PROJEKT INŻYNIERSKI

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI
KIERUNEK: ELEKTRONIKA I TELEKOMUNIKACJA (EiT)
SPECJALNOŚĆ: TELEINFORMATYCZNE SIECI MOBILNE (TSM)
PROJEKT INŻYNIERSKI
Metody poszerzania pasma pracy w
dwupolaryzacyjnych cienkoprofilowych antenach
pasma S przeznaczonych do użycia na statkach
kosmicznych
Frequency-band broadening methods of dual
polarized, low profile, S-band antennas for space
application
AUTOR:
Przemysław Radzik
PROWADZĄCY PRACĘ:
dr hab. inż. Paweł Kabacik, W4/I-28
OCENA PRACY:
WROCŁAW 2011
Spis treści
Spis rysunków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.1.
Cel pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2.
Metodyka i przebieg pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2. Budowa anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.
Antena mikropaskowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Parametry fundamentalne, kryteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.
Częstotliwość rezonansowa pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.
Impedancja wejściowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3.
Charakterystyka promieniowania, kierunkowość, zysk . . . . . . . . . . . . 13
3.4.
Polaryzacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5.
Izolacja pomiędzy portami zasilającymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4. Szerokość pasma pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5. Analizy symulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.1.
5.2.
5.3.
Modele jednopolaryzacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.1.1.
Prostokątna szczelina zasilająca - model odniesienia . . . . . . . . . 23
5.1.2.
Zmiana szerokości szczeliny zasilającej . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.1.3.
Szczelina zasilająca „typu C”
5.1.4.
Dodatkowe wypustki w szczelinie zasilającej . . . . . . . . . . . . . 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Modele dwupolaryzacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2.1.
Szczeliny „typu C” - model odniesienia . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.2.2.
Zmiana grubości pianki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.3.
Zmiana długości stroika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.4.
Zmiana wzajemnej odległości szczelin . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.5.
Dodanie „przysłony” na jedną ze szczelin . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.6.
Dodatkowe paski otaczające promiennik
. . . . . . . . . . . . . . . 38
Zestawienie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6. Wykonanie modelu anteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1
6.1.
6.2.
Wyniku pomiarów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.1.
Szczeliny „typu C” - model odniesienia . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.2.
Szczeliny „typu C” z paskami otaczającymi promiennik . . . . . . . 42
Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji . . . . . . . . . . . . 42
7. Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Spis rysunków
2.1. Zastępczy model Thevenina systemu antenowego. Opracowanie własne na
podstawie[5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.2. Budowa anteny mikropaskowej. Model anteny wykonany w środowisku CST. . 10
3.1. Przykładowy wykres symulacyjny charakterystyki promieniowania anteny
mikropaskowej jednego z modeli testowych w zależności od kąta elewacji θ dla
kąta azymutu φ = 0o . Promiennik zwrócony w górę osi Z. . . . . . . . . . . . . 14
3.2. Polaryzacja eliptyczna [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3. Przykładowy wykres symulacyjny przedstawiający stosunek osiowy AR
anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4. Figury zakreślane przez wypadkowy wektor natężenia pola elektrycznego
na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali dla różnych
współczynników AR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5. Przykładowy wykres izolacji portów, parametry S12 oraz S21 anteny
mikropaskowej jednego z modeli testowych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1. Uogólniony schemat czwórnika.[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2. Straty odbicia, szerokość pasma, podstawowego modelu anteny mikropaskowej. 22
5.1. Struktura ekranu modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej. . . . . 24
5.2. Straty odbicia, szerokość pasma, modelu odniesienia prostokątnej szczeliny
zasilającej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.3. Straty odbicia, szerokość pasma przy zmianie szerokości szczeliny zasilającej. . 25
5.4. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C. . . . . . . . . . . . . 26
5.5. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C. . . . . 26
5.6. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe
wypustki, przypadek 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.7. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C dodatkowe wypustki, przypadek 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.8. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe
wypustki, przypadek 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.9. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C dodatkowe wypustki, przypadek 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3
5.10. Widok „z góry” na model anteny - identyczny dla wszystkich. . . . . . . . . . 30
5.11. Struktura ekranu modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C. . . . . . . . . . . 31
5.12. Widok „z dołu” na model dwuszczelinowy model odniesienia z zaznaczoną
strukturą ekranu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.13. Straty odbicia, szerokość pasma modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C. . . 32
5.14. Parametr S11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. . . . . . . 33
5.15. Parametr S22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. . . . . . . 33
5.16. Parametr S11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. . . . . . . 34
5.17. Parametr S22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. . . . . . . 35
5.18. Straty odbicia, szerokość pasma po zbliżeniu szczelin. . . . . . . . . . . . . . . 36
5.19. Struktura ekranu z umieszczoną w jednej ze szczelin przysłoną. . . . . . . . . . 37
5.20. Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z przysłoną.
. . . . . . . . . . . . 37
5.21. Widok „z góry” na model anteny z dodatkowymi paskami otaczającymi
promiennik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.22. Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z dodatkowymi paskami
otaczającymi promiennik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.1. Wykonane modele testowe anteny mikropaskowej. . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny „typu C” - model odniesienia. 41
6.3. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny „typu C” z paskami
otaczającymi promiennik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4
1. Wprowadzenie
W dzisiejszych czasach, w których technika posuwa się do przodu wielkimi krokami i powoli zaczynamy myśleć o głębszej eksploracji przestrzeni kosmicznej, wszędzie
gdzie nie spojrzymy otaczają nas anteny. Urządzenia, których może nie zauważamy
od razu, ale bez których nie wyobrażamy sobie dzisiejszego życia, nawet jeśli nie
zdajemy sobie z tego sprawy. To właśnie dzięki zastosowaniu anten w różnych systemach, jesteśmy zdolni do komunikowania się z rodziną czy znajomymi przez telefon
komórkowy, który większość z nas ma zawsze przy sobie. Anteny umożliwiają nam
odejście od ogromnej ilości kabli i zastąpienie ich pojedynczymi urządzeniami pozwalającymi na wymianę danych z wykorzystaniem jako medium środowiska jakim
jest powietrze. Bez anten, nie byłoby mowy o żadnych systemach mobilnych, ruchowych, bezprzewodowych czy już tym bardziej satelitarnych a co za tym idzie,
nie moglibyśmy nawet marzyć o wysłaniu czegokolwiek w przestrzeń kosmiczną, z
czym moglibyśmy utrzymać kontakt, pobierać informacje o otoczeniu i/lub wydawać
odpowiednie polecenia.
Oczywiście, istnieje wiele różnych typów anten, służących różnym potrzebom, a
wybranie odpowiedniej do danego zadania jest nie raz dość mocno problematyczne,
gdy musimy rozpatrzyć wiele czynników - zaczynając od kosztów, przechodząc przez
wymiary, ciężar, czy też możliwość montażu - a to dopiero początek, bo następnie
przychodzą problemy z doborem odpowiednich parametrów obwodowych i polowych
anteny. Praca ta skupia się jedynie na antenach mikropaskowych. Zostały one przyjęte i zaakceptowane przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) do wykorzystania na
2 satelitach - orbiterze księżycowym (ESEO) oraz orbiterze Ziemskim (ESEO), jako
że właśnie tego typu anteny bardzo dobrze zdały egzamin jako anteny zamontowane
na module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Anteny te projektowane
są oraz wykonywane są przez zespół badawczy złożony ze studentów oraz pracowników dydaktycznych uczelni prowadzony przez dr hab. inż. Pawła Kabacika na
Politechnice Wrocławskiej z udziałem studentów. W obu wypadkach, anteny te będą
wykorzystywane do łączności z Ziemią przez dwie stacje naziemne po przeciwnych
stronach kuli ziemskiej. Będą wykorzystywane do transmisji telekomend i telemetrii,
co oznacza że będziemy mieli do czynienia zarówno z transmisją w górę jak i w dół.
5
Transmisja ta będzie odbywała się w 2 kanałach częstotliwościowych znajdujących
się na tyle blisko siebie, że warto spróbować w pewien sposób poszerzyć częstotliwościowe pasmo pracy tych anten, aby transmisja mogła odbywać się z wykorzystaniem
jednej anteny, zamiast dwóch.
1.1. Cel pracy
Celem pracy było znalezienie skutecznej metody na poszerzenie częstotliwościowego pasma pracy dwupolaryzacyjnej anteny mikropaskowej działającej w paśmie
S. Jednocześnie praca nad antenami mikropaskowymi projektowanymi na potrzeby
użytku na statkach kosmicznych wymagała dokładnego poznania fundamentalnych
parametrów anten oraz ich zależności między sobą. Konieczne było również zaznajomienie się z konkretnymi kryteriami oceny jakości tych parametrów a w szczególności
kryterium doboru i oceny szerokości częstotliwościowego pasma pracy.
Antenom, przeznaczonym do pracy w przestrzeni kosmicznej, stawia się bardzo
duże wymagania. Dotyczą one między innymi materiałów, które mogą zostać wykorzystane do budowy takiej anteny. Projekt ten, wymagał zaznajomienia się z tymi
materiałami i ich właściwościami.
Ostatecznym celem projektu było nabranie umiejętności technicznych poprzez
wykonanie testowego modelu anteny z wykorzystaniem odpowiednich materiałów,
w warunkach laboratoryjnych.
1.2. Metodyka i przebieg pracy
Należy zaznaczyć, że projekt inżynierski był prawie w całości pracą badawczą.
Wynika to z faktu, że rozpatrywane w projekcie pomysły na poszerzanie częstotliwościowego pasma pracy w dwupolaryzacyjnych mikropaskowych antenach przeznaczonych do użytku na statkach kosmicznych są zupełnie nowe i nie publikowane
wcześniej w żadnych magazynach, publikacjach czy też książkach naukowych.
Praca nad projektem inżynierskim odbywały się etapowo. Pierwszym krokiem
było zapoznanie się z teorią dotyczącą anten mikropaskowych a następnie opanowanie umiejętności obsługi środowiska CST Microvawe Studio[2] - programu pozwalającego projektować złożone struktury i dokładne symulacje pracy układów mikrofalowych, a w tym także anten. Kolejnym etapem było zamodelowanie jednopolaryzacyjnej anteny mikropaskowej o bardzo prostej, książkowej strukturze dla której
następnie należało znaleźć maksymalną do uzyskania szerokość pasma częstotliwo6
ściowego i otrzymanie w ten sposób modelu odniesienia. Następnie należało antenę
przemodelować w taki sposób, aby otrzymać mikropaskową antenę dwupolaryzacyjną, co oznaczało po prostu dodanie drugiego źródła zasilania, w miarę możliwości
symetrycznie względem pierwotnego. Następnie, sprawdzane i modelowane były różne pomysły, które wiązały się z ingerencją w strukturę i geometrię anteny - najpierw
sprawdzenie i porównanie z modelem jednopolaryzacyjnym i w wypadku otrzymania
dobrych wyników tj. szerszego pasma - sprawdzenie tego samego pomysły na modelu
dwupolaryzacyjnym. Końcowym etapem, po przeprowadzeniu bardzo wielu obliczeń
komputerowych i symulacji było wybranie najlepszych wyników i wykonanie modeli
fizycznych tych anten oraz zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji.
7
2. Budowa anteny
Zgodnie z definicją, antena jest urządzeniem, którego zadaniem jest zamiana
energii elektrycznej przewodzonej na promieniowaną w postaci pola elektromagnetycznego - mamy wtedy do czynienia z anteną nadawczą, lub odwrotnie, zamianę
energii promieniowanej docierającej do anteny w postaci pola EM na przewodzą
energię elektryczną - antena odbiorcza[6]. System antenowy można wyrazić za pomocą zastępczego obwodu Thevenina w sposób przedstawiony na Rysunku 2.1.
Rysunek 2.1. Zastępczy model Thevenina systemu antenowego. Opracowanie własne na
podstawie[5].
Na schemacie tym źródło reprezentowane jest przez generator Vg oraz obciążenie
Zg a linia transmisyjna reprezentowana jest przez obciążenie Zc wyrażające straty. Sama antena przedstawiona jest na schemacie jako rezystancja obciążenia RL
wyrażającą straty w dielektryku i wynikające ze struktury anteny, rezystancja promieniowania Rr reprezentującą promieniowanie oraz reaktancję XA reprezentującą
urojoną część impedancji powiązaną z promieniowaniem energii przez antenę. Fala
odbita, od elementu antenowego na skutek niedopasowania impedancyjnego, wraz
z falą padającą tworzą w linii transmisyjnej tzw. falę stojącą. Jeżeli system antenowy nie jest bardzo dobrze zaprojektowany, linia transmisyjna może zachowywać się
przez to jako duży element pojemnościowy. Oczywiście, wszystkie straty, zarówno
w linii transmisyjnej, jak i na samej antenie są mocno niepożądane i projektując
antenę należy myśleć o ich minimalizacji wykorzystując odpowiednie materiały. Źle
8
zaprojektowana antena, może działać jako obciążenie systemu, zamiast jako element
współpracujący.
2.1. Antena mikropaskowa
Anteny mikropaskowe znalazły swoje zastosowanie między innymi w przemyśle
lotniczym, kosmicznym nie raz także wojskowym, gdzie rozmiar, waga, prostota
montażu a nawet aerodynamika mają największe znaczenie. Jednym z głównych
atutów anten mikropaskowych w tym wypadku jest właśnie ich cienki profil, bardzo
mały ciężar i rozmiar. Oczywiście anteny te mają także swoje wady, porównując
z innymi, można stwierdzić że mają stosunkowo małą sprawność η czy też wąskie
częstotliwościowe pasmo pracy.
Podstawowy model anteny mikropaskowej składa się z laminatu (substratu) po
którego jednej stronie jest ekran (masa) a po drugiej stronie element promieniujący (łata). Do wykonania takiej anteny można wykorzystać wiele różnych substratów, których stałe dielektryczne zawierać mogą się w przedziale nawet 2, 2 <
r < 12. Oczywiście, bardzo pożądane są te laminaty, o jak najmniejszym r a
jak największej grubości zapewniające lepszą sprawność η oraz szerokość pasma
częstotliwościowego[10]. Takie anteny, zwykle zasilane są poprzez bezpośrednie doprowadzenie sondy i sygnału elektrycznego do odpowiedniego punktu promiennika
w celu jego pobudzenia.
W projekcie zostanie zaprezentowany model anteny mikropaskowej o większym
stopniu skomplikowania, którego schemat przedstawiony został na Rysunku 2.2.
9
Rysunek 2.2. Budowa anteny mikropaskowej. Model anteny wykonany w środowisku CST.
W takim przypadku do czynienia mamy z dwoma laminatami. Na górnym laminacie znajduje się promiennik i laminat ten jest przyklejony do pianki, mającej
na celu jedynie podniesienie promiennika wyżej nad zasilanie. Do spodniej części
pianki przyklejony jest drugi laminat na którego górnej części znajduje się ekran
z wyciętymi szczelinami a na dolnej warstwie znajdują się ścieżki zasilające. Takie zmodyfikowanie struktury podstawowej anteny mikropaskowej pomaga uzyskać
lepsze parametry wyjściowe. Służy to przede wszystkim poszerzeniu częstotliwościowego pasma pracy anteny. Antena, zasilana jest poprzez poprowadzenie ścieżek
zasilających od spodniej strony laminatu, na którego górnej części znajduje się ekran
z wyciętymi szczelinami. Część energii niesionej przez ścieżki, przedostaje się przez
wycięte w ekranie szczeliny do promiennika w celu jego pobudzenia.
Jak wcześniej zostało wspomniane, wszystkie sprzęty przeznaczone do umieszczenia na statkach kosmicznych, w tym cienkoprofilowe mikropaskowe anteny muszą
spełniać szereg wymagań i różnych norm, w tym norm bezpieczeństwa i standardów
związanych z materiałami, z których są wykonywane. Przeprowadzając symulacje
na potrzeby projektu inżynierskiego, wszystkie te rzeczy należało wziąć pod uwagę
i badania przeprowadzać już dla struktur zgodnych z zaleceniami. W Tabeli 2.1
10
wyszczególnione zostały dokładnie poszczególne warstwy badanych anten mikropaskowych. Znajdują się tam informacje o rodzaju materiału z jakiego dana warstwa
została wykonana oraz grubość danej warstwy i stała dielektryczna r . W symulacjach, warstwa kleju była zastępowana warstwą powietrza, ponieważ na tym etapie
nieznany jest klej jaki zostanie użyty do wykonania finalnej anteny zamieszczonej
na satelicie, ani nie znana jest jego przenikalność. Do wykonania modeli testowych
wykorzystany został klej GTA-BT, o nieznanej przenikalności. Co do grubości kleju,
wartość niedokładna, wynika z trudności rozprowadzenia kleju na całej powierzchni
pianki o dokładnie takiej samej grubości. Natomiast niedokładna wartość grubości
pianki wynika z tego, że grubość pianki bardzo znacznie wpływa na dopasowanie
impedancyjne anteny oraz na pasmo częstotliwości o czym mowa będzie dalej.
Tabela 2.1. Warstwy anteny mikropaskowej. Lista od warstwy najwyższej do warstwy
najniższej.
Warstwa
Materiał
Grubość [mm] Przenikalność r
Promiennik
Miedź
0,024
—
Laminat górny Rogers RO4003
0,508
3,55
Klej (?) / (GTA-BT)
0,2
(?)
Pianka
Rohacell
10
1,05
Klej (?) / (GTA-BT)
0,2
(?)
Ekran ze szczelinami
Miedź
0,024
—
Laminat dolny Rogers RO4003
0,305
3,55
Ścieżki zasilające
Miedź
0,024
—
Całkowity wymiar (szerokość x długość) anteny w przypadku symulacji wynosi
100mm x 100mm, w przypadku wykonanych modeli w celu uzyskania odpowiedniej
fazy sygnałów wymiar wynosi 100, 00mm x 116, 96mm.
11
3. Parametry fundamentalne, kryteria
W tym rozdziale przedstawione zostaną parametry fundamentalne anten, najważniejsze z punktu wiedzenia tego projektu. Przybliżone zostaną kryteria oceny
jakości wykonanej anteny. Nie mniej jednak w swojej pracy skupiałem się głównie
na częstotliwościowym paśmie pracy anteny w zależności od impedancji wejściowej.
Pozostałe parametry były jedynie sprawdzane i oceniane w przypadku uzyskania
pewnych przełomowych wyników jeśli chodzi o pasmo pracy.
3.1. Częstotliwość rezonansowa pracy
Cienkoprofilowa antena mikropaskowa, w tym projekcie powinna pracować w
paśmie S, którego przez ITU jest definiowane jako pasmo częstotliwości rozciągające
się w granicach f ∈< 2; 4 > GHz, czyli długości fali w przybliżeniu osiągają wartości
λ ∈< 0, 075; 0, 15 > m[9]. Co wzięło się z prostego przekształcenia:
λ=
c
f
(3.1)
gdzie c ≈ 2, 99 · 108 m/s - prędkość światła w próżni, f - częstotliwość, λ - długość fali. W projekcie przyjęte została częstotliwość pracy anteny w dolnej części
pasma S, pomiędzy 2GHz a 2.4GHz i w tym też zakresie częstotliwości należało
uzyskać jak najszersze pasmo. Częstotliwość rezonansowa pracy anteny zależy przede
wszystkim od średnicy promiennika. Zmniejszając średnicę promiennik zwiększamy
częstotliwość rezonansową, zwiększając średnicę promiennika - zmniejszamy częstotliwość rezonansową[5] [11] [1]. W projekcie przyjęta średnica promiennika wynosi
d = 55, 93mm.
3.2. Impedancja wejściowa
Z Rysunku 2.1 możemy wyznaczyć całkowitą wartość impedancji wejściowej anteny. Przyjmując, że część rzeczywista impedancji anteny składa się z rezystancji
12
obciążenia RL oraz rezystancji promieniowania Rr otrzymujemy finalnie równania
3.2 oraz 3.3.
RA = RL + Rr
(3.2)
ZA = RA + jXA
(3.3)
W projekcie przyjęto, jak zwykle w praktyce, że impedancja wejściowa anteny powinna wynosić ZA = 50Ω. Impedancja wejściowa anteny dla modelu prostego zmienia
się wraz ze zmianą odległości sondy pobudzającej promiennik od jego środka i maleje
wraz z jej wzrostem.[8]
3.3. Charakterystyka promieniowania, kierunkowość, zysk
Charakterystyka promieniowania anteny jest definiowana jako matematyczna lub
graficzna reprezentacja jej własności związanych z promieniowaniem energii EM w
przestrzeni.[8]. Własności te mogą być opisywane przy pomocy gęstości mocy promieniowanej, natężenia promieniowania, natężenia pól EM, kierunkowości lub polaryzacji. Charakterystyki te wyznacza się zwykle w polu dalekim, na które warunek
opisany jest wzorem 3.4
r >>
2D2
λ
(3.4)
Gdzie: r - odległość od anteny [m], D - maksymalny, fizyczny wymiar apertury anteny [m], λ - długość fali [m]. Charakterystyka promieniowania może być przedstawiana w formie wykresów trójwymiarowych, dwuwymiarowych lub polarnych. Zwykle
przedstawia poziom listka głównego promieniowania a także poziomy listków zwykle
niepożądanych - bocznych oraz wstecznych.
13
Rysunek 3.1. Przykładowy wykres symulacyjny charakterystyki promieniowania anteny
mikropaskowej jednego z modeli testowych w zależności od kąta elewacji θ dla kąta azymutu φ = 0o . Promiennik zwrócony w górę osi Z.
Z racji zastosowania tej anteny, maksymalny zysk powinien przekraczać 7dBi a
także interesujące są poziomy mocy promieniowanej oraz zysk anteny dla kątów od
−50o do +50o .
Kierunkowość anteny określona jest wzorem 3.5 i wyraża stosunek gęstości promieniowania w danym kierunku do średniej gęstości promieniowania we wszystkich
kierunkach. Gdzie średnia wartość gęstości energii wyraża się poprzez wzór 3.6 [5].
D=
U
4π · U
=
U0
Prad
(3.5)
Prad
4π
(3.6)
U0 =
Gdzie: D - kierunkowość, U [W/sr] - gęstość promieniowania, U0 [W/sr] - średnia
gęstość promieniowania (gęstość promieniowania źródła izotropowego), Prad [W ] 14
całkowita moc wypromieniowana. Maksymalną kierunkowość D0 wyznaczymy gdy
za U podstawimy Umax , czyli maksymalną gęstość promieniowania. Związek pomiędzy kierunkowością a zyskiem energetycznym określony jest wzorem 3.7
D0 = η · G0
(3.7)
Zysk energetyczny możemy także powiązać z innymi parametrami anteny (aperturą oraz częstotliwością pracy) i otrzymamy wzór 3.8.
π·D·f
G0 = η ·
c
!2
(3.8)
Gdzie: G0 - maksymalny zysk w stosunku do źródła izotropowego, η - sprawność
energetyczna anteny, D[m] - maksymalny wymiar apertury anteny, f [Hz] - częstotliwość pracy anteny, c[m/s] - prędkość światła. Natomiast sprawność energetyczną η
można wyznaczyć z wzoru 3.9, korzystając z zastępczego obwodu Thevenina, jednak
w praktyce jest to dość skomplikowane.
η=
Rr
Rr + RL
(3.9)
3.4. Polaryzacja
Polaryzację fali określa figura geometryczna zakreślana w czasie przez koniec
wektora natężenia pola elektrycznego na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali[12]. W takim wypadku, można łatwo się domyślić, że istnieje kilka
rodzajów polaryzacji - polaryzacja liniowa oraz eliptyczna. Szczególnym przypadkiem polaryzacji jest polaryzacja kołowa, która może być określana jako prawo- lub
lewoskrętna. Wyznacznikiem polaryzacji jest stosunek osiowy AR, zdefiniowany jako
stosunek wielkiej osi elipsy do małej osi elipsy - Rysunek 3.2 oraz Wzór 3.10[5].
AR =
OA
OB
(3.10)
Dla wygody można również zdefiniować stosunek osiowy w mierze decybelowej,
wzór 3.11.
AR = 20log10
15
OA
OB
(3.11)
Rysunek 3.2. Polaryzacja eliptyczna [5].
Do czynienia z polaryzacją liniową mamy, tylko gdy stosunek osiowy przyjmuje
wartości AR = 0 lub AR = ∞. Dzieje się tak, gdy w nadawanym sygnale istnieje
tylko jedna składowa pola E i tylko jedna składowa pola H, co oznacza, ze antena
pobudzana jest jednym sygnałem elektrycznym.
Polaryzacja kołowa występuje gdy AR = 1 lub AR = 0dB. To znaczy, że antena
zasilana jest dwoma przesuniętymi o 90o względem siebie sygnałami o jednakowej
amplitudzie. Polaryzacja staje zaczyna robić się eliptyczna, gdy tylko długości osi
zaczynają mieć różne długości - różne amplitudy wektorów pola lub przesunięcie w
fazie różne od 90o . W tym projekcie, ważne jest aby zachować polaryzację kołową
w zakresie kątowym od −50o do +50o , ponieważ odejście od polaryzacji powoduje
straty związane z niedopasowaniem polaryzacyjnym przy odbiorze sygnału pochodzącego z satelity w stacji naziemnej. Nie jest oczywiście możliwe aby stworzyć
idealną polaryzacje kołową a tym bardziej utrzymać ją w takim zakresie kątowym
promieniowania, jednak zgodnie z zaleceniami na dla tych kątów stosunek osiowy
nie powinien przekraczać AR ¬ 5dB czyli AR ≈ 1.78.
Na Rysunku 3.4 przedstawione zostały przykładowe polaryzacje dla różnych
współczynników AR, wykreślone na potrzeby projektu w środowisku Matlab 2009b[3].
W każdym wypadku przedstawionym na rysunku fale były do siebie prostopadłe i
przesunięte o 90o , zmieniane były jedynie ich amplitudy. Są to wykresy jedynie
poglądowe, w rzeczywistości wypadkowa polaryzacja (inna niż kołowa) może być na
płaszczyźnie nachylona pod dowolnym kątem do osi OX, zależnym od przesunięcia
fal i ich amplitud.
16
Rysunek 3.3. Przykładowy wykres symulacyjny przedstawiający stosunek osiowy AR anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych.
Rysunek 3.4. Figury zakreślane przez wypadkowy wektor natężenia pola elektrycznego na
płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali dla różnych współczynników AR.
17
3.5. Izolacja pomiędzy portami zasilającymi
W antenach mikropaskowych dwupolaryzacyjnych, bardzo istotnym parametrem
jest izolacja portów zasilających. Dla anteny zasilanej dwoma źródłami byłby to
odpowiednio S12 oraz S21 macierzy rozproszenia (więcej o macierzy rozproszenia w
Rozdziale 4). Są to parametry o tyle ważne, gdyż informują o tym jaka część energii
dostarczonej do anteny, przenika z jednego portu do drugiego, zamiast być wypromieniowana. Dla potrzeb wykorzystania projektowanej anteny na statku kosmicznym, starać się należy aby w paśmie pracy anteny parametry S12 oraz S21 osiągały
wartości mniejsze niż −20dB co oznaczałoby, że mniej niż 1% energii dostarczonej
przenika z jednego portu na drugi.
Rysunek 3.5. Przykładowy wykres izolacji portów, parametry S12 oraz S21 anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych.
18
4. Szerokość pasma pracy
Szerokość pasma pracy anteny określana jest jako zakres częstotliwości, dla których jedna lub więcej charakterystyk anteny (taka jak impedancja wejściowa, charakterystyka promieniowania, szerokość wiązki, polaryzacja, poziom listków bocznych,
zysk, kierunkowość czy sprawność energetyczna) przyjmują akceptowalne (założone)
wartości [5]. Każda z charakterystyk w funkcji częstotliwości zachowuje się inaczej,
dlatego też nie można znaleźć uniwersalnego rozwiązania dla wszystkich problemów
i każdy przypadek należy studiować oddzielnie pod kątem optymalnych wyników.
W przypadku cienkoprofilowych anten mikropaskowych do użycia na statkach
kosmicznych, założone jest kryterium impedancyjne i szerokość pasma jest obliczana względem charakterystyki strat odbicia (Return Loss RL). Parametr strat
odbicia jest związany bezpośrednio ze współczynnikiem fali stojącej (WFS) oraz
współczynnikiem odbicia |Γ| zależnościami 4.1 - 4.5 [7].
WFS =
Emax
Ei + Er
=
Emin
Ei − Er
Γ=
|Γ| =
RL[dB] = S11 [dB] = 10log10
Pi
Pr
(4.1)
ZA − Z0
ZA + Z0
(4.2)
WFS − 1
WFS + 1
(4.3)
= −20log10
Er
Ei
= −20log10
WFS − 1
WFS + 1
(4.4)
Ostatecznie otrzymujemy:
S11 [dB] = −20log10 (|Γ|)
(4.5)
Gdzie: Emax [V ] - wartość maksymalna napięcia fali stojącej, Emin [V ] - wartość
minimalna napięcia fali stojącej, Ei [V ] - wartość napięcia fali padającej, Er [V ] - war-
19
tość napięcia fali odbitej, ZA [Ω] - impedancja anteny, Z0 [Ω] - impedancja odniesienia
(linii transmisyjnej), Pi [W ] - moc padająca, Pr [W ] - moc odbita.
Podobnie jak izolacja pomiędzy portami zasilającymi antenę (parametry S12 oraz
S21 ), straty odbicia również zawierają się w macierzy rozproszenia. Dla anteny zasilanej dwoma portami, oczywiście będą to parametry S11 oraz S22 . W ogólnym
wypadku można napisać, że macierz rozproszenia Si,j opisuje odpowiedź j-tego portu
na sygnał z portu i-tego. Aby rozważyć antenę zasilaną dwoma portami wystarczy
opisać czwórnik przedstawiony na Rysunku 4.1.
Rysunek 4.1. Uogólniony schemat czwórnika.[4]
Zakładając, że a1 oraz a2 symbolizują sygnały wejściowe, natomiast b1 oraz b2
sygnały wyjściowe, możemy zapisać Równania 4.6 i 4.7 [13].


 
a1

a2

b1


b2

=


b1 = S11 · a1 + S12 · a2

b2 = S21 · a1 + S22 · a2
S11 S12
S21 S22
·
(4.6)
(4.7)
Następnie, zadając jeden sygnał wejściowy i mierząc jedną odpowiedź, a zakładając drugi sygnał wejściowy równy 0, można w bardzo prosty sposób obliczyć
elementy macierzy rozproszenia.
S11
b1 =
a1 a2=0
S12
b1 =
a2 a1=0
S21
b2 =
a1 a2=0
S22
b2 =
a2 a1=0
(4.8)
(4.9)
(4.10)
20
(4.11)
Kryterium strat odbicia dla projektu zostało wyznaczone na RL ¬ −20dB.
Można oczywiście napisać również: S11 = S12 = S21 S22 ¬ −20dB. Co oznacza
oczywiście, że z energii padającej odbity zostanie maksymalnie 1% a pozostała część
zostanie wypromieniowana. W związku z tym, wszelkie badania szerokości pasma w
tym projekcie wykonywane były na poziomie RL = −20dB.
W podstawowym modelu anteny mikropaskowej, składającej się jedynie z 3
warstw: ekranu, laminatu oraz promiennika, zasilanej bezpośrednio przyłączonymi
sondami - w odpowiednich punktach promiennika, pasmo częstotliwościowe BW jest
mniejsze niż 5% dla wartości W F S = 2, 0.[14]. Z zależności 4.4 możemy w prosty
sposób ustalić straty odbicia w mierze decybelowej RL ≈ −9, 5dB. Na Rysunku 4.2
przedstawiona została symulacja komputerowa takiej anteny, oraz zaznaczone zostały: częstotliwość środkowa oraz szerokość pasma na poziomach RL = −9, 5dB i
Rl = −20dB. Podstawiając wartości do wzoru 4.12 otrzymujemy: BW9,5dB = 0, 69%
oraz BW20dB = 0, 18%. Jak widać, dla modelu podstawowego krzywe S11 oraz S22
są dokładnie takie same, nie obserwujemy żadnych przesunięć ani niedokładności,
dzieje się tak ponieważ sondy zasilające zostały umieszczone dokładnie w takiej samej odległości od środka promiennika, jedynie przesunięte względem siebie o 90o w
celu uzyskania polaryzacji kołowej. W takim modelu widać, że na dla częstotliwości
środkowej uzyskujemy bardzo dobre dopasowanie impedancyjne, jednak częstotliwościowe pasmo pracy jest bardzo wąskie.
BW [%] =
∆f
f0
(4.12)
Gdzie: BW [%] - szerokość pasma, ∆f - szerokość pasma częstotliwościowego w [Hz],
f0 - częstotliwość środkowa.
21
Rysunek 4.2. Straty odbicia, szerokość pasma, podstawowego modelu anteny mikropaskowej.
Według różnych źródeł, poszerzenie pasma można uzyskać poprzez zastosowanie
laminatu o mniejszej przenikalności r co niestety w tym wypadku nie jest możliwe,
bo należy pamiętać o restrykcjach dotyczących wykorzystania materiałów w przestrzeni kosmicznej. Poszerzenie pasma można uzyskać zwiększając wysokość substratu, to jednocześnie teoretycznie poskutkuje nieznacznym przesunięciem częstotliwości środkowej w dół a także zwiększeniem reaktancji XA anteny.[1] W kolejnych
rozdziałach zaprezentowane zostaną wyniki analiz symulacyjnych różnych innych pomysłów, wcześniej nie publikowanych, ingerencji w strukturę anteny mikropaskowej
w celu znalezienia innej metody na poszerzenie częstotliwościowego pasma pracy.
22
5. Analizy symulacyjne
Symulacje komputerowe cienkoprofilowej anteny pracującej w paśmie S odbywały się w programie CST Microwave Studio[2]. Symulacje przeprowadzane były
w różnych zakresach częstotliwości z kilku powodów. Głównie dlatego, że program
CST przyjmował różną dokładność obliczeniową dla różnych przypadków w różnych
zakresach częstotliwości i dla każdego modelu z osobna należało wybrać optymalne
rozwiązanie. Drugim z powodów, który kierował poszerzanie pasma częstotliwości
dla którego wykonywane były symulacje, była chęć sprawdzenia pasma w poszukiwaniu dodatkowych rezonansów. Podobnych obliczeń odbyło się bardzo dużo, jednak nie sposób jest zamieścić wszystkich wyników w projekcie inżynierskim, dlatego
przedstawione zostaną tylko kluczowe wyniki.
Pasmo częstotliwościowe mierzone było w [Hz]. Wszystkie wyniki zostały zestawione razem ze sobą na końcu rozdziału w Tabeli 5.1 i 5.2.
Każdy model podczas symulacji miał wymiary (100x100)mm, promiennik umieszczony był centralnie - na środku i jego średnica wynosiła d = 55.93mm, natomiast
linie zasilające dopasowane były na 50Ω - ich szerokość wynosiła 1.13mm.
5.1. Modele jednopolaryzacyjne
Przed rozpoczęciem prac nad modelem anteny dwupolaryzacyjnej, należało dokładnie zaznajomić się z modelami jednopolaryzacyjnymi, które są zdecydowanie
prostsze. Również, według metodyki pracy, każdy pomysł był wstępnie testowany
na modelu jednopolaryzacyjnym, a dopiero w momencie uzyskania dobrych wyników
przenoszony na model dwupolaryzacyjny. Miało to na celu skrócenie czasu trwania
modelowania i obliczeń poprzez wstępne odrzucenie niektórych pomysłów.
5.1.1. Prostokątna szczelina zasilająca - model odniesienia
Najbardziej podstawowy model anteny mikropaskowej wykorzystywany w symulacjach przy projekcie. Jest to model końcowy, do którego odnosi się reszta pomiarów
i symulacji.
BW = 275, 8M Hz
23
Rysunek 5.1. Struktura ekranu modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej.
Rysunek 5.2. Straty odbicia, szerokość pasma, modelu odniesienia prostokątnej szczeliny
zasilającej.
24
5.1.2. Zmiana szerokości szczeliny zasilającej
Znalezienie odpowiedniej szerokości szczeliny zasilającej, czy też nie tyle szerokości co pola powierzchni oraz stosunku długość/szerokość szczeliny jest kluczowym
elementem jeżeli chodzi o dopasowanie impedancyjne a tym samym szerokość pasma. Wykres 5.3 obrazuje to w bardzo dobry sposób. Zmiana szerokości szczeliny w
zakresie 4mm jak pokazuje wykres, może bardzo obniżyć dopasowanie i całkowicie
wyzerować szerokość pasma według założonych kryteriów. Dla zwężenia szczeliny o
2mm z obu stron - zaobserwować możemy ciekawy efekt ujawnienia się 2 rezonansów, jednak są one zbyt słabo dopasowane, żeby mogły być interesujące z punktu
widzenia szerokości pasma pracy anteny. Symulacja ta miała jedynie ilustrować jak
ważne są wymiary szczeliny.
Rysunek 5.3. Straty odbicia, szerokość pasma przy zmianie szerokości szczeliny zasilającej.
5.1.3. Szczelina zasilająca „typu C”
Zmiana kształtu szczeliny zasilającej, jak widać, również dość znacząco wpływa
na szerokość częstotliwościowego pasma pracy anteny.
BW = 167, 1M Hz
25
Rysunek 5.4. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C.
Rysunek 5.5. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C.
26
5.1.4. Dodatkowe wypustki w szczelinie zasilającej
Dodanie do szczeliny typu C dodatkowych wypustek sposób jak na Rysunku 5.6,
których każdy z boków równy jest 1mm a oddzielone są w przypadku 1 o 5mm
spowodowało jedynie pogorszenie pasma częstotliwościowego. W przypadku 2, gdy
4 z wypustek zostały przesunięte o 3mm, jak widać na rysunku 5.8, szerokość pasma
wzrosła względem przypadku 1 jednak, pozostała mniejsza niż szerokość pasma dla
zwykłej szczeliny typu C.
BW1 = 123, 4M Hz
BW2 = 148, 9M Hz
Przypadek 1
Rysunek 5.6. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek 1.
27
Rysunek 5.7. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C dodatkowe wypustki, przypadek 1.
Przypadek 2
Rysunek 5.8. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek 2.
28
Rysunek 5.9. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C dodatkowe wypustki, przypadek 2.
5.2. Modele dwupolaryzacyjne
Pomimo, że najlepsze wyniki, jeżeli chodzi o szerokość pasma anteny jedopolaryzacyjnej uzyskiwane były dla szczeliny prostokątnej, do dalszych rozważań, przyjęto
szczelinę typu C. Głównym powodem, takiego działania była możliwość lepszego
ułożenia 2 szczelin typu C pod promiennikiem. Szczeliny prostokątne, mimo że
ich pole powierzchni było takie samo, to ustawienie 2 takich szczelin ortogonalnie
względem siebie pod promiennikiem byłoby bardzo kłopotliwe. Drugim z powodów
skorzystania ze szczelin typu C, było uzyskiwanie lepszych wyników jeżeli chodzi o
polaryzację kołową, dlatego też przedstawione w projekcie zostały jedynie anteny
dwupolaryzacyjne ze szczelinami typu C.
W antenach dwupolaryzacyjnych, mogą występować różnice w szerokości częstotliwościowego pasma pracy anteny, z punktu wiedzenia 2 szczelin zasilających.
Różnice te wynikają przede wszystkim ze sprzężeń pomiędzy szczelinami (ich wpływ
na siebie i charakterystyki) oraz wzajemne obciążanie się portów. Z tego powodu
analiza układów dwupolaryzacyjnych jest dużo trudniejsza od analizy układów jednopolaryzacyjnych.
29
5.2.1. Szczeliny „typu C” - model odniesienia
Najbardziej podstawowy model dwupolaryzacyjnej anteny z 2 szczelinami zasilającymi typu C. Model odniesienia dla różnych pomysłów i symulacji.
BWS11 = 157, 8M Hz, BWS22 = 180, 3M Hz
Rysunek 5.10. Widok „z góry” na model anteny - identyczny dla wszystkich.
30
Rysunek 5.11. Struktura ekranu modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C.
Rysunek 5.12. Widok „z dołu” na model dwuszczelinowy model odniesienia z zaznaczoną
strukturą ekranu.
31
Rysunek 5.13. Straty odbicia, szerokość pasma modelu odniesienia z 2 szczelinami typu
C.
5.2.2. Zmiana grubości pianki
Zmiana wysokości zawieszenia promiennika nad ekranem jest równie istotna jak
odpowiednie dobranie rozmiaru szczeliny. Na wykresach 5.14 i 5.15 pokazany został
wpływ zmiany wysokości pianki o 2mm (od wysokości 9mm do wysokości 11mm).
Nie zostało zaznaczone ani zmierzone pasmo częstotliwościowe, wyniki mają jedynie
pokazywać istotę tego parametru. Struktura anteny - ułożenie szczelin pod promiennikiem jest identyczne jak w modelu odniesienia.
32
Rysunek 5.14. Parametr S11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki.
Rysunek 5.15. Parametr S22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki.
33
5.2.3. Zmiana długości stroika
Na Rysunku 5.12 kolorem zielonym zaznaczone zostały tzw. „stroiki” na liniach
zasilających.
Długość stroika jest można zaryzykować stwierdzenie, najważniejszym parametrem jeśli chodzi o dopasowanie impedancyjne anteny. Jak pokazuje wykres 5.16 nawet najmniejsze zamiany, rzędu dziesiątych części milimetra może znacznie zmienić
szerokość częstotliwościowego pasma pracy lub nawet całkowicie zepsuć dopasowanie. Z wykresów 5.16 i 5.17 można łatwo wnioskować, że zmiana długości stroika
przy jednej ze szczelin w ogóle nie wpływa na drugą szczelinę i inny parametr S. Symulacje jak w przypadku zmiany grubości pianki - demonstrujące istotę parametru
oraz wpływ zmiany długości stroika na pasmo i dopasowanie.
Rysunek 5.16. Parametr S11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki.
34
Rysunek 5.17. Parametr S22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki.
5.2.4. Zmiana wzajemnej odległości szczelin
Wykres 5.18 obrazuje jak zmieniła się szerokość pasma pracy anteny po znacznym zbliżeniu do siebie szczelin. Pasmo przy parametrze S11 znacznie się poszerzyło,
natomiast pasmo przy parametrze S22 uległo zwężeniu. Dodatkowo straty odbicia w
paśmie pracy anteny podniosły się bardzo znacznie do poziomu −20dB i oczekiwać
można, że po wykonaniu fizycznym tego modelu straty te mogłyby wzrosnąć jeszcze
bardziej.
BWS11 = 213, 4M Hz, BWS22 = 105, 1M Hz
35
Rysunek 5.18. Straty odbicia, szerokość pasma po zbliżeniu szczelin.
5.2.5. Dodanie „przysłony” na jedną ze szczelin
Innym pomysłem na poszerzenie częstotliwościowego pasma pracy anteny mikropaskowej było dodanie przysłony w obrębie szczeliny. Jak widać z wykresu 5.20
szerokość pasma nie zmieniła się znacząco w stosunku do modelu odniesienia, jednak
dopasowanie impedancyjne poprawiło się bardzo znacząca. Po obliczeniu charakterystyki polaryzacji anteny z przysłoniętą jedną szczeliną, okazywało się że jest dużo
gorsza niż w przypadku odniesienia dlatego też nie przeprowadzano dla tego pomysłu
zbyt wielu obliczeń.
BWS11 = 160, 2M Hz, BWS22 = 153, 1M Hz
36
Rysunek 5.19. Struktura ekranu z umieszczoną w jednej ze szczelin przysłoną.
Rysunek 5.20. Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z przysłoną.
37
5.2.6. Dodatkowe paski otaczające promiennik
Kolejny pomysł na poszerzenie częstotliwościowego pasma pracy anteny mikropaskowej opierał się na dodaniu dodatkowych pasków otaczających promiennik, jednak
nie stykających się z nim. Znalezienie optymalnego ułożenia pasków wymagało dużo
obliczeń. Próby zaczęły się od pojedynczego pierścienia i zmieniana była jego średnica zewnętrzna oraz odległość od promiennika. Następnie pierścień był dzielony na
2, 3 i 4 części, a te już nie połączone z sobą elementy obracane były w zakresie kątów
od 0o do 180o . Maksimum a jednocześnie optymalny wynik otrzymany został dla 4
pasków umieszczonych na około promiennika i przesuniętych względem osi o 24, 8o .
BWS11 = 145, 5M Hz, BWS22 = 159, 3M Hz
Rysunek 5.21. Widok „z góry” na model anteny z dodatkowymi paskami otaczającymi
promiennik.
38
Rysunek 5.22. Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z dodatkowymi paskami otaczającymi promiennik.
5.3. Zestawienie wyników
Tabela 5.1. Zestawienie wyników symulacji mikropaskowej anteny jednopolaryzacyjnej.
Model BW [M Hz]
Szczelina prostokątna - model odniesienia
275,8
Szczelina „typu C”
167,1
Szczelina „typu C” - dodatkowe wypustki (1)
123,4
Szczelina „typu C” - dodatkowe wypustki (1)
148,9
Tabela 5.2. Zestawienie wyników symulacji mikropaskowej anteny dwupolaryzacyjnej.
Model BWS11 [M Hz] BWS22 [M Hz]
Szczeliny „typu C” - model odniesienia
157,8
180,3
Zbliżone szczeliny „typu C”
213,4
105,1
Dodana przysłona
160,2
153,1
Paski otaczające promiennik
145,5
159,3
39
6. Wykonanie modelu anteny
Ostatnim krokiem pracy po wykonaniu wielu symulacji i obliczeń było wykonanie
testowego modelu dwupolaryzacyjnej anteny mikropaskowej. Sam proces wykonywania anteny odbywał się w laboratorium techniki mikrofalowej na Politechnice
Wrocławskiej, na wydziale Elektroniki w instytucie I-28. Wykonanie anteny o ile
może wydawać się łatwe, w rzeczywistości jest czasochłonne i wymaga ogromnego skupienia i dokładności, ponieważ w tych modelach każdy milimetr może mieć
bardzo duży wpływ na końcowe wyniki i może wszystko zepsuć. Wiązało się to z
kilkukrotnym powtarzaniem całego procesu - w celu porównania ze sobą różnych
wyników dla tego samego modelu i ewentualnego wybrania najlepszych. Do wykonania modeli testowych wykorzystane były materiały określone jako dopuszczone
do wykorzystania na statkach kosmicznych i przeznaczone do pracy w przestrzeni
kosmicznej (dokładne zestawienie w Tabeli 2.1).
Rysunek 6.1. Wykonane modele testowe anteny mikropaskowej.
40
Finalnie zadecydowano o wykonaniu i pomierzeniu 2 modeli:
— szczeliny „typu C” - model odniesienia,
— szczeliny „typu C” z paskami otaczającymi promiennik.
Pomiary dokonywane były analizatorem sieci Vector Network Analyzer Rohde
& Schwarz ZVA50, następnie zapisane zostały w formie pliku tekstowego i przygotowane w środowisku Matlab[3] do zamieszczenia w projekcie.
6.1. Wyniku pomiarów
6.1.1. Szczeliny „typu C” - model odniesienia
BWS11 = 245, 0M Hz, BWS22 = 240, 0M Hz
Rysunek 6.2. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny „typu C” - model odniesienia.
41
6.1.2. Szczeliny „typu C” z paskami otaczającymi promiennik
BWS11 = 233, 0M Hz, BWS22 = 122, 0M Hz
Rysunek 6.3. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny „typu C” z paskami otaczającymi promiennik.
6.2. Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji
Tabela 6.1. Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji.
Model odniesienia
Paski otaczające promiennik
Model BWS11 [M Hz] BW22 [M Hz] BWS11 [M Hz]
BWS22 [M Hz]
Symulacja
157,8
180,3
145,5
159,3
Pomiar
245,0
240,0
233,0
122,0
42
7. Podsumowanie
Projektowanie anten mikropaskowych jest samo w sobie dużym wyzwaniem. Jeżeli dojdą do tego wymagania jakie musi spełniać antena przeznaczona do użytku na
statkach kosmicznych, poziom skomplikowania gwałtownie wzrasta jeszcze bardziej.
Pomimo, że praca dotyczy tylko szerokości częstotliwościowego pasma pracy anteny
mikropaskowej, należało pamiętać o innych kryteriach, które antena musi spełniać,
takich jak izolacja pomiędzy portami zasilającymi, polaryzacja oraz zysk. Izolacja
pomiędzy portami musiała spełniać warunek S12 = S21 ¬ −20dB, polaryzacja AR ¬ 5dB natomiast zysk anteny powinien w całym paśmie jej działania być większy niż 7dBi.
Głównym celem tego projektu było znalezienie metody lub metod poszerzania
pasma pracy cenkoprofilowych anten mikropaskowych pasm S przeznaczonych właśnie do użytku na statkach kosmicznych, a konkretnie na 2 satelitach - orbiterze
okołoziemskim i księżycowym. Poszerzanie pasma częstotliwościowego w antenach
mikropaskowych nie jest jeszcze dziedziną znaną w pełni i nie ma wielu publikacji
na ten temat, a te które można znaleźć w magazynach czy Internecie oferują zbyt
mało efektywne sposoby dlatego też projekt polegał na próbie znalezienia nowych
rozwiązań. Niestety pomimo przeprowadzenia wielu badań i symulacji cel ten nie
został osiągnięty, a przynajmniej nie zupełnie. Nie udało się znaleźć nowej, innowacyjnej metody poszerzania pasma pracy, jednak jasnym stało się jak bardzo istotne
jest dokładne dostrojenie każdego z elementów anteny i jak duże znaczenie mają
dziesiąte części milimetra.
Biorąc pod uwagę wyniki wszystkich przeprowadzonych symulacji, od razu widać,
że najszersze pasmo udało się uzyskać dla pojedynczej, prostokątnej szczeliny. Jednak z kilku powodów (lepsza polaryzacja, większa możliwość zmiany rozmieszczenia
szczelin pod promiennikiem), zasilanie szczeliną „typu C” okazało się mimo wszystko korzystniejsze, dlatego dalsze prace prowadzone zostały jedynie przy zasilaniu
właśnie szczelinami tego typu. W modelach dwupolaryzacyjnych, zbliżenie mocne
szczelin poskutkowało poszerzeniem pasma ale niestety tylko dla jednej polaryzacji. Dodanie przysłony poprawiło dopasowanie szczeliny z przysłoną, ale niestety
obniżyło pasmo drugiej szczeliny, a dodanie pasków otaczających promiennik jedy43
nie pogorszyło częstotliwościowe pasmo pracy w obu wypadkach, jednak paski te
poprawiają częściowo polaryzację kołową dla wymaganego zakresu kątowego.
Zestawiając ze sobą wyniki symulacji i wyniki pomiarów tych samych modeli anten mikropaskowycyh otrzymujemy bardzo interesujące porównanie. W przypadku
prostego, modelu odniesienia z 2 szczelinami „typu C” widać, że częstotliwościowe
pasmo pracy jest znacznie szersze w wypadku dokonanego pomiaru niż symulacji.
Jest to dużym zaskoczeniem, zważając na warunki w jakich wykonywane były modele, w których dokładność wykonania nie mogła być większa niż 1mm. Zwykle
oczekuje się, modele rzeczywiste będą sprawowały się gorzej niż modele symulacyjne, których charakterystyki obliczane są bez różnego rodzaju strat. Jedyne możliwe
powody osiągnięcia takich wyników jakie przychodzą do głowy, to właściwości kleju
oraz niedokładność wykonania, którą przez przypadek udało się antenę lepiej dostroić. Symulacje w środowisku CST Microvave Studio, przeprowadzane były w warunkach, gdzie warstwa kleju miała grubość dokładnie 0, 2mm a przenikalność r = 1
czyli przenikalność powietrza (z powodu nieznajomości rzeczywistych parametrów
kleju). Być może, wysoka, rzeczywista przenikalność kleju spowodowała widoczne
na wykresie obniżenie się dopasowania na konkretnej częstotliwości, a poszerzenie
się pasma pracy.
W przypadku modelu z paskami otaczającymi promiennik, wzrosła szerokość
częstotliwościowego pasma pracy tylko w wypadku jednej ze szczelin zasilających,
natomiast spadła w wypadku drugiej. Gdy porównamy ze sobą oba wykresy pomiarowe, można odnieść wrażenie, że na wykresie 6.2 dla parametru S11 tworzą się 2
rezonanse, gdzie na wykresie 6.3 widać dokładnie tylko 1 rezonans, tak jakby ten
drugi zanikł. Prawdopodobnie było to winą niedokładnego wykonania i to właśnie
było powodem uzyskania węższego częstotliwościowego pasma pracy dla drugiej ze
szczelin zasilających.
Mimo wszystko, z kilku powodów można projekt uznać za zakończony pewnym
sukcesem. Po pierwsze, pomógł w nabraniu technicznych umiejętności wytwarzania
anten a także dzięki projektowi udało się nabyć wiele wiedzy teoretycznej z zakresu
parametrów fundamentalnych anten a także problematyki projektowania urządzeń
przeznaczonych do użycia na statkach kosmicznych. Drugim powodem jest sprawdzenie wielu różnych pomysłów i ich wykluczenie - co jest bardzo cenną informacją
gdyż określa kierunki, w których raczej nie znajdzie się żadnej metody na poszerzenie
pasma pracy. Finalnie, patrząc na to co mówią publikacje na temat podstawowego
modelu anteny mikropaskowej - szerokość pasma na poziomie −9, 5dB jest mniejsza
niż 5%, co na poziomie −20, 0dB wynosi mniej niż 1% - jak widać w przeprowadzonej
44
symulacji. W projekcie udało się uzyskać szerokość pasma na poziomie −20dB nawet
powyżej 11% - dla wykonanego fizycznie modelu testowego - modelu odniesienia - a
to istotne poszerzenie.
45
Bibliografia
[1] www.antennamagus.com.
[2] www.cst.com.
[3] www.mathworks.com.
[4] www.microwaves101.com.
[5] Constantine A. Balanis. Antenna Theory Analysis and Design. Wiley-Interscience,
wydanie trzecie, 2005.
[6] Zhong Chen, Vince Rodriquez. Emc antenna fundamentals. Conformity, strony
42–50, Grudzień 2007.
[7] Naval Air Systems Command. Electronic Warfare and Radar Systems Enginieering
Handbook. Naval Air Warfare Center, 1997.
[8] dr inż. Piotr Słobodzian. Anteny. Wykład, 2011.
[9] ITU-R. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunication. 2000. RECOMMENDATION ITU-R V.431-7.
[10] J. R. James, P. S. Hall (Eds.). Handbook of Microstrip Antennas, wolumen I i II.
Peter Peregrinus, 1989.
[11] B. J. Kwaha, O. N. Inyang, P. Amalu. The circular microstrip antenna - design and
implementation. International Journal of Reaserch and Review in Applied Science,
July 2011.
[12] Jarosław Szóstka. Fale i Anteny. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności Warszawa,
2001.
[13] Włodzimierz Wolski. Teoretyczne podstaway techniki analogowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2007.
[14] Wen Xun Zhang. Frequency-band broadening of microstrip patch antennas. Raport
instytutowy, State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, China.
46