Ключевые тезисы
Вне зависимости от того, что существует огромное количество типов антенн, различающихся, как по форме, так и по размерам, все они имеют одно общее свойство: для того, чтобы обеспечить нагрузку максимальным уровнем мощности, ее входной импеданс должен быть согласован с фидерной линией, к которой она подключена. Согласующие цепи достаточно просты, они выполняют роль фильтров, обеспечивающих соответствие импеданса фидеры с входным импедансом антенны. Использование фильтров – это самый простой способ согласования антенны или других радиотехнических элементов цепи.
Согласование антенн: определение требований по согласованию импеданса.
Необходимость в согласовании заключается в том, что входной импеданс антенн далеко не всегда равен 50 Ом. Некоторые антенны, например чип-антенна, при изготовлении имеет либо более высокое, либо более низкое значение входного сопротивления. Другие антенны, например патч-антенны может быть достаточно сложно спроектировать точно на 50 Ом целевого входного сопротивления; полосковые линии могут оказаться достаточно широкими, либо же антенна может занимать много места на плате. Поэтому патч-антенна может быть изготовлена с меньшими габаритами, что приводит к изменению входного импеданса.
Кроме того, антенна и ее согласующая цепь может быть подключена к короткой фидерной линии, таким образом, входной импеданс фидера не является характеристическим сопротивлением линии. Вместо этого, необходимо согласовать входной импеданс с выходным сопротивлением передатчика для того, чтобы минимизировать возвратные потери (S11), как на антенне, так и на фидерном устройстве. Хотя 50-омная оконечная нагрузка часто применяется на устройствах со встроенным радиочастотным приемо-передатчиком, это, однако, не означает, что будет обеспечено идеальное согласование.
При схемотехническом подходе, существует несколько способов согласования антенны. Цель заключается в том, чтобы гарантировать эквивалентность импедансов антенны с согласующей цепью и фидерным устройством. Стандартные топологии цепей приведены в таблице ниже:
Цепи, типа последовательного LC фильтра не являются полезными, так как имеют полосу среза. Радиотехнические фильтры высших порядков могут быть успешно использованы, если требуется очень резкий спад, однако эти реализации требуют большего количества элементов. Не имеет значения, какой тип фильтра вы желаете использовать для согласования антенны, в любом случае ее входной импеданс должен соответствовать импедансу фидерной линии. Такая оценка может быть осуществлена SPICE моделированием. Как только требуемое согласование определено, вы можете следовать вверх по цепи до входного порта антенны, чтобы обеспечить последующее согласование.
Входной импеданс
После того как антенна и согласующее устройство спроектировано для целевого импеданса фидерной линии, важно определить соответствует ли входное сопротивление 50-ти Ом. Это может быть легко сделано, с помощью коэффициента отражения на входе антенны с подключенным к ней стандартной линией питания по формуле:
Входной импеданс фидерной линии с известной постоянной распространения и заданной длинны. Важно отметить, что антенный импеданс должен быть известным, до вычисления входного импеданса фидерной линии.
В идеальном случае, эта величина должна быть равно 50 Ом. Возвратные потери S11 можно получить на входе фидерного устройства; стандартная цель при проектировании антенно-фидерного устройства – не более 20 дБ возвратных потерь на входном порту.
Согласование шлейфами
Шлейфы на линиях передачи могут также являться шунтирующими элементами, в точности как емкость или индуктивность. Необходимо просто применить уравнение, приведенное выше для шлейфа, чтобы установить его влияние, как эквивалентного элемента цепи. Использование шлейфов является обычной практикой в пассивных радиотехнических цепях, выполненных на микрополосковых элементах; шлейфы также применяются и при их согласовании. Обратите внимание, что из-за характерных условий распространения электромагнитных полей на отрезке линии передачи, вы можете получить согласование на нескольких частотах с помощью короткозамкнутых шлейфов, или шлейфов холостого хода.
Альтернативные цепи согласования
В этой статье мы рассмотрели согласование импеданса различными фильтрующими цепями, что довольно часто используется при подключении чип-антенн, коаксиальных коннекторов и даже патч-антенн, микрополосковых антенн или щелевых антенн.Методы проектирования схем являются стандартными и очень простыми, они заключаются в применении параметрического свипирования в SPICE моделировании для нахождения входного импеданса и коэффициента отражения от входного порта антенны. Для тех, кто предпочитает не использовать схемотехническое моделирование, существуют альтернативные инструменты для согласования антенн.
Согласование антенн может быть также реализовано, с помощью диаграммы Смита. Этот графический метод согласования предполагает отслеживание изменения импеданса антенны с согласующей цепью при добавлении L или C элементов последовательно или параллельно. Существует множество руководств по использованию диаграммы Смита, которые доступны онлайн. Начинающим проектировщикам антенн очень рекомендуется познакомиться с этими руководствами перед началом работы с диаграммой Смита. Убедитесь, что запомнили правила последовательного и параллельного подключения L и C элементов на диаграмме (см. ниже).
Правила последовательного и параллельного подключения элементов для достижения целевого импеданса в 50 Ом на диаграмме Смита.
Последний неупомянутый способ согласования нестандартных излучателей – это использование электромагнитных решателей. Трехмерное моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) может помочь установить характеристики излучаемых устройством электромагнитных полей, которые затем могут быть пересчитаны в токи и напряжения на антенне. Более продвинутые решатели могут рассчитывать параметры цепей для таких структур напрямую, что позволяет получать характеристики S11 на входных портах устройства на требуемых частотах. Далее, проектировщики могут использовать эти данные для определения параметров согласующих устройств с применением прочих техник, описанных здесь.
Использование программного обеспечения Altair Feko позволяет значительно сократить время на разработку и согласование антенн. Тесная интеграция с Optenni Lab предлагает разработчику автоматизировать процесс создания согласующих цепей для согласования антенн. Optenni Lab – это быстрый и удобный инструмент для синтеза цепей согласования и анализа антенн, предназначенный для разработчиков антенно-фидерных устройств.
По вопросам предоставления временных лицензий на программные решения Altair Feko и Optenni Lab 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.
