UWB ANTENNA EXPERIMENTAL STUDY

Abstract

The paper describes an experimental study of a fractal miniature antenna radiator, which operates in ultra wideband band 3,13…15 GHz. The antenna is constructed using Rogers RO4350B material, which is a thermosetting polymer with the addition of ceramics. It was assembled on the basis of the printed circuit boards technology and complies to the 5th class of accuracy. The total antenna size including the connector equals to 19×39 mm2, its radiating part is simple and consists of two modified circles. The antenna was measured in anechoic chamber, which has proven its characteristics, including the acceptable matching in the mentioned band. Since it provides simplicity and cost reduction in case of mass production, it can be used in many other areas, such as 3G-5G and Radio-over-Fiber networks.

Full Text

Введение Одним из основных направлений развития современных телекоммуникационных систем и сетей является стремление обеспечить конечного пользователя качественными и новыми услугами связи. При этом параллельно разработчики стремятся решить следующие задачи: - снижение стоимости услуг связи и оборудования, энергопотребления и производственных затрат; - обеспечение доступа к качественным услугам связи большей массе населения для повышения качества жизни; - уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду и живых существ; - повышение конкурентоспособности отечественных производителей; - защита персональных данных при проведении финансовых операций. Представленный в работе образец фрактального миниатюрного антенного излучателя (ФМАИ) предназначен для излучения и приема сигналов в составе фазированной антенной решетки (ФАР), используемой в качестве элемента антенно-фидерного тракта экспериментального стенда «Радио по оптоволокну». Данный ЭС является прототипом системы СШП - RoF и пилотным образцом подобной системы на территории РФ, разработанной в рамках соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0058. Согласно проведенному анализу научно-информационных источников в области разработки сверхширокополосных (СШП) приемо-передающих антенн [1-9] сделан вывод о том, что современные антенны выполнены по микрополосковой технологии и имеют целью расширение диапазона рабочих частот при обеспечении достаточного согласования и малых размеров за счет применения новых структур и геометрий излучающих элементов. Разработанные образцы ФМАИ соответствуют последним разработкам в области проектирования СШП-антенн, они характеризуются широким диапазоном рабочих частот (3,13…15 ГГц), простотой при серийном производстве (размеры ФМАИ составляют 19×39 мм2) и совместимостью с интегральными схемами. Это в свою очередь создает возможность удешевления и миниатюризации оборудования базовых и мобильных станций в случае применения ФМАИ в составе пикосотовых беспроводных сетей ШПД. Помимо указанного стенда ФМАИ могут найти применение в составе существующих систем связи (Wi-Fi, 3G, 4G), а также в новых разрабатываемых, в том числе СШП-RoF и сетях 5G. Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований образцов ФМАИ для подтверждения расчетных характеристик, а именно потерь на отражение S11, коэффициента передачи S21, КСВН, входного сопротивления и диаграммы направленности (ДН). Описание ФМАИ ФМАИ предназначен для приема и передачи радиосигналов в диапазоне рабочих частот от 3,13 до 15 ГГц. Данный диапазон определен для частот, на которых значение КСВН ≤ 2. Предварительные е расчеты и подробное описание имитационного моделирования ФМАИ с использованием прораммного обеспечения (ПО) CST Microwave Studio (MWS) представлено в [10]. Рисунок 1. Габаритные размеры ФМАИ Внешний вид изделия с указанием размеров показан на рисунке 1: ФМАИ представляет собой широкополосную антенну, изготовленную на армированном материале Rogers RO4350B на основе термореактивного полимера с добавлением керамики. Используемый материал Rogers RO4350В технологически прост в обработке и имеет прочную подложку, усиленную стекловолокном. Характеристики материала: толщина подложки: 0,762 мм; толщина фольги: 35 мкм; диэлектрическая проницаемость материала: 3,48±0,05; тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10 ГГц: 0,0037. Рисунок 2. Внешний вид ФМАИ Подключение ФМАИ осуществляется SMA-разъемом, тип SMA 72970 Pomona (female), установленным на плату антенны методом пайки (см. рисунок 2). Результаты моделирования ФМАИ Как было сказано, моделирование ФМАИ осуществлялось с использованием ПО CST MWS. В процессе расчетов были получены и проанализированы такие характеристики излучателя, как: потери на отражение S11, КСВН, входное сопротивление, ДН, построено распределение поверхностных токов, оценены передаточная функция S21 и фактор подобия на основе системы двух антенн. VsWR(2) Рисунок 3. КСВH ФМАИ Указанные характеристики представлены и подробно описаны в [11], кратко отметим следующее: - КСВН лежит в пределах от 1,1 до 2 в диапазоне 3,13…15 ГГц (см. рисунок 3); - поверхностные токи распределены симметрично относительно вертикальной оси, большей частью они сконцентрированы в центральном проводнике, по краю плоскости земли (ПЗ) и по краям излучающего элемента (ИЭ), убывая от копланарного волноводного порта (точки питания) по направлению к вершине на всех частотах; Z_Re (1) Рисунок 4. Частотная зависимость действительной части входного сопротивления Z_Im(1) Рисунок 5. Частотная зависимость мнимой части входного сопротивления - действительная часть входного сопротивления колеблется относительно уровня 50 Ом (см. рисунок 4), мнимая - относительно нулевого уровня (см. рисунок 5); - на частоте 3,13 ГГц ДН ФМАИ подобна ДН симметричного диполя и имеет вид окружности в горизонтальной плоскости, в вертикальной плоскости - представляет собой две соприкасающиеся окружности; - с ростом частоты происходит искажение ДН в виде отклонения от тороидальной формы ввиду того, что длина участков со встречным направлением токов увеличивается и интенсивность излучения в горизонтальной плоскости уменьшается. Указанные характеристики были подтверждены результатами двух разных расчетов, после чего было изготовлено и протестировано 20 образцов ФМАИ. Результаты экспериментального исследования ФМАИ Экспериментальные исследования ФМАИ были проведены в безэховой камере (БЭК) Центра коллективного пользования Уральского Федерального университета (г. Екатеринбург). Поскольку все образцы ФМАИ демонстрируют практически идентичные характеристики, здесь представлены результаты измерений для образца №1 (ФМАИ-1) и даны комментарии по остальным 19 образцам. На рисунке 6 представлены результаты измерений S11, на рисунке 7 - коэффициента передачи, на рисунке 8 - КСВН. Из рисунка 6 видно, что значения S11 составляют менее -10 дБ (что соответствует КСВН = 2) в диапазоне измерений 2…16 ГГц, что перекрывает расчетный диапазон 3,13…15 ГГц. Рисунок 6. Потери на отражение S11 ФМАИ-1 График S11 на рисунке 6 демонстрирует несколько резонансов: четыре - «крупных» и большое количество «мелких», которые, перекрываясь, образуют единый рабочий диапазон частот. Указанное расширение диапазона справедливо для всех образцов ФМАИ, за исключением ФМАИ-16, что объясняется внутренним дефектом, поскольку визуальный контроль не выявил отклонений от чертежа изделия. Рисунок 7. Модуль коэффициента передачи ФМАИ-1 Измерения модуля коэффициента передачи S21 были проведены в диапазоне 3…15 ГГц. Согласно данным рисунка 7 поведение данной характеристики стабильно до частоты 10 ГГц, а далее характеризуется спадом до уровня -48 дБ. Рисунок 8. КСВН ФМАИ-1 По рисунку 8 видно, что КСВН < 2 в диапазоне 1,9…16 ГГц, что лучше расчетных значений: на нижней частоте КСВН = 2, далее колеблется вблизи 1,4 и не превышает 1,7 на частоте 10 ГГц, минимум составляет 1,1. Это свидетельствует о том, что ФМАИ-1 хорошо согласован в заданном рабочем диапазоне. Другие образцы ФМАИ по характеристикам аналогичны ФМАИ-1, хотя для некоторых из них максимум КСВН = 1,9 - что, тем не менее, также укладывается в требуемые нормы. На рисунке 9 представлены результаты измерений действительной и мнимой частей входного сопротивления антенны. Согласно графикам, действительная часть близка к значению 50 Ом, на которое и было рассчитано согласование ФМАИ, а мнимая часть близка к нулю. В обоих случаях наблюдаются лишь незначительные отклонения, что свидетельствует о хорошем согласовании. Рисунок 9. Действительная и мнимая части входного сопротивления ФМАИ-1 Диаграмма направленности ФМАИ была измерена в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной (см. рисунки 10 и 11 соответственно) на частотах 3; 5; 7,5; 10 и 15 ГГц. По рисункам можно видеть, что в горизонтальной плоскости ДН имеет форму, близкую к окружности, что говорит о всенаправленном характере излучения. Рисунок 10. ДН в горизонтальной плоскости В вертикальной плоскости ДН на частотах 3 и 5 ГГц близка к кардиоиде, причем с ростом частоты происходит искажение ДН, которое тем сильнее, чем выше частота. Вышесказанное подтверждает результаты имитационного моделирования и свидетельствует о том, что ФМАИ является слабонаправленной антенной. Рисунок 11. ДН в вертикальной плоскости В целом можно сказать, что все представленные образцы ФМАИ характеризуются широким диапазоном рабочих частот; имеют центральную частоту 7,5 ГГц, где обеспечивается наилучшее согласование; ДН, близкую по форме к ДН полуволнового диполя. Все это является хорошим показателем для данного класса микрополосковых СШП-антенн. Выявленные в процессе лабораторных измерений отличия заявленных характеристик ФМАИ от результатов моделирования объясняются следующими возможными причинами. При изготовлении образцов ФМАИ имеет место погрешность, связанная с невозможностью идеального воспроизведения спроектированного устройства ввиду ограничений, накладываемых технологией изготовления, а также внутренними дефектами материала, из которого изготовлены образцы ФМАИ. Другой причиной отклонений является погрешность при проведении измерений в БЭК. Тем не менее, резюмируя вышесказанное, можно утверждать, что результаты моделирования и измерений, проведенных в БЭК, между собой близки, что свидетельствует о корректности расчетов, а также о возможности успешного применения ФМАИ на практике. Заключение Представлено экспериментальное исследование ФМАИ, предназначенного для использования в составе экспериментального стенда «Радио по оптоволокну» в СШП-диапазоне частот. При изготовлении ФМАИ были использованы современные высокотехнологические материалы и элементная база промышленного назначения. На образцах ФМАИ в БЭК были исследованы следующие характеристики: КСВН, потери на отражение, коэффициент передачи, входное сопротивление, ДН. В результате установлено соответствие теоретических и экспериментальных данных, подтвержден рабочий диапазон частот 3,13…15 ГГц, КСВН менее 2, действительная часть входного сопротивления близка к 50 Ом, мнимая - к нулю, антенна является всенаправленной. Проанализированы причины отклонений экспериментальных параметров ФМАИ от соответствующих им расчетных значений. Помимо применения ФМАИ в составе стенда «Радио по оптоволокну» они также могут быть использованы в антенно-фидерных трактах мобильных устройств систем широкополосной связи с целью уменьшения их габаритов за счет передачи и приема сигналов различных стандартов на одно антенное устройство. Таким образом, свойства ФМАИ позволяют значительно расширить возможности современных и проектируемых систем связи.
×

About the authors

Guzel Idrisovna Abdrakhmanova

Ufa State Aviation Technical University

Email: guzel.idrisovna@gmail.com

Ivan Konstantinovich Meshkov

Ufa State Aviation Technical University

Email: mik.ivan@bk.ru

Nikolay Sergeevich Knyazev

Ural Federal University

Email: nknyazev@yandex.ru

Albert Khanovich Sultanov

Ufa State Aviation Technical University

Email: tks@ugatu.ac.ru

References

  1. Mandal T., Das S. A coplanar waveguide fed hexagonal shape Ultra wide band antenna with WiMAX and WLAN band rejection // Radioengineering. - 2014. - Vol.23. - No.4. - Р. 1077-1085.
  2. Peng H., Luo Y., Shi Z. Triple band-notched UWB planar monopole antenna using triple-mode resonator // Progress in electromagnetics research C. - 2015. - Vol. 57. - Р. 117-125. doi: 10.2528/PIERC15040703.
  3. Beigi P., Nourinia J., Mohammadi B., Valizade A. Bandwidth enhancement of small square monopole antenna with dual band notch characteristics using U-shaped slot and butterfly shape parasitic element on backplane for UWB applications // Applied Computational Electromagnetics Society Journal. - 2015. - Vol. 30. - No. 1. - Р. 78-85.
  4. Fakharian M.M., Rezaei P., Azadi A. A planar UWB bat-shaped monopole antenna with dual band-notched for WiMAX/WLAN/ DSRC // Wireless Pers. Commun. - 2015. - Р. 882-891. doi: 10.1007/s11277-014-2162-8.
  5. Ouda М. A novel elliptically shaped compact planar Ultra-wideband antenna // Journal of Engineering Research and Technology. - 2014 - vol. 1. - Issue 1. - 5 p.
  6. Shakib M.N., Moghavvemi M., Mahadi W.N. Design of a compact planar antenna for Ultra-wideband operation // Applied Computational Electromagnetics Society Journal. - 2015 - Vol. 30. - No. 2. - P. 222-229.
  7. Белоусов О.А., Курносов Р.Ю., Горшков П.А., Рязанова А.Г. Антенная решетка на основе широкополосной планарно-щелевой антенны с экспоненциальным изменением ширины щели для систем беспроводного широко-полосного доступа // Вопросы современной науки и практики. - 2015. - С. 184-194.
  8. Lu W.-J., Shi J.-W., Tong K.-F., Zhu H.-B. Planar end-fire circularly polarized antenna using combined magnetic dipoles // IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters. - 2015. - 4 p. doi: 10.1109/LAWP.2015.2401576.
  9. Zi-Han Wu, Feng Wei, Xiao-Wei Shi, Wen-Tao Li. A compact quad band-notched UWB monopole antenna loaded one lateral L-shaped slot // Progress in electromagnetics research. - 2013. - Vol. 139. - Р. 303-315. doi: 10.2528/PIER13022714.
  10. Абдрахманова Г.И., Багманов В.Х. Сверхширокополосная система связи на основе новых моделей импульсов и антенн // Вестник УГАТУ. - 2013. - Т.17. - №4 (57). - С. 152-159.
  11. Абдрахманова Г.И. Повышение эффективности сверхширокополосных систем связи на основе оптимизации формы импульсов. Дисс. к.т.н. Уфа, 2013. - 142 с.

Statistics

Views

Abstract: 53

PDF (Russian): 18

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2019 Abdrakhmanova G.I., Meshkov I.K., Knyazev N.S., Sultanov A.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies