PROJEKT 4

Część wstępna

Badanie własności linii mikropaskowej
Określić wartości impedancji charakterystycznej linii z

0

dla różnych szerokość linii

mikropaskowej w oraz grubości podłoża d. Zanotować również przenikalność efektywną
podłoża dla tej fali.
Obliczenia wykonać dla podłoży o grubościach: 0.5 mm, 0.7 mm oraz 1.5 mm.
Przyjąć przenikalność elektryczną podłożą

ε

r

= 3.5. Dopuszczalny zakres zmian

szerokości linii mikropaskowej: od 0.15mm (granica technologiczna) do 10mm (dla
porównania: szerokość przewodu zewnętrznego linii 50

Ω

dla powietrznej linii w

standardzie N wynosi ok. 7mm). Wyniki umieścić w tabelce i skomentować.

ANTENA MIKROPASKOWA ZASILANA Z LINII MIKROPASKOWEJ

I Zadania do wykonania

I.1 Określić, dla częstotliwości f = 2.48 GHz, (standard 802.11b) wymiary łaty prostokątnej
dla różnych grubości podłoża d (wykorzystać model łaty prostokątnej, zasilanej przez linię
mikropaskową). Przyjąć d/

λ

0

= 0.01, 0.02, 0.03 (

λ

0

– długość fali w wolnej przestrzeni).

Przyjąć, że szerokość łaty W wynosi ok. 1.2 wymiaru rezonansowego (czyli długości łaty L).
Zbadać szerokość pasma pracy liczoną dla WFS =2 przy założonym dopasowaniu anteny do
linii zasilającej. Wyniki umieścić w tabelce i skomentować.
I.2 Dla anteny zaprojektowanej w punkcie I.1 dla d/

λ

0

= 0.01 określić wpływ szerokości łaty

W na częstotliwość i impedancję wejściową anteny. Przyjąć szerokości anteny W = 0.8 L, L,
1.2L, 1.4L, 1.8L. Wyniki umieścić w tabelce i skomentować.

ANTENA MIKROPASKOWA ZASILANA PRZEZ SPRZĘśENIE
ELEKTROMAGNETYCZNE POPRZEZ SZCZELINĘ PROSTOKĄTNĄ

I.3 Zaprojektować antenę zasilaną przez sprzężenie elektromagnetyczne poprzez szczelinę
prostokątną do wykorzystania w standardzie 802.11a zakres U-NII 2 (5470-5725 MHz).
Wykorzystać podłoże Taconic RF-35 (istnieje możliwość łączenia pojedynczych podłoży).


Podstawy teoretyczne:
Koncepcja wykorzystania linii mikropaskowych jako elementów promieniujących powstała w
roku 1952. Już w roku 1953 Dechamps przedstawił pierwszy mikropaskowy element
promieniujący. Jednakże potrzeba było dwudziestu lat do momentu pojawienia się pierwszych
anten mikropaskowych, które zostały opracowane w roku 1970 przez Howella i Munsona. Od
tego momentu rozpoczęły się szeroko zakrojone badania w zakresie teorii i wykorzystania
mikropaskowych anten i układów antenowych w zastosowaniach specjalnych oraz w
telekomunikacji powszechnego użytku.
Poglądowo, na rys. 1 przedstawiono budowę anteny mikropaskowej w jej klasycznej postaci.
Mikropaskowy element promieniujący (tzw. łata) jest umieszczony na jednej stronie
dielektryka, po drugiej zaś znajduje się uziemiona warstwa przewodząca. W dalszej części
objaśnień warstwę tę będziemy nazywali GND (skrót od angielskiego określenia
groundplane)

Współczynnik przenikalności elektryczna

ε

r

podłoża powinien być niski (

ε

r

< 2,5) w celu

osiągnięcia znaczącego efektu promieniowania. Wybór odpowiedniego podłoża jest jednym z
ważniejszych elementów procesu projektowania anteny mikropaskowej i musi być
dokonywany z uwzględnieniem wpływu przenikalności elektrycznej i współczynnika strat na
zmiany temperatury i częstotliwości oraz innych czynników charakterystycznych dla
warunków pracy projektowanej anteny.

Rys.1 Widok ogólny anteny mikropaskowej

Liczne badania teoretyczne i symulacje komputerowe pokazały, że ze wzrostem grubości
podłoża wzrasta pasmo pracy i sprawność promieniowania. Z drugiej jednak strony, przy
grubym podłożu, większa część dostarczonej energii nie może być wypromieniowana, gdyż
jest przekazywana do tzw. fal powierzchniowych, które mogą wzbudzić się w płytce
dielektrycznej. Fale te można traktować jako fale rozchodzące się drogą odbić pomiędzy
warstwą GND a granicą dielektryk-powietrze (przy padaniu pod kątem większym niż kąt
całkowitego wewnętrznego odbicia).

Działanie anteny zbudowanej z odcinka linii mikropaskowej można sobie

wytłumaczyć w oparcie o teorię promieniowania z zakończenia ww. linii. W analizie zakłada
się, że źródłem pola promieniowania jest szczelina utworzona przez zakończenie paska i
GND.. Maksymalne promieniowanie pojawia się, gdy częstotliwość sygnału pobudzającego
taki odcinek linii zbliża się do jego częstotliwości rezonansu, tj., gdy długość linii
mikropaskowej odpowiada wielokrotności połowy długości fali. Rozważmy prostokątny
element mikropaskowy umieszczony nad GND w odległości będącej ułamkiem długości fali
(d<<

λ

), jak pokazano to na rys.2a, b.

Rys. 2. Prostokątna antena mikropaskowa: a) widok ogólny, b) widok z boku, c) widok z góry

Jako, że grubość dielektryka jest dużo mniejsza od długości fali, możemy założyć, że

pole w dielektryku nie zmienia się w tym kierunku. Zakładając, że prąd płynie tylko w

kierunku wzdłużnym możemy przyjąć niezmienność pola elektrycznego w kierunku
poprzecznym i w konsekwencji analizować tylko składowe wzdłużne pola elektrycznego.
Niech długość elementu będzie równa połowie długości fali. Rozkład pola elektrycznego w
podłożu przedstawia rys.2b. Pola na końcach struktury mikropaskowej można rozłożyć na
składowe normalne i styczne do GND. Składowe normalne na końcach są w przeciwfazie,
gdyż długość linii odpowiada połowie długości fali. Składowe styczne na obu końcach linii są
zaś w fazie. Pola dalekie w kierunku normalnym do powierzchni paska, związane ze
składowymi normalnymi, będzie więc zerowe. Jedynie składowe styczne są źródłem
promieniowania, a pole dalekie będące ich efektem osiąga maksimum w kierunku normalnym
do promiennika. Oznacza to, że element promieniujący może być traktowany jako układ
dwóch szczelin, odległych o połowę długości fali i pobudzanych w fazie, jak to
przedstawiono na rys.2c.

W bardziej dokładnym przybliżeniu, uwzględniając zmienność pola w kierunku

poprzecznym promiennika, możemy nasz element promieniujący przedstawić jako układ
czterech szczelin,

utworzonych przez odcinek paska i płaszczyznę GNP.

Promieniowanie promiennika mikropaskowego jest funkcją jego wymiarów, częstotliwości
pracy, przenikalności elektrycznej i grubości podłoża. Typowe wartości uzyskiwane dla
pojedynczego elementu to:
• 3 dB wiązka główna pomiędzy 70°

÷

110°,

• kierunkowość rzędu 6

÷

7 dB,

• zysk rzędu 5

÷

6 dB.

Mikropaskowy element promieniujący (łata) może mieć dowolny kształt.. W praktyce

wykonuje się promienniki o kształtach: prostokątnych, kołowych, trójkątnych,
pierścieniowych itp.

Projektowanie anten mikropaskowych wymaga skonstruowania odpowiedniego

modelu analitycznego zjawiska promieniowania, który umożliwiłby jego opis ilościowy, a co
za tym idzie powiązałby wymiary i parametry materiałowe struktury z parametrami
elektrycznymi badanej anteny. Historycznie ukształtowały się dwie podstawowe grupy
modeli analitycznych:
• modele empiryczne,
• modele pełnofalowe.

Modele empiryczne starały się opisać analitycznie strukturę w oparciu o zjawiska

fizyczne tam zachodzące. Najbardziej popularne modele tej grupy to model transmisyjny
prostokątnej anteny mikropaskowej oraz modele wnękowe. Modele empiryczne nie
wymagają często zaawansowanych technik numerycznych oraz komputerów o dużej mocy
obliczeniowej. Modele pełnofalowe starają się opisać jak najdokładniej pole
elektromagnetyczne w strukturze poprzez rozwiązanie określonego zewnętrznego problemu
elektrodynamiki. Są one w latach ostatnich coraz częściej stosowane, gdyż dopiero bardzo
wydajne komputery umożliwiają ich efektywną implementację. W oparciu o powyższe
modele powstało szereg symulatorów profesjonalnych, które umożliwiają rozwiązanie
równań Maxwella z odpowiednimi warunkami brzegowymi, co pozwala określić parametry
rozważanych anten.

W praktyce inżynierskiej często stosuje się modele wnękowe, gdyż uzyskiwana

dokładność jest często do zaakceptowania w klasycznych zastosowaniach inżynierskich.
Model wnękowy
W modelu tym antenę traktuje się jak wnękę rezonansową ograniczoną od góry i dołu
ś

ciankami elektrycznymi (płaszczyzny przewodzące: łata i GND) oraz po bokach ściankami

magnetycznymi, reprezentowanymi przez szczeliny pomiędzy krawędziami łaty i GND.

W rozważanym przypadku rezonatora prostokątnego we wnęce rozważa się rodzaje

TM

mn

. - indeksy m i n opisują zmienność rozkładu pola wzdłuż krawędzi promiennika.

Rodzajem podstawowym, dla którego rozkład pola przedstawiono na rys. 2 jest rodzaj TM

10

.

Schemat zastępczy anteny, przy założeniu modelu wnękowego i pobudzenia rodzajem TM

10,

to równoległy obwód rezonansowy RLC, przedstawiony na rys.3.

Rys. 3. Model wnękowy promiennika mikro paskowego dla rodzaju TM

10

W modelu tym konduktancja opisuje zjawisko promieniowania mocy oraz strat w antenie,
pojemność zaś to pojemność kondensatora płaskiego utworzonego z łaty przewodzącej oraz
warstwy GND.

Literatura

[1] D. Bem: „Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”, WNT, Warszawa, 1973.
[2] W.L. Stutzman, G.A. Thiele: „ Antenna Theory and Design”, J. Wiley & Sons, 1981
[3] W. Zieniutycz: „Anteny – podstawy polowe” WKŁ, 2001