Проектирование антенны PIFA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация


Пояснительная записка содержит 22 страницы, в том числе 11 рисунков, 11 источников, 2 приложения, графическая часть выполнена на 2 листах формата А3 и одном листе формата А1.

В данном проекте произведен анализ технического задания, изложены основные положения по выбору структуры двухдиапазонной антенны, определению ее основных параметров и характеристик.

В общем виде расчет фазированной антенной решетки в данном проекте  состоит из следующих глав:

  • анализ существующих аналогов;
  • геометрический расчет антенны;
  • электрический расчет антенны.

В курсовом проекте представлены чертежи диаграмм направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также конструктивный чертеж излучателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Введение

Антенну можно определить как проводник,  используемый для  излучения или улавливания электромагнитной энергии из пространства.  Для  передачи сигнала радиочастотные электрические  импульсы передатчика с помощью  антенны преобразуются в электромагнитную энергию,  которая излучается в окружающее пространство.  При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего подаётся на приёмник. Как правило,  при двусторонней связи одна и та же антенна используется как для приёма,  так и для передачи сигнала.  Такой подход возможен,  потому что любая антенна с равной эффективностью поставляет энергию из окружающей среды к принимающим терминалам и от передающих терминалов в окружающую среду. 

В настоящее время  в России, как и во всем мире, наблюдается  бурное развитие систем радиосвязи. Это  в первую очередь сотовая связь стандартов GSM, DAMPS, CDMA,  транкинговая связь,  беспроводной абонентский доступ (WLL)  на основе систем DECT, TANGARA,  системы беспроводной передачи данных (WLN). Пока ещё сохраняет свои позиции и радиосвязь на основе домашних радиотелефонов. Но наибольшее развитие имеет сотовая связь стандарта GSM.

В данном курсовом проекте  проведен сравнительный анализ различных конструкций антенн сотовых телефонов, расчет геометрических и электрических параметров антенны.

 

 

 

 

 

 


1. Анализ основных аналогов

Основные типы антенн, используемых для мобильных телефонов –  штыревые, спиральные и планарные F-образные антенны.

Штыревые антенны использовались в мобильных телефонах на заре развития сотовой связи. Высота таких антенн при обеспечении необходимых частот связи составляет около 80 мм. Такие параметры не позволяют интегрировать антенну в корпус мобильного телефона, поэтому приходится прибегнуть к искусственному уменьшению длины антенны без изменения ее электрической длины. Такие меры приводят к некоторым потерям, но выигрыш в эргономичности и комфорте в эксплуатации в данном случае важнее потерь.

Спиральные антенны с большой плотностью намотки позволили уменьшить размер антенн, а также позволили использование мобильных телефонов в двух частотных диапазонах – 900 и 1800 МГц. Для этого были разработаны конструкции, в которых совмещались две соосные спиральные антенны для разных частот, антенны, в которых совмещались спирали и штыри, а также спирали, намотанные одним проводником, но с разным шагом. Конструкции таких антенн показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкции спиральных антенн, используемые в мобильных телефонах


Но такой подход все же не позволяет  сконструировать антенну длиной меньше 0.1 длины волны низкочастотного  диапазона.

Дальнейшие попытки уменьшить  результирующие габариты антенны предполагали новый дизайн двухчастотных антенн, базирующийся, главным образом, на изгибании, свертывании или иной трансформации двумерных плоских монополей в трехмерные структуры. Эта техника позволила уменьшить общую высоту антенны над поверхностью мобильного телефона. Высота таких антенн не превышает 15 мм, что составляет около 4% от длины волны частоты 900 МГц. В некоторых проектах достигнута даже высота антенны менее 7 мм. Такие антенны прекрасно подходят для размещения внутри корпуса мобильного телефона.

Но такие антенны имеют ряд  недостатков. Среди них необходимость  постоянного расположения антенны ровно вертикально, что соблюдается довольно редко и доставляет некоторые неудобства пользователю. Существенным недостатком таких антенн также является то, что они одинаково сильно излучают как в свободное пространство, так и в сторону головы пользователя. Нужно заметить, что конструкция таких антенн часто служила причиной механических поломок выступающей за пределы корпуса части.

Первой популярной альтернативой  спиральным антеннам стало семейство инверсных L- и F-образных антенн. Свое начало они берут от простейшего L-образного вибратора, расположенного в перевернутом виде (отсюда термин "инверсный") над плоским экраном (рисунок 2). Такой согнутый монополь является следствием естественного стремления упрятать антенный излучатель внутрь мобильного телефона, размещая его вдоль длинной стороны корпуса.


Рисунок 2. Перевернутый L-образный вибратор

L-вибратор запитывается  с одного конца, а второе  его окончание через воздух либо диэлектрик оказывается нагруженным на эквивалентную емкость. Перевернутая L-антенна (Inverted-L antenna, ILA) достаточно проста в изготовлении. Многие из ее электрических характеристик подобны характеристикам короткой штыревой антенны. В частности, ДН рассматриваемой L-антенны почти идентична ДН короткого штыря, который является всенаправленным в плоскости, перпендикулярной к его оси, и не излучает в соосном направлении. Однако дополнительное излучение, обусловленное геометрией перевернутого L-вибратора, отклоняет его ДН от всенаправленной формы. Резонансная длина волны L-вибратора определяется его геометрическими размерами согласно выражению , где Н - высота вибратора над заземленным экраном, L - длина горизонтального сегмента вибратора.

Перевернутая F-образная антенна (Inverted-F antenna, IFA) стала следующим шагом в развитии конструкции L вибратора. Антенна этого типа представляет собой, по сути, два соосных L вибратора разной длины (рисунок 3).


Рисунок 3. Перевернутая F-образная антенна

F-образная антенна  – достаточно старый тип антенны. Изначально она предназначалась для военной авиационной и ракетной техники.

Для расширения рабочего диапазона частот нередко используется гибридная конструкция, состоящая  из двух параллельно расположенных  над металлическим экраном L- и F-образных вибраторных антенн (рисунок 4). Это – так называемая двойная перевернутая F-антенна (DIFA). В таком варианте конструкции L-антенна – пассивный элемент. Ее длина равна или почти равна протяженности перевернутой F-антенны. Подобное решение позволило вдвое расширить предельную полосу пропускания, доведя ее до 4% от номинала резонансной несущей частоты.

 

 

Рисунок 4. Двойная перевернутая F-антенна


При внимательном рассмотрении структуры DIFA возникает вопрос об эффективности  использования нескольких L-антенн совместно с F-вибратором. Поиски ответа на него стимулировали переход к качественно новой конструкции – планарной F-образной антенне (Planar Inverted-F Antenna, PIFA). Именно антенну этого типа большинство специалистов считают приемлемой альтернативой спиральным вибраторам. Типичная однодиапазонная PIFA показана на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5. Планарная инвертированная F-антенна

Конструкция антенн типа PIFA сложнее, чем ILA, IFA и DIFA. Это приводит к усложнению ее проектирования и  анализа. Электрические характеристики PIFA зависят от размеров верхней излучающей пластины, соотношения длин ее сторон, высоты этой пластины над экраном, размеров и положения вертикальной заземляющей стенки, точки запитки антенны. Малые размеры антенны PIFA возможны благодаря тому, что ее резонансная частота определяется, главным образом, полупериметром горизонтальной излучающей пластины. Ширина полосы пропускания PIFA напрямую зависит от ширины D вертикальной закорачивающей пластины. Наибольшая полоса соответствует случаю совпадения ширины вертикальной пластины и длины контактирующей с ней стороны горизонтального излучателя.

 

 


2. Расчет геометрических параметров антенны

2.1. Расчет параметров планарного элемента

Для расчета геометрических параметров антенны необходимо подробнее  рассмотреть конструкцию планарной инвертированной F-антенны, изображенной на рисунке 6.

Рисунок 6. Геометрические параметры однодиапазонной PIFA

На рисунке 6 L – длина излучающего планарного элемента, W – его ширина, D – ширина закорачивающей пластины, h – расстояние между планарным элементом и экранирующей пластиной, F – расстояние между закорачивающей пластиной и фидером. Малые размеры антенны PIFA возможны благодаря тому, что ее резонансная частота определяется, главным образом, полупериметром горизонтальной излучающей пластины. Также размеры PIFA имеют большую обратную зависимость от материала диэлектрика, используемого в прослойке между планарным излучателем и экраном. В данном расчете в качестве такого диэлектрика выбрано специальное конденсаторное стекло, которое имеет низкое значение тангенса диэлектрических потерь (̴10-4) и значение относительной диэлектрической проницаемости равное 9. Ширина полосы пропускания PIFA напрямую зависит от ширины D вертикальной закорачивающей пластины. Наибольшая полоса соответствует случаю совпадения ширины вертикальной пластины D и длины контактирующей с ней стороны горизонтального излучателя W. При этом для соотношения длин сторон горизонтальной пластины

                                              W/L = 2                                                        (1)

и высоте ее над экраном 

                           h = 0,053λпл=0,053*0,125=0,007 м                                (2)


достигается 10%-ная полоса рабочих частот. Здесь

                               м -                                    (3)

длина волны в планарном элементе.

При уменьшении соотношения D/W до ровня 0,1 и менее диапазон рабочих частот сужается до 1 %. Для D/W=1 длина планарного излучателя равна

                          м                              (4)

Ширина планарного элемента W:

                                   W=2L=2*0,025=0,05 м                                          (5)

2.2. Расчет резонансной U-образной прорези

Для обеспечения работы антенны  в двухдиапазонном режиме в планарном элементе необходимо сделать U-образную прорезь. Фактически эта прорезь разделяет антенну на два независимых сегмента. Полупериметр прорези можно вычислить:

                    м                   (6)

где с – скорость света, α=0,9.

Отсюда получаем размеры длины прорези

                                 м                                    (7)

и ее ширины

                                    м                                      (8)

Для обеспечения вращающейся  поляризации необходимо сдвинуть вбок фидер относительно оси, параллельной узкой стенке излучателя.


3. Расчет электрических параметров антенны

3.1 Расчет параметров нормированной диаграммы направленности

Модель планарной инверсной F-антенны можно строить различными способами. Например, можно учесть поверхностные электрические токи, текущие по элементу и по экрану, а также вертикальные токи электрической поляризации в диэлектрике между ними. Однако нахождение распределения излучающих электрических токов представляет сложную задачу и чаще всего выполняется моделированием электромагнитных явлений на компьютере. Чаще всего применяют более простую модель излучающей системы, согласно которой планарная антенна трактуется как эквивалентная щелевая антенна в плоском бесконечном экране без диэлектрика. Форма эквивалентной щели полагается совпадающей с формой краёв металлической пластины.

На рисунке 8 показано распределение токов  и   в эквивалентной щели.

Рисунок 7. Распределение токов в антенне


Пользуясь методикой  расчёта полей излучения антенн, можно получить следующие выражения  для нормированных диаграмм направленности в меридиональной (горизонтальной) составляющей поля и азимутальной составляющей поля:

                                                                  (9)

        (10)

где – нормированная диаграмма направленности меридиональной (горизонтальной) составляющей поля; – нормированная диаграмма направленности азимутальной составляющей поля;

                                                                (11)

                                                                            (12)

                                                                                                (13)

Полученные диаграммы  направленности изображены на рисунках 8 и 9.

Рисунок 8. Нормированная диаграмма направленности меридиональной составляющей поля антенны


Рисунок 9. Нормированная  диаграмма направленности азимутальной составляющей поля антенны

Ширина диаграммы направленности определяется по уровню -3 дБ. Поэтому

                                                                                    (14)

                                                                                      (15)

4.2. Расчет коэффициента направленного действия

Коэффициент направленного  действия рассчитывается по формуле

                                                    (16)

4.4 Расчет входного  сопротивления антенны

Приближенная формула  для расчета входного сопротивления  планарной инверсной F-антенны

                                        (17)

Входное сопротивление  антенны максимально при питании  на краю.

 

 

 

 

 


4. Согласование антенны с коаксиальной линией

4.1. Нахождение  точки присоединения фидера

Из-за разности входного сопротивления планарной F-антенны и волнового сопротивления коаксиального фидера, которое равно 50 Ом необходимо согласовать эти сопротивления. Для согласования достаточно сместить точку питания коаксиального фидера относительно центра излучающего элемента вдоль оси x (рис. 10) . Как известно сопротивление максимально на краю и изменяется согласно множителю .

 

Рисунок 10 - Согласование антенны

 

Смещение  фидера от центра равно:

                              (21)

Возможно согласование и с другими линиями, например с несимметричной полосковой линией.

4.2. Выбор соединителя  антенны с коаксиальной линией


При выборе коннектора для  соединения антенны мобильного с коаксиальным кабелем необходимо руководствоваться прежде всего размером, надежностью соединителя. Хорошими характеристиками обладает соединитель MMBX серии S50-0-1 производителя Huber+Suhner, спроектированный для использования в средствах мобильной связи. Такой соединитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11. Соединитель MMBX S50-0-1

Данный соединитель  обладает сопротивлением 50 Ом, имеет  рабочую полосу частот 0-12,4 ГГц, низкими  потерями. MMBX S50-0-1 предполагает соединение с крупным ассортиментом розеток, подходящих для использования в миниатюрных устройствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5. Описание конструкции  антенны

Конструкция планарной инвертированной F-антенны для мобильного телефона представляет собой прямоугольный полосковый излучатель. Излучатель у широкой стенки соединен короткозамыкающей пластиной с экраном. Экран имеет свойство защищать голову пользователя от воздействия СВЧ энергии. Для обеспечения необходимых частотных свойств и размеров антенны пространство между излучающей пластиной и экраном заполнено диэлектриком. В плоскости излучающей пластины расположена U-образная прорезь, необходимая для двухчастотного режима работы антенны. Способ возбуждения – фидерный.

Параметры PIFA:

  • длина антенны, м:                                                                                  0,025;
  • ширина антенны, м:                                                                              0,050;
  • длина U-образной прорези, м:                                                             0,017;
  • ширина U-образной прорези, м:                                                         0,034;
  • толщима слоя диэлектрика, м:                                                            0,007;
  • смещение точки подключения фидера от центра по оси Ox, м:     0,0029;
  • нижняя рабочая частота антенны, МГц:                                                800;
  • верхняя рабочая частота антенны, МГц:                                              1600;
  • рабочая частота ФАР, ГГц:                                                                    10,4;
  • ширина ДН в меридиональной плоскости по уровню 0,707, град:     325;
  • ширина ДН в азимутальной плоскости по уровню 0,707, град:          200;
  • КНД антенной решетки:                                                                         9,28;
  • волновое сопротивление у края излучающей пластины, Ом:              386.

Данная антенна излучает волны вращающейся поляризации, что обеспечивается за счет смещения фидера по оси Oy. Размеры антенны позволяют ее использование в качестве встроенной антенны сотового телефона.

 

Заключение


 

В данном курсовом проекте был произведен расчет антенны для сотового телефона. Был выбран тип антенны (планарная инвертированная F-антенна), построена ее диаграмма направленности. Также были определены геометрические размеры антенны и резонансной U-образной прорези в ней. Произведен расчет коэффициента направленного действия и сопротивления проектируемой антенны.

Проектирование показало, что планарная инвертированная F-антенна менее эффективна, чем спиральная или штыревая, но имеет гораздо меньшие габариты и защищает голову пользователя от СВЧ излучения.

PIFA мало изучены, но их использование набирает большие обороты, благодаря многообразию конструкций и малым габаритам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Список использованных источников

  1. http://www.hubersuhner.com
  2. http://www.electronics.ru
  3. http://www.elin.ru
  4. Сазонов Д.М.  Антенны и устройства СВЧ. – Москва, «Высшая школа», 1988. - 434с.
  5. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств под редакцией В.И. Вольмана – Москва, «Радио и связь», 1982. – 328 с.
  6. Панченко Б.А. Нефедов Б.И. Микрополосковые антенны. – Москва, «Радио и связь», 1986. – 144 с.
  7. Бородницкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. – 7-е изд., перераб. И доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. – 304 с., ил.
  8. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги. – Электроника: НТБ, 2006, №7, с. 10-19.
  9. Слюсар В. Антенны PIFA для мобильных средств связи. Многообразие конструкций. – Электроника: НТБ, 2007, №1, с. 64-74.
  10. ГОСТ 18238-72. Линии передач СВЧ. Термины и определения.
  11. СТП 101-2010. Общие требования и правила оформления выпускных квалификационных работ, курсовых проектов (работ), отчетов по РГР, по УИРС, по производственной практике и рефератов.

 

 

 

 

 


Приложение A

Диаграмма направленности планарной инвертированной F-антенны в меридиональной плоскости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Б

Диаграмма направленности планарной инвертированной F-антенны в азимутальной плоскости



Проектирование антенны PIFA