они представляют собой диэлектрическую подложку, на которую напыляется тонкая проводящая пленка. Как правило материалом изготовления данной пленки является медь, но особый интерес с переходом на диапазоны частот свыше 20 ГГц представляет поведение других проводящих материалов [1].
Частоты свыше 20 ГГц относятся к диапазону сетей пятого поколения (5G), так в соответствии с решением ГКРЧ диапазон частот от 24,25 до 24,65 ГГц был выделен ПАО «МТС» для осуществления исследований и работ по обеспечению покрытия сетями 5G. В качестве объекта исследования была выбрана антенна Вивальди [2], предназначенная для работы в диапазоне частот для сетей пятого поколения.
Основные характеристики исследуемой антенны Вивальди
Размеры исследуемой антенны Вивальди приведены в табл. 1, в качестве материала подложки был выбран Rogers RO4003C, который
© Фёдоров С.М., Бадаев А.С., Ищенко Е.А., Папина Е.В., Бердников К.А., Деревянкин С.И., 2020
предназначен для работы в областях СВЧ, превышающих 10 ГГц.
Ж ? ^
\ г Smc ->-1 <- \
^—Lmt-
в)
Рис. 1. Модель антенны с указанием параметров: а) вид сверху; б) вид снизу; в) вид сбоку; г) вид линии питания
Таблица 1 Размеры исследуемой антенны
Hf, Lf, Hc, Dc, Smc, Lmc, Wmc,
мм мм мм мкм мкм мкм мкм
7,42 14,18 9,45 952,5 84,37 952,5 168,7
Lmt, мм Wmt, мкм Ls, мкм Ws, мкм Rs, мкм 6s, ° Hs, мкм
2,07 470 168,7 69,65 750,3 90 203
Для отслеживания влияния проводниковых материалов на характеристики антенны используются диаграммы направленности, а также главная диагональ матрицы рассеяния. Так как в процессе моделирования используется только одна антенна, тогда обратные потери будут иметь следующее аналитическое определение:
F*Wd Dnctvty Abi (Tbet»-90)
5п(дР) = 20log
КСВН -1 КСВН +1
Frequency = 24.45 GHz Маг lobe magntude » 6.98 dBi Mar lobe drection = 0.0 deg. Angular width (3 dB) = 83.9 deg. Side lobe level = -8.1 dB
a)
*J Dtetlvty Afcs (Ft*=0)
Frequency = 24.45 GHz Man lobe magntude = 6.98 dBi Man lobe direction = 88.0 deg. Angular width (3 dB) = 78.1 deg. Side lobe level = -8.1 dB
6)
где КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению.
В идеальном случае КСВН=1, что соответствует ситуации, когда отсутствуют отражения в СВЧ структуре, а, следовательно, значение Бц параметра будет устремлено к минус бесконечности. Однако данное значение недостижимо в реальной жизни, а пороговым значением работы антенны принят уровень Бц = -10 дБ и меньше.
В процессе исследования особо важными, помимо значений уровня обратных потерь, являются следующие:
1) коэффициент направленного действия антенны;
2) реальный коэффициент усиления, который учитывает потери на рассогласовании линии питания и антенны;
3) КПД антенны;
4) ширина главного лепестка по уровню половины мощности (3 дБ).
В качестве рассматриваемых материалов изготовления антенны были выбраны следующие: алюминий, медь, золото, железо, молибден, платина, серебро и тантал.
В процессе выполнения электродинамического моделирования было обнаружено, что форма диаграмм направленности на частотах в диапазоне 24,25-24,65 ГГц практически не изменяется по форме, а изменяются лишь максимальные значения. На рис. 2 приведены диаграммы направленности антенны Вивальди на частоте 24,45 ГГц (середина диапазона), когда в качестве материала изготовления выступала медь.
Таблица 2
Анализ характеристик обратных потерь антенны в зависимости от проводника
Рис. 2. Диаграммы направленности антенны Вивальди на частот 24,45 ГГц: а) - в = 90°; б) - <р = 0°
По полученным диаграммам направленности видно, что направление излучения главного лепестка равно 0°, а КНД антенны без учета потерь на рассогласование составляет 6,98 дБи.
Исследование влияния проводниковых материалов на S-параметры антенны Вивальди
Б-параметры являются удобным инструментом для определения характеристик СВЧ-устройств, так как на их основе можно определить уровень потерь на отражение электромагнитной волны. В табл. 2 приведены значения минимумов Бц параметров для рассматриваемой антенны, а также частоты наблюдения минимума.
Медь Алюминий Золото Серебро Железо Платина Тантал Молибден
Частота минимума, ГГц 24,225 24,225 24,225 24,225 24,125 24,154 24,154 24,225
Su, дБ -46,18 -45,39 -45,79 -46,26 -36,31 -36,27 -36,15 -44,15
Как видно по полученным результатам наименьшим значением S11 параметров обладает антенна, проводящая часть которой выполнена из серебра, при этом близкими значениями к ней обладает медь, а наихудшие параметры обратных потерь соответствуют танталу, при этом у железа, платины, тантала наблюдается смещение частоты минимума S11 парамет-
ров на 0,071 ГГц, а также значение их обратных потерь больше -40 дБ.
На рис. 3 приведены графики S11 параметров для исследуемой антенны Вивальди, при этом на графике нанесены минимальные значения, а названия металлов соответствуют кривым, которые были получены при их использовании.
! in dB]
-47
Л Vk
К ч /.у
V.*. V V f
Ч-, W. .............V-. Ai ..... г
\ Л V 4 /
1
Л
24.1 24.12 24.14 24.]
1.26
24.28
Sl,l Aluminium Sl,l Copper Sl,l Gold Sl,l Iron •«• Sl,l Molybdenum -»•Sl,l Platinum -■-51,1 Silver ■*- 51,1 Tantal
d=10.114
24.3
Frequency / GHz
S1 ( 24.225, -45.39 )
°2 ( 24.225, -46.184)
о з ( 24.225, -45.788 )
s 4 ( 24.154, -36,308 )
а 5 ( 24.225, -44.15 )
О б ( 24.154, -36.266 )
О 7 ( 24.225, -46,262 )
О 8 ( 24.154, -36.148)
Рис. 3. Графики обратных потерь в зависимости от материала изготовления антенны
На основе полученных графиков видно, что все характеристики практически приближаются друг к другу в точке 24,154 ГГц, при этом у таких материалов, как железо, платина и тантал отсутствует спуск вниз S11-параметров, однако, они придерживаются одного уровня в -36 дБ на широком диапазоне частот.
Исследование влияния проводниковых материалов на диаграммы направленности антенны Вивальди
Диаграммы направленности являются самой важной характеристикой любой антенны. Для их построения в рассматриваемом случае применялось электродинамическое моделирование методом Вейланда. На основе полученных данных была сформирована табл. 3, в которой содержатся все основные результаты диаграмм направленности, которые позволяют определить эффективность антенны.
Так в таблице приводятся КНД антенны, ширина главного лепестка по уровню половины мощности и уровень боковых лепестков, когда угол места = 90° (в = 90°); КПД антенны, реальный коэффициент усиления антенны.
Все результаты были определены на частоте 24,45 ГГц, так как данная частота является серединой диапазона частот сетей пятого поколения.
По полученным результатам видно, что самым эффективным материалом для изготовления рассматриваемой антенны Вивальди является серебро, что обусловлено его очень хорошими характеристиками проводимости для СВЧ устройств, однако у серебра присутствует негативное свойство - проникновение внутрь диэлектрической подложки, что может вывести из строя антенну. Медь является наиболее оптимальным материалом для напыления на подложку и изготовления излучателя, однако в случае, когда требуется достичь максимальной экономической выгоды, можно применять алюминий, так как характеристики антенны, изготовленной на основе алюминия не сильно отличаются от медного.
Самыми худшими характеристиками обладает тантал, что вызвано наибольшими рассогласованиями в линиях питания при его применении.
Таблица 3
Зависимость характеристик диаграмм направленности от материала изготовления излучателя
Медь Алюминий Золото Серебро Железо Платина Тантал Молибден
КНД (в = 90°), дБи 6,98 6,98 6,98 6,97 6,96 6,97 6,97 6,98
Ширина главного лепестка 3 дБ (в = 90°), ° 83,9 83,9 83,9 83,9 83,2 83,2 83,2 83,8
Уровень боковых лепестков (в = 90°), дБ -8,1 -8,1 -8,1 -8,1 -8,2 -8,2 -8,2 -8,1
КПД антенны, % 93,42 93,11 93,27 93,45 92,44 92,33 92,03 92,58
Реальный коэффициент усиления, дБи 6,68 6,67 6,67 6,68 6,62 6,62 6,61 6,64
Заключение
В процессе исследования проводниковых материалов для изготовления антенны Вивальди было обнаружено, что наилучшим материалом изготовления проводящей части антенны является серебро, однако ввиду склонности к проникновению в диэлектрические подложки, а также к дороговизне металла рекомендуется использовать медь.
Когда требуется достичь максимальной эффективности с экономической точки зрения медный проводник может быть заменён алю-
миниевым, при этом произойдет незначительное снижение КПД антенны и реального коэффициента усиления.
Литература
1. Чернышов А.В., Бадаев А.С. Радиоматериалы: проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы: учеб. пособие. Воронеж: Из-во ВГТУ, 2008. 202 с.
2. Анализ существующих конструкций антенных элементов пеленгационных решеток / К.О. Волков, Ю.Г. Пастернак, К.А. Разинкин, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 6. С. 66-69.
Поступила 29.10.2020; принята к публикации 21.12.2020 Информация об авторах
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Бадаев Андрей Станиславович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29 Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Папина Елизавета Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Деревянкин Сергей Игоревич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
DEPENDENCE OF VIVALDI ANTENNA CHARACTERISTICS ON THE SUBSTRATE
METALLIZATION
S.M. Fyedorov, A.S. Badaev, E.A. Ishchenko, E.V. Papina, K.A. Berdnikov, S.I. Derevyankin Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers a Vivaldi antenna, the operating range of which corresponds to the frequencies allocated by the State Commission on Radio Frequencies for fifth generation networks. The use of various conductive materials in the manufacture of the emitter allows one to achieve both economic advantages and the required characteristics of radiation patterns. In the process of modeling, we determined the return losses of the antenna, as well as the influence on them of the material of the conductive part of the antenna, the radiation pattern, and the efficiency. We determined all characteristics by elec-trodynamic modeling. The study was carried out for conductive materials such as copper, aluminum, gold, silver, iron, platinum, tantalum, molybdenum. Based on the results obtained, we determined that the best conductor is silver, while copper and aluminum are not much inferior to it in terms of radiation and efficiency. The worst materials for the manufacture of the conductive part of the antenna are tantalum, iron and platinum, so when they are used, the efficiency of the antenna, the real gain of the antenna, decreases. The article presents graphs of S11-parameters for the cases under study, compares them, and also presents the main characteristics of the directional patterns and determines the effect of conductive material on them
Key words: Vivaldi antenna, scattering matrix, return loss, radiation pattern, conductor materials
References
1. Chernyshov A.V., Badaev A.S. "Radio materials: conductor, semiconductor and magnetic materials" ("Radiomaterialy: provodnikovye, poluprovodnikovye i magnitnye materialy"), textbook, VSTU, 2008, 202 p.
2. Volkov K.O., Pasternak Yu. G., Razinkin K.A., Fyedorov S.M. "Analysis of existing structures of antenna element for DF arrays", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2015, vol. 11, no. 6. pp 66-69.
Submitted 29.10.2020; revised 21.12.2020 Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Andrey S. Badaev, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Elizaveta V. Papina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Sergey I Derevyankin, student, Voronezh state Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
