Planarna antena dipolowa dla technologii UWB Mariusz PergoÅ‚, WÅ‚odzimierz Zieniutycz, email: mper@eti.pg.gda.pl; wlz@eti.pg.gda.pl Politechnika GdaÅ„ska SÅ‚owa kluczowe: anteny szerokopasmowe, dipole planarne, UWB Abstrakt - W pracy przedstawiono metodÄ™ projektowania planarnych anten dipolowych dla zastosowaÅ„ UWB. Poprzedzono jÄ… przeglÄ…dem literaturowym anten szerokopasmowych. W oparciu o zaproponowanÄ… metodÄ™ zaprojektowano dwuwarstwowÄ… antenÄ™ dipolowÄ… o ramionach w ksztaÅ‚cie koÅ‚a. NastÄ™pnie zrealizowano i pomierzono jej parametry. Uzyskano antenÄ™ o zmniejszonych (w stosunku do jednowarstwowego odpowiednika) rozmiarach poprzecznych i paÅ›mie pracy 2.7 GHz - 12 GHz dla WFS < 2. 1. Wprowadzenie WzrastajÄ…ce w ostatnich latach zapotrzebowanie na transmisjÄ™ danych wiąże siÄ™ z rozwojem systemów komunikacji bezprzewodowej, zarówno wÄ…sko-, jak i szerokopasmowych. Prowadzone badania dotyczÄ… różnych elementów systemu, spoÅ›ród których anteny zajmujÄ… istotne miejsce. W niniejszej publikacji przedstawiono podsumowanie prowadzonych prac w zakresie szerokopasmowych dipoli planarnych. Ich głównym celem byÅ‚o opracowanie procedur projektowania szerokopasmowych dipolowych anten planarnych. Wobec coraz czÄ™stszego zjawiska wykorzystywania metod optymalizacji w projektowaniu anten (czÄ™sto zwalniajÄ…cych projektanta z twórczego myÅ›lenia), stworzenie logicznej i skutecznej metody projektowania niesie ze sobÄ… z jednej strony możliwość zaprojektowania i wykonania poprawnie dziaÅ‚ajÄ…cej anteny, z drugiej (być może istotniejszej) - możliwość uzyskania odpowiedzi na wiele pytaÅ„ dotyczÄ…cych zjawisk fizycznych zachodzÄ…cych w analizowanych strukturach. W skÅ‚ad zakresu projektowania wchodzÄ…: wybór konfiguracji anteny (wybór podÅ‚oża - parametry podÅ‚oża, grubość; rodzaj struktury jednowarstwowa, dwuwarstwowa; ksztaÅ‚t promiennika koÅ‚owy, trójkÄ…tny, trapezowo-trójkÄ…tny); wybór optymalnego ze wzglÄ™du na możliwość pracy w zadanym paÅ›mie promiennika (na podstawie wykonanych badaÅ„ numerycznych i opracowanego kryterium oceny zdolnoÅ›ci 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 pracujÄ…ce w technologii szerokopasmowej muszÄ… speÅ‚niać nieco inne, niż w przypadku zastosowaÅ„ wÄ…skopasmowych warunki. Główne parametry charakteryzujÄ…ce antenÄ™ szerokopasmowÄ… to: - charakterystyka dopasowania - charakterystyka promieniowania - odpowiedz impulsowa W przypadku impedancji wejÅ›ciowej (bezpoÅ›rednio zwiÄ…zanej z charakterystykÄ… dopasowania) i charakterystyki promieniowania ważne sÄ… maÅ‚e zmiany w funkcji czÄ™stotliwoÅ›ci. Zadanie dopasowania impedancji anteny w tak szerokim paÅ›mie jest ważnym elementem projektu i przedstawione w niniejszym artykule wyniki prac dotyczÄ… głównie tego zagadnienia. Ważnym parametrem anteny jest także charakterystyka promieniowania, która nie może siÄ™ mocno zmieniać w funkcji czÄ™stotliwoÅ›ci. Nie chodzi tu tylko o to, by zapewnić pożądany ksztaÅ‚t charakterystyki (dookólnÄ… albo kierunkowÄ…), ale o to, by szczególnie przy wyższych czÄ™stotliwoÅ›ciach, miaÅ‚a ona podobny charakter (poziom listków bocznych, pofalowanie), jak w przypadku czÄ™stotliwoÅ›ci niższych. PrzesyÅ‚anie sygnałów w szerokim paÅ›mie stwarza konieczność obserwacji ksztaÅ‚tu odpowiedzi impulsowej anteny, bÄ™dÄ…cego miarÄ… znieksztaÅ‚ceÅ„ dyspersyjnych wprowadzanych przez antenÄ™. Problem jest o tyle poważny, że nie każda antena, charakteryzujÄ…ca siÄ™ szerokim pasmem i należytÄ… charakterystykÄ… promieniowania, nadaje siÄ™ do przesyÅ‚ania sygnałów szerokopasmowych. Poza wymienionymi wyżej parametrami, należy zwrócić uwagÄ™ na cechy fizyczne anteny, tj. ksztaÅ‚t, wymiary i wagÄ™ anteny. Ma to szczególne znaczenie w przypadku zastosowaÅ„ komercyjnych. 3. PrzeglÄ…d anten szerokopasmowych SpoÅ›ród wielu typów anten stosowanych w systemach szerokopasmowych wymienione zostanÄ… podstawowe: - anteny tubowe - anteny planarne z falÄ… bieżącÄ… - planarne anteny dipolowe 1 - planarne anteny monopolowe Najprostszym przykÅ‚adem anteny tubowej jest rozszerzajÄ…cy siÄ™ falowód prostokÄ…tny. Fala prowadzona w falowodzie, dziÄ™ki jego powolnemu rozszerzaniu siÄ™ zostaje przetransformowana do fali propagowanej w wolnej przestrzeni. W literaturze odnalezć można różne modyfikacje anten tubowych, wÅ‚Ä…czajÄ…c w to tubowe anteny cylindryczne, anteny pobudzane falowodem grzbietowym, o szerszym niż standardowo paÅ›mie [1]. Anteny tubowe charakteryzujÄ… siÄ™ szerokim pasmem pracy (ponad 3 oktawy), sÄ… antenami kierunkowymi o zysku kierunkowym siÄ™gajÄ…cym okoÅ‚o 19 dBi, sÄ… wiÄ™c dedykowane do tych zastosowaÅ„, w których znany jest kierunek nadchodzÄ…cego sygnaÅ‚u oraz dla zastosowaÅ„ obrazujÄ…cych (radary). Dużym atutem anteny tubowej sÄ… maÅ‚e znieksztaÅ‚cenia dyspersyjne przez niÄ… wprowadzane [1-3]. PrzykÅ‚adem anteny planarnej z falÄ… bieżącÄ… jest antena typu Vivaldi. Można jÄ… potraktować jako planarnÄ… wersjÄ™ grzbietowej anteny tubowej. Antena zrealizowana jest na dielektrycznym podÅ‚ożu, na którym umieszczono liniÄ™ szczelinowÄ… o zadanym profilu. Z reguÅ‚y metalizacja naniesiona jest na jednej stronie podÅ‚oża [4-7], zdarza siÄ™ jednak, iż stosuje siÄ™ metalizacjÄ™ obustronnÄ…, umieszczonÄ… antypodalnie [6]. Anteny Vivaldi w ogólnoÅ›ci charakteryzujÄ… siÄ™ szerokim pasmem, podobnie jak anteny tubowe. SÄ… również antenami kierunkowymi, jednak nie aż tak, jak anteny tubowe. Ich zysk kierunkowy nie przekracza 8 dBi. BadajÄ…c jakość charakterystyk dyspersyjnych anten Vivaldi należy stwierdzić, iż nie sÄ… one tak dobre jak w przypadku anten tubowych, jednak na tyle dobre, iż anteny Vivaldi mogÄ… zostać dopuszczone do zastosowaÅ„ szerokopasmowych [7, 8]. ZdecydowanÄ… przewagÄ… omawianego typu anten nad antenami tubowymi jest ich budowa. Przede wszystkim anteny Vivaldi sÄ… antenami planarnymi, a wiÄ™c ich wymiary, ksztaÅ‚t i waga przemawiajÄ… za zastosowaniami komercyjnymi. Co prawda anteny tubowe nie majÄ… takich ograniczeÅ„ jak anteny planarne co do poziomu przesyÅ‚anej mocy, jednak ten fakt nie jest istotny przy rozważaniu zastosowaÅ„ komercyjnych. Planarne anteny dipolowe sÄ… zrealizowane na podÅ‚ożu dielektrycznym, na którym umieszczono metalizacjÄ™ w ksztaÅ‚cie dwóch ramion, zasilanych sygnaÅ‚em symetrycznym. Ramiona umieszczone mogÄ… być bÄ…dz po jednej stronie laminatu [9-11], bÄ…dz po dwóch stronach [12, 13] - antypodalnie. Różnorodność ksztaÅ‚tów spotykanych w literaturze [9-11,13, 14, 15] (od trójkÄ…tnych, czterokÄ…tnych przez piÄ™ciokÄ…tne, koÅ‚owe, eliptyczne, aż po ksztaÅ‚ty uzyskane z optymalizacji) sprawia, iż bardzo trudno usystematyzować parametry charakteryzujÄ…ce ten typ anten. W ogólnoÅ›ci można stwierdzić, że planarne anteny dipolowe charakteryzujÄ… siÄ™ na tyle szerokim pasmem, iż przy odpowiednim zaprojektowaniu, udaje siÄ™ uzyskać współczynnik odbicia mniejszy od -10 dB w blisko 3-oktawowym paÅ›mie. Ponadto, anteny dipolowe charakteryzujÄ… siÄ™ w przybliżeniu dookólnÄ… charakterystykÄ… promieniowania i zyskiem kierunkowym rzÄ™du 2 dBi, dedykowane sÄ… zatem do zastosowaÅ„ mobilnych, w których poÅ‚ożenie komunikujÄ…cych siÄ™ urzÄ…dzeÅ„ może siÄ™ zmieniać. Monopolowe antena planarne wykonane sÄ… na podÅ‚ożu dielektrycznym w formie pojedynczego promiennika (ramiÄ™ monopola) oraz pÅ‚aszczyzny masy (ang. ground plane), znajdujÄ…cych siÄ™ wzglÄ™dem siebie po tej samej lub po przeciwlegÅ‚ej stronie dielektryka. Jeżeli warstwa masy poÅ‚ożona jest po tej samej stronie, co promiennik, zasilanie nastÄ™puje poprzez liniÄ™ koplanarnÄ…, jeżeli po przeciwnej - przez liniÄ™ mikropaskowÄ…. Anteny monopolowe, podobnie jak dipole, charakteryzujÄ… siÄ™ w przybliżeniu dookólnÄ… charakterystykÄ… promieniowania. Ze wzglÄ™du na różnorodność ksztaÅ‚tów promienników, sytuacja z klasyfikacjÄ… monopoli pod wzglÄ™dem charakterystyki dopasowania czy charakterystyki dyspersyjnej jest analogiczna do przypadku dipoli 4. Metoda projektowania dipoli planarnych W niniejszym rozdziale zajmiemy siÄ™ zagadnieniem projektowania planarnych anten dipolowych. Opiszemy tu główne etapy zaproponowanej metody na przykÅ‚adzie dwuwarstwowej anteny o ramionach w ksztaÅ‚cie koÅ‚a (szczegółowy opis metodologii projektowania znalezć można w [16]). Proces projektowania można podzielić na kilka etapów: - wybór konfiguracji anteny (rodzaj podÅ‚oża, ksztaÅ‚t radiatorów) - projekt koplanarnej linii zasilajÄ…cej (szerokość linii, odlegÅ‚ość miÄ™dzy paskami) - projekt radiatora - projekt symetryzatora W pierwszym kroku projektu wybrano konfiguracjÄ™ anteny. Ze wzglÄ™du na wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci radiatorów dipolowych, dwuwarstwowych (przede wszystkim zmniejszenie wymiarów promiennika i odporność mechanicznÄ…), do prowadzonych badaÅ„ wybrano strukturÄ™ dwuwarstwowÄ… zrealizowanÄ… na podÅ‚ożu RF35 o przenikalnoÅ›ci elektrycznej µr1 = µr2 = 3.5 i gruboÅ›ci h1 = h2 = 0.5 mm (rys. 1). Wybór radiatora o ramionach koÅ‚owych wynika z chÄ™ci ograniczenia liczby parametrów geometrycznych struktury, mogÄ…cych wpÅ‚ywać na dopasowanie. W tym przypadku możemy ograniczyć siÄ™ do promienia radiatora. W przyjÄ™tym rozwiÄ…zaniu planarne ramiona dipoli sÄ… umieszczone pomiÄ™dzy dwiema warstwami dielektryka. W badaniach numerycznych 2 przyjÄ™to, że materiaÅ‚ dielektryczny charakteryzuje siÄ™ przenikalnoÅ›ciÄ… elektrycznÄ… µr = 3.5, co odpowiada typowej wartoÅ›ci taniego podÅ‚oża mikrofalowego firmy TACONIC RF-35, przeznaczonego również dla anten. O r µr 2 h2 s h1 µr 1 W S a) b) Rys. 1. Konfiguracja projektowanej anteny: a) podÅ‚oże dwuwarstwowe; b) radiator koÅ‚owy (obrys metalizacji) W celu jednoznacznego zdefiniowania rozmiarów promiennika należaÅ‚o dobrać odpowiednie wartoÅ›ci parametrów s, w oraz r. Pierwsze dwa opisujÄ… wymiary linii zasilajÄ…cej radiator (paski koplanarne) i zostaÅ‚y dobrane tak, aby impedancja charakterystyczna linii byÅ‚a równa w przybliżeniu 130 &! (tj. s = 0.5 mm, w = 1.0 mm), czyli tyle, ile wynosi impedancja wejÅ›ciowa radiatorów realizowanych w tego typu strukturze (podÅ‚oże dwuwarstwowe). Trzeci parametr, którym jest promieÅ„ radiatora koÅ‚owego w istotny sposób wpÅ‚ywa na charakterystykÄ™ dopasowania. W zwiÄ…zku z tym, w ramach prowadzonych prac zbadano dokÅ‚adnie wpÅ‚yw promienia na wartość parametru maksymalnego współczynnika fali stojÄ…cej WFSmax. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Zależność WFSmax od wartoÅ›ci promienia radiatora koÅ‚owego Z wykresu można odczytać, iż wybór zbyt maÅ‚ej wartoÅ›ci promienia skutkowaÅ‚by dużym niedopasowaniem ukÅ‚adu. Widać również, iż dla r > 11 mm wartość WFSmax utrzymuje siÄ™ na podobnym poziomie, równym okoÅ‚o 1.5. W zwiÄ…zku z tym, do dalszych badaÅ„ wybrano radiator o najmniejszym, akceptowalnym ze wzglÄ™du na wartość WFSmax promieniu, tj. r = 11 mm. Dla tego radiatora obliczono charakterystykÄ™ dopasowania, którÄ… przedstawiono na rysunku 3. Wartość współczynnika odbicia w caÅ‚ym paÅ›mie UWB nie przekracza -15 dB, co odpowiada wartoÅ›ci WFSmax = 1.43. Obliczenie charakterystyki dopasowania radiatora zakoÅ„czyÅ‚o proces jego projektowania. W kolejnym kroku zaprojektowano symetryzator i poÅ‚Ä…czono z opisywanym wczeÅ›niej radiatorem. Antena zostaÅ‚a wykonana w laboratorium chemicznym Katedry Inżynierii Mikrofalowej i Antenowej Politechniki GdaÅ„skiej (rys. 4). NastÄ™pnie pomierzono charakterystykÄ™ dopasowania anteny przy pomocy wektorowego analizatora sieci Wiltron 37269A . Wyniki pomiaru umieszczono na rysunku 5. PorównujÄ…c pomierzonÄ… charakterystykÄ™ z wynikami symulacji można zauważyć, że wykres wyników eksperymentalnych jest przesuniÄ™ty o okoÅ‚o 500 MHz w kierunku wyższych czÄ™stotliwoÅ›ci. Niemniej najważniejszÄ… kwestiÄ… jest zgodność poziomów współczynnika odbicia w badanym paÅ›mie. Pomierzona antena charakteryzuje siÄ™ dopasowaniem poniżej -14 dB (WFS = 1.5) w paÅ›mie od 2.8 GHz do 9.2 GHz, natomiast współczynnik odbicia poniżej -10 dB wystÄ™puje w paÅ›mie 2.7 GHz 12.0 GHz. Tym samym antena speÅ‚nia wymagania standardu UWB dotyczÄ…ce charakterystyki dopasowania. W kolejnym kroku pomierzono charakterystykÄ™ promieniowania anteny w pÅ‚aszczyznie E na czÄ™stotliwoÅ›ci 10 GHz (rys. 6). Pomiar na takiej czÄ™stotliwoÅ›ci daje wglÄ…d w maksymalnÄ… intensywność pofalowania charakterystyki, ponieważ stopieÅ„ 3 pofalowania wzrasta wraz z czÄ™stotliwoÅ›ciÄ…. Brak minimów dla kÄ…tów +/- 90 stopni w charakterystyce promieniowania wynika ze skoÅ„czonych wymiarów anteny. Rys. 3. Współczynnik odbicia dla radiatora koÅ‚owego o promieniu r = 11 mm a) b) Rys. 4. ZdjÄ™cie wykonanej anteny: a) część wewnÄ™trzna (przed naÅ‚ożenie zewnÄ™trznej części dielektryka); b) spód anteny (zmodyfikowana warstwa masy) Amplituda pofalowania charakterystyki jest nie wiÄ™ksza niż 10 dB dla kÄ…tów [-1700, 1200], poza tym zakresem siÄ™ga nawet 15 dB. Charakterystyka w pÅ‚aszczyznie H nie zostaÅ‚a pomierzona ze wzglÄ™du na zaburzenia, które wprowadzaÅ‚oby zÅ‚Ä…cze, przy pomocy którego doprowadzony jest sygnaÅ‚ do anteny. Należy dodać, że charakterystyka promieniowania przedstawionej anteny nie odbiega od danych literaturowych [14] . Rys. 5. Charakterystyka dopasowania wykonanej anteny 4 Rys. 6. Charakterystyka promieniowania wykonanej anteny; pÅ‚aszczyzna E; f = 10 GHz 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono najbardziej podstawowe typy anten szerokopasmowych oraz ich parametry. Zaproponowano metodÄ™ projektowania planarnych anten dipolowych skÅ‚adajÄ…cÄ… siÄ™ z kilku etapów. W oparciu o przedstawionÄ… metodÄ™ zaprojektowano antenÄ™ dipolowÄ… z ramionami w ksztaÅ‚cie koÅ‚a, z dwóch stron pokrytÄ… warstwÄ… dielektryka. Zastosowanie drugiej warstwy dielektryka pozwoliÅ‚o zmniejszyć wymiary poprzeczne o blisko 20% w porównaniu do anten jednowarstwowych. Wykonana antena charakteryzuje siÄ™ bardzo szerokim pasmem pracy (2.7 GHz - 12 GHz), w którym współczynnik odbicia jest nie wiÄ™kszy niż -10 dB. Szczegółowe dane dotyczÄ…ce proponowanej metody projektowania zrealizowanej anteny oraz innych anten wykonanych w ramach projektu PBZ-MNiSW-02/II/2007 można znalezć 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. 259 - 262 [2] Wu Feng-tao, Yuan Nai-chang: The Radiation Characteristic of UWB Planar TEM Horn Antenna Array. MiÄ™dzyn. Konf. Radar, 2006. CIE 06. s. 1 - 4 [3] Yingqing Xia, Edwards D.J.:Optimization of UWB Pyramidal Horn Antenna with load. MiÄ™dz. Symp. Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2007, s. 673 - 675 [4] Demeestere F., Delaveaud C., Keignart J.: A compact UWB antenna with a wide band circuit model and a time domain characterization. MiÄ™dz. Konf. Ultra-Wideband, 2006, s. 345 - 350 [5] Pancera E.: Study of a Differential - Fed UWB Antenna. Konf. LAPC 2007 Antennas and Propagation, Loughborough, 2007, s. 237 - 239 [6] Li Tianming, Rao Yuping, Niu Zhongxia: Analysis and Design of UWB Vivaldi Antenna. MiÄ™dz. Symp. Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies forWireless Communications, 2007, s. 579 - 581 [7] Sorgel W., Waldschmidt C., Wiesbeck W.: Transient responses of a Vivaldi antenna and a logarithmic periodic dipole array for ultra wideband communication. MiÄ™dz. Symp. Antennas and Propagation Society, 2003, nr 3, s. 592 - 595 5 [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. 67 - 99 [9] Lule E., Babij T.: Koch island fractal ultra wideband dipole antenna. MiÄ™dzy. Symp. Antennas and Propagation Society, 2004, nr 3, s. 2516 - 2519 [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. 317 - 320 [11] Xuan HuiWu, Zhi Ning Chen: Comparison of planar dipoles in UWB applications. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2005, nr 53, s. 1973 - 1983 [12] Dubrovka F.F., Vasylenko D.O.: A Bell-Shaped Planar Dipole Antenna. MiÄ™dz.Konf. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 2006, s. 82 - 84 [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. 152 - 153 [14] Schantz H.G., Bottom fed planar elliptical UWB antennas. Konf. Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003, s. 219 - 223 [15] Shiwei Qu; Chengli Ruan: Quadrate bowtie antenna with round corners. MiÄ™dz. 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. 249-265 [17] Pergol M., Zieniutycz W.: UWB Planar Antenna Dipole in the Sandwich Configuration, MiÄ™dz. Konf. ICATT, 2009, Lwów, Ukraina. 6