МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ГРЕБЕНЧАТОЙ АНТЕННЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Микрополосковые антенны 5
1.1 Многообразие микрополосковых антенн 5
1.2 Микрополосковые антенны с гребенчатым излучателем 8
2 Численные эксперименты (расчеты) 11
2.1 Влияние глубины вырезов на основные характеристики симметричной микрополосковой антенны 11
2.2 Влияние размера земли на основные характеристики микрополосковой антенны 19
2.3 Влияние масштаба излучателя на основные характеристики микрополосковой антенны 25
2.4 Влияние толщины подложки на основные характеристики микрополосковой антенны 31
2.5 Влияние ширины линии запитки на основные характеристики микрополосковой антенны 38
3 Математическое описание зависимостей характеристик антенны 45
3.1 Регрессионный анализ 45
3.2 Зависимость резонансной частоты от геометрических параметров ЧГМА 46
4 Практическое применение результатов исследования 49
4.1 Постановка задачи 49
4.2 Описание процесса проектирования антенны 49
4.3 Проведенные эксперименты 52
4.4 Сравнительный анализ 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Код программы
1 Микрополосковые антенны 5
1.1 Многообразие микрополосковых антенн 5
1.2 Микрополосковые антенны с гребенчатым излучателем 8
2 Численные эксперименты (расчеты) 11
2.1 Влияние глубины вырезов на основные характеристики симметричной микрополосковой антенны 11
2.2 Влияние размера земли на основные характеристики микрополосковой антенны 19
2.3 Влияние масштаба излучателя на основные характеристики микрополосковой антенны 25
2.4 Влияние толщины подложки на основные характеристики микрополосковой антенны 31
2.5 Влияние ширины линии запитки на основные характеристики микрополосковой антенны 38
3 Математическое описание зависимостей характеристик антенны 45
3.1 Регрессионный анализ 45
3.2 Зависимость резонансной частоты от геометрических параметров ЧГМА 46
4 Практическое применение результатов исследования 49
4.1 Постановка задачи 49
4.2 Описание процесса проектирования антенны 49
4.3 Проведенные эксперименты 52
4.4 Сравнительный анализ 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Код программы
Известно, что беспроводная технология обеспечивает более дешевый альтернативный и гибкий способ общения. Значительным элементом системы беспроводной связи является антенна. В соответствии с IEEE стандартных определений антенна определяется как «средство излучающее или принимающее радиоволны» [1]. Другими словами, антенна выступает в качестве интерфейса для электромагнитной энергии, распространяющейся в свободном пространстве и волноводной среде.
На сегодняшний день микрополосковые антенны являются одними из самых распространенных и широко используемых типов антенн [2]. Прежде всего, антенны этого типа популярны благодаря своей компактности и легкому весу. В подтверждение этому, существует большое количество публикаций, посвященных различным модификациям этих антенн.
Наиболее исследованными являются микрополосковые патч антенны с излучателями простой геометрии. Например, патч антенна с прямоугольным излучателем является хорошо изученным объектом [2, 3], основным недостатком которой является узкая полоса пропускания и слабая мощность. Одним из подходов к улучшению свойств антенны является добавление вырезов к излучателю. За счет этого добиваются уменьшения резонансной частоты, увеличения ширины полосы пропускания, улучшения согласования антенны и т.д.
Например, в [4] рассмотрена гребенчатая микрополосковая прямоугольная патч антенна с вырезами только на одной боковой стороне. Исследовано влияние различных параметров гребнеобразных вырезов на работу антенны. В [5] компактная конструкция микрополосковых антенн достигается путем ступенчатого подхода к формированию излучающих элементов. Для беспроводных систем в представлена простая гребенчатая микрополосковая патч антенна с семью рабочими диапазонами.
Однако заметим, что процесс проектирования любой антенны, обладающей определенными электрическими характеристиками, является достаточно длительным и трудоемким. В [7] представлены математические модели, описывающие связь электрических характеристик антенны с её геометрией. Используя эти зависимости, можно сразу определить форму антенны, которая будет хорошо согласованной в заданном диапазоне частот. Такой подход облегчает процесс проектирования антенны и позволяет получить хорошо согласованную антенну за меньший промежуток времени.
Микрополосковые антенны с симметричным гребенчатым излучателем получаются из антенны с прямоугольным излучателем путем добавления на боковых сторонах прямоугольных вырезов. Данный тип микрополосковых антенн исследован в [8], где также уставлено положительное влияние вырезов на основные электрические характеристики антенны и получена математическая зависимость двух основных частот от длины прямоугольного излучателя.
Главная цель настоящей работы - исследование и моделирование микрополосковой антенны симметричной гребенчатой формы. В рамках сформулированной цели определим выполнение следующих задач:
1) Рассмотреть микрополосковые антенны с излучателем симметричной гребенчатой формы.
2) Исследовать влияние геометрической формы излучателя на основные электрические характеристики микрополосковых антенны.
3) Выявить и показать графически зависимости электрических характеристик антенны от геометрических параметров излучателя.
4) Построить регрессионные модели, описывающие связь электрических характеристик антенны с геометрическими.
5) Вычислить погрешность полученных математических моделей.
6) Смоделировать двухдиапазонную хорошо согласованную Wi-Fi антенну.
На сегодняшний день микрополосковые антенны являются одними из самых распространенных и широко используемых типов антенн [2]. Прежде всего, антенны этого типа популярны благодаря своей компактности и легкому весу. В подтверждение этому, существует большое количество публикаций, посвященных различным модификациям этих антенн.
Наиболее исследованными являются микрополосковые патч антенны с излучателями простой геометрии. Например, патч антенна с прямоугольным излучателем является хорошо изученным объектом [2, 3], основным недостатком которой является узкая полоса пропускания и слабая мощность. Одним из подходов к улучшению свойств антенны является добавление вырезов к излучателю. За счет этого добиваются уменьшения резонансной частоты, увеличения ширины полосы пропускания, улучшения согласования антенны и т.д.
Например, в [4] рассмотрена гребенчатая микрополосковая прямоугольная патч антенна с вырезами только на одной боковой стороне. Исследовано влияние различных параметров гребнеобразных вырезов на работу антенны. В [5] компактная конструкция микрополосковых антенн достигается путем ступенчатого подхода к формированию излучающих элементов. Для беспроводных систем в представлена простая гребенчатая микрополосковая патч антенна с семью рабочими диапазонами.
Однако заметим, что процесс проектирования любой антенны, обладающей определенными электрическими характеристиками, является достаточно длительным и трудоемким. В [7] представлены математические модели, описывающие связь электрических характеристик антенны с её геометрией. Используя эти зависимости, можно сразу определить форму антенны, которая будет хорошо согласованной в заданном диапазоне частот. Такой подход облегчает процесс проектирования антенны и позволяет получить хорошо согласованную антенну за меньший промежуток времени.
Микрополосковые антенны с симметричным гребенчатым излучателем получаются из антенны с прямоугольным излучателем путем добавления на боковых сторонах прямоугольных вырезов. Данный тип микрополосковых антенн исследован в [8], где также уставлено положительное влияние вырезов на основные электрические характеристики антенны и получена математическая зависимость двух основных частот от длины прямоугольного излучателя.
Главная цель настоящей работы - исследование и моделирование микрополосковой антенны симметричной гребенчатой формы. В рамках сформулированной цели определим выполнение следующих задач:
1) Рассмотреть микрополосковые антенны с излучателем симметричной гребенчатой формы.
2) Исследовать влияние геометрической формы излучателя на основные электрические характеристики микрополосковых антенны.
3) Выявить и показать графически зависимости электрических характеристик антенны от геометрических параметров излучателя.
4) Построить регрессионные модели, описывающие связь электрических характеристик антенны с геометрическими.
5) Вычислить погрешность полученных математических моделей.
6) Смоделировать двухдиапазонную хорошо согласованную Wi-Fi антенну.
Рассмотрены микрополосковые антенны с излучателем симметричной четырех- и шести-гребенчатой формы. Исследовано влияние геометрической формы данных типов антенн на их основные электрические характеристики. В качестве геометрических параметров рассмотрены длина и ширина излучателя, глубина вырезов, длина земли, толщина подложки, ширина линии запитки и масштаб излучателя. Выявлены и показаны графически зависимости, отражающие связь электрических характеристик антенн от геометрических. Сформулированы основные выводы для двух типов антенн: ЧГМА и ШГМА, полученные относительно приведенных зависимостей.
В ходе проведенного исследования было установлено, что при увеличении глубины вырезов уменьшаются значения резонансных частот и увеличиваются значения длины волны на основной частоте. Эта зависимость примерно одинакова для двух типов антенн. Однако, вторая резонансная частота практически не изменяется при увеличении глубины вырезов для ЧГМА и значительно уменьшается для ШГМА. Значения двух резонансных частот также уменьшаются с ростом длины и ширины излучателя.
Значения коэффициента отражения для резонансных частот имеют сложную зависимость от глубины вырезов. Для первой резонансной частоты сначала значения S11уменьшаются до некоторого минимума, а затем увеличиваются. Однако, можно сделать общий вывод, что короткие излучатели имеют худшее согласование, чем длинные. Для антенны шести-гребенчатой формы значения коэффициента отражения характеризуются ещё более сложным поведением.
Ширина полосы пропускания для основного резонанса незначительно уменьшается с ростом глубины вырезов. Значения ширины полосы пропускания, соответствующие второй резонансной частоте, увеличиваются для четырёх-гребенчатой антенны и уменьшаются для шести-гребенчатой антенны. Отметим, что антенны с широким излучателем имеют значения BWдля второго резонанса всегда меньше, чем антенны с вытянутым излучателем. Однако, увеличением вырезов можно добиться увеличения полосы пропускания.
Также установлено, что влияние роста размера длины земли, толщины подложки, ширины линии запитки на две резонансные частоты оказывается незначительным, в отличие от влияния габарита излучателя. Поведение изменений значений двух резонансных частот для ЧГМА и ШГМА в целом является схожим, причем ШГМА имеет немного меньшие значения резонансных частот, чем ЧГМА.
Увеличение масштаба излучателя и толщины подложки плохо сказывается на согласовании микрополосковых антенн и ширине полосы пропускания, а положительно влияет только ширина линии запитки. Зависимости коэффициента отражения и ширины полосы пропускания от увеличения длины земли носят достаточно сложный характер. Однако заметим, что изменение согласований и ширины полосы пропускания ЧГМА и ШГМА практически совпадает с ростом значений размеров длины земли, толщины подложки, масштаба излучателя и ширины линии запитки.
Для исследованных зависимостей основной частоты и длины волны на этой частоте от ширины и длины излучателя и глубины вырезов были построенные регрессионные модели с большой точностью для четырех-гребенчатой микрополосковой антенны. Причем функциональная зависимость для длины волны имеет более высокую точность. Для более полного понимания зависимостей основной частоты от длины земли, ширины линии запитки, толщины подложки и габарита антенны можно, в дальнейшем, также можно провести регрессионный анализ.
Учитывая полученные зависимости электрических характеристик антенны от геометрических, была спроектирована двухдиапазонная хорошо согласованная Wi-Fi антенна.
В заключение отметим, что полученные регрессионные модели для резонансной частоты и для длины волны на этой частоте предоставляют возможность моделировать антенну, работающую в заданном диапазоне частот.
В ходе проведенного исследования было установлено, что при увеличении глубины вырезов уменьшаются значения резонансных частот и увеличиваются значения длины волны на основной частоте. Эта зависимость примерно одинакова для двух типов антенн. Однако, вторая резонансная частота практически не изменяется при увеличении глубины вырезов для ЧГМА и значительно уменьшается для ШГМА. Значения двух резонансных частот также уменьшаются с ростом длины и ширины излучателя.
Значения коэффициента отражения для резонансных частот имеют сложную зависимость от глубины вырезов. Для первой резонансной частоты сначала значения S11уменьшаются до некоторого минимума, а затем увеличиваются. Однако, можно сделать общий вывод, что короткие излучатели имеют худшее согласование, чем длинные. Для антенны шести-гребенчатой формы значения коэффициента отражения характеризуются ещё более сложным поведением.
Ширина полосы пропускания для основного резонанса незначительно уменьшается с ростом глубины вырезов. Значения ширины полосы пропускания, соответствующие второй резонансной частоте, увеличиваются для четырёх-гребенчатой антенны и уменьшаются для шести-гребенчатой антенны. Отметим, что антенны с широким излучателем имеют значения BWдля второго резонанса всегда меньше, чем антенны с вытянутым излучателем. Однако, увеличением вырезов можно добиться увеличения полосы пропускания.
Также установлено, что влияние роста размера длины земли, толщины подложки, ширины линии запитки на две резонансные частоты оказывается незначительным, в отличие от влияния габарита излучателя. Поведение изменений значений двух резонансных частот для ЧГМА и ШГМА в целом является схожим, причем ШГМА имеет немного меньшие значения резонансных частот, чем ЧГМА.
Увеличение масштаба излучателя и толщины подложки плохо сказывается на согласовании микрополосковых антенн и ширине полосы пропускания, а положительно влияет только ширина линии запитки. Зависимости коэффициента отражения и ширины полосы пропускания от увеличения длины земли носят достаточно сложный характер. Однако заметим, что изменение согласований и ширины полосы пропускания ЧГМА и ШГМА практически совпадает с ростом значений размеров длины земли, толщины подложки, масштаба излучателя и ширины линии запитки.
Для исследованных зависимостей основной частоты и длины волны на этой частоте от ширины и длины излучателя и глубины вырезов были построенные регрессионные модели с большой точностью для четырех-гребенчатой микрополосковой антенны. Причем функциональная зависимость для длины волны имеет более высокую точность. Для более полного понимания зависимостей основной частоты от длины земли, ширины линии запитки, толщины подложки и габарита антенны можно, в дальнейшем, также можно провести регрессионный анализ.
Учитывая полученные зависимости электрических характеристик антенны от геометрических, была спроектирована двухдиапазонная хорошо согласованная Wi-Fi антенна.
В заключение отметим, что полученные регрессионные модели для резонансной частоты и для длины волны на этой частоте предоставляют возможность моделировать антенну, работающую в заданном диапазоне частот.