Антенна в интегральном исполнении типа «спираль Архимеда»

Министерство образования и науки Украины Донецкий национальный технический университет Кафедра радиотехники и защиты информации КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

Антенна в интегральном исполнении типа «спираль Архимеда»

Исполнитель студент Демидов И. Р

3 курс, группа РЭС-10

Руководитель работы к.т.н. доцент Паслен В.В.

Донецк 2012

ЗАДАНИЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине: «Антенны и устройства СВЧ»

студенту Демидову Ивану, группы РЭС-10, факультета РТСП Рассчитать антенну в интегральном исполнении типа «спираль Архимеда» для частоты 2,4 ГГц, на подложке состоящего из диэлектрика типа полиэтилена.

Используя знания, полученные во время изучения курса «Антенны и устройства СВЧ», рассчитать её физические размеры и промоделировать в программном продукте Ansoft HFSS v13, получив при этом идеальные характеристики. Предложить методы питания таких антенн.

РЕФЕРАТ

Страниц — 33, рис — 3, приложения — 15.

Объект исследования: сверхвысокочастотное антенное устройство, программный продукт Ansoft HFSS v13.

Цель исследования: расчет, моделирование и практическое использование СВЧ антенного устройства на частоте стандартного Wi-Fi устройства 2,4 ГГц, и практическое применение такой антенны в обыденной жизни.

Для расчета данного курсового проекта было использовано множество дополнительной литературы описанной в списке использованной литературы.

Разработанное устройство можно использовать для усиления сигнала в определенную сторону полезного сигнала от Wi-Fi роутера к персональному компьютеру либо ноутбуку со встроенной антенной, созданной на тот же частотный диапазон.

Особенность разработанного устройства в том, что такие антенны не использовались на частоте 2,4 ГГц, да и вообще они не используются как профессиональные антенные устройства для приема и передачи информации.

В ходе исследования поведения отдельно взятой антенны типа «спираль Архимеда» и синфазной антенны того же типа были получены параметры коэффициента направленного действия, коэффициента усиления, диаграммы направленности и другие характеристики антенн.

1. Описание спирали Архимеда

2. Микрополосковые антенны

3. Способы питания микрополосковых антенн

4. Расчет микрополосковой антенны типа «спираль Архимеда»

4.1 Расчет одной антенны

4.2 Расчет фазированной антенной решетки Заключение Список использованных источников Последний лист проекта Приложения

Интегральная антенна типа «спираль Архимеда» представляет собой двухстороннюю печатную плату, на которой одна сторона проводникового слоя является экраном, а вторая сторона травится таким образом, чтобы в окончательном итоге у нас вышла четырехзаходная спираль Архимеда в виде проводников (линий проводящего материала).

Внедрение антенных устройств в большинство производственных структур приводит к повышенному спросу людей, знающих самые элементарные принципы работы того или иного антенного устройства. Так как с помощью антенного устройства можно передавать созданную нами информацию по имеющемуся каналу связи с необходимой дальностью и качеством сигнала.

Целью данного проекта был поставлен расчет и создание в программном продукте Ansoft HFSS v13 антенны в интегральном исполнении типа «спираль Архимеда» для приема и передачи сигнала на частоте 2,4 ГГц.

Антенное устройство, описанное в данном проекте, довольно актуально, даже потому что использование данных антенн пока что не нашло применения в повседневной жизни человека, либо просто человек еще не проинформирован. Данная антенна может использоваться в домашних условиях для улучшения направленного действия стационарного Wi-Fi устройства, либо же для применения в повседневной жизни прикрепив антенну на корпус, например, ноутбука или же какого-либо иного портативного устройства с возможностью приема-передачи по каналу связи с Wi-Fi устройством.

1. Описание спирали Архимеда

Архимедова спираль — спираль, плоская кривая, траектория точки M (см Рис. 1.1), которая равномерно движется вдоль луча OV с началом в O, в то время как сам луч OV равномерно вращается вокруг O. Другими словами, расстояние с = OM пропорционально углу поворота ц луча OV. Повороту луча OV на один и тот же угол соответствует одно и то же приращение с.

Рис. 1.1 построение спирали Архимеда в полярной системе координат Уравнение Архимедовой спирали в полярной системе координат записывается так:

(1)

где k — смещение точки M по лучу r, при повороте на угол равный одному радиану.

Повороту прямой на соответствует смещение

a = |BM| = |MA| =

Число a — называется шагом спирали. Уравнение Архимедовой спирали можно переписать так:

При вращении луча против часовой стрелки получается правая спираль (см. Рис. 1.2), при вращении — по часовой стрелке — левая спираль.

Рис. 1.2 Две спирали Архимеда (правои левосторонняя) Обе ветви спирали (правая и левая) описываются одним уравнением (1). Положительным значениям соответствует правая спираль, отрицательным — левая спираль. Если точка M будет двигаться по прямой UV из отрицательных значений через центр вращения O и далее в положительные значения, вдоль прямой UV, то точка M опишет обе ветви спирали.

Луч OV, проведённый из начальной точки O, пересекает спираль бесконечное число раз — точки B, M, A и так далее. Расстояния между точками B и M, M и A равны шагу спирали. При раскручивании спирали, расстояние от точки O до точки M стремится к бесконечности, при этом шаг спирали остаётся постоянным (конечным), то есть, чем дальше от центра, тем ближе витки спирали, по форме, приближаются к окружности.

2. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ

В настоящее время интенсивно развивается направление, связанное с разработкой малогабаритных антенных систем для передачи (приема) широкополосных сигналов. Выбор антенных систем осуществляется на основе комплекса требований, среди которых: круговая поляризация излучения; широкополосное согласование, стабильность характеристик излучения, минимальные массогабаритные параметры, высокая надежность работы. Используемая антенна должна быть слабонаправленной.

Одной из основных тенденций развития современной радиоэлектроники СВЧ является микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Значительные успехи в этом направлении получены при самом широком использовании последних достижений микроэлектроники как части низкочастотных блоков РЭА, так и ее СВЧ модулей. Известно, что качественные характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами ее антенно-фидерного устройства (АФУ). Особенно заметный выигрыш в массогабаритных параметрах РЭА достигается при переходе в СВЧ модулях от планарных интегральных схем (ИС) СВЧ к объемным интегральным схемам (ОИС). Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам. В особенности это относится к бортовым АФУ, где нередко предельные возможности РЭА определяются инженерно-техническим уровнем разработки антенной структуры.

Микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по технологии ИС, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу.

Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двухили многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие интегральные антенны в фазированную антенную решетку и разместить их на поверхностях сложной формы. Кроме того, микрополосковые антенны обладают высокими аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

Отметим, что микрополосковые антенные структуры открывают широкие возможности для создания комплексов «активных» антенн, позволяющих, в частности, решить задачу о синхронном сложении мощностей полупроводниковых генераторов. Малые габаритные размеры, высокая стабильность полупроводниковых генераторов позволяют считать их перспективными для использования в качестве элементов фазированной антенной решетки. В целом ряде случаев эта стабильность поддерживается с помощью быстродействующих процессоров, встроенных, например, в схему фазированной антенной решетки. По этим же каналам могут передаваться сигналы электронного управления диаграммой направленности фазированных антенных решеток. Как следует из вышесказанного, класс МПА отличается большим разнообразием типов антенн, кроме того имеется значительное число гибридных конструкций, объединяющих различные типы МПА. В связи с этим предлагаемая ниже классификация полосковых антенн является условной. В соответствии со сложившимся к настоящему времени подходом к анализу слабонаправленных антенн МПА можно разделить на следующие классы и виды:

1. Вибраторные антенны: вибраторы, возбуждаемые индуктивно; вибраторы, возбуждаемые кондуктивно; поливибраторные антенны; шлейфовые вибраторы.

2. Щелевые антенны: щели, возбуждаемые МПА, щелевые антенны с микрополосковым резонатором; открытый конец МПЛ.

3. Плоские двумерные МПА: плоские МПА резонансного типа; плоские МПА нерезонансного типа; плоские антенны с распределенным возбуждением.

4. Частотно-независимые и многочастотные антенны: спиральные МПА; логопериодические антенны; многочастотные антенны.

Микрополосковые антенны интенсивно развиваются, поэтому предложенное разбиение на классы и типы не свободно от недостатков. Имеется, как отмечалось, большое число МПА, сочетающих различные принципы построения, что подтверждает необходимость хотя бы их «рабочей» классификации. Перспективным для таких систем является использование плоских спиральных антенн. В диапазонах частот, используемых для малогабаритных локаторов, они обладают малыми габаритными размерами. Целью данной работы является разработка конструкции антенны, обеспечивающей в диапазоне частот 24 ГГц согласование с питающей линией с коэффициентом стоячей волны не более 1,5 и круговую поляризацию излучения с коэффициентом эллиптичности не менее 0,95.

Среди многообразия полосковых спиральных антенн остается открытым вопрос разработки конструкции малогабаритных антенн, для которых во всем диапазоне частот для согласования с питающее линией передачи достаточно простых широкополосных согласующих устройств (СУ) с минимальными потерями. Упростить эту задачу можно за счет некоторого увеличения начального радиуса спиральных излучателей, что позволяет также перестраивать антенну в более длинноволновый диапазон. В связи с этим возникает дополнительная трудность построения СУ и симметрирующих устройств, так как требуется построение линии с переменными параметрами (с изменяющимся расстоянием между проводниками и, следовательно, с изменением ширины проводников для обеспечения постоянства волнового сопротивления линии передачи). Практический интерес представляет разработка конструкции антенны, которая при увеличении радиуса позволит упростить согласование антенны.

3. СПОСОБЫ ПИТАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

Исходя из требований согласования МПИ с линией питания по сопротивлению на резонансной частоте определяю ориентировочное положение точки питания yтп — входное сопротивление МПИ в резонансном режиме существенно зависит от положения точки питания. Смещение точки питания позволяет осуществить согласование.

В основном точка питания находится на середине участка между всеми антеннами, т.к. нам необходимо чтобы на антенной решетке сигнал всегда был в фазе для получения необходимой диаграммы направленности относительно направления излучения, но в реальной жизни это трудно осуществить, поэтому чтобы антенна была согласованна точку питания выбирают непосредственно при пайке во время конструктивной сборки антенны. Для того чтобы изменить направление луча диаграммы направленности необходимо сместить точку питания в ту или иную сторону.

Схемы питания фазированной антенной решетки 2:1 и 2:2 представлены ниже:

Рис. 3.1 Питание антенных решеток а) на 2антенны и б) на 4 антенны Во время припаивания питания СВЧ антенн необходимо знать, что не должно быть «торчащего» припоя, т.к. он тоже будет являться излучающим элементом и будет влиять на диаграмму направленности антенны.

4. РАСЧЕТ ИНТЕГРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ ТИПА «СПИРАЛЬ АРХИМЕДА»

4.1 Расчет одной антенны

В данной работе будет рассчитана четырехзаходная спираль Архимеда, так как они позволяет улучшить направленные характеристики антенного устройства.

Начнем определения длины волны :

откуда:

После того как определили длину волны приемного и передающего сигнала, необходимо определить начальную точку вращения спирали относительно входа питания, а так же это расстояние будет равняться расстоянию между соседними проводниками одной спирали и таким образом будет достигнуто условие амплитудного максимума, т. е. на соседних проводниках будет амплитуда одинакова:

Для того чтобы согласовать фидер и полосковую линию выбирается ширина полосковой линий d равная d = 0,1 мм, таким образом мы получим максимальный коэффициент полезного действия, который равен:

Рассчитаем длину проводника, т. е. оптимальная длина проводника будет при которой на концах антенны сохранился амплитудный максимум:

а оптимальная длина проводника будет равна:

В иностранных источниках указывается, что для микроволновых антенн предпочтительной является толщина диэлектрика:

где — длина волны, — относительная магнитная проницаемость, — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. В качестве диэлектрика применяются диэлектрические материалы с низкими потерями (тефлон, полиэтилен, политетрафторэтилен), с =1 — 1,5, = 2 — 2,6.

Для расчета или дальнейшего проектирования примем:

4.2 Расчет фазированной антенной решетки

Из изложенного выше необходимо взять подложку из полиэтилена толщиной:

А так же длину проводника и его ширину брать такими же как и были рассчитаны ранее, т. е.:

d = 0,1

Достижение наилучшей направленности и отсутствия либо наименьшего уровня бокового излучения необходимо чтобы антенны находились на расстоянии менее чем 0,5, а при расположении соседних антенн более чем 0,5 наблюдается уменьшение уровня главного лепестка и увеличение уровня побочного излучения.

Таким образом, расстояние между антеннами при моделировании:

при этом условии в данном случае спираль получится неполной, т. е. 0,7 от одного полного оборота на, т.к. при полном обороте спирали две соседние антенны будут контактировать друг с другом создавая короткое замыкание и препятствуя излучению, может вывести из строя передающее устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, рассчитав физические параметры микрополосковой антенны типа «спираль Архимеда» и построив её в программном продукте Ansoft HFSS v13 были получены такие параметры как диаграмма направленности в полярной и прямоугольной системе координат, коэффициент усиления.

Сравнивая диаграммы направленности антенн видно, что угол половинной мощности уменьшается при увеличении количества антенн. Как видим дальше из графиков коэффициента усиления явно видно, что лучше использовать фазированную антенную решетку из четырех четырехзаходных антенн типа «спираль Архимеда», так мы получаем бонус в виде дальности связи и сравнительно узком угле половинной мощности.

При использовании только лишь одной антенны типа «спираль Архимеда», то как видим из диаграммы направленности излучение данной антенны в направлении оси мало, но существуют побочные лепестки, создающие как бы «воронку» в направлении антенны, при максимальном коэффициенте усиления 12 дБ [Приложение 1, 2, 3, 4, 5].

При использовании фазированной антенной решетки состоящей из двух простых антенн типа «спираль Архимеда», то получим на диаграмме направленности сконцентрированное излучение СВЧ энергии в направлении оси антенны, один лепесток и малый уровень бокового излучения при максимальном коэффициенте усиления 17,9 дБ [Приложение 6, 7, 8, 9, 10].

При использовании фазированной антенной решетки состоящей из четырех простых антенн типа «спираль Архимеда», то получим на диаграмме направленности сконцентрированное излучение СВЧ энергии в направлении оси антенны, но из-за неравномерного распределения поля по антеннам или малой несогласованности, главный лепесток излучения немного смещен. Для небольших расстояний это большой роли не сыграет, но если мы будем создавать антенную решетку на большие расстояния, как описывалось ранее, нам необходимо согласовывать сопротивление антенны по питанию, методом перемещения точки питания. Исходя из максимального коэффициента усиления равному 36,25 дБ ясно, что сигнал данной излучающей системы пройдет дальше, чем сигнал, излучаемый антенной решеткой состоящей из двух простых антенн типа «спираль Архимеда» [Приложение 11, 12, 13, 14, 15].

Итак, если нам необходимо использовать антенну на частоте 2,4 ГГц в домашних условиях (для Wi-Fi роутера, т. е. относительно небольшое расстояние) то можно использовать антенную решетку состоящей из двух простых антенн типа «спираль Архимеда». А вот уже если использовать на дальние расстояния, то необходимо брать фазированную антенную решетку, состоящую из четырех и более простых антенн типа «спираль Архимеда», но прежде необходимо согласование о питании!

микрополосковый частота спираль архимед

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Панченко Б. А., Нефёдов Е. И. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1986. — 144 с., ил.

2. Вісник СевНТУ. Вип. 101: Інформатика, електроніка, зв’язок: зб. наук. пр. — Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010.

3. Проектирование полосковых устройств СВЧ. — Ульяновск, — уч. пособие, — 2001, 129 с.

4. С. Банков, А. Курушин — Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft (М., 2009)

5. Рудольф Кюн, — Микроволновые антенны. — изд. Судостроение, — 1967, — 520 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Вид антенны в трехмерном пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Диаграмма направленности в полярной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Диаграмма направленности в прямоугольной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Коэффициент усиления

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Диаграмма направленности в трехмерном пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Вид антенны в трехмерном пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Диаграмма направленности в полярной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

Диаграмма направленности в прямоугольной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

Коэффициент усиления

ПРИЛОЖЕНИЕ 10

Диаграмма направленности в трехмерном пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ 11

Вид антенны в трехмерном пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ 12

Диаграмма направленности в полярной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

Диаграмма направленности в прямоугольной системе координат

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

Коэффициент усиления

ПРИЛОЖЕНИЕ 15

Диаграмма направленности в трехмерном пространстве