Proiectarea Unei Antene Gps

CAP.1 Introducere

1.1 Generalități

Deși necesitatea existenței unui sistem de localizare geografica la nivel global există de mult timp, atât în domeniul civil cât și în domeniul militar, cauza principală care a condus la apariția sistemului GPS a fost amenițarea unui atac nuclear la adresa Statelor Unite ale Americii din timpul Războiului Rece.

Sistemul GPS (Global Positioning System) este un sistem de localizare în spațiu de către Departamentul de Apărare (Department of Defence) al Statelor Unite ale Americii, încă din anii ′′70. Astfel în 1973 au fost puse bazele rețelei de sateliți Navstar care stă la baza sistemului GPS așa cum este și el cunoscut. Cu ajutorul sistemului GPS, orice utilizator care deține un receptor GPS are acces în mod gratuit la rețeaua de sateliți putându-și stabili locația obținând trei coordonate: latitudine, longitudine și altitudine. Inițial GPS a fost proiectat pentru aplicații militare, curând dup ace acest obiectiv a fost atins a devenit evident că GPS va putea fi folosit și pentru scopuri civile păstrând totuși anumite proprietăți numai pentru domeniul militar. Primele două aplicații civile au fost navigația maritimă și măsurătorile terestre. Domeniile de utilizare ale sateliților artificiali sânt numeroase și deosebit de diversificate, printer acestea , de o deosebită importanță strategică în domeniul militar și de largă utilitate în domeniul civil fiind dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigație care permit poziționarea deosebit de precisă a mijloacelor de transport aeriene, maritime și terestre aflate în mișcare sau în repaus.

Această tehnologie și-a găsit deasemenea o largă aplicabilitate și în domeniul comunicațiilor mobile prin realizarea unor rețele la nivel național sau global, contribuții la localizarea utilizatorului cu o precizie foarte exactă.

1.2 Scurt istoric GPS

Ideea de a utiliza sateliții ca ajutor în navigație a condus la lansarea de către US Navy a fost primul satelit de navigație (Transit 1B) la 13 aprilie 1960. Rețeaua a devenit operațională din 1964 cu cinci sateliți . În aceiași perioadă , US Navy și US Air Force se angajează separate în două programe ambițioase care vor fi reunite în 1973 de către DOD în programul NAVSTAR-GPS.

Realizarea proiectului a debutat prin contractarea cu Rockwell International a 12 sateliți, numiți ulterior sateliții din Blocul I. Aceștia au fost lansați în perioada 1978- 1985, aveau orbite circulare cu înclinația de 63°, la bord existau 2 ceasuri atomice cu rubidium și unul cu cesiu iar durata lor de viață a fost de 5 ani , astazi acești sateliți nu mai sunt operaționali. A urmat între 1989-1990 lasanrea a 9 sateliți din Blocul II , cu durata de viață 7 ani, dotați cu două ceasuri atomice cu rubidium și două cu cesiu. Înclinația planurilor orbitale era de 55°. Următori 18 sateliți ( Blocul IIA), lansați începând din 1990 , au același producător și în principal același caracteristici ca precedenții.

Dezvoltarea constelației a continuat cu lansarea sateliților din Blocul IIR fabricați de Lockheed Martin și Blocul IIF . În noiembrie 2000, Lockheed Martin și Boeing după un an de studii, au început proiectarea următoarei generații de sateliții GPS , care vor fi cunoscuți ca Blocul III.

Astăzi sunt peste 24 de sateliți pe orbită , constelația GPS a fost declarată operațională după ce 24 de sateliți din a doua generație au fost puși în funcțiune în decembrie 1993, la 20 de ani după ce sistemul a fost propus prima dată. Revoluționarea conceptului de navigație creat de GPS a constituit fundamental dezvoltării de produse cu aplicație în domenii recreative, siguranță și sănătatea publică, supravegherea mediului, transport, inginerie și construcții, agricultură, cartografie , etc

1.3. Descrierea proiectului de diploma

Această lucrare se dorește a fi o scurtă descriere a antenelor de tip microstrip patch care sunt din ce în ce mai folosite în lumea modernă. Totodată se încearcă modelarea antenelor de acest tip cu ajutorul softului Feko și urmărirea performanțelor acestui program prin compararea rezultatelor obținute cu unele rezultate pe cale experimentală. Se încearcă cu ajutorul softului amintit demonstrarea unor ipoteze din teoria analizată precum faptul că atunci când se crește lățimea patch-ului se observă o scădere a impedanței sau că permitivitatea relativă controlează câmpurile din jurul antenei analizate.

S-a observat că emisiile radiate de către o antenă pot fi analizate cu acest program, fără a fi nevoie ca să se analizeze experimental, lucru foarte costisitor în unele cazuri. Utilizatorul va putea astfel să analizeze mai multe cazuri și să concretizeze doar varianta optimă. Se verifică totodată variația eficienței antenei la variația diferiților parametrii pentru a se alege cea mai bună configurație.

CAP. 2. Sistemul GPS

2.1 Structura Sistemului GPS

Acest sistem de poziționare global funcționează pe principiul recepționării de către utilizator a unor semnale radio emise de o constelație de sateliți de navigație, specializați, care se mișcă în jurul Pământului pe orbite circumterestre.

Sistemul a fost astfel proiectat încât permite ca în orice moment și oriunde pe suprafața Pământului, un mobil aflat în mișcare sau în repaus, să aibă posibilitatea ca utilizând un echipament, să își poată stabili în timp real poziția si viteza de deplasare pentru un mobil aflat în mișcare și numai poziția pentru un mobil aflat în repaus, într-un sistem de coordonate geometric tridimensional, propriu sistemului de poziționare GPS.

Sistemul GPS este conceput din 3 segmente principale (fig.2)

Segmentul spațial: construit din constelația de sateliți GPS;

Segmentul de control: construit din stațiile de la sol, care monitorizează întregul sistem;

Segmentul utilizatorilor : compus din utilizatorii civili și militari, care folosesc receptoare GPS dotate cu antenă și anexele necesare;

Fig. 2.1 Curs Tehnologii Geodezice Spatiale [1]

Segmentul spațial

Sateliți NAVSTAR-GPS transmit semnale de timp sincronizate pe două frecvențe purtătoare, parametri de poziție ai sateliților și informații adiționale cum ar fi starea sateliților.

Constelația NAVSTAR este compusă din 24 de sateliți care oribitează pâmântul în 12 ore , sunt cazuri în care sunt mai mulți de 24 sateliți operaționali, când sunt lansați sateliți noi pentru înlocuirea celor mai vechi . Orbitele sateliților repetă aproape același traseu față de pământ (în timp ce pământul se rotește sub ei) odată în fiecare zi . Altitudinea orbitelor (20 200 km ) este astfel aleasă încât sateliți repetă același traseu și aceiași configurație deasupra oricărui punct la fiecare 24 ore aproximativ după cum se poate observa și în figura 2.1 . Sunt 6 plane orbitale (cu 4 sateliți fiecare ) , egal spațiate (la 60°) și înclinate la aproximativ 55° față de planul ecuatorial.

Fig. 2.2 Constelașția NASVTAR GPS [2]

Segmentul spațial, care în prezent care este complet, asigură ca la orice oră, în orice loc pe suprafața Pământului, indiferent de condițiile meteorologice, din perioada din zi sau din noapte, să se poată recepționa semnale radio de la minimum 4 sateliți dar și mai mulți 6 sau 8, sub un unghi de elevație de 15° deasupra orizontului, condiții absolute necesare pentru poziționare. Sarcina principală a sateliților este de a emite semnale, care să poată fi recepționate cu receptoare adecvate. Pentru fiecare satelit este prevăzut cu ceasuri (oscilatoare), un microprocessor și o antenna, energia necesară fiind furnizată de bateriile solare . Codurile și mesajul de navigare modulează purtătoarele sub forma unor modulații alternative. Purtătoarele și codurile sunt mai ales pentru a determina distanta de la receptorul de utilizator până la satelit. Mesajul de navigare conține, alături de alte informații, coordonatele (locația) sateliților ca și funcție de timp. Semnalele transmise sunt controlate de ceasuri atomice, foarte precise, aflate la bordul sateliților. Pentru identificarea sateliților se folosește numărul SVN (Space Vehicle Number) și PRN (Pseudorandom noise). Sursa primară de timp este data de ceasurile cu Cesiu, este de remarcat ca doi dintre sateliții actuali, PRN05 și PRN06 sunt echipați cu reflector optici pentru a fi urmăriți prin laser.

Satelitul GPS are un oscilator de înaltă precizie cu frecvența de bază 10,23MHz din care generează cele două unde purtătoare L1= 1 575,42 MHz și L2= 1 227,60 MHz. Fiecare sau amândouă dintre aceste purtătoare poate fi modulate în fază cu un semnal complex, format din 3 coduri binare și anume:

Codul C/A (cod achiziție de date) : rolul principal al acestui cod este acela de a permite calcularea timpului ,, de sosire” , timpul în care semnalul ajunge de la satelit, având frecvența de 1,023MHz. Acest cod permite identificarea precisă a poziției satelitului și receptionează informațiile primite de la segmentul de control.

Codul Nav/System Data : funcționează la frecvența de 50 Hz , fiind folosit pentru diverse date transmise pe parcursul orbitării, cât și pentru corectarea tactului sau a altori parametri de sistem.

Codul P (cod de protecție) : având frecvența de 10,230 MHz. Codul P se modifică la 7 zile și include ,,Codul Y” catalogat ca strict secret.

În general, receptoarele sunt echipate cu ceasuri de cristal care nu pot stabiliza timpul ca și ceasurile stabile ale satelitului, implicit și distanța măsurată va fi afectată de eroarea de ceas a receptorului. Această cantitate măsurată este cunoscută ca ,,pseudodistanță" și de aceea

utilizatorul trebuie să urmărească 4 sateliți și să rezolve 4 ecuații cu 4 necunoscute : componentele preciziei 3D(x,y,z) și corecția de ceas a receptorului (dT).

Segmentul de control

Segmentul de control al sistemului GPS este construit din stațiile specializate de la sol care actualmente sunt în număr de cinci și sunt dispuse aproximativ uniform în jurul Pământului, în zona ecuatorială (fig 2.3)

Fig 2.3 – Stațiile de control ale sistemului GPS [1]

Datele de la stațiile de urmărire (stații monitor), a căror poziții sunt bine cunoscute, sunt transmise către stații master , aici orbitele satelițiilor sunt precalculate împreună cu corecțiile de ceas ale sateliților. Aceste date sunt apoi transmise satelițiilor corespunzători formând o parte esențială a mesajului satelitului. Sincronizarea timpului sateliților este una din funcțiile cele mai importante ale segmentului de control. De aceea, stația master este conectată direct cu timpul standard al Observatorului Naval al USA din Washinton D.C. ,,Defense Mapping Agency (D.M.A) este serviciul care furnizează efermeriade precise pentru sateliții sistemului GPS pe o bază de calcul săptămânal .

D.M.A operează cu 5 stații monitor, distribuite global pentru a întări acoperirea sateliților furnizate de către cele 5 stații monitor ale Fortelor Aeriene (U.S.A.F). Aceste stații sunt: Colorado Spring din Colorado care este stația master (Master Control Station), Hawaii, Kwajalein (în insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insulă în Oceanul Indian) și Ascension (insulă în Oceanul Atlantic). Vizibilitatea simultană a satelitului din două sau mai multe stații asigură urmărirea continuă a acestui chiar dacă una sau mai multe nu funcționează corespunzător. În același timp, aceste observații asigură formarea diferențelor simple sau duble pentru prelucrarea datelor. Toate stațiile master au fost pozioționate în sistemul de coordonate WGS 84 cu ajutorul măsurătorilor Transit (Doppler). Pentru calcul efemeriadelor precise necesare în special prelucrării măsurătorilor GPS cu utlizare în geodezie – geodinamică, se folosesc măsurători și de la alte 5 stații terestre.

Segmentul utilizator

Acest segment e contruit din totaliatea utilizatorilor deținători de receptoare GPS cu antenă, în funcție de calitățile receptorului și antenei, rezultând astfel acuratețea precizei de poziționare.

Antenele receptoarelor GPS pot fi : antene helix, antene spiral-helix și antene microstrip (cu banda îngustă).Antenele recepționează semnalele de la sateliți vizibilii, punctul de referință fizic pentru semnalele receptționate fiind centrul de fază care poate să difere față de centrul geometric al antenei .

Oricine din orice colț de lume poate fabrica și comercializa echipament de recepție GPS. Nu sunt licențe, drepturi de autor sau orice alte restricții. Permisiunea ca sectorul privat să proiecteze și să fabrice echipament de recepție are ca efect continuă reducerea a dimensiunii și costului receptoarelor GPS și, în același timp , extinderea utilizării lor,îmbunătățirea caracteristicilor și diversificarea neașteptată a aplicațiilor potențiale.

2.2 Structura semnalului GPS

Dupa cum s-a mentționat deja, sateliții GPS transmit un semnal radio în domeniul

microundelor, compus din două frecvențe purtătoare (sinusoidale), modulate de două coduri digitale, numite mesaje de navigare . Cele două semnale au frecvențele de 1575,42 MHz (L1) și 1227,60 MHz (L2), care permit corecția unei erori majore al GPS-ului, numită întărziere ionosferică, codurile modulatoare sunt diferite pentru fiecare satelit, ceea ce are rolul de a minimiza interferențele. Cele două coduri GPS sunt numite codul de achiziție brut (codul C/A – Coarse Aquisition Code) și codul de precizie ( codul P – Precision Code), fieacre cod constră într-un șir de biți. Codurile sunt numite coduri PRN fiindcă au aspectul unor semnale pseudoaleatoare, generate cu ajutorul unui algoritm. Fiecare satelit GPS transmite semnale radio de joasă putere pe două purtătoare prezentate in figura 2.4 . Cele două semnale purtătoare L1 și L2 sunt pilotate de un ceas atomic (de obicei cu cesiu, deoarece are cea mai bună stabilitate pe termen lung) . Fiind domeniul microundelor , semnalele GPS se propagă în linie dreaptă , ceea ce înseamnă că , pentru a recepționa semnalele de la sateliți este necesar ca receptorul GPS să aibă vizibilitate către aceștia . Semnalele vor trece prin sticlă, nori și plastic dar nu și prin obiecte masive cum sunt clădirile din marile concentrări urbane.

Fig 2.4 Strucutura semnalului GPS [2]

Codul C/A este modulat doar în purtătoarea L1, iar codul P este doar in purtătoare L2. Modulația este numită bifazică, deoarece faza purtătoarei este schimbată cu 1800 la trecerea de la zero la unu și invers. Codul C/A este un flux de 1023 de biți și se repetă la fiecare milisecundă, ceea ce duce la o rată de transfer de 1,023 Mbps, conluzionând astfel că durata unui bit în termeni de spațiu este de aproximativ 300 de metri. Fiecărui satelit îi este asociat un cod C/A unic ceea ce permite receptorului GPS să identifice care satelit transmite un anumit cod. Determinarea poziției cu ajutorul codului C/A este mai putin precis în cazul folosirii

codului P , dar este mai simpla (mai ușor de decriptat) și este disponibil tuturor utilizatorilor.

Codul P este deasemenea cu cod PRN transmis cu 10,23 Mbps, cu perioada de repetiție foarte mare ( 7 zile) . Informația de bază conținută este tot momnetul transmisiei din codul C/A dar cu o rezoluție de 10 ori mai bună . Pe de altă parte este o secvență foarte lungă de biți care se repetă la fiecare 266 zile, fiind impărțit în 38 de segmente, fiecare cu o lungime de o săptămână. De menționat este faptul că fiecare satelit transmite un cod P unic timp de o săptămână , schimbarea facându-se la miezul nopții sâmbătă spre duminică , restul de șase segmente sunt rezervate pentru alte utilizări. Spre deosebire de codul C/A, codul P poate fi criptat printr-un proces cunoscut ca ,,anti-spoofing” (AS) devind numitul cod Y. Utilizarea acestui cod Y se poate face numai dacă receptorul conține un modul special AS și accesibil numai utilizatorilor autorizați , cu chei de decriptare , Codul P (Y) este baza pentru serviciul precis de poziționare GPS. Mesajul de navigare GPS este un flux de date adăugat atât purătoarei L1 cât și L2, prin modulația bifazică la o rată de 50 kbps. Constă din 25 de cadre de câte 1500 de biți fiecare, adică un total de 37 500 de biți. Aceasta înseamnă că transmisia completă a unui mesaj de navigare dureaza 750 de secunde , sau 12, 5 minute. Mesajul de navigare , conține alături de alte elemente , coordonatele sateliților GPS ca și funcție de timp, informații despre integritatea satelițiilor , corecția de ceas , date atmosferice.

2.3 Prelucrarea semnalului GPS

Utilizatorul GPS trebuie să poată recepționa și urmări semnalul de la mai mulți sateliți GPS simultan , în condițiile prezenței uneor diverse surse de zgomot. Acest lucru este posibil prin folosirea tehnici de comunicație cu spectru împrăștiat și codare cu zgomot pseudoaleator.

Conceptul de comunicație cu spectru împăștiat a apărut în Statele Unite, imediat după cel de al-doilea război mondial. Lucrările de cercetare din domeniu, cu caracter secret, au avut la bază teoriiile lui Claude Shannon și Norbert Wiener referitoare la proprietățile semnalelor aleatorii și pseudoaleatorii. Deoarece un semnal cu spectru împrăștiat este deosebit de bine mascat, nefiind sesizat de receptorii obișnuiții, până în 1985, această tehnică a fost utilizată aproape exclusiv de militari (comunicații tactice în condiții bruiaj intens și radiodirijarea rachetelor). Au urmat apoi și alte numeroase aplicații, atât militare cât și civile : secretizarea comunicațiilor radio, comunicațiile prin satelit și sistemul de poziționare GPS. Un sistem de transmisie cu spectru împrăștiat este caracterizat de faptul că semnalul transmis este ,,împrăștiat” într-o bandă foarte largă de frecvențe , mult mai largă decât cea necesară pentru transmitrea informației de bază . Lărgirea benzii se realizează cu ajutorul unui cod independent de mesaj, la recepție fiind sintetizată o replică identică a acestui cod. Acest lucru dă posibilitatea de a reveni la banda îngustă și la refacerea datelor informaționale.

Utilizarea sistemelor de comunicație cu spectru împrăștiat prezintă o serie de avantaje: deosebită precizie a măsurărilor la distanță ,facilitatea de secretizare a mesajului, probabilitate foarte mică de interceptare, imunitate foarte mare la interferențele naturale provocate de furtunile magnetice, la propagarea multicale a semnalelor radio , precum si interferențele provocate de bruiaje. Una din tehnicile folosite pentru a împrăștia lățimea de bandă a semnalului GPS , este metoda DS (Direct Sequence) care presupune ca datele digitale sunt direct codate la o frecvență mult mai înaltă, codul este generat pseudo-aleator, iar receptorul știe cum să genereze același cod și corelează semnalul primit cu acel cod pentru a extrage datele. Comunicațiile cu CDMA (Code Division Multiple Access) sunt o formă de comunicații cu spectru împrăștiat prin secvență directe (DS).

2.4 Politica de Siguranță a sistemului GPS

Departament of Defense a implementat două tipuri de degradare a preciziei pentru utilizatorii civili: disponibilitatea selectivă (S/A) și anti-înșelătorie (a/s) . S/A poate fi privit ca erori intenționate impuse semnalului GPS iar A/S este o criptare aplicată codului P. Din anul 2000 , s-a renuțat la degradarea semnalului prin S/A.

Principalul scop al degradării A/S este de a împiedica anumiți utilizatori neautorizați să imite un semnal GPS, astfel încât este puțin probabil să fie dezactivată în viitorul apropiat. Degradarea A/S nu pune probleme semnificative unui utilizator precis, deoarece tehnicile GPS de precizie se bazează pe măsurarea fazei semnalului purtător , mai degrabă decât pseudodistanța obținută din codul P. Totuși pseudo-distanța este foarte utilă pentru anumiți algoritmi de poziționare , în special în poziționarea rapidă necesară vehiculelor în deplasare.

Tehnica A/S realizează o recodificare a codului P , noul cod rezultat se numește codul Y și este accesibil numai unui grup restrâns de utilizatori autorizați . Navigația în timp real cu codul P este substanțial mai precisă față de navigația cu codul C/A și poate aduce avantaje substanțiale în cazul unei conflagrații, fiind și motivul pentru care s-a recodificat si codul P . Inițial era prevăzut ca metoda A/S să fie folosită după atingerea fazei finale din punct de vedere militar când segemntul spațial este prevăzut numai cu sateliți din generația ,,Block II’’.

2.5 Poziționarea cu ajutorul Tehnologiei GPS

După cum am precizat încă de la început, GPS-ul a fost dezvoltat ca și sistem militar, fiind pus ulterior la dispoziția civililor. Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizează prin determinarea distanțelor dintre punctul de stație și stateliții GPS vizibili, matematic fiind necesare măsuratori la minimum 4 sateliți. Acest număr de sateliți este necesar pentru a ne putea poziționa cît se poate de precis, numai pe baza distanțelor măsurate la sateliți. Dacă am avea măsurători la un singur satelit și am cunoaște poziția acestuia, poziția noastră în spațiu ar fi o sferă. Măsurind distanțe la doi sateliți ne aflam pe un cerc generat de intersecția celor două sfere. În momentul în care avem măsurători și la un al treilea satelit, ne localizează în două puncte din spatiu. Pentru o precizie ridicată este necesară a patra măsurătoare față de un al patrulea satelit și atunci în mod cert punctul poziționării noastre va fi unic.

Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se poate face în diferite modalități :

Poziționearea abosultă : determinarea coordonatelor spațiale ale punctului P se face cu două receptoare GPS, din care unul amplasat pe un punct care are deja coordonate tridimensionale determinate într-un sistem de referință global (WGS84, EUREF , etc) .

Poziționarea relativă : sunt determinate diferențele de coordonate între două punctesau compomentele vectorului (baseline) , ce unește cele două puncte staționate cu receptoare GPS.

Poziționarea diferențială: este asemănătoare , ca procedeu , cu poziționarea

absolută cu deosebirea că eroarea care afectează distanța de la satelit la receptor este calculată și aplicată în timp de real , ca o corecție diferențială, dată de către receptorul care staționează pe un punct de coordonate cunoscute către receptorul care staționează în punctul nou.

Poziționarea se realizează cu ajutorul retrointersecției spațiale de distanțe , în sistemul de referință , reprezentat de elipsoidul WGS84. Sistemul WGS 84 definește înălțimea geoidului pe tot întinsul globului, iar birourile de prelucrare a imaginilor prin satelit publică hărți grilă din 10 în 10 grade ale înălțimii reale ale acestui geioid. Indiferent de tipul navigației determinarea curentă a poziției pe glob se face exprimând în grade sau distanță față de Ecuator sau Greenwich coordonatele de longitudine sau latitudine. Cu toate acestea, pentru a menține avantajul de partea militarilor, în Statele Unite, Departamentul pentru Apărare furnizează două nivele de servicii GPS:

Serviciul de Poziționare Precis (PPS –Precise Positiong Service)

Serviciul Standard de Poziționare (SPS – Standard Positoning Service)

SPS este cel mai utilizat la nivel global, fiind folosit de utilizatori civili, fără restricție. Precizia semnalului este intenționat degradat de catre Deparatamentul Apărării SUA , considerându-se că în majoritatea cazurilor civile este suficient

PPS este folosit de armată și este cel mai precis sistem de poziționare autonomă . Este accesibil doar unor persoanelor/ sistemelor autorizate.

2.6 Integrarea diferitelor sisteme cu GPS-ul

GPS-ul s-a răspândit în numeroase aplicații mai ales datorită preciziei sale, disponibilității la scară globală și a costurilor scăzute de utilizare. Cu toate acestea din păcate, există situații în care sistemul GPS poate fi obstrucționat în asemenea măsură încât receptorul să nu mai vadă suficienții sateliți pentru o poziționare exact. Această problemă este întâlnită spre exemplu in marile concentrări urbane. Problema se poate rezolva prin integrarea GPS-ului cu alte sisteme de poziționare , caz în care se pot obține rezultate chiar mai bune decât în cazul folosirii individuale. Imbunătățirile nu se referă doar la senzori : este posibilitatea integrarea GPS-ului cu sisteme de tip GIS pentru o mai bună culegere și analiza a datelor din teren.

O altă aplicația a GPS-ului este determinarea vitezei, care se poate face prin mai multe metode. Cea mai răspândită este ceea în care se face uz de efectul Doppler. Mai exact se calculează frecvența Doppler, este cunoscut faptul că datorită deplasării relative dintre satelit și receptor apare o deplasare de frecvență. De asemnea GPS-ul poate fi folosit la determinarea atitudinii unui corp rigid, precum ar fi un avion sau vapor. Altitudinea se determină echipând corpul cu minim trei receptoare GPS (sau cu unul special, care de fapt le înglobează pe cele trei) , legate la trei antene , dispuse necoliniar.

2.7 GPS-ul și sistemul de telefonie celular

Telefonia mobilă a devenit tot mai utilizată în zilele noastre, atât numărul abonați cât și aria de acoperire sunt în continuă creștere. Pe lângă aceasta exista tendința de convergență a telefoniei (transmisie de voce) cu diferite servicii conexe, spre exemplu transmisia de date. Una din problemele majore ale telefoniei mobile este imposibilitatea de a stabili cu precizie poziția telefonului. Cu toate ca pot apărea reacții care iau în considerare dreptul la intimitate, există în mod indubitabil aplicații în care cunoașterea poziției este întemeiată și utilă: spre exemplu apelurile de urgență.

În consecință Comisia Federală pentru Comunicații (FCC- Federal Comunications Commission ) a impus începând cu octombrie 2001 ca apelurile de urgență să poată fi localizate cu precizie de cel puțin 125 m (cu o probabilitate de 67%). Prevederea lasă la latitudinea operatorilor modul în care se va face localizarea: la nivelul rețelei sau la nivelul terminalului. Majoritatea rețelelor folosesc metoda diferenței timpului de sosire (TDOA – Time Difference Of Arrival ) sau cea a unghiului de sosire (AOA – Angle Of Arrival) pentru a determina poziția apelantului. Este evident că elementul fundamental în această tehnică este sincronizarea în timp, care poate fi obținută prin echiparea stațiilor cu receptoare de baza de timp bazate pe GPS. Pentru a crește precizia poziției calculate și pentru a reduce dimensiunea, complexitatea și consumul receptoarelor GPS în cazurile utilizări terminalelor mobile a căror funcției primară nu este obținerea poziției a fost dezvoltat cu sistem numit Assisted GPS (A-GPS). Cu dezvoltarea acestui sistem prin intermediul unei rețele radio (3G/WCDMA/GSM/WIFI) dispozitivu are acces, cu o viteză considerabil mai mare (de ordinul sutelor de kbps), la un server dedicat care are un semnal GPS bun și primește și stochează periodic informația orbitală de la sateliți.

Sistemul A-GPS are două moduri de funcționare:

Mobile Station Assited (MSA- Stație Mobilă Asistată) : în care dispozitivul A-GPS primește un ceas de referință și asistență pentru recepționarea informațiilor de la sateliți cu ajutorul cărora receptionează aceste informații, le trimite către serverul A-GPS, care îi calculează poziția și i-o returnează.

Mobile Station Based (MBS- Bazat pe stația mobilă) : în care dispozitivul A-GPS primește informația orbitală, un ceas de referință și alte informații opționale de asistență de la serverul A-GPS, dispozitivul recepționează semnalul de la sateliți și iși calculează local poziția.

Metoda localizării la nivelul terminalului presupune încorporarea unui receptor GPS în acesta. In condițiile actuale în care disponibilitatea selectivă a fost eliminată, cu această metodă se pot obține precizii chiar și de zece ori mai mari decât cele impuse de FCC. Spre deosebire de localizarea la nivelul rețelei, localizarea la nivelul terminalului este mult mai ușor de implementat și nu necesită instalarea de echipament suplimentar din partea operatorului. Integrarea GPS-ului cu sistemele de telefonie mobilă și dezvoltarea serviciilor 3G, 4G are avantajul de a permite o mai bună și mai rapidă transmitere a datelor culese către serverul principal.

CAP.3 Descrierea antenelor GPS studiate în prezent

3.1 Descrierea antenelor utilizate

De-a lungul timpului , antenele au fost de mare ajutor omenirii pentru transmisia de date. O antenna este un traductor creat pentru a transmite sau primi unde electromagnetice. Cu alte cuvinte, antenele convertesc radiația electromagnetică în current electric, sau invers. Antenele în general se ocupă cu transmisia și recepția undelor radio, și sunt considerate ca părți necesare echipamentului radio. Antele sunt folosite în diferite sisteme cum ar fii transmisiile radio și TV, semnale GPS sau la comunicațiile mobile. Ele sunt cel mai frecvent utilizate în aer liber sau în spațiul cosmic , dar pot fi utilizate și sub apă și pe sol.

După cum se poate observa , antenele sunt o parte indisepensabilă a vieții noastre și de aceea se încearcă îmbunătățirea conținuă a acestora. Aceste lucru se poate face numai prin analiza performanțelor antenelor , iar lucrarea de față se dorește a fi o scurtă analiză a antelor de tip pach cu ajutorul unui pachet software denumit Antena Magus . Astfel in lucrare vor fi studiate antene de tip microstip.

Aceste antene microstip sunt relativ construite usor prin imprimarea unei benzi magnetice într-un strat isolator. Antene microstrip, de asemenea, numite antene patch-uri, sunt foarte populare în gama de frecvențe de microunde din cauza simplității și compatibilitatea acestora cu tehnologia utilizată actual. O antena microstrip este obținută prin montarea unei foițe metalice peste un strat metalic (patch-ul) cu puțin mai larg denumit baza (ground), iar ca dielectric ( poate fi și aerul) separă cele două straturi metalice. Antene de patch-uri circulare sunt de obicei fabricate prin corodare elementului patch antenă într-un substrat dielectric metalizat. Antenele mai mari sunt uneori construite prin lipirea de metal cu decupaje la un substrat gol. Cele două straturi de metal formează un circuit de lungime egală cu jumătate din lungimea de undă a radiației radio pe care vrea să o capteze (sau să radieze). Principalul avantaj al antenelor de tip patch este că utilizează aceiași tehnologie de fabricație ca orice alt cablaj imprimat.

3.2 Parametrii de bază ai antenelor

Parametrii de bază care caracterizează performanțele antenei și care pot fi ajustați sunt:

frecvența de rezonanță, impedanța, câștigul, deschiderea sau diagrama polară de radiație, polarizația, eficiența și lățimea de bandă.Toți acești parametrii pot fi măsurați.

3.2.1 Frecvența de rezonanță

Frecvența de rezonanță sau rezonanța electrică depinde de lungimea electrică a antenei. Lungimea electrică reprezintă de fapt raportul dintre lungimea fizică a firului împărțită la factorul de viteză. Ea funcționează pentru o gamă de frecvențe care sunt de obicei centrate pe acea frecvență rezonantă.De obicei, antena este caracteristică pentru o frecvență specifică, dar este funcțională pe o gamă de frecvențe care sunt centrate în acea frecvență rezonantă. Totuși, și alte proprietăți ale antenei se modifică cu frecvența, cum ar fi diagrama polară de radiații și impedanța.

Antenele pot fi făcute să fie rezonante pe frecvențe armonice cu lungimi care sunt fracțiuni din lungimea de undă țintă, această rezonanță dă o cuplare mult mai bună undei electromagnetice. Unele antene au mai multe frecvențe de rezonanță și unele sunt relativ eficiente pe o gamă foarte largă de frecvențe. Cel mai cunoscut tip de bandă largă aeriană este cea logaritmică sau log periodică, dar câștigul este de obicei mult mai mic decât cel al unei benzi mai înguste sau specifice.

3.2.3 Câștigul

Câștigul ca un parametru măsoară eficiența unei antene cu privire la o anumită normă, de obicei obținut prin modificarea direcționalității. O antenă cu un câștig mai mic emite radiații cu aproximativ aceeași putere în toate direcțiile, iar o antenă cu un câștig mare va radia preferențial într-o anumită direcție. Specific, câștigul, câștigul directiv sau câștigul de putere al unei antene este definit ca raportul dintre intensitate (putere pe unitatea de suprafață) radiat de antenă pe o anumită suprafață la o distanță arbitrară și intensitatea radiată la aceeași distanță de o antenă izotropică ipotetică.

Câștigul unei antene este un fenomen pasiv- nu e adăugată putere de către antenă, ci pur și simplu redistribuită pentru a furniza mai multă putere radiată întru-o anumită direcție care ar fi transmisă de o antenă izotropică. Dacă o antenă are un câștig mai mare de unu într-o anumită direcție, trebuie să aibă un câștig mai mic de unu în alta direcție, având în vedere că energia este

3.2.4 Impedanța

În momentul în care unda electromagnetică trece prin diferite părți ale sistemului de antene (radio, linie de alimentare, antenă, aer liber) va întâmpina diferențe de impedanță (E/H, V/I, etc.). La fiecare interferență, în funcție de impedanță, o fracțiune din energia undelor va fi reflectată înapoi la sursă, formând o undă statică în linia de alimentare. Raportul dintre puterea maximă și puterea minimă poate fi măsurat și e numit raportul undei statice(standing wave ratio) (SWR). Un SWR de 1:1 este ideal. Un SWR de 1.2 este considerat a fi acceptabil marginal în aplicații de putere mică unde pierderile de putere sunt mai critice, cu toate că un SWR de până la 1.2 ar putea fi folosit cu un echipament potrivit. Minimizarea diferențelor impedanțelor la fiecare interferență (impedance matching) va reduce SWR și va maximiza transferul de putere prin fiecare parte a sistemului de antenă. Impedanța complexă a unei antene este legată de lungimea electrică a antenei și de lungimea de undă folosită.

3.2.5 Eficiența

Eficiența este cantitatea de putere radiată efectiv la terminalele antenei. O sarcină de probă poate avea un SWR de 1:1 dar o eficiență de 0, deoarece absoarbe toată puterea și radiază căldură dar nu și energie RF, arătând că SWR singur nu e o măsură efectivă pentru eficiența unei antene. Radiația într-o antenă este cauzată de rezistența la radiație care poate fi măsurată numai ca o parte a rezistenței totale care include și rezistența la pierderi. Rezistența la pierderi rezultă de obicei la generarea căldurii și nu din cauza radiației, și reduce eficiența. Matematic, eficiența e calculată ca rezistența la radiație divizată la rezistența totală.

3.2.6 Lățimea benzii

Lățimea benzii unei antene este gama de frecvențe pe care aceasta este eficientă, de obicei fiind centrată pe o frecvență rezonantă. Lățimea de undă poate fi mărită prin mai multe tehnici, incluzând folosirea unor fire mai groase, înlocuirea firelor cu cuști pentru a simula un fir mai gros, componente conice ale antenei și combinarea mai multor antene într-un singur ansamblu care să permită impedanței naturale să selecteze antena corectă. Antenele mici sunt preferate de obicei pentru comoditate, dar este o limită fundamentală legată de lățimea de bandă, mărime și eficiență.

3.2.7 Polarizarea

Planul în care planul electric variază se mai numește și plan de polarizare. Patch-ul de bază despre care am vorbit până acum este polarizat liniar deoarece câmpul electric variază într-o direcție. Aceasta polarizare poate fi verticală sau orizontală, depinzând de orientarea patch-ului. O antenă care trensmite are nevoie de o antenă receptoare cu aceeași polarizare pentru o operare optimă.Când antena este rotită cu 90°, curentul trece prin planul vertical, și este apoi polarizat vertical. Un număr mare de aplicații, incluzând comunicații prin satelit, au probleme cu polarizarea liniară deoarece orientarea antenei este variabilă sau necunoscută. Din fericire, există un alt tip de polarizare și anume polarizarea circular .

Polarizarea antenei este orientarea câmpului electric (E-plane), a undei de radiație cu privire la suprafața pământului și este determinată de structura fizică a antenei și de orientarea acesteia. Nu are nici o legătură cu termenii de direcționalitate a antenei și anume : "orizontal", "vertical" și "circular". Cu toate acestea, o antenă simplă de tip fir va avea o polarizare când e montată vertical, și o altă polarizare când e montată orizontal. Filtrele de polarizare a undelor electromagnetie sunt structuri care pot fi puse să acționeze direct asupra undelor electromagnetice pentru a filtra direct energia undelor unei polarizări nedorite și de a trimite energia undelor spre o polarizație dorită.

Reflecțiile de obicei afectează polarizația. Pentru undele radio, cel mai important reflector este ionosfera – semnalele care se reflectă de la ea vor avea polarizarea schimbată întrun mod impredictibil. Pentru semnalele care sunt reflectate de ionosferă, polarizația nu poate fi invocată. Pentru comunicările cu linie la vedere unde polarizația poate fi invocată, a avea un transmițător și un receptor folosind aceeași polarizație poate să facă o diferență mare în calitatea semnalului.

Polarizația este suma orientării planelor E în timp proiectate pe un plan perpendicular pe direcția de mișcare a undei radio. În cazul cel mai general, polarizația este eliptică, ceea ce înseamnă că polarizația undelor radio variază în timp. Două cazuri speciale sunt polarizația liniară (elipsa se transformă într-o linie) și polarizația circulară (în care cele 2 axe ale elipsei sunt egale). La polarizația liniară a unei antene impune câmpul electric a undelor radio emise cu o anumită orientare. Depinzând de modul în care e poziționată antena, cazurile obișnuite de polarizație liniară sunt polarizație orizontală și verticală. La polarizația circulară, antena variază continuu câmpul electric a undei radio prin toate valorile posibile a orientării ei față de suprafața pământului. Polarizațiile circulare, precum cele eliptice, sunt clasificate ca polarizații de mână dreaptă și polarizații de mână stângă folosind regula ”degetul în direcția de propagare”. Cercetătorii din punct de vedere optic folosesc aceeași regulă a degetului, dar cu orientare spre direcția emitorului, nu în direcția propagării.

3.3 Proprietăți de bază ale antenei de tip patch

O antenă microstrip patch este o antenă cu profil redus care are câteva avantaje în comparație cu alte antene ,este ușoară, ieftină și ușor de integrat între celelalte componente electronice. Numele ei este atribuit datorită faptului că este elcătuită dintr-un patch din metal suspendat peste planul de masă. Ansamblul este de obicei conținut într-un plastic, care protejează structura antenei de stricăciuni. Antenele microstrip sunt simplu de fabricat și ușor de modificat și personalizat. Cu toate că antena poate avea o structură 3-D (înfășurată în jurul unui obiect, de exemplu), elementele sunt de obicei plate, de aici și celălalt nume al antenelor de acest tip, antene planare. De notat e că o antenă planară nu e întotdeauna o antenă de tip patch. Următorul desen prezintă o antenă de tip patch cu forma ei de bază: o placă plană peste un plan de masă. Conductorul din centru axului servește ca sondă de alimentare ce cuplează energia electromagnetică spre sau dinspre “patch“. Tot aici e prezentată și distribuția de câmp electric pe patch-ul dreptunghiular.

Fig. 3.1. Antenă microstrip patch tipică cu distribuția ei de câmp electric

Câmpul electric este zero în centrul patch-ului, maxim (pozitiv) pe o parte și minim (negativ) pe partea opusă. Trebuie specificat că maximul și minimul iși schimbă partea continuu în funcție de faza instantanee a semnalului aplicat. Câmpul electric nu se oprește dintr-o dată la marginea patch-ului ca și într-o cavitate; mai degrabă câmpurile se extind puțin în exterior. Aceste extensii ale câmpului sunt cunoscute ca și câmpuri “fringing” și fac patch-ul să radieze. Unele tehnici analitice populare de modelare pentru antenele de acest tip sunt bazate pe acest concept de cavitate cu scurgeri.

În telecomunicații, sunt mai multe tipuri de antene microstrip (cunoscute ca antene imprimate), cea mai comună fiind antena microstrip patch. O astefel de antenă are o bandă îngustă de frecvență și un fascicul larg. Antenele microstrip comune au forme pătrate, dreptunghiulare, circulare și eliptice, dar orice formă continuă este posibilă. Aceste antene se folosesc la UHF sau la frecvențe mai ridicate deoarece mărimea antenei e legată direct de lungimea de undă la frecvența de rezonanță. O antenă cu un singur patch are un câștig maxim de aproximativ 6-9 dBi.

3.4 Configurația unei antene de tip patch

Cea mai simplă antenă de tip patch folosește un patch (“plasture”) care este lung de o jumătate de lungime de undă cu încărcătura dielectrică inclusă peste un plan de masă de care e separată de o grosime constantă. Planele de masă mari din punct de vedere electric produc tipare stabile și o sensibilitate a mediului mai mică, dar fac ca antena să fie de dimensiuni mai mari. Nu este neobișnuit ca planul de masă să fie puțin mai mare decât patch-ul activ. Când planul de masă este apropiat de dimensiunea radiatorului, poate să se cupleze și să producă curenți de-a lungul marginilor planului de masă care radiază de asemenea.

Fluxul de curent este pe direcția liniei de alimentare, deci vectorul potențialului magnetic și câmpul electric urmăresc curentul, așa cum e arătat în figura 2.7 prin săgeata notată cu E. O antenă simplă ca aceasta de tip patch radiază o undă aproape polarizată. Radiația poate fi considerată ca fiind produsă de “sloturile radiante” de sus și jos, sau echivalent ca rezultat a curgerii curentului pe patchuri și pe planul de masă.

Fig.3.2. Configurația unei antene de tip patch

3.4.1Dimensiuni

Lungimea rezonantă determină frecvența rezonantă și e aproximativ λ/2 pentru un patch dreptunghiular alimentat în mod fundamental. Patch-ul este de fapt din punct de vedere electric puțin mai mare decât dimensiunea lui fizică datorită câmpurilor de tip “fringing”. Deviația dintre mărimea fizică și cea electrică depinde în cea mai mare parte de grosimea și constanta dielectrică a plăcii PC.

O mai bună aproximare pentru lungimea de rezonanță:

Această formulă conține o corecție de prim ordin pentru extinderea marginii datorată câmpurilor “fringing”, cu:

L = lungimea rezonantă

λd = lumgimea plăcii PC

λ0 = lungimea undei în spațiu liber

εr = constanta dielectrică a materialului plăcii PC Alți parametri care vor influența frecvența de rezonanță:

Μărimea planului de sol

Grosimea metalului (cuprului)

Lățimea patch-ului (impedanței)

3.4.2 Potrivirea impedanței

Uitându-ne la variațiile curentului (câmpul magnetic) și ale tensiunii (câmp electric) de-a lungul patch-ului, curentul e maximal la centru și minimal lângă marginile stângă și dreaptă, în timp ce câmpul electric este zero în centru, maximal langă marginea din stânga și minimal lângă marginea din dreapta. Figurile de mai jos clarifică aceste cantități.

Fig. 3.3. Distribuția curentului pe suprafața patchului

Fig.3.4 Distribuția tensiunii(U), curentului (I) și a impedanței de-a lungul lungimii rezonante a patchului

Din mărimea curentului și a tensiunii, putem trage concluzia că impedanța este minimă (teoretic zero Ω) în mijlocul patch-ului și maximă (tipic în jur de 200 Ω, dar depinde de Q-ul cavității de scurgere) lângă margini. Altfel spus, este un punct unde impedanța este de 50Ω undeva de-a lungul "resonant length"-lungimii rezonante, adică axa x a elementului.

3.4.3 Diagrama radiațiilor polare

Radiația patch-ului la câmpuri “fringing” rezultă într-o răspândire a radiațiilor de câmp îndepărtat. Această răspândire arată că antena radiază mai puternic în anumite direcții. Se presupune că antena are o directivitatea anume. Aceasta e exprimată de obicei în dB. O estimare a directivității așteptate a patch-ului poate fi derivată cu ușurință. Câmpurile “fringing” la marginile care radiază pot fi văzute ca 2 sloturi poziționate deasupra planului de masă. Presupunând că radiațiile au loc într-o jumătate a emisferei, va rezulta o directivitate de 3 dB. Acest caz e adesea descris ca fiind un raport perfect față-spate; toate radiațiile îndreptate spre față și nici o radiație spre spate. Raportul față-spate este dependent de mărimea și forma planului de masă în cazurile practice. Încă 3 dB pot fi adăugați deoarece sunt 2 sloturi. Sloturile sunt luate ca să aibă lungimea egală cu banda de impedanță (lungimea în conformitate cu axa y) a patchului și o lățime egală cu înălțimea substratului. Un astfel de slot are de obicei un câștig de aproximativ 2 până la 3 dB. Va rezulta un câștig total de 8 până la 9 dB. Patch-ul dreptunghiular excitat în mod fundamental are o directivitate maximă în direcția perpendiculară pe patch.

3.4.4 Câștigul antenei de tip patch

Câștigul antenei este definit ca directivitatea antenei înmulțită cu un factor reprezentând eficiența radiației. Eficiența este definită ca raportul dintre puterea radiată (Pr) și puterea de intrare (Pi). Puterea de intrare este transformată în putere radiată și putere a undei de suprafață, în timp ce o parte mică din aceasta este disipată prin piederi prin materialele folosite ca și conductoare și dielectrice. Undele de suprafață sunt unde ghidate care se află în substrat și sunt parțial radiate și reflectate spre marginile substratului. Sunt câteva tehnici pentru a preveni sau elimina undele de suprafață.

Câștigul antenelor mai poate fi specificat folosind eficiența totală care e o combinație între eficiența radiației și eficiența potrivirii impedanței antenei. Câștigul antenei de tip patch de formă dreptunghiulară cu aer pe post de dielectric poate fi aproximativ estimat după cum urmează. Deoarece lungimea patch-ului, jumătate de lungime de undă, este aproximativ aceeași cu lungimea unui dipole rezonant, avem un câștig de cam 2 dB de la directivitatea relativă la axa verticală a patchului. Dacă patch-ul este pătrat, modelul planului orizontal va fi direcțional, ca și cum patch-ul ar fi o pereche de dipoli separați de o jumătate de undă; acesta aduce încă 2-3 dB câștigului. În final, atunci când se ia în considerare și planul de masă, acesta “taie” majoritatea radiațiilor din spatele antenei, reducând puterea pe toate direcțiile cu un factor de 2 (și totuși mărind câștigul cu 3 dB). Adunând toate acestea, avem aproximativ 7-9 dB pentru tot patch-ul pătrat.

3.4.5 Banda de frecvență

Un alt parametru important al oricărei antene este banda de frecvență pe care o acoperă. Doar impedanța benzii de frecvență este specificată în cele mai multe cazuri. Totodată, e important de înțeles că există câteva definiții importante cu privire la banda de frecvență – impedanța benzii de frecvență, directivitatea benzii de frecvență, polarizarea benzii de frecvență și eficiența benzii de frecvență. Directivitatea și eficiența sunt de obicei combinate pentru a obține câștigul benzii de frecvență.

Impedanța benzii de frecvență

Aceasta este gama de frecvențe în care structura are o bandă de frecvențe folositoare comparată cu o anumită impedanță, de obicei de 50 Ω . Impedanța benzii de frecvență depinde de un număr mare de parametrii legați de antena de tip patch (de exempu factorul de calitate) și de tipul de alimentare folosit. Banda de frecvență e limitată la câteva procente. Acesta este dezavantajul major la antenele de tip patch de bază. Există tehnici pentru a îmbunătăți lărgimea benzii de frecvență.

Directivitatea/câștigul benzii de frecvență

Aceasta este gama de frecvențe în care antena are anumite cerințe de directivitate/câștig

Eficiența benzii de frecvență

Aceasta este gama de frecvențe în care antena are o radiație/eficiență totală rezonabilă.

Polarizarea benzii de frecvență

Aceasta este gama de frecvențe în care antena își menține polarizarea.

Rația axială a benzii de frecvență

Această bandă de frecvență este legată de polarizarea benzii de frecvență și acest număr exprimă calitatea polarizației circulare a antenei.

Cap. 4 Analiza și simularea antenei de tip patch

4.1 Descrierea softului utilizat pentru modelarea antenelor de tip patch

Antena Magus este un software de analiză electromagnetică (EM), bazându-se pe tehnicile EM (CEM) de ultimă oră pentru a oferi utilizatorilor un software care poate rezolva o gamă variată de probleme de electromagnetism. Multiplele tehnici de soluționare disponibile în cadrul Antenna Magus fac ca acest program să poată fi aplicabil la o gama variată de probleme pentru o mare variatate industrii.Aplicațiile tipice includ :

Antene: analiza antenelor de tip horn, microstrip, antene fir, antene de tip reflector analysis of horns, microstrip patches, wire antennas, reflector antennas, antene de bandă largă de frecvență, etc.

Poziționarea antenelor: analiza modelelor de radiații ale antenelor, zone cu risc de iradiere, cand e vorba de poziționarea lor pe structuri mari

EMC: analiza diverselor probleme de EMC, incluzând ecranarea efectivă a unei incinte, analiza cuplajelor dintre cabluri în medii complexe, ca de exemplu cablurile dintr-o mașină

Bio-electromagnetism: analiza corpurilor omogene sau neomogene, extracția SAR

Componente RF:analiza structurilor conducătoare de unde

Circuite 3D EM: analiza filtrelor microstrip, cuplajelor, inductorilor, etc.

Probleme aleatoare: analiza multiplelor straturi de dielectric dintr-ă structură mare

Probleme de dispersie: Analiza RCS a structurilor mari și mici

Caracteristici:

gamă largă de primitive pentru crearea modelelor (e.g. helix, con, fir, paraboloid, hiperboloid, curbe Bezier)

Importarea din exterior de liste de puncte calculate pentru crearea de linii, poligoane, etc.

Accesul te tip arbore la elementelor de simulare (setări, materiale, grille, rezultate, etc.)

Selecție, zoom , manipularea 3-D cu ajutorul mouse-ului, etc.

Programul lucrează cu rețele de discretizare. Densitățile acestora sunt variabile, deci se poate modela cu acestea precis și eficient trăsăturile unor suprafețe mici cum ar fi antenele de tip microstrip. Pe fețe și margini, densitatea rețelei de discretizare poate fi de asemenea specificată, iar instrumentele de fixare pot fi discretizate de asemenea. Post-proces, se pot urmări următoarele: vederi 2-D și 3-D,schițe 2-D XY , diagramă polară, diagramă Smith, diagrama polara de radiatii (3-D în model, 2-D XY/polar), date despre radiații și câmp îndepărtat, Secțiune transversală radar (RCS), SAR, extragerea parametrilor-S multi port, câteva opțiuni de vizualizare pentru suprafețe, incuzând izosuprafețele, secțiuni și altele.

La baza programului stă Metoda momentelor (MoM). Câmpuile electromagnetice sunt obținute prin calcularea în primă instanță a curenților suprafețelor electrice și calcularea similară a curenților suprafețelor electrice și magnetice pe suprafețele solidelor dielectrice. Curenți sunt calculați folosind o combinație liniară a unor funcții de bază, unde coeficienții sunt obținuți rezolvând un sistem de ecuații liniare. Odată ce distribuția curentului e cunoscută, o sunedenie de alți parametri ca și câmpul indepărtat, câmpul apropiat, dispersia, directivitatea sau impedanța de intrare a antenelor. În Antena Magus , MoM este hibridizatăcu următoarele soluții tehnice: o Metoda elementului finit (FEM) o Optica fizică (PO) o Optică geometrică (GO) o Teoria uniformă a difracției (UTD).

Fig. 3.4. Folosirea metodele de soluționare în Antena Magus depinzând de dimensiunea electrică și de complexitatea materialelor

Această hibridizare presupune ca tehnicile de soluționare pot fi aplicate diferitelor părți ale aceluiași model pentru a optimiza timpul de soluționare și a rezultatelor. Pentru modelarea corpurilor dielectrice/magnetice, MOM așa cum este implementată în Antena Magus , oferă un număr de tehnici diferite precum principiul de echivalență al suprafețelor, principiul de echivalență al volumelor, funcția specială Green pentru un plan multistrat, și aproximări pentru foi subțiri de dielectric. Interfața cu utilizatorul e alcătuitădin componentele CADFEKO, EDITFEKO și POSTFEKO. CADFEKO este folosit pentru a creea rețeaua de discretizare a geometriei și pentru a specifica setările și cererile pentru calculul soluțiilor într-un mediu grafic. EDITFEKO este folosit pentru a construi modele avansate (atât geometric cât și din punct de vedere al cererilor soluțiilor) folosind un limbaj de nivel înalt care include bucle repetitive FOR și declarații condiționale IFELSE. PREFEKO procesează modelul și pregătește fișierul de intrare (*.fek) pentru programul FEKO care e defapt codul pentru calcul. Fișierele de ieșire ASCII (*.out) și binary (*.bof) ale FEKO conțin toate informațiile despre soluție. Câmpul și/sau curenții rezultați pot fi afișați – 2D sau în combinație cu geometria, 3D – cu POSTFEKO. POSTFEKO este folosit de asemenea pentru a vizualiza geometria modelului creat în FEKO, înainte de a se fi rulat FEKO.

FEKO simplifică procesul de proiectare a unei antene microstrip cu setul lui de cuprinzător de instrumente de calcul. Metoda momentelor calculează cu precizie distribuția de curent pe toate elementele metalice a unei antene microstrip și apoi calculează caracteristicile antenei din acești curenți. Funcția specială Green este aplicată antenelor cu mai multe straturi, care să permită o analiză a suprafețelor și firelor cu formă arbitrară și orientate. Structurile metalice pot trece chiar și prin limitele straturilor de dielectric.

4.2 Simularea în Programul Antenna Magus

Toți parametrii unei antene de tip patch de formă dreptunghiulară (L, W, h, permitivitate) controlează proprietățile antenei. Ca atare, se dau idei generale despre cum acești parametrii afectează performanța, pentru a înțelege procesul de proiectare. În cele ce urmează se dorește a se face o comparație între diferite antene patch la care difera feed offset .

Folosind programul Antenna Magus am încercat sa simulăm o antenna de tip patch la care sau stabilit obiectivele următoare :

Utilizând astfel de antene patch dorim sa obtinem o antenă care să fie cât mai stabilă la interferențe, zgomote si cu o lațime de bandă cat mai mică . In exemplu următor sau stabilit următori parametri ale antenei patch:

Cu ajutorul programului Antenna Magus se pot studia diferite rezultate ale antenei de tip pach influentate in mod direct de feed offset. Datorită simulărilor efectuate se încearcă a se găsi o soluție ideală de antenă de tip patch care să se aproprie de impedanța reală egală cu 50 Ω iar impedanța imaginară sa fie egală cu zero. Odată cu modificare feed offset de la valoarea 8, 31mm la 11,05 mm se poate consta ca impedanța reală crește direct proportional cu mărirea feed offset iar impendența scăzând invers propoțional cu feed offset. S-a constat faptul ca odată cu stabilirea feed offset-ului la o distanță de 11,05 mm se obține un semnal GPS 1,575 MHz cu o valoare a impedanței reale de 44 Ω după cu cum se poate observa și în figura 4.1.

Figura 4.1 Impedanța în funcție de frecvență

Pentru a se putea opține o antennă cat mai eficientă se dorește un VSWR cât mai aproape de 1. Acest raport fiind unul ideal dar in practică se poate tolera pănă la o valoare de 1,2 utilizat în semnalele GPS . Pentru a se putea evidenția acest raport VSWR am simulat o antenna de tip patch la care îi diferă feed offset . In prima simulare s-a utilizat aceiași paremtri utilizați și sus cu feed offset la valorea 8,31 mm opținându-se un zgomot foarte mare cee ce înseamnă că semnalul transmis în parte parte este reflectat înapoi . Odată cu modicarea offsetului la o valoare de 11,05 mm se obține un VSWR mult mai eficient aproape de cel ideal reprezentat în figura 4.2.

Figura 4.2 Raport semnalului VSWR

Acest program utizlizat în simularea antenei de tip patch dispune de reprezentarea formei semnalului sub formă de diagrama smirt chart. Orice impedanță complexă poate fi reprezentată printr-un punct, aflat într-un semiplan infinit, determinat de abscisă și ordonată.
In cazul unei linii de transmisie, se pote efectua o operație de normalizare, adică de împărțire a valorii impedanței cu valoarea impedanței caracteristice a liniei de transmisie. Aplicând apoi o transformare conformă, orice valoare a impedanței normalizate poate fi reprezentată pe o diagramă cu suprafața finită, numită diagrama Smith (Smith chart).

În figura 4.3 se poate obeserva și caracterul capacitiv al impedanței conform diagramei Smith Chart .Prima antenna va fi neutilizabilă deoarece suferă pierderi mari, semnalul fiind reflectat in pare parte înapoi . Se poate spune că tot cu un offset de 11,05 mm se ajunge la valorea ideală a semnalui GPS.

Diagrama Smirt Chart

Figura 4.3 Impedanța semnalului GPS sub forma Diagramei Smirt Chart

Odată cu modificare feed offset point se poate observa modificarea coeficientului de reflexie a undei . Coeficientul de reflexie  p se definește prin raportul dintre expresiile în complex ale tensiunii inverse (reflectate) Ui2 și a celei directe (incidente) Ud2, la sfârșitul liniei (x=0). Coeficientul de reflexie fiind mai mic in primul exemplu și crescând odată cu modificarea offsetului , la fel cum se poate observa în figura 4.4 La fel cu creșterea semnalului GPS apar perturbațiile care afacetează acuratețea semnalului.

Putem spune că coeficientul de reflexie ideal care am dori sa il obținem sa fie cat mai mic sau egal cu zero, el fiind măsurat în dB.

Figura 4.4 Coeficientul de reflexie

O altă reprezentare a semnalului GPS este ceea 3D unde putem observa ca puterea este radiată în partea de sus ajută la vizualizarea semnalului din mai multe unghiuri prezent în figura 4.5

Figura 4.5 Reprezentare 3D a semnalului GPS

Se poate spune că directivitatea semnalui este orientată în partea de sus . Cu ajutorul programului Antenna Magus se poate vizualiza sub diverse forme semnalul GPS, reprezentat sub o formă 3D ca și în figura 4.6.

Figura 4.6 Reprezentare 3D semnal GPS

4.3 Analiza și simularea antenei patch cu Network Analyzer E5062A

Cu ajutorul analizatorului Network Analyzer E5062A care oferă posibilitatea de realiza difertă măsurători utilizate în dezvoltare si cercetare pentru diferite filtre, antene . Cu acest analizator se pot măsura caracteristicile de transmisie sau de reflexie sau pentru testarea unor anumite filtre sau antene. Este un dispozitiv ușor de utilizat având o interfanță cu sistem de operare Windows , care permite utilizatorului să realizeze o gamă largă de măsurători și testări cu parametric bine definiți de către utilizator. Produsul este fabricat de catre compania Agilent care oferă o gamă variată de astfel de analizatoare adaptive fiecărui utilzator împarte .

În cadru colaborări pe care am avut-o cu Plexus România unde s-a făcut și testarea antenei de tip patch forma fiind dreptunghiulară care a avut următoarele obiective:

lățimea : 46,17 mm

lungimea : 58,01 mm

feed offset point : 11, 41 mm

permitivitatea : 2.25 εr

Am simulat antenna de tip patch între frecvențele 1,55 Mhz și 1,60 Mhz , unde pentru semnalul GPS de 1,57542 Mhz (market 1) am obținut un raport al VSWR de 1,19 ce reprezintă un semnal care este transmis aproape în totaliate si care poate fi utilizat la recepție , după cum se poate oberva și în figura 4.7.

Figura 4.7 Raport între Frecvența și VSWR

În următorul grafic 4.8 am dorit sa obținem un raport mai mic la VSWR și am modificat parametric frecvenței antenei care au următoarele valori :

market 1 : 1,5754200 Ghz cu un VSWR de 1,1972

market 2 : 1, 5769787 Ghz cu un VSWR de 1,1755

Odată cu creșterea frecvenței semnanului GPS se obține un VSWR aproape ,,ideal” de valoarea 0, putem spune că avem o antenă mult mai stabilă, ea poate fii folosită fără pierderi mari .

Figura 4.8 Raport Frecvență și VSWR

Un alt grafic obținut cu ajutorul analizatorului Network Analyzer E5062 A este o reprezentare sub forma unei diagrame Smirt Chart unde se poate observa că reactanța are un caracter capacitive, antenna este una utilizabilă în practică rezistentă la perturbațile externe după cum se poate observa în figura 4.9

Figura 4.9 Diagrama Smirt Chart obținută cu analizatorul Network Analzyer E5062A

4.4 Testarea antenei GPS cu stația Sepura STP 900

Antena testată este aceiași care s-a utilizat și cu analizatorul E 5062 A , de formă dreptunghiulară și cu același dimensiuni. La testarea antenei s-a folosit un GPS Simulator 101 setat la o putere de 130 dB conectat printr-o sondă BNC cu un conductor de 15 cm si o stație Sepura STP 9000 încorporat cu receptor GPS. Semnalul recepționat de la antenna GPS a suferit diferite modificări datorită poziției stației după cum observăm în figura 4.10

Figura 4.10 Antena GPS și Stația Sepura STP 9000

Distanța fiind una foarte mică semnalul recepționat de către stație ajunge la o valoare de 25dB, la modificarea poziției stației la o distanță de aproximativ 10 cm prezentat în figura 4.11 am obținut o valoare de 38 dB antena fiind una utilizabilă.

Figura 4.11 Antena GPS și Stația Sepura STP9000

Antena testată are o directivitate în sus la fel cum s-a obținut și simulat cu programul Antenna Magus , acest parametru poate fi modificat ușor cu ajutorul feed offset point . Directivitatea antenei studiate este una pentru distanțe scurte , acest factor l-am testat poziționând stația la o distanță de aproximativ 45 cm distanță prezentat în figura 4.12 față de antenă calitatea semnalului recepționat fiind una slabă la o valoare de 19 dB . Semnalul optim poate fii utilizat pe o distanță de 10…15 cm receptionat fără a exista riscu de a suferi erori , odată cu creșterea distanței semnalul transmis nu v-a mai fi recepționat.