Глава7. Исследование конструкций антенн PIFA для мобильных средств связи

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

В настоящее время мобильные устройства все чаще становятся частью нашей повседневной жизни. Количество встроенных беспроводных соединений многополосные модули в мобильных устройствах. Разработка этих устройств является сложной задачей: необходимо обеспечить работу антенн в требуемом диапазоне частот; необходимо обеспечить изоляцию между ними при достаточно малых размерах. Для решения этой проблемы небольшие микрополосковые антенны имеют дефлектор короткого замыкания, называемый плоской инвертированной антенной F (PIFA). Эти антенны имеют довольно широкий диапазон рабочих частот (до 10% резонансная частота), высокая эффективность (до 65%), относительно небольшие габариты и многополосная поддержка.

Основными методами миниатюризации микрополосковых антенн являются:

1) использование подложки с высокой диэлектрической проницаемостью;

2) использование концентрированных элементов в качестве нагрузок;

3) с пластиной короткого замыкания.

Рассмотрим конструкцию антенны PIFA, показанную на рис. Плоские антенны они обычно состоят из полосатых прямоугольных элементов, расположенных над плоскостью экрана относительно горизонта, с пластиной короткого замыкания на конце и линией передачи, проходящей через экран снизу.

Рис. 7.1. Конструкция PIFA антенны

Когда W и L равны, величина резонанса описывается следующим выражением:

(7.1)

Как показано на рисунке, добротность коэффициента из КСВН найдена частотной зависимостью определяется как:

(7.2)

Моделирование будет проводиться в среде Ansoft HFSS v.14 с частотой 1 ГГц без диэлектрическое заполнение и установите высоту 5 мм.

Рис.7.2. Модель планарной инвертированной F-антенны

После оптимизации под размер резонанса радиус сферы (1), окружающей PIFA антенна 68,184 мм. Предел добротности (1) для данной антенны 'то равно Q_ЧУ=1.041. Из соотношения (2) определяем добротность, относящуюся к рабочей полосе частоты на уровень KCB=1.4 . Для этой модели, представленной на рис.1, добротность сочиняет Q=33.45 .

Рис. 7.3. Частотная зависимость КСВ

Для уменьшения текущего размераPIFA антенн используют(2) следующие конструкции:

Рис. 7.4. Конструкции малогабаритныхPIFA антенн

Проведем моделирование для конструкции(а) по аналогии с предыдущим вариантом.

Рис. 7.5. Модель(а) планарной инвертированнойF-антенны

Рис.7.6. Частотная зависимость КСВ

Для полученной модели радиус сферы равен a=55 мм, а предельное значение добротности равно QE =1,52. В соответствии с показанным соотношением частот КСВ определите коэффициент качества. Коэффициент добротности равен Q=86,861. Теперь мы смоделируем структуру рисунка 7.7:

Рис. 7.7. Модель(б) планарной инвертированнойF-антенны

Рис. 7.8. Частотная зависимость КСВ

Предельное значение добротности составляет Q_ЧУ =1.984,, а добротность частоты зависимости Q=226.8.

Результаты расчета добротности для всех конструкций сгруппированы в таблице. 1.

Таблица 1

Таким образом, были рассмотрены методы миниатюризации МПА, в частности, использование платы короткого замыкания, позволяющей уменьшить габариты МПА в два раза. Кроме того, были рассмотрены особые случаи использования короткой доски, результаты которых приведены выше. Несогласованность изменения добротности рассматриваемых конструкций по отношению к расчетному предельному значению добротности можно объяснить тем, что размеры учитываемых антенных конструкций PIFA не сильно меняются, в отличие от диапазона рабочих частот.

7.1 Сравнительный анализ методов численного моделирования

характеристик PIFA-антенны

В настоящее время наблюдается рост популярности антенн PIFA, то есть плоских антенн F-образной формы (плоских инвертированных антенн F), широко используемых в мобильной связи. Характеристики этих антенн следует подчеркнуть их высокой эффективностью, большой полосой рабочих частот, небольшими габаритными размерами и ненаправленной диаграммой направленности, отметив ее использование в беспроводной связи и портативных устройствах.

Электрические характеристики антенны PIFA для подвешивания над поясом верхней излучающей пластины, с указанием пропорции длин ее сторон, высоты этой пластины над экраном, размеров и положения вертикальной горизонтальной стены, гнезда антенны. Малое время измерения антенны PIFA возможно, поскольку резонансная частота определяется в основном полупериметрической горизонтальной излучающей пластиной. Полоса пропускания антенны PIFA напрямую зависит от ширины D вертикальной платы короткого замыкания (рис. 7. 9)

Рис. 7.9. Конструкция PIFA антенны в печатном исполнении

Антенна расположена на стеклопластиковой подложке FR-4 высотой h = 1,57 мм с параметрами е = 4,3 и tg £ = 0,017. Излучающий элемент и слой земли выполнены из меди.

Для расчета параметров антенны использовалась формула

(7.3)

где - длина волны; D- ширина закорачивающей пластины; W- ширина антенны; L- длина антенны; h- толщина диэлектрика.

В результате расчетов на частоте 433 МГц были получены следующие параметры антенны: W = 120 мм, L = 100 мм, D = 28 мм. Полученные результаты не соответствуют требованиям стандарта задач, так как габариты не должны превышать 60 мм по большей стороне. Следовательно, когда mo

В процессе моделирования эти параметры были изменены на следующие значения: W = 60 мм, L - 50 мм, D = 14 мм, что соответствует требованиям поставленной задачи. Чтобы быть уверенным тоже по дальности выбраны координаты точки питания антенны: x = -20мм, y = 10 мм от центра антенны.

Базовая программа была выбранный пакет моделирования EMSS FEKO, с помощью которых влияние коаксиального разъем к параметрам антенны и определил решение для конструктивной замены КЗ доски. Использование пакета EMSS FEKO основано на об успешном опыте авторов на численной модели разные типы СШП антенн.

В пакете FEKO разработано три варианта конструкции антенн PIFA (рис. 2) с разной шириной место подачи (через или с коаксиальным разъемом) и два структура шлейфа КЗ (от до сила окончательной металлизации или в виде перехода металлическое отверстие).

На рис. 3 и 4 показаны зависимости КСВН от антенный вход для первых двух вариантов конструкции (Рис. 2, а и б).

Рис. 7.10. Варианты конструкции PIFA антенны: а- антенна с закорачивающей пластинои без коаксиального соединителя; б — антенна с закорачивающей пластиной с коаксиальным кабелем; в - антенна с переходным отверстием;

Из полученных результатов видно, что этот коаксиальный разъем влияет на резонансную частоту антенны (резонансная частота стала на 5,5 МГц меньше). Кроме того, разъем отрицательно влияет на КСВ антенны. Полученный КСВ дает результат tata 1,76 при измененной резонансной частоте на 1,8. Но это не изменило полосу пропускания антенны, которая осталась на уровне 10,6 МГц. Поэтому при проектировании антенны необходимо учитывать влияние коаксиального кабеля. Рассмотрите возможность замены короткой направляющей пластины (вариант на рис. 2, б). На рис. 7.11 показана зависимость КСВ от входного сигнала антенны для данного варианта конструкции.

а) б) в)

Рис. 7.11. а)-графическое представление КСВ антенны с закорачивающей пластиной без коаксиального соединителя в рабочей полосе частот ; б)- графическое представление КСВ антенны с закорачивающей пластиной с коаксиальным соединителем в рабочей полосе частот; в)- графическое представление КСВ антенны с переходным отверстием и с коаксиальным соединителем в рабочей полосе частот.

Из полученных результатов (рис. 7. 11) видно, что пластина короткого замыкания может быть заменена переходным отверстием. В то же время вы можете выбрать отверстие, при котором резонансная частота не изменится и полоса пропускания будет сохранена. В этом случае частота остается 433 МГц, а полоса пропускания составляет 10,6 МГц. Но в то же время антенна КСВ изнашивается. В приведенных выше результатах он изменился с 1,8 до 2. Поэтому при замене пластины короткого замыкания с переходным отверстием следует учитывать ухудшение КСВ.

Для сравнительного анализа было проведено моделирование с использованием различных численных методов в диапазоне частот 433 МГц. В этом случае расчет проводился для антенны с пластиной в диэлектрике и переходным отверстием. Результаты приведены в таблице. 1. Для использования антенны в системе связи, использующей частотный канал 440 МГц, была разработана антенна на этой рабочей частоте и изготовлен прототип. На рис. На рис. 6 показана трехмерная модель конструкции антенны, рассчитанной на частоту 440 МГц с коаксиальным разъемом типа SMA. В таблице 2 приведены результаты моделирования такой антенны с использованием различных численных методов.

Таблица1. Результаты расчета параметров PIFA антенны различными численными методами

Таблица 2. Результаты моделирования PIFA антенны с учетом коаксиального соединителя SMA

В конце моделирования антенны были подготовлены технологические материалы для изготовления печатной схемы. Печатная плата двухслойная с металлизацией всех отверстий. Вокруг отверстия, через которое в нижнем слое припаян разъем SMA, обрезается ремень, чтобы отделить землю от источника питания во избежание короткого замыкания. После получения готовых карт был смонтирован разъем SMA. Соответственно, антенна показана на рис. 7.12

Рис. 7.12. а)- макет антенны («вид сверху); б)-макет -пенны ( в снизу)

Для определения характеристик антенны использовалось устройство PNA Network AnalyzerN52 На рис.7.13

Р и с . 7.13 . Установка для определения характери-стик антенны

На рис.7.14. показаны результаты моделирования и измерений коэффипиента отражения на входе антенны с коаксиальным соединителем тина S M

Рис .7.14. Графики зависимости коэффициента отражения на входе антенны с коаксиальным соединителем типа SMA от частоты (1 - метод моментов, 2 - метол конечных элементов; 3 - метод конечных разностей во временной

Результаты моделирования и измерения коэффициента отражения на входе с коаксиальным разъемом типа S M A. Видно, что ранее он был рассчитан на частоту 440 МГц, рабочая плавится на частоте 439,69 МГц. Также видно, что большинство результатов было получено в САПР FEKO методом моментов. Из этого можно сделать вывод, что при проектировании антенны необходимо учитывать это влияние многих факторов, которые могут повлиять на правильное функционирование антенны.

На рис. 7.15 показаны диаграммы направленности антенны PIFA, разработанной с коаксиальным разъемом SMA 440 МГц с различными углами азимута.

Рис. 7.15. Диаграммы направленности PIFA антенны в печатном исполнении с коаксиальным соединителем типа SMA: а - угол азимута р = 0°; б- угол азимута р = 90°

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

• при проектировании антенны PIFA или другой печатной антенны необходимо учитывать влияние коаксиального разъема, так как он может смещать резонансную частоту и ухудшать работу антенны SWR;

• при проектировании антенны PIFA можно заменить перемычку с отверстием для адаптера и при этом сохранить резонансную частоту, а также практически не изменять полосу пропускания, но это приведет к ухудшению КСВ антенны;

• наиболее адекватным методом с точки зрения совпадения с экспериментальными данными является численное моделирование антенны ПИФА, в данном случае метод моментов с детальной геометрией.

логическое представление коаксиального разъема и всей конструкции антенны в целом по сравнению с другими численными методами (метод конечных элементов, метод конечных разностей во временной области).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системы спутниковой связи и вещания представляют собой комплекс оборудования, состоящий из орбитального ретранслятора и ряда наземных станций.В настоящее время станции спутниковой связи интегрированы в сеть передачи данных. Объединение группы географически распределенных станций в сеть позволяет пользователям предоставлять широкий спектр услуг и функций, а также эффективно использовать спутниковые ресурсы. Такие сети обычно имеют одну или несколько станций управления, которые поддерживают работу наземных станций как в управляемом администратором, так и в полностью автоматическом режимах.

Принцип работы спутниковой системы довольно прост: сигнал с одной из наземных станций передается непосредственно на спутник, с которого он ретранслируется на другие объекты, находящиеся в зоне действия ретранслятора.

Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных затрат на хостинг и коммутацию. ССС постоянно и ревниво сравнивают с волоконно-оптическими сетями связи. Адаптация этих сетей набирает обороты в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, что ставит вопрос о судьбе ССС.

В данной работе были рассмотрены принципы построения системы спутниковой связи, принцип работы спутникового телевидения, особенности спутниковых антенн, сравнительный анализ вычислительных методов электродинамики, особенности электрически малых антенн, а также исследование конструкций антенн PIFA для мобильной связи. Описано оборудование для приема спутникового сигнала. В качестве технологии доставки спутникового телевидения была выбрана технология VSAT, рассмотрены ее основные преимущества и недостатки.

Список использованной литературы

1. Аболиц, А. И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории и эффективность / А. И. Аболиц. – М.: ИТИС, 2004. – 426с.: ил.

2. Кантор, Л. Я. Расцвет и кризис спутниковой связи / Л. Я. Кантор //

Электросвязь, 2007. – №7. – С. 19-23.

3. Гаранин, М. В. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие

для вузов / М. В. Гаранин, В. И. Журавлев, С. В. Кунегин. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.: ил.

4. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: Учеб. пособие / В. Е. Камнев,

В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. – М.: «Альпина Паблишер», 2004. – 536 с.: ил.

5. Кантор, Л. Я. Спутниковая связь и вещание: Справочник. – 3-е изд.,

перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др.; Под ред. Л.Я. Кантора. – М.: Радио и связь, 1997. – 528 с.: ил.

6. Кривицкий Б. Х. Справочник по Радиоэлектронным системам: В 2-х

томах / Под ред. Б. Х. Кривицкого. – М.: Энергия, 1979. – 368 c.: ил.

7. Гениатулин, К. А. Исследование методов обработки сигналов в системах

спутниковой связи / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Информатика и проблемы телекоммуникаций: в 2 т. – Т.1.: мат-лы Росс. научн.-техн. конф. –Новосибирск: Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики, 2008. –C350.

8. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи

информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. – Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.

9. Воскресенский, Д. И. Активные фазированные антенныерешетки / Под

ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. – М.:Радиотехника, 2004.488с

10. Слюсар, В. И. Цифровое формирование луча в системах связи: будущее

рождается сегодня / В. И. Слюсар // Электроника. – НТБ, 2001. – №1. – С. 6-

11. Гениатулин, К. А.Применение цифровых антенных решеток всистемах158

12. Гениатулин, К. А. Применение метода координационных колец при

частотно-территориальном планировании системы подвижной спутниковой связи / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Современные проблемы телекоммуникаций: мат-лы Росс. научн.-техн. конф. – Новосибирск: Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики, 2012. – C. 119-120.

13. Анпилогов, В. Р. Спутники связи и вещания нового поколения (обзор

тенденций развития) / В. Р. Анпилогов // Спутниковая связь и вещание:

специализированное издание – 2009. – C. 28-35

14. Слюсар, В.И. Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой

связи / В. И. Слюсар // Первая миля. – 2008. – № 4. – С. 10-15.

15. Типы спутниковых антенн [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://prosputnik.ru/tipy-sputnikovykh-antenn (Дата обращения: 30.01.19)