PROJEKT INŻYNIERSKI POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRONIKI. AUTOR: Przemysław Radzik. PROWADZĄCY PRACĘ: dr hab. inż. Paweł Kabacik, W4/I-28

Transkrypt

1 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

2 Spis treści Spis rysunków Wprowadzenie Cel pracy Metodyka i przebieg pracy Budowa anteny Antena mikropaskowa Parametry fundamentalne, kryteria Częstotliwość rezonansowa pracy Impedancja wejściowa Charakterystyka promieniowania, kierunkowość, zysk Polaryzacja Izolacja pomiędzy portami zasilającymi Szerokość pasma pracy Analizy symulacyjne Modele jednopolaryzacyjne Prostokątna szczelina zasilająca - model odniesienia Zmiana szerokości szczeliny zasilającej Szczelina zasilająca typu C Dodatkowe wypustki w szczelinie zasilającej Modele dwupolaryzacyjne Szczeliny typu C - model odniesienia Zmiana grubości pianki Zmiana długości stroika Zmiana wzajemnej odległości szczelin Dodanie przysłony na jedną ze szczelin Dodatkowe paski otaczające promiennik Zestawienie wyników Wykonanie modelu anteny

3 6.1. Wyniku pomiarów Szczeliny typu C - model odniesienia Szczeliny typu C z paskami otaczającymi promiennik Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji Podsumowanie Bibliografia

4 Spis rysunków 2.1. Zastępczy model Thevenina systemu antenowego. Opracowanie własne na podstawie[5] Budowa anteny mikropaskowej. Model anteny wykonany w środowisku CST Przykładowy wykres symulacyjny charakterystyki promieniowania anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych w zależności od kąta elewacji θ dla kąta azymutu φ = 0 o. Promiennik zwrócony w górę osi Z Polaryzacja eliptyczna [5] Przykładowy wykres symulacyjny przedstawiający stosunek osiowy AR anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych Figury zakreślane przez wypadkowy wektor natężenia pola elektrycznego na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali dla różnych współczynników AR Przykładowy wykres izolacji portów, parametry S 12 oraz S 21 anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych Uogólniony schemat czwórnika.[4] Straty odbicia, szerokość pasma, podstawowego modelu anteny mikropaskowej Struktura ekranu modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej Straty odbicia, szerokość pasma, modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej Straty odbicia, szerokość pasma przy zmianie szerokości szczeliny zasilającej Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek

5 5.10. Widok z góry na model anteny - identyczny dla wszystkich Struktura ekranu modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C Widok z dołu na model dwuszczelinowy model odniesienia z zaznaczoną strukturą ekranu Straty odbicia, szerokość pasma modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C Parametr S 11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki Parametr S 22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki Parametr S 11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki Parametr S 22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki Straty odbicia, szerokość pasma po zbliżeniu szczelin Struktura ekranu z umieszczoną w jednej ze szczelin przysłoną Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z przysłoną Widok z góry na model anteny z dodatkowymi paskami otaczającymi promiennik Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z dodatkowymi paskami otaczającymi promiennik Wykonane modele testowe anteny mikropaskowej Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny typu C - model odniesienia Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny typu C z paskami otaczającymi promiennik

6 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

7 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 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 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 częstotliwo- 6

8 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

9 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 V g oraz obciążenie Z g a linia transmisyjna reprezentowana jest przez obciążenie Z c wyrażające straty. Sama antena przedstawiona jest na schemacie jako rezystancja obciążenia R L wyrażającą straty w dielektryku i wynikające ze struktury anteny, rezystancja promieniowania R r reprezentującą promieniowanie oraz reaktancję X A 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

10 zaprojektowana antena, może działać jako obciążenie systemu, zamiast jako element współpracujący 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 < ɛ r < 12. Oczywiście, bardzo pożądane są te laminaty, o jak najmniejszym ɛ 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

11 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

12 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 ɛ 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 ɛ 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

13 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 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, 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 Impedancja wejściowa Z Rysunku 2.1 możemy wyznaczyć całkowitą wartość impedancji wejściowej anteny. Przyjmując, że część rzeczywista impedancji anteny składa się z rezystancji 12

14 obciążenia R L oraz rezystancji promieniowania R r otrzymujemy finalnie równania 3.2 oraz 3.3. R A = R L + R r (3.2) Z A = R A + jx A (3.3) W projekcie przyjęto, jak zwykle w praktyce, że impedancja wejściowa anteny powinna wynosić Z A = 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

15 Rysunek 3.1. Przykładowy wykres symulacyjny charakterystyki promieniowania anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych w zależności od kąta elewacji θ dla kąta azymutu φ = 0 o. 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 50 o do +50 o. 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 U 0 = 4π U P rad (3.5) U 0 = P rad 4π (3.6) Gdzie: D - kierunkowość, U[W/sr] - gęstość promieniowania, U 0 [W/sr] - średnia gęstość promieniowania (gęstość promieniowania źródła izotropowego), P rad [W ] - 14

16 całkowita moc wypromieniowana. Maksymalną kierunkowość D 0 wyznaczymy gdy za U podstawimy U max, czyli maksymalną gęstość promieniowania. Związek pomiędzy kierunkowością a zyskiem energetycznym określony jest wzorem 3.7 D 0 = η G 0 (3.7) Zysk energetyczny możemy także powiązać z innymi parametrami anteny (aperturą oraz częstotliwością pracy) i otrzymamy wzór 3.8. ( ) 2 π D f G 0 = η (3.8) c Gdzie: G 0 - 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 = R r R r + R L (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 ( ) OA AR = 20log 10 OB (3.11) 15

17 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 90 o 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 90 o. W tym projekcie, ważne jest aby zachować polaryzację kołową w zakresie kątowym od 50 o do +50 o, 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 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 90 o, 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

18 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

19 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 S 12 oraz S 21 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 S 12 oraz S 21 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 S 12 oraz S 21 anteny mikropaskowej jednego z modeli testowych. 18

20 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 [7]. W F S = E max E min = E i + E r E i E r (4.1) Γ = Z A Z 0 Z A + Z 0 (4.2) Γ = W F S 1 W F S + 1 (4.3) ( ) Pi RL[dB] = S 11 [db] = 10log 10 P r Ostatecznie otrzymujemy: ( ) Er = 20log 10 E i ( ) W F S 1 = 20log 10 W F S + 1 (4.4) S 11 [db] = 20log 10 ( Γ ) (4.5) Gdzie: E max [V ] - wartość maksymalna napięcia fali stojącej, E min [V ] - wartość minimalna napięcia fali stojącej, E i [V ] - wartość napięcia fali padającej, E r [V ] - war- 19

21 tość napięcia fali odbitej, Z A [Ω] - impedancja anteny, Z 0 [Ω] - impedancja odniesienia (linii transmisyjnej), P i [W ] - moc padająca, P r [W ] - moc odbita. Podobnie jak izolacja pomiędzy portami zasilającymi antenę (parametry S 12 oraz S 21 ), straty odbicia również zawierają się w macierzy rozproszenia. Dla anteny zasilanej dwoma portami, oczywiście będą to parametry S 11 oraz S 22. W ogólnym wypadku można napisać, że macierz rozproszenia S i,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]. b1 b2 = S 11 S 12 S 21 S 22 a1 a2 b1 = S 11 a1 + S 12 a2 b2 = S 21 a1 + S 22 a2 (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. S 11 = b1 (4.8) a1 a2=0 S 12 = b1 (4.9) a2 a1=0 S 21 = b2 (4.10) a1 a2=0 S 22 = b2 (4.11) a2 a1=0 20

22 Kryterium strat odbicia dla projektu zostało wyznaczone na RL 20dB. Można oczywiście napisać również: S 11 = S 12 = S 21 S 22 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: BW 9,5dB = 0, 69% oraz BW 20dB = 0, 18%. Jak widać, dla modelu podstawowego krzywe S 11 oraz S 22 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 90 o 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 f 0 (4.12) Gdzie: BW [%] - szerokość pasma, f - szerokość pasma częstotliwościowego w [Hz], f 0 - częstotliwość środkowa. 21

23 Rysunek 4.2. Straty odbicia, szerokość pasma, podstawowego modelu anteny mikropaskowej. Według różnych źródeł, poszerzenie pasma można uzyskać poprzez zastosowanie laminatu o mniejszej przenikalności ɛ 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 X A 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

24 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 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 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, 8MHz 23

25 Rysunek 5.1. Struktura ekranu modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej. Rysunek 5.2. Straty odbicia, szerokość pasma, modelu odniesienia prostokątnej szczeliny zasilającej. 24

26 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 Szczelina zasilająca typu C Zmiana kształtu szczeliny zasilającej, jak widać, również dość znacząco wpływa na szerokość częstotliwościowego pasma pracy anteny. BW = 167, 1MHz 25

27 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

28 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. BW 1 = 123, 4MHz BW 2 = 148, 9MHz Przypadek 1 Rysunek 5.6. Struktura ekranu modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek 1. 27

29 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

30 Rysunek 5.9. Straty odbicia, szerokość pasma modelu z pojedynczą szczeliną typu C - dodatkowe wypustki, przypadek 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

31 Szczeliny typu C - model odniesienia Najbardziej podstawowy model dwupolaryzacyjnej anteny z 2 szczelinami zasilającymi typu C. Model odniesienia dla różnych pomysłów i symulacji. BW S11 = 157, 8MHz, BW S22 = 180, 3MHz Rysunek Widok z góry na model anteny - identyczny dla wszystkich. 30

32 Rysunek Struktura ekranu modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C. Rysunek Widok z dołu na model dwuszczelinowy model odniesienia z zaznaczoną strukturą ekranu. 31

33 Rysunek Straty odbicia, szerokość pasma modelu odniesienia z 2 szczelinami typu C 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

34 Rysunek Parametr S 11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. Rysunek Parametr S 22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. 33

35 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 Parametr S 11 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki. 34

36 Rysunek Parametr S 22 w funkcji częstotliwości dla zmiennej grubości pianki Zmiana wzajemnej odległości szczelin Wykres 5.18 obrazuje jak zmieniła się szerokość pasma pracy anteny po znacznym zbliżeniu do siebie szczelin. Pasmo przy parametrze S 11 znacznie się poszerzyło, natomiast pasmo przy parametrze S 22 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. BW S11 = 213, 4MHz, BW S22 = 105, 1MHz 35

37 Rysunek Straty odbicia, szerokość pasma po zbliżeniu szczelin 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. BW S11 = 160, 2MHz, BW S22 = 153, 1MHz 36

38 Rysunek Struktura ekranu z umieszczoną w jednej ze szczelin przysłoną. Rysunek Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z przysłoną. 37

39 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 0 o do 180 o. Maksimum a jednocześnie optymalny wynik otrzymany został dla 4 pasków umieszczonych na około promiennika i przesuniętych względem osi o 24, 8 o. BW S11 = 145, 5MHz, BW S22 = 159, 3MHz Rysunek Widok z góry na model anteny z dodatkowymi paskami otaczającymi promiennik. 38

40 Rysunek Straty odbicia, szerokość pasma dla modelu z dodatkowymi paskami otaczającymi promiennik 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 BW S11 [MHz] BW S22 [MHz] 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

41 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

42 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 Wyniku pomiarów Szczeliny typu C - model odniesienia BW S11 = 245, 0MHz, BW S22 = 240, 0MHz Rysunek 6.2. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny typu C - model odniesienia. 41

43 Szczeliny typu C z paskami otaczającymi promiennik BW S11 = 233, 0MHz, BW S22 = 122, 0MHz Rysunek 6.3. Wyniki pomiaru anteny mikropaskowej - szczeliny typu C z paskami otaczającymi promiennik Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji Tabela 6.1. Zestawienie wyników pomiarów z wynikami symulacji. Model odniesienia Paski otaczające promiennik Model BW S11 [MHz] BW 22 [MHz] BW S11 [MHz] BW S22 [MHz] Symulacja 157,8 180,3 145,5 159,3 Pomiar 245,0 240,0 233,0 122,0 42

44 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 S 12 = S 21 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 jedy- 43

45 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 ɛ 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 S 11 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

46 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

47 Bibliografia [1] [2] [3] [4] [5] Constantine A. Balanis. Antenna Theory Analysis and Design. Wiley-Interscience, wydanie trzecie, [6] Zhong Chen, Vince Rodriquez. Emc antenna fundamentals. Conformity, strony 42 50, Grudzień [7] Naval Air Systems Command. Electronic Warfare and Radar Systems Enginieering Handbook. Naval Air Warfare Center, [8] dr inż. Piotr Słobodzian. Anteny. Wykład, [9] ITU-R. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunication RECOMMENDATION ITU-R V [10] J. R. James, P. S. Hall (Eds.). Handbook of Microstrip Antennas, wolumen I i II. Peter Peregrinus, [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 [12] Jarosław Szóstka. Fale i Anteny. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności Warszawa, [13] Włodzimierz Wolski. Teoretyczne podstaway techniki analogowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [14] Wen Xun Zhang. Frequency-band broadening of microstrip patch antennas. Raport instytutowy, State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, China. 46