Сверхширокополосные печатные линейно-поляризованные антенны (СПЛА) имеют огромное количество вариантов топологий, а также возможных приложений в составе устройств или систем (радиолокационные системы (РЛС), MIMO, носимые устройства, современные телекоммуникационные системы и комплексы). В данной работе рассматриваются две топологии печатных антенн, которые были выбраны после широкого научного поиска: прямоугольно-щелевая CПЛА и инвертированная Т-образная СПЛА. Для выбранных топологий антенн были получены основные антенные параметры: частотные характеристики КСВ, диаграммы направленности на множестве частот из диапазона, коэффициент эллиптичности по основному направлению излучению антенны. Ко всему прочему, была разработана методика установления фазового центра антенны и были получены качественные значения этого параметра.
Сверхширокополосные печатные линейно-поляризованные антенны (СПЛА) имеют огромное количество вариантов топологий, а также возможных приложений в составе устройств или систем (радиолокационные системы (РЛС), MIMO, носимые устройства, современные телекоммуникационные системы и комплексы). Характерной особенностью большинства этих топологий является двунаправленность излучения антенны (главное и обратное направление излучения). В большинстве случаев диаграммы направленности данных антенн демонстрируют структурную нестабильность в рабочем диапазоне частот при вариации их габаритных размеров или электрозначимых областей топологии. Для их использования, например, в РЛС требование стабильности формы и положения главного луча антенны является ключевым, ровно, как и положение фазового центра антенны.
В процессе поисковых и модельных исследований были рассмотрены следующие топологии антенн: квадратно-кольцевая, прямоугольно-щелевая, инвертированная Т-образная, круглая-кольцевая. В рамках литературного обзора топологий антенн были подробно рассмотрены следующие источники: [1-6].
Для использования антенны в составе устройства или системы, часто, ограничивающими требованиями по ее проектированию являются габаритные размеры. В многообразии типов СПЛА могут быть выделены те, которые обладают минимальными реальными размерами, те, которые обладают минимальной эффективной площадью антенны, односторонние, или, соответственно двусторонние варианты реализации топологий. Как было отмечено выше, линейно-поляризованные печатные антенны достаточно чувствительны к масштабированию своих размеров. Если использование линейного закона масштабирования может привести к ожидаемым результатам по таким параметрам, как КСВ антенны в полосе рабочих частот, или возвратные потери на входе антенны (то есть по не полевым характеристикам), то изменение формы диаграммы направленности, направления главного луча, его ширины, вместе с коэффициентом эллиптичности может быть непредсказуемым. В этом контексте, моделирование антенн в САПР перед выбором типа топологии для изготовления является наиболее эффективным и оправданным подходом.
Другим важным требованием, накладываемым на СПЛА, работающую в составе некоторых устройств, является ее однонаправленность, то есть излучение только в единственном заданном направлении (это направление называется главным). Излучение же в противоположном главному направлении значительно снижает помехозащищенность всей системы (за этот показатель отвечает т.н. коэффициент защитного действия или КЗД). Единственным способом подавить обратное излучение антенны является размещение рефлектора в области обратного излучения. Естественным образом СПЛА увеличивается в своих размерах, ее антенные параметры значительно или незначительно изменяются. Величина влияния рефлектора на антенные характеристики также зависит от выбранной топологии. Очевидным является тот факт, что чем ниже негативное влияние рефлектора на антенные параметры (повышение КСВ, возвратных потерь и т.д.), тем ниже его и позитивное влияние (подавление обратного излучения антенны и повышение КЗД).
В данной работе рассматриваются две топологии печатных антенн, которые были выбраны после широкого научного поиска: прямоугольно-щелевая CПЛА и инвертированная Т-образная СПЛА. Первая топология была выбрана из-за своего широкого распространения и большого количества информации по ее оптимизации и согласованию [6]. Вторая топология, напротив, была выбрана, т.к. является относительно новой и перспективной при использовании в составе различных устройств [3].
Для выбранных топологий антенн были получены основные антенные параметры: частотные характеристики КСВ, диаграммы направленности на множестве частот из диапазона, коэффициент эллиптичности по основному направлению излучению антенны. Ко всему прочему, была разработаны методика установления фазового центра антенны и были получены качественные значения этого параметра.
В данной работе мы преследуем цель наиболее полно показать характеристики исследуемых антенн, для их возможного применения в самом широком спектре технических приложений.
На рисунке 1 показана общая для проведенного моделирования геометрия системы, с указанными главными осями и откладываемыми углами. Главным направлением излучения антенны будем считать направление θ = 0º.
Условие структурной стабильности диаграммы направленности, в первую очередь достигается эффективными размерами антенны. Если эффективная площадь антенны больше некоторого значения, то диаграмма направленности начинает претерпевать значительные структурные изменения на высоких частотах. В некоторых случаях главных лепесток может повернуться на 90 градусов. Пример такого поведения функции излучения антенны показан на рисунке 2. На нем приведено модельное исследование круглой-кольцевой СПЛА. Именно в силу чувствительности к этому эффекту данная топология антенны была отвергнута для ее дальнейшего исследования.
Под фазовым центром будем понимать координаты такой точки в системе отсчета, связанной с антенной (рисунок 1), из которой наблюдаемый фронт волны, излучаемый антенной по заданному направлению, является сферическим. Это равносильно тому, что, если поместить точечный излучатель в фазовый центр антенны, то по заданному направлению фронт волны, излучаемый антенной и фронт волны идеального точечного излучателя будут идентичными.
Методика определения фазового центра антенны в САПР Altair Feko 2022 состоит в следующем:
На рисунке 3 показан пример определения фазового центра идеального источника – диполя Герца. Слева на рисунке показано размещение плоскостей с сенсорами ближнего поля излучения по шести осевым направлениям, справа показана карта распределения нормированного вектора Пойнтинга по всем плоскостям анализа.
Топологии рассматриваемых антенны показаны на рисунках 4 и 5. Толщина подложки обоих вариантов антенн равна 1.56 мм. Материал подложки для антенн – Rogers RO4003C. На рисунке 6 показаны трехмерные диаграммы направленности антенн на трех частотах.
Из рисунка 6 видно, что на высокой частоте, а именно 4.2 ГГц, диаграмма направленности антенны начинает распадаться, а главный лепесток раздваивается, таким образом, условие стабильности ДН грубо нарушается. Таким образом, если частотных диапазон антенны определялся бы исходя из принципов структурной стабильности ДН, то он был бы ограничен сверху частотой 4 ГГц.
На рисунках 7 и 8 показаны характерные карты распределения ближнего поля исследуемых антенн на расстоянии 0.5 м от антенны. Из анализа на сферичность показанных распределений, можно сделать следующие выводы. Для прямоугольно-щелевой СПЛА с согласующими π-образными отрезками в диапазоне частот от 1.5 до 3.0 ГГц фазовый центр находится на главной оси излучения антенны. В нижней области диапазона фазовый центр несколько смещен от главной оси, примерно на 5 см. Начиная с частоты 3 ГГц определение фазового центра антенны по предложенной выше методике невозможно, т.к. диаграмма излучения антенны претерпевает значительные изменения. Видно, что по исследуемому направлению может быть выделено два фазовых центра, расходящихся в противоположных, ортогональных направлениях от главной оси излучения антенны.
Инвертированная Т-образная антенна демонстрирует относительную устойчивость фазового центра с изменением частоты. На частоте 2.5 ГГц, фазовый центр антенны располагает в окрестности начала координат системы, показанной на рисунке 1. С последующим ростом частоты, дополнительного фазового центра не возникает, а наблюдается смещение ФЦ относительной главной оси излучения в пределах 10 см.
На рисунке 9 показаны карты распределения коэффициента эллиптичности антенны от горизонтального угла φ и частоты. Распределение получено для двух углов θ в области значений главного направления излучения антенн. Можем заключить, что по принципиальному направлению излучения, антенны являются линейно поляризованной в широком диапазоне частот. Изменение направления наблюдения сказывается, в первую очередь, на значении коэффициента в области высоких частот и лишь в незначительных диапазонах угла φ.
При формировании антенных решеток или MIMO систем из предложенных антенн может появиться необходимость в изменении положения порта антенны. Если для прямоугольно-щелевой CПЛА наиболее удобным вариантом реализации фидера является копланарная линия (как минимум для топологии, показанной на рисунке 4), то инвертированная Т-образная СПЛА может быть эффективно подключена к микрополосковой линии. При конструктивной необходимости, предопределяющий входной импеданс антенны участок линии может быть подведен к торцевой стенке антенны так, как это показано на рисунке 10. Подобная трансформация топологии антенны не приводит к изменения ее ключевых параметров.
В рамках экспериментального исследования проводились следующие измерения:
Указанные измерения проводились как для свободной антенны, так и для антенны с рефлектором. В качестве измерительной антенны использовалась коническая диэлектрическая антенна с возбуждающим круглым волноводом. Данная антенна имеет направленный луч, равномерный фронт волны и глубокую кросс-поляризационную развязку порядка -29 дБ. При измерении КСВ антенн использовался векторный анализатор цепей Rohde & Schwarz ZVH8 откалиброванный по стандартной однопортовой схеме. Гармонический монохромный сигнал для измерительной антенны производился векторным генератором сигналов Rohde & Schwarch SMU 200. Измеряемая антенны располагалась на поворотном антенном позиционере, а уровень принимаемого сигнала устанавливался анализатором спектра Anritsu S332D.
На рисунках 11 и 12 представлены фотографии исследуемых антенн. Экспериментально исследуются, как антенны без рефлектора, так и с рефлектором, который представляет собой прямоугольную вырезку из подложки со сплошным экраном металлизации. Рефлектор крепиться к антенне через монтажные отверстия, с помощью диэлектрических штырей.
На рисунке 13 приведено сравнение измеренных частотных характеристик КСВ антенн до 8 ГГц. На рисунке 14 приведено сравнение данных моделирования с результатами эксперимента. В рабочей полосе излучения антенн данные совпадают с хорошей степенью точности.
На рисунке 15 приведены результаты эксперимента по влиянию рефлектора на КСВ антенн, при различных расстояниях отражающей плоскости от антенны H. Легко увидеть, что влияние рефлектора на прямоугольно-щелевую СПЛА гораздо выше, чем на инвертированную Т-образную топологию, при чем это влияние негативное – КСВ в полосе рабочих частот резко повышается. Для измерения ДН антенн были выбраны следующие параметры рефлекторов: H = 20 мм, размеры 92 x 118 мм (для прямоугольно-щелевой СПЛА) и : H = 10 мм, размеры рефлектора 70 x 89 мм (для инвертированной Т-образной СПЛА).
На рисунке 16 приведены ненормированные экспериментальные ДН для всех исследуемых антенн. Сравнение результатов изменений с результатами моделирования (рисунок 6) показало высокую степень совпадения характеристик. Измерения ДН антенн проводились по описанной выше методике на одной частоте, равной 2.95 ГГц. Как и ожидалось положительное влияние рефлектора на прямоугольно-щелевую СПЛА оказалось гораздо выше, чем на инвертированную Т-образную СПЛА, КЗД данной топологии антенны оказывается выше, чем альтернативного исследуемого варианта (29 дБ против 10 дБ).
Измеренные значения коэффициента эллиптичности через кросс-поляризационную развязку в принципиальном направлении (измерительная антенна поворачивается на 90° при положении по азимуту 0°) для антенн без рефлектора: прямоугольно-щелевая СПЛА –18.7 дБ (0.0135) и инвертированная Т-образная СПЛА – 20 дБ (0.01).
Из сравнения, показанного на рисунке 16 можно сделать три важных вывода. Для прямоугольно-щелевой СПЛА:
Коэффициент эллиптичности стал равен -10.3 дБ. Это означает, что рефлектор уменьшил коэффициент эллиптичности антенны на 8.4 дБ.
Для инвертированной Т-образной СПЛА:
Коэффициент эллиптичности стал равен -13.5 дБ. Это означает, что рефлектор уменьшил коэффициент эллиптичности антенны на 6.5 дБ.
Максимальный уровень боковых лепестков для прямоугольно-щелевой СПЛА составил -20 дБ против -8 дБ у инвертированной Т-образной СПЛА. Ширина главного лепестка по уровню -3дБ составила 58 градусов у прямоугольно-щелевой СПЛА против 63 градусов у инвертированной Т-образной СПЛА. Эти параметры приведены для антенн с рефлекторами.
В данной статье подробно рассматриваются две топологии сверхширокополосных печатных антенн. Численное моделирование, реализованное средствами САПР Altair Feko затем успешно верифицируется экспериментальными результатами. Рассмотренные антенны предполагается использовать в составе устройств самого различного предназначения, именно поэтому были исследованные топологии антенн, каждая из которых имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Ниже представим основные выводы по критериям сравнения двух антенн.
Авторы статьи: Кирилл Зейде (k.zeyde@elm-c.ru), Александр Евграфов (ae@elm-c.ru), Стас Поляков
Статья опубликована в журнале: СВЧ электроника 2'22.
По вопросам обучения, предоставления временных лицензий на программные решения Altair Feko, тестирования и приобретения, пожалуйста, обращайтесь к специалистам компании ООО "ЭЛМ" по телефону +7 (495) 005-51-45 или по электронной почте info@elm-c.ru.
1. P.N. Choubey, W. Hong, Z.-C. Hao, P. Chen, T.-V. Duong, J. Mei, A Wideband Dual-ModeSIW Cavity-Backed Triangular-Complimentary-Split-Ring-Slot (TCSRS) Antenna, IEEE Transactions on antennas andpropagation, т. 64, № 6, стр. 2541–2545, 2016.
2. M.Sumi, Ya. Suzuki, A Wideband Single-Sided Folded-Off-Center-Fed Dipole Antennafor 4G/5G/Wi-Fi M2M/IoT Applications and UAVs, IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA), стр. 3–4, 2021.
3. M.-C.Tang, H. Wang, T. Deng, R.W. Ziolkowski, Compact Planar Ultrawideband AntennasWith Continuously Tunable, Independent Band-Notched Filters, IEEE Transactions on antennas andpropagation, т. 64, № 8, стр. 3292–3301, 2016.
4. M.-C.Tang, T. Shi, R.W. Ziolkowski, Planar Ultrawideband Antennas With ImprovedRealized Gain Performance, IEEETransactions on antennas and propagation, т. 64, № 1, стр. 61–69, 2016.
5. S.-C.Chen, Y.-C. Tsou, Small-Size LTE/WWAN Two-Strip Monopole Exciter AntennaIntegration With Metal Covers, IEEETransactions on antennas and propagation, т. 64, № 8, стр. 3707–3711, 2016.
6. W.Kueathaweekun, P. Jearapraditkul, N. Anantrasirichai, O. Sangaroon, T.Wakabayashi, Wide-band CPW-fed Slot Antenna with Tuning Stub and pi-Strip forWLAN/WiMAX Application, InternationalSymposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems (ISPACS), 2008.
