Спиральная антенная решетка для оборудования беспроводных сетей Wi-Fi

Спиральная антенная решетка для оборудования беспроводных сетей Wi-Fi

Ключевые слова: спиральная антенная решетка, оборудование WI-FI стандарта 802.11 b, коэффициент направленного действия, параллельные спирали с противоположным направлением намотки, поляризация круговая, вертикальная, горизонтальная.

Исследовалась спиральная антенная решетка для оборудования беспроводных сетей Wi-Fi стандарта 802.11 b. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете коэффициента направленного действия (КНД) такой антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать 3 дБ. Показано, что для приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять 3 дБ, можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Две пары таких излучателей соединяются между собой параллельно, в результате чего получается антенная решетка, состоящая из четырех спиральных элементов. Если антенны располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная, если две антенны располагаются рядом с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация поля горизонтальная. Параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное согласование антенны с линией передачи. В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля, так как входное сопротивление антенной решетки в четыре раза меньше входного сопротивления одиночной спирали. Проведено исследование антенной решетки в программе ЭДЭМ (Электро Динамика Элементов из Металла). Выполнен расчет геометрических и электрических параметров антенной решетки. Предложен вариант изготовления антенной решетки, состоящей из спиральных излучателей.

Федотова Т.Н.,

к.т.н, доцент кафедры Технической Электродинамики и Антенн, МТУСИ

1. Описание задачи

Технология Wi-Fi стала неотъемлемой частью современной жизни. Среди отличительных свойств беспроводных технологий наиболее очевидное — это возможность мобильности, надежности и экономичности. Актуальность темы не вызывает сомнений в связи с бурным развитием беспроводных технологий в нашей стране, а также ввиду необходимости обеспечения быстрой и качественной связи, как между портативными устройствами, так и между стационарными ЭВМ. Главными требованиями, предъявляемыми к антеннам Wi-Fi, являются: конструктивная простота и сравнительно небольшие габаритные размеры. Такие антенны должны обладать направленными свойствами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивать коэффициент усиления 10-20дБ и иметь хорошее согласование с питающим фидером. Рассматривается один из вариантов Wi-Fi антенн - спиральная антенная решетка стандарта 802.11Ь.

2. Спиральная антенная решетка

2.1. Расчет конструкции цилиндрической спирали

Исходными данными для расчета спиральной антенны являются: рабочий диапазон частот, в нашем случае fm\„ = 2,3 ГГц,/щц = 2,5 ГГц или рабочий диапазон длин волн, в нашем случае >.min = 120 мм, А.тах = 130 мм и коэффициент направленного действия (КНД) спиральной антенны как одного элемента решетки, имеющей КНД 17 дБ (Dp,.,,, = 50):

D, =^£2L = —=25> КСВ < 1,2.

2 2

Длина витка цилиндрической спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона L = Хсг = 125 мм.

Осевая длина цилиндрической спирали определяется [4, 6] по заданному значению КНД 25125

Число витков цилиндрической спирали можно найти из выражения /•

N = — =-----= 9,9 а 10 витков.

5 21

В дальнейших расчетах принимаем длину спирали: / = ^•5= 10-21 =210мм.

Радиус цилиндрической спирали находится из [4]

•Ю-Б- л/1252 -212

а =---------=------------ 20 мм.

2 л 2-3,14

Угол намотки можно определить по формуле [4, 5]

. 5 21

а = эгсбш — = агсБт----= 9.5° •

/. 125

2.2. Расчет диаграммы направленности

спиральной антенны

Вектор напряженности электрического поля цилиндрической спиральной антенны в дальней зоне в сферической системе координат имеет две составляющие Е(> и (рис. 2.1), т.е. его можно представить в виде:

Ё = ё0£0+р„£„

Диаграммы направленности (ДН) цилиндрической спиральной антенны для составляющих поля Еа и Еч достаточно точно можно рассчитать по следующим формулам [6]:

. 8Ш(яМ0

/„(в) =J0(ka sin0)cos0 /«,(9W0(*«sine)v

v — 1 sinfn/Vv)

V —1

где Л(...) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка; к — волновое число (к = 2пГк, X — длина волны излучения); N - число витков спирали; 0 - угол, отсчитываемый от оси спирали; а - радиус спирали; V - вспомогательная переменная, которая определяется из выражения:

V = I + Аы —-собО 1ца

Г °'Хср

= 208 мм.

15 15

Шаг цилиндрической спирали находится из условия получения от антенны максимального КНД [1,4, 5]

„ 0,22 • X 0,22 125

5 =------125 = 21 мм.

I + —— I +------

21' 2-208

где с — скорость света в свободном пространстве (с = 3-10 м/с); и -фазовая скорость волны в спирали (и < с); а -угол намотки спирали.

Отношение с/и представляет собой замедление фазовой скорости волны в спирали по сравнению со скоростью света в свободном пространстве: с/и > 1. На практике принимают с/и» 1,22.

Ширина диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности определяется выражением:

Д0о5=52°/

На средней частоте рабочего диапазона (А. = Лср = 125 мм) ширина ДН спиральной антенны будет равна Д0„.5 ~ 40°.

Рис. 2.1. Система координат и составляющие поля

спиральной антенны

2.3. Исследование цилиндрической спиральной антенны

с помощью программы ЭДЭМ

Программа ЭДЭМ предназначена для специалистов в области прикладной электродинамики и позволяет исследовать электродинамические свойства структур, допускающих аппроксимацию набором проводящих поверхностей.

ЭДЭМ позволяет находить электрические и магнитные поля, возникающие в окрестности таких структур - внутри, снаружи и на любом удалении, вычислять пространственные распределения компонент полей и плотности потока мощности, рассчитывать диаграммы направленности, находить полную излучаемую системой мощность, к.н.д., определять фазовые центры, поляризационные характеристики и многое другое.

Решение задачи на основе строгой постановки гарантирует учет всех физических явлений, которые могут возникнуть в той или иной системе, и обеспечивает высокую точность.

В данной версии можно использовать кусочно-постоянную аппроксимацию подлежащих определению функций (плотностей наведенных токов). Для решения системы линейных алгебраических уравнений, к которой сводятся задачи, в данной версии реализованы как прямые, так и итерационные методы.

В основе программы лежат алгоритмы, которые были созданы в результате многолетнего развития методики, предложенной авторами программы для анализа такого типа проблем [8-11 ].

Текст задания можно набрать в окне редактирования задания программы ЭДЭМ. Этот текст составляется на специальном языке, который, по крайней мере для несложных моделей, интуитивно понятен. В нашей задаче в качестве рефлектора антенны требуется задать квадрат. Размеры и положение квадрата можно полностью определить тремя точками — рг 1, рг2 и ргЗ. На входном языке ЭДЭМ точка определяется в форме pName(X,Y,Z), где Name - набор от 1 до 10 букв латиницы и/или цифр - уникальная часть имени точки, отличающая ее от остальных точек.

Линейные размеры модели задаются в базовой декартовой системе координат X, Y, Z, в которой затем проводится весь дальнейший анализ. Размеры должны задаваться в нормированном на волновое число к виде, т.е. если х - значение параметра в каких-либо единицах длины (метрах, сантиметрах, миллиметрах), то X - к -х, где к = 2п/Х, X - длина волны, заданная в тех же единицах, л = 3,1415....

На рис. 2.2-2.4 представлены графики ДН спиральной антенны с квадратным рефлектором (сторона квадрата равна Л^р),

полученные с помощью программы ЭДЭМ (верхний рисунок). Для сравнения здесь же приведены ДН спиральной антенны, рассчитанные по формулам 2.1 (нижний рисунок). Диаграммы направленности приведены в децибелах для двух составляющих поля спиральной антенны: £о (сплошная кривая) и Е№ (пунктирная кривая).

I D= 18,13 1 } \

/і

р

Iі

Ц ч

1 (

/

1

I 1 1 /У 1

\ 1 \ 1 1 V 1

1,

/

\

1

\

1

і

180 •150 •120 •00 60 -зо 0 зо 60 90 20 150 If

f

if \\

ЛІ if \\

1 Л 1 і і 1 V 1 I \ f\ Г -—..

\! Ц I 1 Л 1 k і \ 1 Ґ 1/ Hf-11 it 4-' Iі Uli--

"V? А И 1 і \1

II/ \ 1 1 II ' Г

І

ОНО -150 ~120 -90-60 -30 0 30 50 90 120 150 100

Рис. 2.2. ДН расчетной спирали на нижней частоте диапазона/„ = 2.3 ГГц

<е

I ! I I I I I I I I 1 I !

0=19.94

c (I

\ -

4 il /

: ' і r

1 4 1 ; '/ | v f

h

\ 1

/ (

у

.180 -ISO .1» 40 40 -30 0 » «0 80 1JO ISO 1»

Рис. 2.3. ДН расчетной спирали на средней частоте диапазона fcр = 2,4 ГГц.

2.4. Расчет конструкции решетки из спиральных

излучателей

Для улучшения направленных свойств антенны, спиральные излучатели целесообразно объединять в решетки. В работе предусматривается создание четырехэлементной антенной решетки, состоящей из спиральных излучателей, оси которых расположены в вершинах квадрата со стороной Х^-р. КНД такой решетки будет в два раза больше КНД одиночной спиральной антенны.

Следует иметь в виду, что спиральные антенны создают излучение с вращающейся поляризацией. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете КНД такой антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать ЗдБ.

Д]я приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять ЗдБ, можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны (рис. 2.7). Две нары таких излучателей соединяются между собой параллельно, в результате чего получается антенная решетка, состоящая из 4-х спиральных элементов.

плоскость симметрии

г =

/\(0) — соэ] ——'вШ 0

ДН решетки из спиралей можно

как:

г.. -IV

г..+1У

В итоге получаем: на /, = 2,3 ГГц Г = 0,019; на/ср = 2,4 ГГц Г = 0,056; на/» = 2,5 ГГц Г = 0,070.

По известному модулю коэффициента отражения от входа антенны можно определить коэффициент стоячей волны (КСВ) в питающем фидере:

КСВ =

1 + Г 1-Г‘

---------"П-----------

Рис. 2.7. Решетка из спиральных излучателей с противоположным направлением намотки спиралей

ДН рассмагриваемой антенной решетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях будет определяться как произведение ДН одиночной спирали на множитель системы /^(в), состоящей из двух синфазных элементов, расположенных на расстоянии друг от друга:

На/„ = 2,3 ГГц КСВ = 1,04; на/ср = 2,4 ГГц КСВ = 1,12; на /в = 2,5 ГГц КСВ = 1,15. Полученные значения КСВ удовлетворяют исходным данным.

2.5. Исследование решетки, состоящей

из спиральных излучателей в программе ЭДЭМ

Особенностью применения программы ЭДЭМ для расчета решетки из 4-х спиральных излучателей является возможность использования симметрии рассмагриваемой модели при решении задачи.

Под симметрией задачи относительно плоскости будем понимать случай, когда структура и возбуждающие поле симметричны относительно этой плоскости. Это означает, что в симметричных точках составляющие поля, параллельные плоскости, равны по величине и направлены одинаково, а перпендикулярные - равны по величине и направлены в разные стороны по отношению к плоскости (друг к другу либо друг от друга). При этом решение (плотность токов) также обладает симметрией.

На рис. 2.8 изображено главное окно программы ЭДЭМ с исследуемой моделью антенной решетки. При построении модели используется одна плоскость симметрии. На рис.2.9 представлены диаграммы направленности решетки, полученные с помощью программы ЭДЭМ на трех частотах диапазона: нижней, средней и верхней.

/%ш(0)=т/гс(О)>

где /•'

Входное сопротивление решетки, состоящей из четырех спиральных излучателей, соединенных между собой параллельно, будет в четыре раза меньше входного сопротивления одиночной спирали. Входное сопротивление одиночной спирали с уточненными размерами, исследуемой в данной работе, по результатам программы ЭДЭМ равно: на /, = 2,3 ГГц г*,, = 192,35 Ом; на /,р = 2,4 ГГц = 178,71 Ом; на /„ = 2,5 ГГц 2„х1 = 173,86 Ом.

Входное сопротивление антенны (2„х=2„Х|/4) будет иметь следующие значения: на/, = 2,3 ГГц - 48,09 Ом; на/» = 2,4 ГТц

= 44,68 Ом; на/, = 2,5 ГГц гт = 43,47 Ом.

Модуль коэффициента отражения от входа антенны, при питании коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением IV = 50 Ом можно определить по формуле:

<Мам 1ШО

•*;#. I г«лиу: (ИЦ4П

п.:*.мн кпа>

Рис. 2.8. Решетка спиральных излучателей в программе ЭДЭМ с использованием одной плоскости симметрии

2.6. Изготовление антенны

Стандартная пластиковая труба с внешним диаметром 40мм является превосходным решением и легкодоступна. Спираль может быть намотана из стандартного медного провода с поливинилхлоридной изоляцией, который применяется в домашнем хозяйстве для цепей переменного тока напряжением 220 вольт. Иногда удобно использовать плоский (ленточный) провод.

120

Т-Сотт, #10-2012

Для создания решетки используем четыре отрезка грубы длиной 33см. каждый. На каждую трубку спираль наматываем с шагом 22мм, под углом 10°. Спираль имеет 15 витков. Обматываем провод вокруг трубы и приклеиваем его поливинилхлоридным или любым другим, содержащим тетрагидрофуран (ТНК), клеем. Это дает очень прочную намотку вокруг трубы.

Рефлектор представляет собой квадрат, вырезанный из листового алюминия, сторона квадрата 25см. Элементы решетки располагаем в вершинах квадрата симметрично относительно центра рефлектора. Трубки приклеиваем к рефлектору тем же поливинилхлоридным клеем. Расстояние между элементами равно средней длине волны рабочего диапазона 125мм.

В центре рефлектора устанавливаем стандартный 500м иНР/БНЬ коаксиальный разъем (коннектор), к которому параллельно припаиваем четыре конца провода от каждой спирали.

Антенну можно закрепить на металлической вертикальной опоре (мачте) при помощи хомутов, которые прикручиваются к рефлектору. Можно закрепить антенну и на стене здания при помощи прикрученных к рефлектору кронштейнов.

На рис. 2.10 изображен общий вид антенны. В приведенной конструкции спирали использован ленточный провод.

Рис. 2.10. Решетка из 4-х спиральных излучателей. Общий вид

Заключение

Рассмотрена спиральная антенная решетка, предназначенная для оборудования беспроводных сетей Wi-Fi диапазона 2,3-2,5 ГГц в стандарте 802.11b. Актуальность темы вызвана бурным развитием беспроводных сетей Wi-Fi.

Антенна представляет собой решетку из четырех спиральных излучателей, расположенных над металлической плоскостью (экраном или рефлектором). Элементом решетки является одиночная спиральная антенна. Для повышения направленности излучения используется система, состоящая из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Две пары таких излучателей соединяются между собой параллельно, в результате чего получается антенная решетка.

Если антенны располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная, если две антенны располагаются рядом с другом в горизонтальной плоскости ,то поляризация поля горизонтальная. Параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное согласование антенны с линией передачи. В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля, так как входное сопротивление антенной решетки в четыре раза меньше входного сопротивления одиночной спирали.

Проведено исследование антенной решетки в программе ЭДЭМ. Выполнен расчет геометрических и электрических параметров антенной решетки. Приведены диаграммы направленности антенной решетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Предложен вариант изготовления антенной решетки, состоящей из спиральных излучателей.

Проведенные исследования и расчеты позволили разработать антенную решетку, состоящую из четырех спиральных излучателей, с коэффициентом усиления на средней частоте 18дБ; КСВ = 1.12; коэффициентом отражения на входе антенны 0.056, при питании коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом .

Рис. 2.9. ДН решетки из 2-х спиралей

Литература

1. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержсвскнй В.Г.

Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 491 с.

2. Пнменов Ю.В., Вольман В.И., Мураицов А.Д. Техническая электродинамика. - М.: Радио и связь, 2000. - 536 с.

3. Воскресенский Д.П., Гостюхнн В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны. - М.: Радиотехника, 2006. -375 с.

4. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1972. - 318 с.

5. Кочержсвскнй Г.Н. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1981. - 280 с.

6. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.-440 с.

HELICAL ANTENNA ARRAY FOR WI-FI WIRELESS NETWORK EQUIPMENT Fedotova T.N., docent Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI

Abstract

This article contains research on helical antenna array for 802.11 b Wi-Fi wireless network equipment. While working on the transfer, helical antenna emits field of circular polarization, right- or left-polarized field, depending on the direction of the helical winding. While working on the reception, it receives either field of circular polarization or field of any linear polarization. When calculating the directivity of such antenna it is required to make an adjustment to the circular polarization and to subtract 3dB from the result. Article shows that in order to receive linearly polarized emission without losing 3dB, it is possible to use antenna consisting of two closely spaced parallel helices wound in opposite directions. Two pairs of such emitters can be connected in parallel, resulting in a helical antenna array of four helical elements. If antennas are arranged one above the other in the vertical plane then field of vertical polarization exists, in case of antennas arranged one next to the other in horizontal plane then polarization is horizontal. Parallel connection of two helical antenna gives very convenient coordination between antenna and transmission line. In this case it is possible to feed antenna using a standard coaxial cable without any additional transforming devices because input impedance of antenna array is four times smaller than input impedance of single helix. A study on antenna array in the program EDEM(Electro Dynamics of Metallic Elements) have been conducted. Geometrical and electrical parameters of the antenna array have been calculated. A variant of manufacturing an antenna array consisting of helical emitters was suggested.

Keywords: helical antenna array, 802.11 b Wi-Fi equipment, directivity, parallel helices with opposite wound direction, circular/vertical/horizontal polarization.

7. Айзенберг Г.З., Ямнольскнй В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. 4.2. - М.: Связь, 1977. - 288 с.

8. Давыдов А.Г., Захаров Е.В., Пнменов Ю.В. Метод численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях произвольной формы. Доклады АН СССР. 1984. - Т.276, в. I. - С. 96-100.

9. Захаров Е.В., Пнменов Ю.В. Численный анализ дифракции радиоволн. - М.: Радио и связь. 1982. - 182 с.

10. Давыдов А.Г., Пнменов Ю.В. Программный комплекс ЕИЕМЗО для исследования электродинамических характеристик идеально проводящих трехмерных объектов. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1999. - Т.УП. в.2. - С.39-46.

11. Давыдов А.Г., Пименов Ю.В. О возможностях новой версии программного комплекса ЕОЕМЗЭ. В кн.: Тезисы докладов и сообщений I Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 10-16 сентября 2001. - Т.1. - С.21-25.