Полосковая антенная решетка с воздушным запонением

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

ТЕХНІКА ТА ПРИСТРОЇ НВЧ ДІАПАЗОНУ.

АНТЕННА ТЕХНІКА

УДК 621.396.674.3

ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ВОЗДУШНЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ

Дубровка Ф.Ф., Мартынюк С.Е.

Развитие сетевых технологий привело к стремительному росту числа беспроводных локальных компьютерных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.11 и используют диапазон частот 2,4...2,483 ГГц. Скорость передачи данных в таких сетях зависит от многих факторов и, в конечном итоге, определяется отношением сигнал/шум в приемной системе. При этом на практике важную роль играют условия распространения радиоволн, параметры применяемых антенно-фидерных устройств и общая интерференционная (помеховая) ситуация.

Известно, что предельно достижимая скорость передачи данных может составлять 54 и 108 Мбит/с для сетей, построенных в соответствии со стандартами IEEE 802.11 b и g соответственно. Если расстояние между маршрутизатором и точкой доступа превышает 300 м, то достижение указанных скоростей возможно только при использовании в маломощных цифровых приемо-передающих модулях внешних антенн. Антенны должны обладать коэффициентом усиления более 13 дБ для обеспечения необходимого отношения сигнал/шум. Кроме того, к антеннам беспроводных компьютерных сетей предъявляются дополнительные требования по массогабаритным и эргономическим показателям. В диапазоне частот 1...5 ГГц наиболее конкурентоспособными излучателями являются планарные микрополосковые антенные решетки (АР) [1], которые имеют компактную конструкцию и малый вес. Производство микрополосковых АР не вызывает трудностей, поскольку основано на хорошо развитой технологии фотолитографии для фольгированных СВЧ подложек. К недостаткам этих антенн следует отнести необходимость применения одной либо нескольких диэлектрических СВЧ подложек, которые являются относительно дорогостоящими, имеют потери и сами по себе не обладают достаточной защитой от атмосферных и механических воздействий. В ряде работ (например, [2]) предлагается использование одиночных полосковых излучателей с воздушным заполнением (без диэлектрической подложки), которые характеризуются широкой рабочей полосой частот и низкими омическими потерями. Тем не менее, развитие этой технологии для построения многоэлементных антенных решеток сдерживается сложностью создания надежных, механически стабильных конструкций полосковых систем деления СВЧ мощности с воздушным заполнением.

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 61

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

В данной работе предлагается четырехэлементная двухрезонаторная полосковая АР с воздушным заполнением, конструкция которой не требует применения фольгированных диэлектрических СВЧ подложек, является механически жесткой и надежной, обеспечивает низкие потери и высокий коэффициент усиления.

Особенности конструкции антенной решетки

Конфигурация и расположение полосковых элементов разработанной полосковой АР с воздушным заполнением показаны на рис. 1. АР состоит из четырех (2x2) излучающих элементов, каждый из которых представляет собой двухрезонаторный полосковый излучатель. Выбор двухрезонаторных полосковых излучателей обусловлен тем, что они обладают более широкой по сравнению с однорезонаторными рабочей полосой частот [3]. Экраном АР служит металлическая пластина с габаритами 165x165 мм (поз. 1 на рис.1), которая дополнительно выполняет функцию механической основы. АР возбуждается при помощи коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом (поз. 2), подводимой снизу сквозь отверстие в экране к полосковой линии, расположенной на расстоянии 2 мм над экраном. Функционально полосковая линия является частью полосковой системы деления мощности 1:4 параллельного типа с воздушным заполнением, которая питает нижние резонаторы (поз. 4) четырех двухрезонаторных излучателей АР. Технологически нижние полосковые резонаторы излучателей и полосковая система деления мощности выполнены в едином цикле из листа алюминиевого сплава толщиной 0,5 мм с точностью не хуже 0,1 мм.

а) вид сбоку б) вид сверху

Рис. 1. Четырехэлементная полосковая АР с воздушным заполнением

Величина зазора между экраном и линией выдерживается постоянной благодаря тому, что каждый полосковый резонатор прямоугольной формы крепится к экрану при помощи двух цилиндрических металлических втулок диаметром 5 мм (поз. 3). Эти втулки одновременно фиксируют верхние резонаторы излучателей (поз. 5). Таким образом, в данной конструк-

62

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

ции полосковая структура сложной конфигурации крепится параллельно экрану в восьми точках расположения цилиндрических втулок, а также при помощи паяного соединения с центральным проводником входной коаксиальной линии. В свою очередь, параллельность каждого верхнего резонатора нижнему и экрану обеспечивается в двух точках втулками

Для защиты от атмосферных воздействий АР спереди и с боков защищена пластиковым радиопрозрачным укрытием (на рис. 1 не показано), кроме того использовано гальваническое покрытие всех полосковых элементов. Надежность и механическая стабильность конструкции предложенной АР была подтверждена в ходе испытаний пяти опытных образцов.

Результаты расчетов и измерений

Электродинамический анализ полосковой АР с воздушным заполнением был проведен методом конечных разностей во временной области [4], гибкость которого позволяет учесть все особенности геометрии полосковой структуры. На рис. 2 а, б представлены рассчитанные (сплошными линиями) и измеренные в безэховой камере (штриховыми линиями) диаграммы направленности разработанной АР в Е- и Н- плоскостях соответственно. Измерения показали, что опытные образцы АР имеют коэффициент усиления не менее 14,5 дБ в полосе частот 2,35...2,55 ГГц, обладая при этом хорошей повторяемостью параметров.

а) Е-плоскость б) Н-плоскость

Рис. 2. Диаграммы направленности АР на частоте 2,45 ГГц

На рис. 3 показаны теоретическая (сплошная линия) и экспериментальная (треугольные метки) частотные характеристики КСВН разработанной полосковой АР. Видно, что АР имеет КСВН<1,2 в рабочей полосе частот 2,4.2,483 ГГц и КСВН<1,5 в полосе частот 2,35.2,55 ГГц (8%).

Из рис. 2, 3 видно, что в работе достигнуто хорошее соответствие результатов расчета и эксперимента. Незначительное отличие кривых может быть объяснено тем, что полосковая структура сложной конфигурации фиксируется лишь в нескольких точках над экраном, а не по всей плоскости

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

63

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

(как в случае использования классической микрополосковой технологии). На практике это приводит к тому, что зазор между структурой и экраном для разных участков полосковой системы питания может варьироваться примерно ±15% от номинальной величины. Однако, как показали экспериментальные исследования, вариация зазора в указанных пределах не влияет существенно на диаграмму направленности и согласование АР.

В работе представлена новая конструкция линейно поляризованной четырехэлементной полосковой АР без диэлектрика. АР имеет механически жесткую конструкцию, характеризуется коэффициентом усиления не менее 14,5 дБ, КСВН<1,2 в рабочем диапазоне частот 2,4... 2,483 ГГц и КСВН<1,5 в диапазоне частот 2,35.2,55 ГГц. Она может быть применена для построения беспроводных компьютерных сетей стандарта IEEE 802.11b,g. Разработанная технология может быть рекомендована для изготовления планарных АР для различных диапазонов частот в интервале от 900 МГц до 6ГГц.

Литература

2.2

2.6

2.4

Частота , ГГ ц

Рис. 3. Характеристики КСВН полосковой АР

1. Garg R., Bhartia P. Microstrip Antenna Design Handbook/Artech House. 2001. 845p.

2. Herscovici N. A new consideration in the design of microstrip antennas // IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 46, NO 12, pp.807-812, Dec. 1998.

3. Croq F. Pozar D. Millimeter-wave design of wideband aperture-coupled stacked microstrip antennas // IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, № 12, pp.1770-1776, Dec. 1991.

4. CST Microwave Studio, User Manual 5 ed., CST GmbH, Darmstadt, Germany 2004. Дубровка Ф.Ф., Мартинюк С. Є. Смужкова антенна решітка із повітряним заповненням. Запропонована нова конструкція та представлені результати досліджень смужкової чотирьохелементної антенної решітки для бездротових комп ’ютерних мереж

Ключові слова: смужкові антени, антенні решітки, компьютерні мережі.___________

Дубровка Ф.Ф., Мартинюк С.Е. Полосковая антенная решетка с воздушным запоне-

нием. Предложена новая конструкция и представлены результаты иследваний полосковой четырёхэлементной антенной решетки для безпроводных компьютерных сетей

Ключевые слова: полосковая антенна,ни, антенная решетка, компьютерные сети Dubrovka F.F., Martynyuk S.Y. Air filled strip antenna array. Novel design of strip antenna array without dielectric substrate is presented. Antenna array can be used for WLAN applications.

Key words: strip antenna, array antenna, WLAN__________________________________

64

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38