1. Summary ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………….. [605687]

1
Cuprins
1. Summary ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 3
2. Planificarea activității ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 8
3. Stadiul actual ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 9
3.1. Generalități despre rețelele mobile ………………………….. ………………………….. ……………………….. 9
3.2. Evoluția comunicațiilor fără fir ………………………….. ………………………….. ………………………….. 10
3.3. Tehnici multi -antenă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 11
4. Fundamentare teoretică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 13
4.1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 13
4.2. Tipuri de antene ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 15
4.2.1. Antene de sârmă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 15
4.2.2. Antene cu apertură ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 16
4.2.3. Antene microstrip ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 16
4.2.4. Matrici de antene ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 17
4.2.5. Antene reflectoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 17
4.2.6. Antene cu lentile ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 18
4.3. Forma radiației ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 18
4.3.1. Lobi de radiație ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 19
4.4. Antene microstrip ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 20
4.4.1. Caracteristici de bază ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 21
4.4.2. Metode de alimentare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 22
4.4.3. Matrici de antene mi crostrip ………………………….. ………………………….. ……………………….. 23
5. Implementarea soluției adoptate ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 24
5.1. Despre HFSS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 24
5.2. Implementarea soluției ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 25
5.3. Testarea antenei ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 29
6. Rezultate experimentale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 38
6.1. Realizarea antenei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 38
6.2. Realizarea măsurătorilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 40
7. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 44

2
8. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 45
9. Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 46

3
1. Summary
Theoretical fundamentals
The present paper deals with antennas and especially with microstrip antennas. An antenna is
defined by Webster's Dictionary as "a typica lly metallic device (such as a rod or wire) for transmitting
or receiving radio waves." The definition in the IEEE antenna standards defines the antenna as "A means
of radiating or receiving radio waves". In other words, the antenna is the transient struct ure between the
free space and a guiding device. The guiding device or transmission line may take the form of a coaxial
line or a tubular duct (waveguide) and is used to transport the electromagnetic energy from the
transmitting source to the antenna or th e antenna to the receiver. For wireless communications, the
antenna is one of the most important components. A good design of the antenna can relax system
requirements and improve the overall performance of the system. A typical example is television for
which broadband reception can be enhanced by using a high -performance antenna. The antenna serves a
communication system for the same purpose that the eyes and glasses serve a human.
The field of antennas is vigorous and dynamic, and over the last 60 years antenna technology has
been an indispensable partner of the communications revolution. Many major advances that have taken
place during this period are in use today; however, today we still face many other problems and
challenges, especially since the req uirements for system performance are even greater.
Types of antennas:
• Wire antennas
• Aperture antennas
• Microstrip antennas
• Antenna arrays
• Reflector antennas
• Lens antennas
A radiation pattern of an antenna is defined as "a mathematical function or a graphical
representation of the antenna radiation properties according to the space coordinates. In most cases, the
radiation pattern is determined in the remote region and is represented as a coordinate function Radiation
properties include power de nsity, radiation intensity, beam intensity, directivity, phase or polarization.
", according to IEEE.
Often, field and power models are normalized relative to their maximum value, generating normal
field and power models. Also, the power pattern is usuall y represented on a logarithmic scale or more in
decibels (dB). This scale is usually desirable because a logarithmic scale can accentuate in detail those
parts of the model that have very low values.
The different parts of a radiation pattern are called l obes, which can be subclassified into main,
minor, lateral and back lobes. A radiation lobe is a portion of the radiation pattern delineated by regions

4
of relatively low radiation intensity. Some have a higher radiation intensity than others, but they are all
classified as lobes.
A primary lobe (also called the main beam) is defined as the "radiation lobe containing the
maximum radiation direction". Some antennas, such as split -beam antennas, may have more than one
major lobe. A small lobe is any lobe exce pt for the large lobe. A lateral lobe is a radiation lobe in any
direction other than the main lobe. A rear lobe is a radiation lobe whose axis makes an angle of
approximately 180 ° to the beam of an antenna. It usually refers to a small lobe that occupies the
hemisphere in a direction opposite that of the main lobe.
Minor lobes are usually radiation in unwanted directions and should be minimized. The lateral
lobes are normally the largest of the minor lobes. The level of minor lobes is usually expressed a s a ratio
of the power density in the lobe concerned to that of the major lobe. This ratio is often referred to as the
ratio of the lateral lobe or lateral lobe level. Side -lobed levels of -20 dB or lower are usually not desirable
in most applications. Ach ieving a lateral lobe level of less than -30 dB usually requires very careful
design and construction.
Microstip antennas are low profile, compatible with plane and nonplane surfaces, simple and
inexpensive to manufacture using modern printed circuit boar ds, mechanically robust when mounted on
rigid surfaces and when selected form and patch mode are very versatile resonant frequency, polarization,
model and impedance. In addition, by adding loads between the patch and the ground plane, such as pins
and var actor diodes, adaptive resonant elements with resonant variable frequency, impedance,
polarization, and pattern can be designed.
The major operational disadvantages of microstrip antennas are their low efficiency, low power,
high Q frequency, and very nar row bandwidth. In some applications, such as government security
systems, narrow bandwidth is desirable. However, there are methods, such as increasing the height of
the substrate, which can be used to extend the efficiency and bandwidth (up to about 35%). However, as
the height increases, surface waves are introduced that are usually not desirable because they extract
energy from the total available for direct radiation (space waves). Surface waves travel within the
substrate and are scattered into surface curves and discontinuities, such as dielectric and ground plane
truncation, and degradation of antenna and polarization characteristics.
Often, microstrip antennas are also referred to as patch antennas. Radiant elements and feed lines
are usually cut on the dielectric substrate. The radiant patch may be square, rectangular, thin (dipole),
circular, elliptical, triangular or any other configuration. Square, rectangular, dipole and circular are the
most common due to the ease of analysis and fabrication an d their attractive radiation characteristics,
especially cross -polarization radiation. Microstrip dipoles are attractive because they possess inherently
a large bandwidth and occupy less space, making them attractive for antenna matrices. Linear and circul ar
polarizations can be made either with individual elements or with microstrip antenna arrays. Matrix with
microstrip elements, with single or multiple feeds, can also be used to introduce scanning capabilities
and get higher directivity.
There are many configurations that can be used to power up microstrip antennas. The two most
popular are the microstrip line and the coaxial probe. The microstrip power line is also a conductive
band, usually much smaller than the patch. The mictostrip feed line is easy to fabricate, simple to fit

5
through insertion control and simple to model. However, as the thickness of the substrate increases,
surface waves and false feed radiation increase, which for practical models limits the bandwidth.
Coaxial power supply, if the coaxial internal conductor is attached to the radiation patch while
the external conductor is connected to the ground plane, are also widely used. Also, coaxial probe feed
is easy to manufacture and fit. However, it also has a narrow bandwidth and is more difficult to model,
especially for thick substrates (h> 0.02λ0).
Microstrip antennas are used not only as unique elements, but are also very popular in a array.
Matrices are very versatile and are used, among others, to synthesize a required pattern that can not be
achieved with a single element. In addition, they are used to scan the beam of an antenna system to
increase directivity and perform various other functions that would be difficult to achieve with a single
element. Elements can be fed into a si ngle line, or through multiple lines in a power supply arrangement.
The first is referred to as a serial feed network, and the second is referred to as a parallel feed network.
Parallel choices are more general and versatile. With this method, the designer has more control over the
supply of each element (amplitude and phase) and is ideal for scanning some phase arrays, multi -facial
matrices, or matrix faced faces.
Implementation
HFSS was used in the present paper to create the design of the chosen antenn a and to perform
simulations with it. The simulations include the radiation pattern, both 2D and 3D, as well as simulations
of an antenna matrix with different configurations for phase shift between elements to observe the
directivity characteristic in dif ferent situations.
The projected antenna is an antenna used in 2.4 GHz 3G technology. This is used in base stations
as multi -element arrays to control the direction of the main lobe by phase shift. The design can be used
to obtain an antenna in microstrip technology by photolithography.
There were several steps to make the antenna. First, the ground plan was drawn, in rectangular
shape, perpendicular to it was drawn the substrate. On one side of the substrate was drawn the radiant
element made up of two p arts mirroring each other, and on the other side the feeding line was drawn.
After that, the substrate is copied and multiplied, and the new element is placed perpendicular to the
ground plane and 90 * to the other substrate. Thus the antenna is obtained, two excitation points are
defined at the base of the feeding lines, the electric conductor property is defined for the ground, the line
and the radiating elements. Finally, there is a need to define the propagation area around the antenna,
that uses air as the medium.
Once it's ready, a few tests will be done. First, the antenna will be checked as a single radiant
element. For this, HFSS has the validation and analysis functions of the model. Several reports can be
generated as a result of the analysis, re levant in this case are rE, Gain, Directivity in dB and 3D
representation. These can be seen in Chapter 3, Figures 21, 22, 23, 24. Next, the antenna mode will be
tested in an array, so the program will load a txt file containing the position of the element s, the supply
voltage and the phase shift. After loading, HFSS performs a new analysis with the defined array. To
exemplify the influence of phase shift on the propagation mode, several reports for both 2D and 3D
directivities are generated for several mat rix configurations, and they can also be seen in Chapter 3,

6
images 25 -30. After all the results we can say that the antenna works as expected and we can continue
with the physical realization and experimentation of the antenna.
Experimentation
In order t o obtain the microstrip antenna, photolithography is used, it involves a FR -4 plate, which
is a composite material made of a glass fiber fabric embedded with epoxy resins to obtain a good heat
and chemical resistance material, but also a good dielectric. A conductive layer, usually copper, is applied
over the FR -4 plate, and over it a gel layer with some chemical properties.
The process begins with an antenna pattern laser print, which is obtained by exporting a .dxf file
from HFSS, which can then be conve rted to a .gbr file using a gerber viewer, this format can be used by
the printer to get the negative of the antenna . The film is placed on the FR -4 plate, which is laminated
with a layer of copper and a layer of gel. By exposure to UV rays, the gel layer that is not covered by the
antenna pattern is burned down. The foil is removed and the plate, now with the gel -protected antenna
pattern, is inserted into a corrosive chemical compound that removes the non -gel-protected copper layer.
This leaves the coppe r layer in the desired shape, from which the gel has to be removed. The process is
repeated for the feed line, or if resources are limited, in this case the line can be attached by tinning.
Finally, a connector is attached to be connected to a transceiver and an SMA connector was used for this
model. The antenna obtained can be seen in Chapter 4, Figures 31, 32, 33.
To make measurements with the antenna made in the previous step, a trasciver will be used, to
which it is connected via the SMA plug. The tran sceiver is further connected to a laptop via USB that
runs an application used to control the device.
Using the integrated spectral analyzer in the device, it is proposed to check the resonance
frequency, indicated by several factors. This will show by vsw r, impedance and smith diagram that the
antenna has the optimum operating range around the 2.4 GHz frequency. The results are found in 4.2
figures 34 -38.
Based on the results, it can be said that the resonance frequency is around 2.4GHz, thus reaching
the goal of the experiment. From the Smith diagram, Figure 37, it can be said that the values of the
fraction for which the result is inside the resistance circle 2 are frequencies with which the antenna can
work. Also from the impedance graph 36, it can be re asoned that the antenna could also work on
frequencies around which the real part suddenly increases, those spikes appear, but should be powered
in voltage. This would require a current -voltage converter that would bring additional costs with it, but
would increase the power needed, thus lowering the efficiency and increasing the temperature. Therefore,
the current is preferred, and for other frequencies other antenna designs are projected.
After experimenting with both the simulation and the physical anten na, several conclusions can
be drawn. First of all, microstrip antennas are an efficient antenna type, in small situations where there
is no desire to operate with a wide range of frequencies. At the same time, they are simply simple and
inexpensive to ach ieve as long as you are equipped with a minimum of equipment such as a UV lamp,
containers with the necessary chemical compounds, a soldering gun and ofcourse a FR -4 plate , laminated
with copper.

7
Secondly, I want to emphasize the difference between simula tion and reality, an antenna will
never be perfect, like a simulation, so there may be differences between the results obtained in simulation
and those obtained with the physical antenna. Especially in the manufacturing process defects can occur
that lead to deviations of the antenna propiets, such as the input resistance, which is intended to be
adapted to the supply line resistance. On the other hand, impurities in the material may result in a change
in the propagation mode. But for all these imperfection s of the real world, man has brought compensatory
methods to minimize as much as possible the deviations from the simulated, perfect model that is taken
as a reference. This way, it can be said that despite the small differences, the antenna works in desir ed
parameters and with sufficient efficiency.

8
2. Planificarea activității
Nr. Numele activit ății Durata Data începerii Data finalizării
1. Documentare 21 zile 29.10.2018 18.11.2018
2. Invățarea programului
HFSS 21 zile 19.11.2018 09.12.2018
3. Realizarea antenei în
HFSS 14 zile 10.12.2018 23.12.2018
4. Realizarea simuari
antenna , matrici de antene 35 zile 11.02.2019 17.03.2019
5. Interpretare rezultate și
aprofundare de noțiuni 14 zile 25.03.2019 07.04.2019
6. Realizarea și măsurarea
antenei 21 zile 06.05.2019 26.05.2019
7. Realizarea părții scrise 33 zile 05.06.2019 05.07.201 9

9
3. Stadiul actual
3.1. Generalități despre rețelele mobile
Domeniul comunica țiilor mobile a fost si este in continuă dezvoltare pentru a satisface nevoile in
continuă creștere. Încă de la prima generație, care acoperea zone mici de dimensiunea unui oraș,
comunicațiile mobile au împlinit un rol important in activitățile zilnice ale oamenilor, astfel s -a dorit o
dezvoltare a domeniului dar in același timp diminuare a costurilor pentru a fi accesibil pentru publicul
larg. Generația a doua a adus un sistem de transmisie -recepție complet digital ceea ce a dus la oportunități
de evoluție foarte facile.
A treia genera ție de comunicații mobile (3G) este un sistem evoluat din a doua generație mobilă
(2G), ca urmare apariției nevoii de trafic si debite mai mari. Au existat generații intermediare cum ar fi
GPRS (2.5G) si EDGE (2.75G), acestea au adus îmbunătățiri rețelei 2G, cum ar fi comutația de pachete,
ceea ce a dus la eficientizarea rețelei și mărirea capacității. Toate acestea au fost mai târziu folosite si
îmbunătățite in tehnologia 3G.
Imagine 1 Evoluția telefoanelor 1G -3G

10

Imagine 2 Reprezentarea conexiunii între antenă si unitatea mobilă
Începând cu anul 1998 s -a demarat o in ițiativă la nivel internațional fiind implicate mai multe
corporații si instituții de cercetare. Inițiativa a purtat numele de 3rd Generation Partnership Projec t
(3GPP). Prima soluție a fost lansată in 1999 si folosea WCDMA ( Wideband Code Division Multiple
Access ), tehnică de modulație bazată pe impraștierea informației pe un spectru de frecvențe mai larg
astfel informația fiind mai puțin susceptibilă la perturbații. Ulterior au fost aduse imbunătățiri acestei
metode de modulație astfel a ajuns sa suporte tehnici de transmisie milti -antene. Însă 3G -ul a fost adus
pe piață abea in jurul anului 2005.
După introducerea pe piață a noii tehnologiei aceasta a luat amploare repede, toți furnizorii de
servicii mobile fiind implicați în extinderea acoperirii. Tehno logia folosită de 3G a fost numită Universal
Mobile Telecommunications System ( UTMS) si combină aspect ale rețelei 2G cu tehnologi noi, precum
WCDMA, mentionatm ai sus, pentru a livra rate de transfer semnificantiv mai mari. Totodată ai fost
luate si măsur i de eficientizare a consumului de putere electrică (W) prin algoritmi matematici optimizați.
Îmbunătațiri au fost aduse si pe partea de Securitate, unde a fost implmentat un algoritm mult mai robust,
pe 128 de biți, numit A5/3, despre care se conmsideră c a nu are puncta slabe, spre deosebire de
predecesorul acestui A5/1 care putea fi decriptat și în timp real cu un echipament dedicate.
3.2. Evoluția comunic ațiilor fără fir
Istoria antenei datează de la James Clerk Maxwell, care a unit teoriile energiei electrice și
magnetismului și a reprezentat elocvent relațiile lor printr -un set de ecuații profunde, cunoscute ca
ecuațiile lui Maxwell. El a arătat, de asemenea, că lumina este electromagnetică și că atât undele de
lumină, cât și cele electromagnetice, călătoresc prin mișcări de undă cu aceeași viteză. În 1886, profesorul
Heinrich Rudolph Hertz a demonstrat primul sistem electromagnetic wireless. El a reușit să producă în
laboratorul său, la o lungime de undă de 4 m, o scânteie în decalajul unui dipol de transmisie λ / 2 care a
fost apoi detectată ca o scânteie în spațiul unei bucăți din apropiere. Până în 1901 Guglielmo Marconi a
reușit să trimită semnale pe distanțe mari. El a interpretat, în 1901, prima transmisie transatlantică de la
Poldhu în Cornwall, Anglia, până la Newfoundland -ul din St. John. Antena sa de emisie a constat în 50
de fire verticale sub forma unui ventilator conectat la masă printr -un emițător de scântei. Firele s -au
sprijinit orizontal printr -un cablu guyed între doi stâlpi de lemn de 60 de me tri. Antena de recepție de la
St. John's a fost un cablu de 200 de metri tras și susținut de un zmeu. Asta a fost începutul erei antenei.

11
De la începutul lui Marconi, prin anii 1940, tehnologia antenei era în primul rând centrat pe
elementele (din sârmă) și frecvențele radiațiilor. Abia în cel de -al doilea război mondial a fost lansată
tehnologia modernă a antenelor și au fost introduse în primul rând elemente noi (cum ar fi deschideri de
ghiduri de undă, coarne, reflectori). Un factor care a contribuit la această nouă eră a fost inventarea
surselor de microunde (cum ar fi klystron și magnetron) cu frecvențe de 1 GHz și mai sus.
În timp ce cel de -al doilea război mondial a lansat o nouă eră în antene, progresele realizate în
arhitectura și tehnologia calcu latoarelor în anii 1960 până în anii 1990 au avut un impact major asupra
progresului tehnologiei moderne a antenei și se așteaptă să aibă o influență și mai mare asupra ingineriei
antenelor în secolul al XXI -lea. Începând, în primul rând, la începutul anil or 1960, au fost introduse
metode numerice care au permis o analiză și o proiectare foarte precisă a configurațiilor de antene
complexe. În plus, s -au introdus metode asimptotice atât pentru frecvențe joase (de exemplu, Moment
Method (MM), Diferență finită , Element finit), cât și pentru frecvențe înalte (de ex. Teoriile geometrice
și fizice ale difracției), contribuind semnificativ la maturitatea domeniului de antene. În timp ce în trecut,
designul antenei a fost considerat o problemă secundară în designul general al sistemului, astăzi joacă un
rol critic. De fapt, multe succese ale sistemului se bazează pe designul și performanța antenei. De
asemenea, în prima jumătate a acestui secol, tehnologia antenei poate fi considerată aproape o operație
"încercare si grșeală", astăzi este cu adevărat o artă de inginerie. Metodele de analiză și de proiectare
sunt de așa natură încât performanța sistemului antenei poate fi prezisă cu o precizie remarcabilă. De
fapt, multe modele de antene se derulează direct de la stadi ul inițial de proiectare la prototip fără teste
intermediare. Nivelul de confidență a crescut foarte mult. [1]
3.3. Tehnici multi -antenă
Tehnicile multi -antenă aduc în rețeaua 3G diversitate la transmisie ceea ce duce la marirea
capacitații downlink. Această soluț ie duce la eliminarea nevoii da a instala pe terminalele mobile mai
multe antene. Totodată este mai ușor de implementat decat o metodă de beam -forming , care ar duce la
aceeași creștere a capacității downlink. Toate aceste avantaje vin cu un cost redus si b inevenit, având in
vedere nevoia în creșterea capacității, necesare pentru a satisfice utilizatorii tot mai numeroși.
Cu mai multe antene la stația de bază si una singură în stația mobile vorbim despre o legatură in
uplink de tip single -input multiple -output (SIMO), creend diversitate la emise, iar in downlink multiple –
input single -output (MISO), creend diversitate la recepție. In situația in care ambele parți au sisteme de
antene multiple, putem vorbi despre o legătură multiple -input multiple -output (MIMO), în care este
posibilă creerea de diversitate atât la transmisie cat si la recepție. Cel mai important avantaj al acestor
sisteme este creșterea ratei de date prin transmiterea mai multor fluxuri simultan folosind diferite canale
spațiale. Cu alte cuvi nte folosim diversitatea la recepție pentru a separa fluxurile unul de celălalt, în timp
ce diversitatea la transmisie este folosită pentru a îmbunătați performanțele. Astfel, într -o singură
propoziție, un canal multi -antenă MIMO crește lățimea de bandă ef ectivă a unui canal wireless. Ceea ce
ne duce cu gândul la faptul că o rată de transfer ridicată necesită o lațime de bandă mare sau putere de
transmisie extrem de ridicată ori o combinație intre cele două opțiuni. Din asta deducem că folosirea unui
sitem multi -antenă este o eschivă eficientă a acestor probleme, dar vine la costul unei complexitați
ridicate care presupune o prelucrare dificilă a semnalului, cee ace ridică costul implementării. Însă aceste
costuri sunt acceptate deoarece, cum spune si legea lui Moore, tehnicile multi -antenă permit servicii de

12
rată ridicată a datelor pentru cei care nu au abundență de lățime de bandă. Iar in situații in care rata
ridicata de transfer nu este necesară, diversitatea asigura capacitate sau acoperire mai mare.
Cu toate c ă tehnici MIMO au început a fi dezvoltate in urmă cu mai mulți ani, ultimile cercetări
au arătat că în anumite condiții capacitatea crește liniar cu min(Nt,Nr), unde Nt este numărul de antene
de transmisie desfășurate și Nr este numărul de antene d e recepție . Teoreticieni si ingineri din
departamentul de comunicare au dezvoltat concepte de modulare si codare care îmbunătățesc câștigul.
Astfel in 3G metodele multi -antenă au fost considerate cea mai promițătoare cale de creștere a capacitații
si efici enței spectrale in sistemele fără fir. Aceste concepte noi au permis tehnologiei 3G de a creste
debitele de date la peste 10Mbps folosind WCDMA 3.84 MHz rata de transfer ocupând o lățime de bandă
de 5MHz. Prin urmare conceptele MIMO au intrat in standardul 3G.[2]

13
4. Fundamentare teoretică
4.1. Introducere
O antenă este definită de Dicționarul lui Webster drept "un dispozitiv de obicei metalic
(ca tijă sau fir) pentru transmisia sau recepționarea undelor radio". Definiția în standardel e pentru anten e
IEEE definește antena ca "Un mijloc de radiere sau recepție a undelor radio". Cu alte cuvinte, antena este
structura tranzitorie între spațiul liber și un dispozitiv de ghidare, așa cum se arată în imaginea 6.
Dispozitivul de ghidare sau linia de transmi sie poate lua forma unei linii coaxiale sau a unei conducte
tubulare (ghid de undă) și se utilizează pentru a transporta energia electromagnetică de la sursa de emisie
la antena sau de la antena la receptor. În primul caz, avem o antenă de transmisie, iar în cel de -al doilea
o antenă de recepție.

Imagine 3 Antenă ca dispozitiv de emisie

Undele reflectate de pe interfață creează, împreună cu undele de călătorie de la sursă spre antena,
modele de interferențe constructive și distructive, denumite unde st aționare, în interiorul liniei de
transmisie, care reprezintă buzunare de concentrații și stocare a energiei, tipice pentru dispozitivele

14
rezonante. Un model tipic de undă stașionară este arătat întrerupt în imaginea 4. Dacă sistemul de antenă
nu este proi ectat corespunzător, linia de transmisie ar putea acționa într -o mare măsură ca element de
stocare a energiei în locul unui dispozitiv de ghidare a undelor și de transport al energiei. Dacă
intensitățile maxime ale undelor stașionare sunt suficient de mari , ele pot provoca arcuirea în interiorul
liniilor de transmisie.

Imagine 4 Echivalentul Thevenin al unei linii de transmisie

Pierderile datorate liniei, antenei și undelor în picioare sunt nedorite. Pierderile datorate liniei pot
fi reduse la minimum p rin folosirea liniilor cu pierderi reduse, în timp ce cele ale antenei pot fi reduse
prin reducerea rezistenței la pierderi reprezentate de RL în imaginea 4 . Undele staționare pot fi reduse,
iar capacitatea de stocare a energiei a liniei este minimizată, p rin potrivirea impedanței antenei (sarcina)
cu impedanța caracteristică a liniei. Acest lucru este identic cu potrivirea sarcinilor cu liniile de
transmisie, unde sarcina este antena. Un echivalent similar celui din imaginea 4 este utilizat pentru a
reprez enta sistemul de antenă în modul de recepție unde sursa este înlocuită de un receptor. Toate
celelalte părți ale echivalentului liniei de transmisie rămân aceleași. Rezistența la radiație Rr este utilizată
pentru a reprezenta în modul de primire transferul energiei din undă liberă spre antenna.
În plus , pe langă rolul de recepți e sau transmi sie a energiei, o antenă dintr -un sistem fără fir
avansat este de obicei folosită și pentru optimizarea sau accentuarea energiei radiațiilor în unele direcții
și suprim area ei în alte le. Astfel, antena trebuie să servească, de asemenea, ca dispozitiv de direcționare
pe lângă rolul de dispozitiv de sondare. Apoi trebuie să ia diferite forme pentru a satisface nevoi
particular e, astfel ar putea fi o bucată de fir conductor , o deschidere, un patch, un ansamblu de elemente
(matrice), un reflector, o lentilă și așa mai departe.
Pentru sistemele de comunicații fără fir, antena este una dintre cele mai importante componente.
Un design bun al antenei poate relaxa cerințele siste mului și poate îmbunătăți performanța generală a
sistemului. Un exemplu tipic este televiz iunea pentru care recepția generală a difuzării poate fi
îmbunătățită prin utilizarea unei antene de înaltă performanță. Antena servește unui sistem de comunicare
în același scop în care ochii și ochelarii servesc unui om.

15
Domeniul antenelor este viguros și dinamic, iar în ultimii 60 de ani tehnologia antenei a fost un
partener indispensabil al revoluției comunicațiilor. Multe progrese majore care au avut loc în aceas tă
perioadă sunt în uz curent astăzi; cu toate acestea, astăzi încă ne confruntăm cu multe alte probleme și
provocări, mai ales că cerințele pentru performanțele sistemului sunt chiar mai mari.

4.2. Tipuri de antene
4.2.1. Antene de sârmă
Antenele de sârmă sunt fam iliare deoarece sunt văzute aproape peste tot – pe automobile, clădiri,
nave, avioane, nave spațiale și așa mai departe. Există diferite forme de antene de sârmă, cum ar fi o
sârmă dreaptă (dipol), buclă și helix, care sunt prezentate în imaginea 5. Antene le cu buclă nu trebuie să
fie doar circulare. Ele pot lua forma unui dreptunghi, pătrat, elipsă sau a oricărei alte configurări. Bucla
circulară este cea mai obișnuită datorită simplității sale în construcții.

Imagine 5 Diferite tipuri de antene de sârm ă

16
4.2.2. Antene cu apertură
Antenele de tip apertură ar putea fi mai cunoscute astăzi publicului larg decât în trecut din cauza
cererii tot mai mari de forme sofisticate de antene și de utilizare a frecvențelor mai mari. Unele forme de
antene cu deschidere sunt prezentate în imaginea 6. Antenele de acest tip sunt foarte utile pentru
aplicațiile aeronavelor și a navelor spațiale, deoarece acestea pot fi foarte convenabil instalate pe pielea
aeronavei sau navei spațiale. În plus, acestea pot fi acoperite cu un mat erial dielectric pentru a se proteja
de condițiile periculoase ale mediului.
4.2.3. Antene microstrip
Antenele microstrip au devenit foarte populare în anii 1970, în primul rând pentru aplicațiile
spațiale. Astăzi sunt folosite pentru aplicații guvernamentale și comerciale. Aceste antene constau dintr –
un plasture metalic pe un substrat împământat. Plăcuța metalică poate lua multe configurații diferite . Cu
toate acestea, patch -urile rectangulare și circulare, prezentate în imaginea 7, sunt cele mai populare din
cauza ușurinței de analiză și fabricare și a caracteristicilor lor atractive de radiație, în special a radiației
polarizării încrucișate. Antenele microstrip se adaptează la suprafețe plane și nonplanare, fiind simplu și
ieftin de fabricat folosind tehnologi a circuitelor tipărite moderne, robuste mecanic atunci când sunt
montate pe suprafețe rigide, compatibile cu modelele MMIC și foarte versatile în ceea ce privește
frecvența rezonantă, polarizarea, modelul , și impedanță. Aceste antene pot fi montate pe sup rafața
aeronavelor de înaltă performanță, nave spațiale, sateliți, rachete, mașini și chiar telefoane mobile
portabile .

Imagine 6 Diferite tipuri de antene cu apertură

17
4.2.4. Matrici de antene
Multe aplicații necesită caracteristici de radiație care nu pot f i realizate de un singur element. Cu toate
acestea, este posibil ca un ansamblu de elemente radiante într -un aranjament electric și geometric (o
matrice) să aibă ca rezultat caracteristicile de radiație dorite. Aranjarea matricei poate fi astfel încât
radiația din elemente se adaugă pentru a da maximum de radiație într -o anumită direcție sau direcții,
minimă în altele sau altfel după cum se dorește. Exemple tipice de matrice sunt prezentate în imaginea
8. De obicei, matricea termenului este rezervată pentru un aranjament în care elementele radiante
individuale sunt separate, așa cum se arată în imaginea 8 (a-c). Cu toate acestea, același termen este de
asemenea utilizat pentru a descrie un ansamblu de elemente radiante montate pe o structură continuă,
prezen tată în imaginea 11 (d).
4.2.5. Antene reflectoare
Succesul explorării spațiului cosmic a dus la avansarea teoriei antenelor. Datorită necesității de a
comunica pe distanțe mari, formele sofisticate de antene trebuiau folosite pentru a transmite și a primi
semnal e care trebuiau să călătorească milioane de mile. O formă foarte comună a antenei pentru o astfel
de aplicație este un reflector parabolic. Antenele de acest tip au fost construite cu diametre de până la
305 m. Astfel de dimensiuni mari sunt necesare pentr u a obține câștigul mare necesar pentru a transmite
sau primi semnale după milioane de kilometri de deplasare.

Imagine 7 Două tipuri de antene microstrip

18
4.2.6. Antene cu lentil e
Lentilele sunt folosite în principal pentru a collima energia divergentă pentru a preveni
răspândirea în direcții nedorite. Prin modelarea corectă a configurării geometrice și alegerea materialului
adecvat al lentilelor, ele pot transforma diverse forme de energie divergente în valuri plane. Acestea pot
fi utilizate în majoritatea ace lorași aplicații ca și în cazul reflexoarelor parabolice, în special la frecvențe
mai mari. Dimensiunile și greutatea lor devin extrem de mari la frecvențe mai joase. Antenele de lentile
sunt clasificate în funcție de materialul din care sunt construite, s au în funcție de forma lor geometrică.

Imagine 8 Difeire tipuri de matrici de antene
4.3. Forma radiației
Un model de radiații a unei antene este definit ca "o funcție matematică sau o reprezentare grafică a
proprietăților radiației antenei în funcție de coo rdonatele spațiului. În majoritatea cazurilor, modelul de
radiație este determinat în regiunea de la distanță și este reprezentat ca o funcție a coordonatelor
direcționale. Proprietățile de radiație includ densitatea fluxului de putere, intensitatea radiaț iei,
intensitatea fasciculului, directivitatea, faza sau polarizarea.", conform IEEE. Cea mai îngrijorătoare
proprietatea de radiație este distribuția spațială dublă sau tridimensională a energiei radiate, ca funcție a
poziției observatorului de -a lungul u nei căi sau a unei suprafețe de rază constantă. Un set convenabil de

19
coordonate este prezentat în imaginea 9. O urmă a domeniului electric (magnetic) recepționat la o rază
constantă se numește modelul de amplitudine al câmpului. Pe de altă parte, un grafic al variației spațiale
a densității de putere de -a lungul unei raze constante se numește un model de amplitudine a puterii.
Deseori, modelele de câmp și de putere sunt normalizate în raport cu valoarea maximă a acestora,
generând modele normale de câmp ș i de putere. De asemenea, modelul de putere este reprezentat, de
obicei, pe o scară logaritmică sau mai pe înțeles în decibeli (dB). Această scală este de obicei de droit
deoarece o scală logaritmică poate accentua în detaliu acele părți ale modelului care au valori foarte
scăzute. Pentru o antenna
• modelul de câmp (în scară liniară) reprezintă de obicei un grafic al mărimii domeniului electric
sau magnetic ca o funcție a spațiului unghiular.
• modelul de energie (în scară liniară) reprezintă în mod obișnuit u n grafic al pătratului cu
magnitudinea domeniului electric sau magnetic ca funcție a spațiului unghiular.
• modelul de putere (în dB) reprezintă magnitudinea domeniului electric sau magnetic, în decibeli,
funcție de spațiul unghiular.
4.3.1. Lobi de radiație
Difer itele părți ale unui model de radiație sunt denumite lobi, care pot fi subclasificați în lobi
principali, minori, laterale și spate. Un lob de radiație este o porțiune a modelului de radiație delimitat de
regiuni cu intensitate relativ slabă a radiației. I maginea 9 demonstrează un model polar tridimensional
simetric cu un număr de lobi de radiație. Unele au o intensitate mai mare de radiații decât altele, dar toate
sunt clasificate ca lobi.
Un lob principal (numit și fascicul principal) este definit ca "l obul radiației care conține direcția
radiației maxime". În imaginea 9, lobul major este îndreptat în direcția θ = 0. La unele antene, cum ar fi
antenele de tip split -beam, pot exista mai mult de un lob major. Un lob mic este orice lob, cu excepția
lobului mare. În imaginea 9, toți lobii, cu excepția lobului major, pot fi clasificați ca lobi minori. Un lob
lateral este un lob de radiații în orice altă direcție decât lobul principal. (În mod obișnuit, un lob lateral
este adiacent lobului principal și ocupă e misfera în direcția fasciculului principal.) Un lob de spate este
un lob de radiații a cărui axă face un unghi de aproximativ 180 ° față de fasciculul unei antene. De obicei
se referă la un lob mic care ocupă emisfera într -o direcție opusă celei a lobului principal.
Lobii minori reprezintă, de obicei, radiații în direcții nedorite și ar trebui să fie reduse la
minimum. Lobii laterali sunt, în mod normal, cei mai mari dintre lobii minori. Nivelul lobilor minori este
de obicei exprimat ca un raport al densit ății de putere din lobul în cauză cu cel al lobului major. Acest
raport este adesea denumit raportul lobului lateral sau nivelul lobului lateral. Nivelurile lobilor laterali
de -20 dB sau mai mici, de obicei, nu sunt de dorit în majoritatea aplicațiilor. O bținerea unui nivel al
lobului lateral mai mic de -30 dB necesită, de obicei, o proiectare și o construcție foarte atentă. În
majoritatea sistemelor radar, rapoartele lobilor laterale joase sunt foarte importante pentru a minimiza
indicațiile false ale une i ținte prin lobii laterali.

20

Imagine 9 Reprezentarea radiației in sitemul axial

4.4. Antene microstrip
În cazul aeronavelor de înaltă performanță, al navelor spațiale, al aplicațiilor prin satelit și al
rachetelor, în cazul în care dimensiunile, greutatea, costul, performanța, ușurința de instalare și profilul
aerodinamic sunt constrângeri, pot fi necesare antene cu un nivel redus de profil. În prezent există multe
alte aplicații guvernamentale și comerciale, cum ar fi radioul mobil și comunicațiile fără fi r, care au
specificații similare. Pentru a îndeplini aceste cerințe, pot fi utilizate antene microstrip. Aceste antene
sunt profilate scăzut, compatibile cu suprafețele plan e și nonplan e, simple și necostisitoare de fabricat
folosind tehnologia circuitelor tipărite moderne, robuste mecanic atunci când sunt montate pe suprafețe
rigide, compatibile cu desenele MMIC și atunci când sunt selectate forma și modul de patch -uri sunt
foarte versatile în ceea ce privește frecvența rezonantă, polarizarea, modelul și i mpedanța. În plus, prin
adăugarea de sarcini între plasture și planul de masă, cum ar fi pinii și diodele varactor, pot fi proiectate
elemente adaptive cu frecvență variabilă rezonantă, impedanță, polarizare și model
Dezavantajele operaționale majore ale antenelor microstrip sunt eficiența lor scăzută, puterea
scăzută, frecvența ridicată Q (uneori mai mare de 100), puritatea polarizării slabe, performanța scăzută a
scanării, radiația fuzibilă de alimentare și lărgimea de bandă foarte îngustă, care este de obicei doar o
fracțiune de procent sau cel mult câteva procente. În unele aplicații, cum ar fi sistemele de securitate

21
guvernamentale, sunt de dorit lățimi de bandă înguste. Cu toate acestea, există metode, cum ar fi creșterea
înălțimii substratului, care poate fi utilizată pentru a extinde eficiența (până la 90% dacă nu sunt incluse
undel e de suprafață) și lățimea de bandă (până la aproximativ 35%). Cu toate acestea, pe măsură ce crește
înălțimea, se introduc unde de suprafață care, de obicei, nu sunt de dorit deoarece extrag energie din
totalul disponibil pentru radiații directe (unde spa țiale). Undele de suprafață se deplasează în interiorul
substratului și sunt împrăștiate în curbe și discontinuități de suprafață, cum ar fi trunchierea planului
dielectric și al masei și degradarea caracteristicilor antenei și a polarizării.
4.4.1. Caracteristic i de bază
Antenele microstrip au primit o atenție considerabilă începând cu anii 1970, deși ideea unei
antene microstrip poate fi urmărită până în 1953 și un brevet în 1955. Antenele microstrip, așa cum se
arată în imaginea 1 0, constau dintr -o bandă foart e subțire (patch) amplasat la o mică fracțiune de lungime
de undă deasupra unui plan de masă. Panglica cu microstrip este proiectată astfel încât maximul radiației
să fie pe normala plasturelui. Acest lucru se realizează prin alegerea corectă a modului de excitației de
sub plasture. Pentru un plasture dreptunghiular, lungimea L a elementului este de obicei 𝜆0/ 3 <L <𝜆0/2
(unde 𝜆0 este lungimea de undă in spațiu liber). Fâșia (planșa) și planul de masă sunt separate printr -o
foaie dielectrică ( denumită substrat), așa cum se arată în imaginea 1 0.

Imagine 10 Antenă microstrip rectangulară
Deseori, antenele microstrip sunt denumite și antene patch -uri. Elementele radiante și liniile de
alimentare sunt, de obicei, decupate pe substratul dielectric. Plasturele radiant poate fi patrat,
drept unghiular, bandă subțire (dipol), circulară, eliptică, triunghiulară sau orice altă configurație. Pătrat,
dreptunghiular, dipol (bandă) și circulară sunt cele mai frecvente datorită ușurinței de analiză și fabricare
și a caracteristicilor lor atractive de radiație, în special a radiației cu polarizare încrucișată. Dipolurile
microstrip sunt atractive deoarece posedă în mod inerent o lățime de bandă mare și ocupă mai puțin
spațiu, ceea ce le face atractive pentru matrici de antene . Polarizările liniar și cir cular pot fi realizate fie

22
cu elemente individuale, fie cu matrice de antene microstrip. Matrici cu elemente microstrip, cu feed -uri
unice sau multiple, pot fi, de asemenea, folosite pentru a introduce capabilități de scanare și a obține
directivități mai mari.

4.4.2. Metode de alimentare
Există multe configurații care pot fi folosite pentru a alimenta antene microstrip. Cele patru cele
mai populare sunt linia microstrip, sonda coaxială, cuplarea diafragmei și cuplarea de proximitate. Linia
de alimentare microstrip este, de asemenea, o bandă conductoare, de obicei cu o lățime mult mai mică
comparativ cu plasturele. Linia de alimentare mictostrip este ușor de fabricat, simplu de a se potrivi prin
controlul poziției de in serție și destul de simplu de modelat. Cu toate acestea, pe măsură ce crește
grosimea substratului, undele de suprafață și radiațiile de alimentare false cresc, ceea ce pentru modelele
practice limitează lățimea de bandă.
Alimentare coaxială, în cazul în c are conductorul intern coaxial este atașat la patch -ul de radiații
în timp ce conductorul exterior este conectat la planul de masă, sunt, de asemenea, utilizate pe scară
largă. De asemenea, alimentarea sondei coaxiale este ușor de fabricat și de potrivit. Cu toate acestea, are
de asemenea o lățime de bandă îngustă și este mai dificil de modelat, în special pentru substraturi groase
(h> 0.02λ0).

Imagine 11 Alimentarea unei antene microstrip

Atât linia de alimentare cu microstrip, cât și sonda posedă asim etriile inerente care generează mai
multe metode de producție care produc o radiație polarizată. Pentru a depăși unele dintre aceste probleme,
s-au introdus alimentări fără cuplare cu aperturi. Cu toate acestea, este oarecum mai ușor de modelat și
are radi ații moderate fals. Cuplajul de deschidere este alcătuit din două substraturi separate printr -un plan
de împământare. În afară de partea inferioară a substratului este o linie de alimentare microstrip a cărei
energie este cuplată cu plasturele printr -o fan tă pe planul de masă care separă cele două substraturi. Acest
aranjament permite optimizarea independentă a mecanismului de alimentare și a elementului radiant. De

23
obicei, pentru substratul inferior este utilizat un material dielectric înalt și un material constant dielectric
cu densitate scăzută pentru substratul superior. Planul de masă între substraturi izolează alimentarea de
la elementul radiant și minimizează interferența radiației false pentru formarea modelului și puritatea
polarizării. Pentru acest design, parametrii de substrat electric, lățimea liniei de alimentare, dimensiunea
și poziția sloturilor pot fi utilizați pentru optimizarea designului. În mod obișnuit, potrivirea se realizează
prin controlul lățimii liniei de alimentare și a lungimii sl otului.
4.4.3. Matrici de antene microstrip
Antenele microstrip sunt utilizate nu numai ca elemente unice, dar sunt foarte populare și într -o
matrice. Matricile sunt foarte versatile și sunt utilizate, printre altele, pentru a sintetiza un model cerut
care nu p oate fi realizat cu un singur element. În plus, ele sunt folosite pentru a scana fasciculul unui
sistem de antenă, pentru a crește directivitatea și pentru a efectua diverse alte funcții care ar fi dificil de
realizat cu un singur element. Elementele pot f i alimentate într -o singură linie, așa cum se arată în
imaginea 1 2 a), sau prin mai multe linii într -un aranjament de rețea de alimentare, după cum se arată în
imaginea 12 b) . Prima este menționată ca o rețea de alimentare în serie, iar cea de -a doua este menționată
ca o rețea de alimentare paralelă .
Rețeaua de alimentare paralelă este utilizată pentru a furniza divizări de putere de 2n (adică, n =
2, 4, 8, 16, 32 etc.). Acest lucru este realizat prin utilizarea fie a liniilor conice, pentru a potrivi elem entele
patch -urilor de 100 -ohm la o intrare de 50 -ohm sau folosind transformatoare impedanta
quarterwavelength.
Matricile în serie pot fi fabricate convenabil utilizând fotolitografia atât pentru elementele
radiante, cât și pentru rețeaua de alimentare. C u toate acestea, această tehnică este limitată la rețelele cu
fascicul fix sau cele care sunt scanate prin variația frecvenței, dar pot fi aplicate la rețelele liniare și plane
cu polarizare unică sau dublă. De asemenea, orice modificare a unuia dintre ele mentele sau a liniilor de
alimentare afectează performanța celorlalte. Prin urmare, într -un design este important să puteți lua în
considerare acestea dar și alte efecte, cum ar fi cuplarea reciprocă și reflexiile interne .
Alementările paralele sunt mai generale și versatile. Prin această metodă, designerul are mai mult
control asupra alimentării fiecărui element (amplitudine și fază) și este ideal pentru scanarea unor tablouri
în fază, a unor matrici multi -fașcicol sau a unor matrici cu facicol profilat .

Imagine 12 Tipuri de alimentări ale matricilor microstrip

24
5. Implementarea soluției adoptate
5.1. Despre HFSS
HFSS este un instrument de rezolvare a elementelor finite pentru structuri electromagnetice de la
Ansys. Acronimul însemnă high-frequency struct ure simulator (simulator de structur i de înaltă
frecvență ). HFSS este unul dintre mai multe instrumente comerciale utilizate pentru proiectarea antenelor
și proiectarea elementelor complexe de circuite electronice cu frecvență radio, inclusiv filtre, linii de
transmisie și ambalaje. Acesta a fost inițial dezvoltat de profesorul Zoltan Cendes și studenții săi de la
Universitatea Carnegie Mellon. Profesorul Cendes și fratele său, Nicholas Cendes, au fondat Ansoft și
au vândut aplicația HFSS în cadrul unei rel ații de marketing din 1989 cu Hewlett -Packard și au format
grupul de produse Ansoft. În 1997, Hewlett -Packard a achiziționat Optimization Systems Associates Inc.
(OSA), o companie fondată în 1983 de către John Bandler. Achiziția companiei HP a fost determi nată
de necesitatea HP de optimizare a capacității HFSS. După diferite relații de afaceri în perioada 1996 –
2006, HP (care a devenit divizia Agilent EEsof EDA) și Ansoft au mers pe căi separate: Agilent cu FEM
Element critic FEM Element și Ansoft cu produs ele lor HFSS, respectiv. Ansoft a fost ulterior
achiziționat de Ansys.

Imagine 13 Logoul HFSS
HFSS a fost folosit in cadrul lucrării de față pentru a creea designul antenei alese si pentru
realizarea unor simulări c u aceasta. Printre simulări se numără caracteristica de radiație, atât 2D cat si
3D precum și simulări a unei matrici de antene, cu diferite configurații pentru defazajul dintre elemnte,
pentru a observa caracteristica de directivitate in diferitele situații.

25
5.2. Implementarea soluției
Primul pas a fost desenarea antenei în spațiul tridimensional pe care aplicația îl pune la dispoziție.
Astfel am început cu stabilirea planului de masă

Imagine 14 Planul de masa
Apoi a urmat desenarea antenei, începând cu o latură si multiplicarea acesteia in ogl indă.
Elementul a fost realizat unind două obicte, un dreptungli si un polinom desenat cu ajutorul tool -ului de
desenare a liniilor.

Imagine 15 Element al antenei

26
Urmatorul pas a fost adaugarea liniei de alimentare pentru elementul creeat anterior. Int re
elementul de radiație si linia de alimentare a fost plasat un substrat, definit din materialul FR4_eproxy.

Imagine 16 Linia de alimentare a antenei
Pasul urmator presupune multiplicarea substratului împreuna cu antena si linia de alimentare si
rotire a obictului obținut cu 90* față de obiectul după care a fost copiat. Astfel se obține elemetul final de
mai jos.

Imagine 17 Antena in formă finală

27
Totuți pentru a putea simula această construcție este nevoie pentru încă niște pași suplimentari.
Mai înta i trebui se definim toate elementele ca fiind conductori electrici. Acestea se face cu obțiunea
assign boundary si selectarea elementului numic Perfect E, care face ca obictul selectat sa fie interpretat
ca un coductor de curent perfect.

a)

b)

28

c)
Astfel s -a definit elementul radiant a), linia de alimentare b) si planul de masa c) ca elemente
conductoare de curent. După aceasta este nevoie de plasearea unor puncte de excita ție la baza liniilor de
alimentare , care au rolul de simuare a introducerii semnalului in elementul radiant.

Imagine 18 Punctele de introducere a excitației

29
Pasul final pentru a putea realiza simulări cu modelul realizat in pasii anteriori este definire a unui
mediu de propagare. Pentru aceasta am ales aer, acesta fiind mediul uzual în care antenele de genul acesta
funcționează.

Imagine 19 Modelul final
Astfel antena este gata si pregatită pentru simulări. Este de menționat că dimensiunile au fost
luate după o antenă reală, pe care am masutaro pentru a avea datele pe care le -am introdus în decursul
proiectării.
5.3. Testarea antenei
HFSS oferă si posibilitatea realizării unor simulări de diferite tipuri. Prin urmare în cele care
urmează se vor arăta metode le si rezultatele unor simulări, pentru a stabili că antena proiectată lucrează
în modul dorit. Pașii inițiali constau în validarea si analizarea obiectelor prin intermediul unor tool -uri
puse la dispoziție de aplicație.
\
Imagine 20 Rezoltatul validării

30

Imagine 21 rE Total

Imagine 22 Gain

31

Imagine 23 Directivitate reprezentat ă in dB

Imagine 24 Directivitatea reprezentata 3D in dB

32
Din rezultatele anterioare si poate poate observa ca antena emite un lob principal pe direcția
verticală a antenei și un lob în spate. Astfel luând în considerare aspectele teoretice de directivitate
prezentate în capitolul 2.3.1 putem afirma ca antena funcționează conform așteptărilor.
În continuare se vor simula mai multe congfigurații de matrici de antene cu diferitele moduri de
propagare și diferitele scopuri pe care la împlinesc. Aceasta se va realiza tot prin intermediul HFSS,
programul punând la dispoziție o metodă prin care se încarcă un fisier de tip .txt, care conține
coordonatele poziției antenei și defazajul af erent fic ărei antene. Controlând defazajul dintre elemente se
poate direcționa lobul principal. În fi șierele txt se pune pe prima linie numarul de antene, apoi se
precizeaz ă poziția elementului, de tipul [x,y,z], apoi tensiunea de alimentare și la sfarșit defazajul. În
exemplul urmator se simul ează o matrice cu 3 coloane si 10 randuri, astfel cu defazaj intre coloane se
potate controla modul de propagare pe vertical.

30
0 0 0 64.00mV 0deg
13.2cm 0 0 64.00mv 0deg
26.4cm 0 0 64.00mv 0deg
39.6cm 0 0 64.00mv 0deg
52.8cm 0 0 64.00mv 0deg
66cm 0 0 64.00mv 0deg
79.2cm 0 0 64.00mv 0deg
92.4cm 0 0 64.00mv 0deg
105.6cm 0 0 64.00mv 0deg
118.8cm 0 0 64.00mv 0deg
!–––––––––––––––––
-6.6cm 9cm 0 64.00mV 45deg
6.6cm 9cm 0 64.00mv 45deg
19.8cm 9cm 0 64.00mv 45deg
33cm 9cm 0 64.00mv 45deg
46.2cm 9cm 0 64.00mv 45deg
59.4cm 9cm 0 64.00mv 45deg
72.6cm 9cm 0 64.00mv 45deg 85.8cm 9cm 0 64.00mv 45deg
99cm 9cm 0 64.00mv 45deg
112.2cm 9cm 0 64.00mv 45deg
!–––––––––––––– ––––
0 18cm 0 64.00mV 90deg
13.2cm 18cm 0 64.00mv 90deg
26.4cm 18cm 0 64.00mv 90deg
39.6cm 18cm 0 64.00mv 90deg
52.8cm 18cm 0 64.00mv 90deg
66cm 18cm 0 64.00mv 90deg
79.2cm 18cm 0 64.00mv 90deg
92.4cm 18cm 0 64.00mv 90deg
105.6cm 18cm 0 64.00mv 90d eg
118.8cm 0 0 64.00mv 90deg

33

Imagine 25 Modul de propagare in situația de defazaj 45* intre coloane

Imagine 26 Modul de propagare in situația de defazaj 90* intre coloane

34

Imagine 27 Modul de propagare in situația de defazaj 90* intre coloane reprezentat 3D

Imagine 28 Modul de propagare in situația de defazaj 90* intre linii reprezentat 3D

35
Din imaginile de mai sus 2 5, 26, 27 se poate observa cum defazajul dintre elemente poate produce
schimbări majore asupra modului de propagare, fără a modi fica dispunerea matriciei, astfel dacă antenele
sunt aranjate pe coloane, ele pot schimba, prin defazaj, propagarea pe vertical. În situația din imaginea
28 antenele din matricie sunt aranjate pe linii, iar defazajul intre ele este de 90*, astfel controlân du-se
modul de propagare pe orizontală. Definirea matriciei se poate vedea mai jos:
30
0 0 0 64.00mV 0deg
0 13.2cm 0 64.00mv 0deg
0 26.4cm 0 64.00mv 0deg
0 39.6cm 0 64.00mv 0deg
0 52.8cm 0 64.00mv 0deg
0 66cm 0 64.00mv 0deg
0 79.2cm 0 64.00mv 0deg
0 92.4 cm 0 64.00mv 0deg
0 105.6cm 0 64.00mv 0deg
0 118.8cm 0 64.00mv 0deg
!––––––––––––––––
9cm -6.6cm 0 64.00mV 90deg
9cm 6.6cm 0 64.00mv 90deg
9cm 19.8cm 0 64.00mv 90deg
9cm 33cm 0 64.00mv 90deg
9cm 46.2cm 0 64.00mv 90deg 9cm 59. 4cm 0 64.00mv 90deg
9cm 72.6cm 0 64.00mv 90deg
9cm 85.8cm 0 64.00mv 90deg
9cm 99cm 0 64.00mv 90deg
9cm 112.2cm 0 64.00mv 90deg
!––––––––––––––––
18cm 0 0 64.00mV 180deg
18cm 13.2cm 0 64.00mv 180deg
18cm 26.4cm 0 64.00mv 180de g
18cm 39.6cm 0 64.00mv 180deg
18cm 52.8cm 0 64.00mv 180deg
18cm 66cm 0 64.00mv 180deg
18cm 79.2cm 0 64.00mv 180deg
18cm 92.4cm 0 64.00mv 180deg
18cm 105.6cm 0 64.00mv 180deg
18cm 118.8cm 0 64.00mv 180deg

Pentru ultimul experiment se va realiza o matri cie patratică și se va încerca să se direcționeze
lobii atât pe verticală cat si pe orizontală. Astfel am definit mai jos noua matrice :
25
0 0 0 64.00mV 0deg
13.2cm 0 0 64.00mv 45deg
26.4cm 0 0 64.00mv 90deg
39.6cm 0 0 64.00mv 125deg 52.8cm 0 0 64.00mv 17 0deg
!–––––––––––––––––
0 13.2cm 0 64.00mV 45deg
13.2cm 13.2cm 0 64.00mv 90deg
26.4cm 13.2cm 0 64.00mv 125deg

36
39.6cm 13.2cm 0 64.00mv 170deg
52.8cm 13.2cm 0 64.00mv 215deg
!––––––––––––––––– –
0 26.4cm 0 64.00mV 90deg
13.2cm 26.4cm 0 64.00mv 125deg
26.4cm 26.4cm 0 64.00mv 170deg
39.6cm 26.4cm 0 64.00mv 215deg
52.8cm 26.4cm 0 64.00mv 260deg
!––––––––––––––––-
0 39.6cm 0 64.00mV 125deg 13.2cm 39.6cm 0 64.00mv 170d eg
26.4cm 39.6cm 0 64.00mv 215deg
39.6cm 39.6cm 0 64.00mv 260deg
52.8cm 39.6cm 0 64.00mv 305deg
!––––––––––––––––
0 52.8cm 0 64.00mV 0deg
13.2cm 52.8cm 0 64.00mv 25deg
26.4cm 52.8cm 0 64.00mv 50deg
39.6cm 52.8cm 0 64.00mv 75d eg
52.8cm 52.8cm 0 64.00mv 100deg

Imagine 29 Reprezentarea 2D a modului de propagare pentru matricea pătratică, în dB

37

Imagine 30 Reprezentarea 3D a modului de propagare pentru matricea patratică, în dB

Astfel din rezultatele prezente în imagin ile 29 și 30 se poate observa că o matrice de antene
patratică, alimententată cu un defazaj potrivit, poate produce o caracteristică de radiații cu lobii principali
atât pe verticală c ât și pe orizontală. Bine înteles, cu o matrice mai mare și proiectată specia l pentru un
anume scop si alimetată cu un defazaj bine stabilit, poate produce o caracteristică mult mai precisă, mai
bine direcționată si cu lobi minori foarte reduși, obținându -se o eficiență ridicată. Însă strict în scop
didactic, exemplele de mai sus s unt suficient de reprezentative.

38
6. Rezultate experimentale
6.1. Realizarea antenei
Pentru studiul experimental am propus realizarea unui element de antenă și m ăsurarea diferiților
parametrii, pentru a vedea cât de fidel se poate reproduce modelul simulat în capi tolul anterior. Pentru
obținerea antenei de tip microstrip se folosește procedeul de fotolitografi ere, acesta presupune o placă de
FR-4, care este un material compozit, format din o țes ătură de fibră de sticlă inchegată cu rașini
epoxidice, obținându -se un material cu rezistență termică si chimică bună, dar și un bun dielecric. Peste
placa de FR -4 se aplică un strat conductor, uzual cupru, iar peste acesta se pune un strat de gel cu anumite
propietăți chimice.
Procesul începe cu imprimarea pe folie laser a modelului antenei, acesta se obține prin exportarea
din HFSS a unui fi șier .dxf, care apoi poate fi convertit în fișier .gbr, folosind gerber viewer , acest format
poate fi folosit de imprimantă pentru a obține negativul antenei. Folia se a șează pe plăcuț a de FR -4, care
este laminată cu un strat de cupru și cu un strat de gel. Prin expunere la raze UV, se arde stratul de gel
care nu este acoperit de modelul antenei. Se ia jos folia, iar pl ăcuța, acum cu modelul antenei protejat de
gel, este introdusă într-un compus chimic coroziv, care înlătură stratul de cupru care nu este protejat de
gel. Astfel r ămâne stratul de cupru sub forma dorită, de pe care mai trebui înlăturat gelul. Procesul se
repetă pentru linia de alimentare, sau daca resursele sunt limitate, în cazul de față linia poate fi atașată
prin cositorire. În final se atașează un conector, pentru a putea fi conectată la un transciver, pentru
modelul de față s -a folosit un conector SMA.

Imagine 31 Elementul radiant al antenei

39

Imagine 32 Linia de a limentare a antenei

Imagine 33 Conectorul de alimentare SMA

40
6.2. Realizarea m ăsurătorilor
Pentru realizarea unor măsurători cu antena realizătă in pasul anterior se va folosi un trasciver, la
care aceasta este conectată prin mufa SMA. Transciverul este ma i departe conectat la un laptop, prin
USB, care rulează o aplicație folosită pentru controlul dispozitivului.

Imagine 34 Ansamblul folosit la măsurarea antenei
Folosind analizorul spectral integrat în dispozitiv se propune verificarea fr ecvenței de rez onanță,
indicată prin mai mulți factori. Astfel se va arăta prin vswr, impedanța si diagramă smith că antenna are
domeniul optim de funcționare in jurul frecvenței de 2.4 GHZ.

41

Imagine 35 VSWR

42

Imagine 36 Impedanță; verde =Re, turcuaz = Im

Imagine 37 Reprezentare în diagrama Smith

43

Imagine 38 Factor de reflexie
În urma rezultatelor prezentate mai sus se poate afirma că frecvența de rezonanță este în jur de
2.4GHz astfel atingând scopul experimentului. De pe diagrama Smith, imaginea 3 7, se poate spun e că
valorile fracvenței pentru care rezultatul este în interiorul cercului de rezistență 2 sunt frecvențe cu care
antena poate lucr a. De asemenea din graficul impedanței, imaginmea 3 6, se poate raționa că antena ar
putea lucra și pe frecvențele in jurul c arora partea reală crește brusc, apar acele spike -uri, dar ar trebui
alimentată în tensiune. Pentru asta ar fi nevoie de un convertor current -tensiune, care ar aduce cu el
costuri suplimentare, totodată ar crește puterea necesară, astfel ar scadea randamen tul si ar crește și
temperature. Prin urmare se preferă alimentarea în curent, iar pentru alte frecvențe se proiectează alte
designuri de antene.

44
7. Concl uzii
În urma experimentarii atât cu simularea cat si cu antena fizică se pot trage mai multe concluzii .
În primul rând antenele microstrip sunt un tip de antenă eficiente, in situații restrânse, unde nu se dorește
operarea cu o gamă largă de fracvențe. Totodată acestea sunt realtiv simplu si destul de ieftin de realizat,
atâta timp cat se dipune de un mini m necesar de echipamente, cum ar fi o lampă UV, recipiente cu
compișii chimici necesari, un pistol de lipit si bine înțeles placa necesară de FR -4, laminat cu cupru.
În al doilea rând vreu sa subliniez diferența dintre simulare si realitate, o antenă nu o sa fie
niciodată perfectă, cum este o simulare, de aici pot apărea diferențe intre rezultatele obținute in simulare
si cele obținute cu antena fizică. Mai ales in procesul de fabricare pot apărea defecte care duc la deviații
ale propietaților antenei, cum ar fi rezistența la intrare, care se dorește a fi adaptată la rezistența liniei de
alimentare. Pe de altă parte pot apărea impurități în material care duc la modificarea modului de
propagare. Însă pentru toate aceste imperfecțiuni ale lumii reale, omul a adus metode de compensare
pentru a diminua cât mai mult cu putință deviațiile de la modelul simulat, perfect, care se ia drept
referință. Astfel se poate afirma ca în ciuda micilor diferențe, antena lucrează in parametri doriți si cu o
eficiență suficient de bună.
În final aș mai vrea sa sublinie faptul că domeniul antenelor a evoluat în ritm cu toate celelalte
domenii tehnologice și se poate spune ca a influențat în foarte mare măsură explozia tehnologică din
ultimile decenii. Descoperirea facută de Micha el Faraday si mai apoi a lui Nikola Tesla , iar în final James
Clerk Maxwell , cu cele patru ecuații care îi poarta numele, au dus la producerea ideeii de a transmite
informație, la distanță, prin aer, având ca suport unda electro -magnetică. Această idee fa șcinată a dus la
dezvoltarea unui întreg domeniu, care și in ziua de azi încă este in dezvoltare si aduce provocări
inginerești în direcția designului pentru elementul radiant cât și pentru dezvoltarea de algoritmi care să
optimizeze interacțiunile dintre antene.

45
8. Bibliografie
[1] Antenna Theory – Analysis and Design, Third Edition -2005
[2] Ari Hottinen, Olav Tirkkonen, Risto Wichman – Multi -antenna Transceiver Techniques for 3G and
Beyond -Wiley (2003)
[3] https://www.lifewire.com/definition -of-2-5g-578647
[4] https://ro.wikipedia.org/wiki/W -CDMA
[5] http://staff.etc.tuiasi.ro/bogdani/Mobile/ComunicatiiMobile.pdf
[6] https://www.telcoantennas.com.au/site/guide -to-mobile -networks
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/HFSS
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/FR -4

46
9. Anexe
Frequency (Hz) Returnloss
(dB) Rs (Ohm) Xs (Ohm) |Z|
(Ohm) Magnitude SWR
1000000000 -2.15688 8.012065 26.98814 28.15232 0.78011 8.095461
1092702095 -1.77481 13.81821 64.54091 66.00357 0.815191 9.82201
1191321345 -2.04764 71.170 26 152.2557 168.0684 0.789984 8.523075
1289940595 -1.56174 211.6512 -267.737 341.2906 0.835436 11.1533
1388559845 -2.21654 34.00065 -99.7781 105.4121 0.77477 7.879827
1487179095 -2.12557 12.49519 -50.5114 52.03392 0.782927 8.213502
1585798345 -3.0811 11.40784 -26.8253 29.15023 0.701366 5.697167
1684417595 -3.19771 9.395914 -8.84264 12.90254 0.692014 5.493796
1783036845 -4.03915 11.4806 3.529692 12.01095 0.62812 4.378077
1881656095 -5.33903 16.62335 16.13624 23.16709 0.540814 3.355538
1980275345 -7.82323 29.03837 26.62417 39.39637 0.406292 2.368661
2078894595 -12.608 49.18409 23.8794 54.67449 0.234207 1.61167
2177513845 -24.5125 55.27979 3.373092 55.3826 0.05948 1.126484
2276133095 -31.4719 52.16617 -1.65746 52.1925 0.026694 1.054851
2374752345 -25.3568 51.44551 5.288586 51.71663 0.053971 1.114101
2384614270 -23.2107 52.9031 6.506248 53.30168 0.069098 1.148453
2394476195 -22.2765 53.94249 6.97915 54.3921 0.076944 1.166715
2404338120 -20.2039 56.35194 8.259795 56.95406 0.09768 1.216509
241420004 5 -18.9729 58.64501 8.703761 59.28737 0.112553 1.253656
2424061970 -17.8116 61.46245 8.688819 62.07358 0.128653 1.295296
2433923895 -16.877 64.55923 7.655595 65.01156 0.143268 1.334453
2443785820 -16.1445 67.24664 6.121286 67.52467 0.155875 1.369318
2453647745 -15.1681 70.31659 5.338146 70.51892 0.174419 1.422537
2463509670 -14.6469 72.46704 3.166595 72.5362 0.185205 1.454605
2473371595 -13.9165 75.21483 0.734124 75.21841 0.201454 1.504553
2571990845 -8.36179 66.83895 -44.705 80.41133 0.381866 2.2355 43
2670610095 -6.39826 30.97688 -38.4723 49.39314 0.478726 2.836755
2769229345 -7.37437 22.34576 -15.382 27.12817 0.42784 2.495527
2867848595 -6.08964 16.86593 1.734336 16.95487 0.496041 2.968581
2966467845 -5.03599 15.25846 13.68897 20.49899 0.560016 3.545621
2998026005 -4.77111 15.13015 17.23835 22.93648 0.577357 3.732125

Tabel cu valori rezultate în urma măsurării antenei