Planarna antena dipolowa dla technologii UWB Mariusz Pergoł, Włodzimierz Zieniutycz, Politechnika Gdańska

Transkrypt

1 Planarna antena dipolowa dla technologii UWB Mariusz Pergoł, Włodzimierz Zieniutycz, Politechnika Gdańska Słowa kluczowe: anteny szerokopasmowe, dipole planarne, UWB Abstrakt - W pracy przedstawiono metodę projektowania planarnych anten dipolowych dla zastosowań UWB. Poprzedzono ją przeglądem literaturowym anten szerokopasmowych. W oparciu o zaproponowaną metodę zaprojektowano dwuwarstwową antenę dipolową o ramionach w kształcie koła. Następnie zrealizowano i pomierzono jej parametry. Uzyskano antenę o zmniejszonych (w stosunku do jednowarstwowego odpowiednika) rozmiarach poprzecznych i paśmie pracy 2.7 GHz - 12 GHz dla WFS < Wprowadzenie Wzrastające w ostatnich latach zapotrzebowanie na transmisję danych wiąże się z rozwojem systemów komunikacji bezprzewodowej, zarówno wąsko-, jak i szerokopasmowych. Prowadzone badania dotyczą różnych elementów systemu, spośród których anteny zajmują istotne miejsce. W niniejszej publikacji przedstawiono podsumowanie prowadzonych prac w zakresie szerokopasmowych dipoli planarnych. Ich głównym celem było opracowanie procedur projektowania szerokopasmowych dipolowych anten planarnych. Wobec coraz częstszego zjawiska wykorzystywania metod optymalizacji w projektowaniu anten (często zwalniających projektanta z twórczego myślenia), stworzenie logicznej i skutecznej metody projektowania niesie ze sobą z jednej strony możliwość zaprojektowania i wykonania poprawnie działającej anteny, z drugiej (być może istotniejszej) - możliwość uzyskania odpowiedzi na wiele pytań dotyczących zjawisk fizycznych zachodzących w analizowanych strukturach. W skład zakresu projektowania wchodzą: wybór konfiguracji anteny (wybór podłoża - parametry podłoża, grubość; rodzaj struktury jednowarstwowa, dwuwarstwowa; kształt promiennika kołowy, trójkątny, trapezowo-trójkątny); wybór optymalnego ze względu na możliwość pracy w zadanym paśmie promiennika (na podstawie wykonanych badań numerycznych i opracowanego kryterium oceny zdolności radiatorów do pracy szerokopasmowej); wybór rodzaju symetryzatora, projekt kompletnej anteny (promiennik + symetryzator) badania numeryczne, wykonanie zaprojektowanej anteny, pomiar, weryfikacja wyników symulacji z eksperymentem. 2. Parametry anten szerokopasmowych Anteny pracujące w technologii szerokopasmowej muszą spełniać nieco inne, niż w przypadku zastosowań wąskopasmowych warunki. Główne parametry charakteryzujące antenę szerokopasmową to: - charakterystyka dopasowania - charakterystyka promieniowania - odpowiedź impulsowa W przypadku impedancji wejściowej (bezpośrednio związanej z charakterystyką dopasowania) i charakterystyki promieniowania ważne są małe zmiany w funkcji częstotliwości. Zadanie dopasowania impedancji anteny w tak szerokim paśmie jest ważnym elementem projektu i przedstawione w niniejszym artykule wyniki prac dotyczą głównie tego zagadnienia. Ważnym parametrem anteny jest także charakterystyka promieniowania, która nie może się mocno zmieniać w funkcji częstotliwości. Nie chodzi tu tylko o to, by zapewnić pożądany kształt charakterystyki (dookólną albo kierunkową), ale o to, by szczególnie przy wyższych częstotliwościach, miała ona podobny charakter (poziom listków bocznych, pofalowanie), jak w przypadku częstotliwości niższych. Przesyłanie sygnałów w szerokim paśmie stwarza konieczność obserwacji kształtu odpowiedzi impulsowej anteny, będącego miarą zniekształceń dyspersyjnych wprowadzanych przez antenę. Problem jest o tyle poważny, że nie każda antena, charakteryzująca się szerokim pasmem i należytą charakterystyką promieniowania, nadaje się do przesyłania sygnałów szerokopasmowych. Poza wymienionymi wyżej parametrami, należy zwrócić uwagę na cechy fizyczne anteny, tj. kształt, wymiary i wagę anteny. Ma to szczególne znaczenie w przypadku zastosowań komercyjnych. 3. Przegląd anten szerokopasmowych Spośród wielu typów anten stosowanych w systemach szerokopasmowych wymienione zostaną podstawowe: - anteny tubowe - anteny planarne z falą bieżącą - planarne anteny dipolowe 1

2 - planarne anteny monopolowe Najprostszym przykładem anteny tubowej jest rozszerzający się falowód prostokątny. Fala prowadzona w falowodzie, dzięki jego powolnemu rozszerzaniu się zostaje przetransformowana do fali propagowanej w wolnej przestrzeni. W literaturze odnaleźć można różne modyfikacje anten tubowych, włączając w to tubowe anteny cylindryczne, anteny pobudzane falowodem grzbietowym, o szerszym niż standardowo paśmie [1]. Anteny tubowe charakteryzują się szerokim pasmem pracy (ponad 3 oktawy), są antenami kierunkowymi o zysku kierunkowym sięgającym około 19 dbi, są więc dedykowane do tych zastosowań, w których znany jest kierunek nadchodzącego sygnału oraz dla zastosowań obrazujących (radary). Dużym atutem anteny tubowej są małe zniekształcenia dyspersyjne przez nią wprowadzane [1-3]. Przykładem anteny planarnej z falą bieżącą jest antena typu Vivaldi. Można ją potraktować jako planarną wersję grzbietowej anteny tubowej. Antena zrealizowana jest na dielektrycznym podłożu, na którym umieszczono linię szczelinową o zadanym profilu. Z reguły metalizacja naniesiona jest na jednej stronie podłoża [4-7], zdarza się jednak, iż stosuje się metalizację obustronną, umieszczoną antypodalnie [6]. Anteny Vivaldi w ogólności charakteryzują się szerokim pasmem, podobnie jak anteny tubowe. Są również antenami kierunkowymi, jednak nie aż tak, jak anteny tubowe. Ich zysk kierunkowy nie przekracza 8 dbi. Badając jakość charakterystyk dyspersyjnych anten Vivaldi należy stwierdzić, iż nie są one tak dobre jak w przypadku anten tubowych, jednak na tyle dobre, iż anteny Vivaldi mogą zostać dopuszczone do zastosowań szerokopasmowych [7, 8]. Zdecydowaną przewagą omawianego typu anten nad antenami tubowymi jest ich budowa. Przede wszystkim anteny Vivaldi są antenami planarnymi, a więc ich wymiary, kształt i waga przemawiają za zastosowaniami komercyjnymi. Co prawda anteny tubowe nie mają takich ograniczeń jak anteny planarne co do poziomu przesyłanej mocy, jednak ten fakt nie jest istotny przy rozważaniu zastosowań komercyjnych. Planarne anteny dipolowe są zrealizowane na podłożu dielektrycznym, na którym umieszczono metalizację w kształcie dwóch ramion, zasilanych sygnałem symetrycznym. Ramiona umieszczone mogą być bądź po jednej stronie laminatu [9-11], bądź po dwóch stronach [12, 13] - antypodalnie. Różnorodność kształtów spotykanych w literaturze [9-11,13, 14, 15] (od trójkątnych, czterokątnych przez pięciokątne, kołowe, eliptyczne, aż po kształty uzyskane z optymalizacji) sprawia, iż bardzo trudno usystematyzować parametry charakteryzujące ten typ anten. W ogólności można stwierdzić, że planarne anteny dipolowe charakteryzują się na tyle szerokim pasmem, iż przy odpowiednim zaprojektowaniu, udaje się uzyskać współczynnik odbicia mniejszy od -10 db w blisko 3-oktawowym paśmie. Ponadto, anteny dipolowe charakteryzują się w przybliżeniu dookólną charakterystyką promieniowania i zyskiem kierunkowym rzędu 2 dbi, dedykowane są zatem do zastosowań mobilnych, w których położenie komunikujących się urządzeń może się zmieniać. Monopolowe antena planarne wykonane są na podłożu dielektrycznym w formie pojedynczego promiennika (ramię monopola) oraz płaszczyzny masy (ang. ground plane), znajdujących się względem siebie po tej samej lub po przeciwległej stronie dielektryka. Jeżeli warstwa masy położona jest po tej samej stronie, co promiennik, zasilanie następuje poprzez linię koplanarną, jeżeli po przeciwnej - przez linię mikropaskową. Anteny monopolowe, podobnie jak dipole, charakteryzują się w przybliżeniu dookólną charakterystyką promieniowania. Ze względu na różnorodność kształtów promienników, sytuacja z klasyfikacją monopoli pod względem charakterystyki dopasowania czy charakterystyki dyspersyjnej jest analogiczna do przypadku dipoli 4. Metoda projektowania dipoli planarnych W niniejszym rozdziale zajmiemy się zagadnieniem projektowania planarnych anten dipolowych. Opiszemy tu główne etapy zaproponowanej metody na przykładzie dwuwarstwowej anteny o ramionach w kształcie koła (szczegółowy opis metodologii projektowania znaleźć można w [16]). Proces projektowania można podzielić na kilka etapów: - wybór konfiguracji anteny (rodzaj podłoża, kształt radiatorów) - projekt koplanarnej linii zasilającej (szerokość linii, odległość między paskami) - projekt radiatora - projekt symetryzatora W pierwszym kroku projektu wybrano konfigurację anteny. Ze względu na właściwości radiatorów dipolowych, dwuwarstwowych (przede wszystkim zmniejszenie wymiarów promiennika i odporność mechaniczną), do prowadzonych badań wybrano strukturę dwuwarstwową zrealizowaną na podłożu RF35 o przenikalności elektrycznej εr1 = εr2 = 3.5 i grubości h1 = h2 = 0.5 mm (rys. 1). Wybór radiatora o ramionach kołowych wynika z chęci ograniczenia liczby parametrów geometrycznych struktury, mogących wpływać na dopasowanie. W tym przypadku możemy ograniczyć się do promienia radiatora. W przyjętym rozwiązaniu planarne ramiona dipoli są umieszczone pomiędzy dwiema warstwami dielektryka. W badaniach numerycznych 2

3 przyjęto, że materiał dielektryczny charakteryzuje się przenikalnością elektryczną ε r = 3.5, co odpowiada typowej wartości taniego podłoża mikrofalowego firmy TACONIC RF-35, przeznaczonego również dla anten. O r ε r2 ε r1 s h2 h 1 S W a) b) Rys. 1. Konfiguracja projektowanej anteny: a) podłoże dwuwarstwowe; b) radiator kołowy (obrys metalizacji) W celu jednoznacznego zdefiniowania rozmiarów promiennika należało dobrać odpowiednie wartości parametrów s, w oraz r. Pierwsze dwa opisują wymiary linii zasilającej radiator (paski koplanarne) i zostały dobrane tak, aby impedancja charakterystyczna linii była równa w przybliżeniu 130 Ω (tj. s = 0.5 mm, w = 1.0 mm), czyli tyle, ile wynosi impedancja wejściowa radiatorów realizowanych w tego typu strukturze (podłoże dwuwarstwowe). Trzeci parametr, którym jest promień radiatora kołowego w istotny sposób wpływa na charakterystykę dopasowania. W związku z tym, w ramach prowadzonych prac zbadano dokładnie wpływ promienia na wartość parametru maksymalnego współczynnika fali stojącej WFS max. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Zależność WFS max od wartości promienia radiatora kołowego Z wykresu można odczytać, iż wybór zbyt małej wartości promienia skutkowałby dużym niedopasowaniem układu. Widać również, iż dla r > 11 mm wartość WFS max utrzymuje się na podobnym poziomie, równym około 1.5. W związku z tym, do dalszych badań wybrano radiator o najmniejszym, akceptowalnym ze względu na wartość WFS max promieniu, tj. r = 11 mm. Dla tego radiatora obliczono charakterystykę dopasowania, którą przedstawiono na rysunku 3. Wartość współczynnika odbicia w całym paśmie UWB nie przekracza -15 db, co odpowiada wartości WFS max = Obliczenie charakterystyki dopasowania radiatora zakończyło proces jego projektowania. W kolejnym kroku zaprojektowano symetryzator i połączono z opisywanym wcześniej radiatorem. Antena została wykonana w laboratorium chemicznym Katedry Inżynierii Mikrofalowej i Antenowej Politechniki Gdańskiej (rys. 4). Następnie pomierzono charakterystykę dopasowania anteny przy pomocy wektorowego analizatora sieci Wiltron 37269A. Wyniki pomiaru umieszczono na rysunku 5. Porównując pomierzoną charakterystykę z wynikami symulacji można zauważyć, że wykres wyników eksperymentalnych jest przesunięty o około 500 MHz w kierunku wyższych częstotliwości. Niemniej najważniejszą kwestią jest zgodność poziomów współczynnika odbicia w badanym paśmie. Pomierzona antena charakteryzuje się dopasowaniem poniżej -14 db (WFS = 1.5) w paśmie od 2.8 GHz do 9.2 GHz, natomiast współczynnik odbicia poniżej -10 db występuje w paśmie 2.7 GHz 12.0 GHz. Tym samym antena spełnia wymagania standardu UWB dotyczące charakterystyki dopasowania. W kolejnym kroku pomierzono charakterystykę promieniowania anteny w płaszczyźnie E na częstotliwości 10 GHz (rys. 6). Pomiar na takiej częstotliwości daje wgląd w maksymalną intensywność pofalowania charakterystyki, ponieważ stopień 3

4 pofalowania wzrasta wraz z częstotliwością. Brak minimów dla kątów +/- 90 stopni w charakterystyce promieniowania wynika ze skończonych wymiarów anteny. Rys. 3. Współczynnik odbicia dla radiatora kołowego o promieniu r = 11 mm a) b) Rys. 4. Zdjęcie wykonanej anteny: a) część wewnętrzna (przed nałożenie zewnętrznej części dielektryka); b) spód anteny (zmodyfikowana warstwa masy) Amplituda pofalowania charakterystyki jest nie większa niż 10 db dla kątów [-170 0, ], poza tym zakresem sięga nawet 15 db. Charakterystyka w płaszczyźnie H nie została pomierzona ze względu na zaburzenia, które wprowadzałoby złącze, przy pomocy którego doprowadzony jest sygnał do anteny. Należy dodać, że charakterystyka promieniowania przedstawionej anteny nie odbiega od danych literaturowych [14]. Rys. 5. Charakterystyka dopasowania wykonanej anteny 4

5 Rys. 6. Charakterystyka promieniowania wykonanej anteny; płaszczyzna E; f = 10 GHz 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono najbardziej podstawowe typy anten szerokopasmowych oraz ich parametry. Zaproponowano metodę projektowania planarnych anten dipolowych składającą się z kilku etapów. W oparciu o przedstawioną metodę zaprojektowano antenę dipolową z ramionami w kształcie koła, z dwóch stron pokrytą warstwą dielektryka. Zastosowanie drugiej warstwy dielektryka pozwoliło zmniejszyć wymiary poprzeczne o blisko 20% w porównaniu do anten jednowarstwowych. Wykonana antena charakteryzuje się bardzo szerokim pasmem pracy (2.7 GHz - 12 GHz), w którym współczynnik odbicia jest nie większy niż -10 db. Szczegółowe dane dotyczące proponowanej metody projektowania zrealizowanej anteny oraz innych anten wykonanych w ramach projektu PBZ-MNiSW-02/II/2007 można znaleźć w publikacjach [16, 17]. Bibliografia [1] Xu Li, Hagness S.C., Choi M.K., van der Weide D.W.: Numerical and experimental investigation of an ultrawideband ridged pyramidal horn antenna with curved launching plane for pulse radiation. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2003, nr 2, s [2] Wu Feng-tao, Yuan Nai-chang: The Radiation Characteristic of UWB Planar TEM Horn Antenna Array. Międzyn. Konf. Radar, CIE 06. s. 1-4 [3] Yingqing Xia, Edwards D.J.:Optimization of UWB Pyramidal Horn Antenna with load. Międz. Symp. Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2007, s [4] Demeestere F., Delaveaud C., Keignart J.: A compact UWB antenna with a wide band circuit model and a time domain characterization. Międz. Konf. Ultra-Wideband, 2006, s [5] Pancera E.: Study of a Differential - Fed UWB Antenna. Konf. LAPC 2007 Antennas and Propagation, Loughborough, 2007, s [6] Li Tianming, Rao Yuping, Niu Zhongxia: Analysis and Design of UWB Vivaldi Antenna. Międz. Symp. Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies forwireless Communications, 2007, s [7] Sorgel W., Waldschmidt C., Wiesbeck W.: Transient responses of a Vivaldi antenna and a logarithmic periodic dipole array for ultra wideband communication. Międz. Symp. Antennas and Propagation Society, 2003, nr 3, s

6 [8] Ghosh D., De A., Taylor M.C., Sarkar T.K., Wicks M.C., Mokole E.L.: Transmission and Reception by Ultra-Wideband (UWB) Antennas. Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 2006, nr 48, s [9] Lule E., Babij T.: Koch island fractal ultra wideband dipole antenna. Między. Symp. Antennas and Propagation Society, 2004, nr 3, s [10] Chuan-Dong Zhao: Analysis on the properties of a coupled planar dipole UWB antenna. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2004, nr 3, s [11] Xuan HuiWu, Zhi Ning Chen: Comparison of planar dipoles in UWB applications. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2005, nr 53, s [12] Dubrovka F.F., Vasylenko D.O.: A Bell-Shaped Planar Dipole Antenna. Międz.Konf. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 2006, s [13] Kiminami K., Hirata A., Shiozawa, T.: Double-sided printed bow-tie antenna for UWB communications. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2004, nr 3, s [14] Schantz H.G., Bottom fed planar elliptical UWB antennas. Konf. Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003, s [15] Shiwei Qu; Chengli Ruan: Quadrate bowtie antenna with round corners. Międz. Konf. Ultra-Wideband ICU, 2005 [16] Pergol M., Zieniutycz W.: Unified Design Procedure for Planar Dipoles Oriented on UWB Application, PIER, 2010, nr 102, s [17] Pergol M., Zieniutycz W.: UWB Planar Antenna Dipole in the Sandwich Configuration, Międz. Konf. ICATT, 2009, Lwów, Ukraina. 6