Antenă microstrip de bandă largă pentru comunicații mobile [306344]

Licență

Antenă microstrip de bandă largă pentru comunicații mobile [306344]

Byadmin ianuarie 1, 2024

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” [anonimizat]: Cristian ANDRIESEI Absolvent: [anonimizat]. Univ. Dr. Ing, ETTI Iași Roman Paul Ionuț

IAȘI

2018

Memoriu justificativ

Anul 2018 ne aduce în plin proces de standardizare a viitoarelor comunicații mobile 5G, de dezvoltare a [anonimizat] a dispozitivelor care să deservească viitoarele aplicații inteligente ([anonimizat], [anonimizat]). Cel puțin două aspecte rețin atenția în această privință:

– [anonimizat] 1 a viitoarelor comunicații 5G fiind standardizată în Europa la 28 GHz;

– apariția în ultimii doi ani de specificații/[anonimizat] 3-5 GHz ([anonimizat]);

– apariția pe piață a tot mai multe antene comerciale multistandard.

[anonimizat] o importanță tot mai mare pe fondul implementării aplicațiilor în domeniul microundelor (1), proiectării de dispozitive multistandard pentru microunde (2) și necesității testării dispozitivelor/modulelor electronice în domeniul microundelor (3), așa cum este cazul EMC și nu numai.

Această temă a [anonimizat] (cel puțin) 10 [anonimizat] (1) și (3), [anonimizat]:

– utilizarea și testarea antenelor ;

– recunoașterea diverselor structuri de antene microstrip ;

– identificarea experimentală a polarizării ;

– familiarizarea cu polarizarea circulară (particulară aplicațiilor GPS și mai puțin abordată în curricula universitară) ;

– [anonimizat] ;

– familiarizarea cu articole științifice și bazele de date aferente, o necesitate ținând cont că de multe ori se aplică în industrie soluții propuse în literatura științifică ;

– familiarizarea cu literatura de brevete.

Abstract

În această teză s-a [anonimizat] o [anonimizat]. Pe parte teoretică s-a parcurs literatura științifică (conferințe și jurnale științifice) [anonimizat]-se îndeosebi pe familiarizarea cu parametrii specifici antenelor. Pe parte practică s-au caracterizat experimental 3 antene microstrip (de bandă largă) existente în dotarea laboratorului.

Teza este structurată pe 3 capitole, după cum urmează:

Capitolul 1 prezintă o introducere în domeniul tehnologiei microstrip fără a [anonimizat]-[anonimizat]tare a acestora în Microwave Office.

Capitolul 2 sintetizează antenele microstrip de bandă largă de tip patch dreptunghiular raportate în literatura științifică și de brevete, precum și variante comerciale care acoperă domeniul de frecvență alocat comunicațiilor mobile.

Capitolul 3 este dedicat în întregime părții experimentale și vizează caracterizarea experimentală a 3 antene microstrip de bandă largă din dotarea laboratorului, în două scenarii experimentale (setup) distincte identificate în cadrul Laboratorului TMU. Un al treilea scenariu experimental viza camera anecoică din cadrul ETTI, dar acesta va rămâne ca activitate ulterioară.

1.Linii de transmisie de tip microstrip

1.1 Introducere

Liniile de transmisie se folosesc la procesarea și transmisia semnalelor, în funcție de frecvența de lucru și aplicație alegându-se una din cele 3 tipuri de linii: ghid de undă, linie microstrip și cablu coaxial.

Linia de transmisie de tip microstrip se folosește la frecvențe din domeniul microundelor pentru transmiterea mai eficientă a semnalelor și eventual prelucrarea lor, cum este cazul filtrelor microstrip, mixerelor, circulatoarelor și cuploarelor microstrip folosite în domeniul microundelor.

Constructiv, tehnologia microstrip este similară tehnologiei cablajelor imprimate (PCB), fiind implementată cu doi conductori de lungime L, unul mai îngust (traseu) dispus deasupra unui substrat dielectric de grosime h, respectiv un al doilea dispus sub substrat și suprafața acestuia (plan de masă), ca în Fig. 1.

Fig. 1- Linie microstrip – structură principială

Parametrii liniei microstrip din Fig. 1 au semnificația următoare:

w – lățimea traseului conductor,

t – grosimea traseului conductor,

h – grosimea substratului,

εr – permitivitatea dielectrică relativă.

Acești parametri ai liniei împreună cu impedanța caracterstică Z0, sunt folosiți în proiectarea liniei microstrip în programele specifice de proiectare a circuitelor de microunde (Microwave Office, Ansoft, HFSS, ADS, etc).

Tabel 1- Tipuri de linii microstrip

Avantajul principal al liniei microstrip față de cablajele clasice îl constituie comportarea mai bună în frecvență, grație tipului particular de substrat folosit. În acest sens, în domeniul microundelor se folosesc mai multe tipuri de materiale, rezumate în Tabelul 2, dintre acestea RT Duroid 5870, RT Duroid 5880 și RT Duroid 6010.5 (Rogers) fiind cele mai uzitate ca dielectrici moi (soft substrates), oferind avantajul flexibilității, prețului scăzut și ușurinței de fabricație.

Au însă dezavantajul unei dependențe puternice cu temperatura. În contrapondere, cuarțul, alumina, safirul și GaAs sunt dielectrici duri și oferă avantajul unei mai bune stabilități cu temperatura, respectiv fiabilitate crescută (pentru un cost mai mare).

Tabel 2- Tipuri de materiale folosite pentru substrat la liniile microstrip

Distribuția liniilor de câmp în linia microstrip considerată izotropă este prezentată în Fig. 2. După cum se remarcă, liniile de câmp magnetic se închid prin aer și substrat, un aspect deosebit de important la proiectarea cuploarelor și filtrelor microstrip care folosesc linii cuplate.

Pe de altă parte, liniile de câmp electric se închid preponderent prin substrat, distribuția acestora fiind dependentă de grosimea h a substratului și permitivitatea relativă a acestuia εr, respectiv lățimea w a traseului conductor. Se presupune că substratul este izotrop, ceea ce implică o distribuție uniformă a liniilor de câmp, în cazul materialelor anizotrope (safir, cuarț, florură de magneziu și nitrură de bor) εr variind în interiorul substratului, cu afectarea performanțelor în frecvență și complicarea modelului liniei microstrip.

Fig. 2- Linii de câmp în linia microstrip (vedere transversală)

Parametrul cel mai important pentru linia microstrip este reprezentat de impedanța caracteristică Z0, dată de expresia generală (1) pentru traseu îngust (w/h≤1) și (2) pentru traseu mai lat (w/h>1) [1]:

În practică, linia microstrip se proiectează pentru obținerea unor valori ale lui Z0 de zeci-sute Ω. În plus, deși presupunem în procesul de modelare al liniei microstrip că parametrii liniei microstrip sunt constanți, în realitate modelele dezvoltate practic și înglobate în programele de proiectare iau în considerare variația acestor parametri cu frecvența, în special pentru εr.

În concordanță cu expresiile matematice de modelare a liniei microstrip dezvoltate în literatură, frecvența de lucru maximă este proporțională cu impedanța caracteristică Z0 și invers proporțională cu w, h, și . Toate formulele folosite la proiectarea liniilor microstrip în

simulatoarele uzuale (Microwave Office – TXLine, Ansoft) au la baza condiția w=2t, de unde și lipsa lui t din formulele (1) și (2).

Orice linie microstrip are pierderi care se manifestă atât la nivelul traseului cât și la nivelul substratului (preponderent pierderi în dielectric), acestea măsurându-se în dB/m (parametrul Loss din TXLine) sau în submultipli ai acestuia (dB/cm, dB/mm, etc).

1.2 Exemplu de proiectare a liniei microstrip în simulatorul TXLine

Așa cum este ilustrat în Fig. 3, simulatorul TXLine permite proiectarea celor mai uzitate tipuri de linii microstrip:

Linie microstrip standard;

Linie de tip Stripline (Fig. 4);

Linie de tip CPW (Fig. 5);

Linie de tip CPW Ground (cu masă) (Fig. 6);

Linie de tip Slotline (Fig. 7);

Linii microstrip cuplate (Coupled MSLine) (Fig. 8);

Linii microstrip de tip Stripline cuplate (Fig. 9).

Fig. 3 Proiectarea unei linii microstrip standard în TXLine

Fig. 4 Proiectarea unei linii microstrip de tip Stripline în TXLine

Fig. 5 Proiectarea unei linii microstrip de tip CPW în TXLine

Fig. 6 Proiectarea unei linii microstrip de tip CPW Ground în TXLine

Fig. 7 Proiectarea unei linii microstrip de tip Slotline în TXLine

Fig. 8 Proiectarea unei linii microstrip cuplate (Coupled MSLine) în TXLine

Fig. 9 Proiectarea unei linii microstrip cuplate de tip Stripline în TXLine

Fig. 10 Tipuri de materiale pentru substrat acceptate pentru proiectare în TXLine

Fig. 11 Tipuri de materiale conductoare acceptate pentru proiectare în TXLine

Utilitarul TXLine permite fie dimesionarea automată a liniei microstrip funcție de impedanța caracteristică și frecvența de lucru specificate ca și date de proiectare, ca în Fig. 12, fie calculul impedanței caracteristice pentru o geometrie particulară dată (Fig. 13).

Fig. 12 Proiectarea unei linii microstrip pentru f0 și Z0 specificate

Fig. 13 Calculul automat al lui Z0 pentru o linie microstrip cu fo și dimensiuni specificate

În Fig. 14 si Fig. 15 se ilustrează efectul grosimii traseului conductor asupra pierderilor în linia microstrip.

Fig. 14 Pierderi de 0,18 (dB/cm) pentru o grosime de 1 (m) a traseului

Fig. 15 Pierderi de 0,12 (dB/cm) pentru o grosime de 10 (m) a traseului

1.3 Referințe bibliografice

[1] Circuite integrate de microunde, Roman Baican, Ed. Promedia Plus, Cluj Napoca, 1996

[2] http://www.awrcorp.com/products/ni-awr-design-environment/microwave-office

[3]https://www.keysight.com/main/software.jspx?cc=RO&lc=eng&ckey=2212036&ni-

34333.804574.02&id=2212036&cmpid=zzfindeesof-ads-latest-downloads

[4]https://www.ansys.com/about-ansys/news-center/07-29-10-ansysreleasesansoftdesigner-6-0

[5] https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss\

2. Antene microstrip de bandă largă

2.1 Problematica antenelor în comunicațiile mobile

Problematica antenelor se poate identifica la 3 nivele în sistemele de comunicații mobile:

Necesitatea utilizării antenelor la stația de bază

Necesitatea utilizării antenelor la terminalele portabile (mobile), inclusiv tablete

Necesitatea utilizării antenelor pe linie de testare/compatibilitate

Pentru stația de bază, se identifică o multitudine de cerințe și constrângeri vis-a-vis de proiectarea și mai ales utilizarea antenelor (inclusiv poziționarea antenei), după cum se poate constata în Fig.16, respectiv Fig. 17. Dintre problemele aferente, dimensiunea antenei a constituit întotdeauna un factor decisiv la proiectarea stațiilor de bază, mai ales pe fondul expansiunii rețelelor de comunicații mobile, dimensiunile celulelor devenind din ce în ce mai mici, implicit impunând constrângeri asupra gabaritului antenelor folosite (greutate, dimensiune, etc).

Fig. 16 Cerințe de sistem pentru antenele utilizate la nivelul stației de bază

Fig. 17 Constrângeri și cerințe în proiectarea antenelor pentru stații de bază

Al doilea nivel vizează terminalele mobile, după cum este ilustrat în Fig. 18 [1] (poză generică).

Fig. 18 Configurația internă a unei antene dintr-un terminal mobil [1]

La acest nivel se lucrează cu alt set de constrângeri: adaptare de impedanță, izolarea antenei în interiorul dispozitivului, diagramă de radiație, câștig (în directă relație cu eficiența), dimensiuni, performanțe în frecvență (cea mai critică în contextul trendului ascendent al dispozitivelor multistandard).

Al treilea nivel vizează problemele specifice de testare, inclusiv EMC, topicul acestei lucrări încadrându-se în această zonă.

2.2 Antenă de tip patch dreptunghiular. Introducere

Datorită eficienței crescute și ușurinței de proiectare, antenele microstrip de tip patch sunt folosite într-o gamă variată de aplicații. Una dintre cele mai uzitate geometrii este antena microstrip de tip patch dreptunghiular, așa cum este cea din Fig. 19.

În Fig. 20 este exemplificată o astfel de structură, descrisă de lungimea L și lățimea W, suprapusă peste un substrat dielectric (cu permitivitatea relativă εr) și un plan de masă. Grosimea substratului dielectric h este de cele mai multe ori ≤ 0.02∙λg, unde λg reprezintă lungimea de undă din dielectric.

Fig. 19 Antenă de tip patch dreptunghiular

Fig. 20 Distribuția liniilor de câmp

Există două aspecte majore care țin de proiectarea antenei: dimensionarea propriu-zisă a patch-ului și alegerea (dacă este necesar) a tipului de interfațare.

Pentru dimensionare se folosesc formulele (3)-(6) [2].

unde ɛeff este constanta dielectrică efectivă și Δl este extensia marginii, acestea obținându-se pe baza formulelor următoare:

Interfațarea antenelor microstrip de tip patch poate fi efectuata în cel puțin doua moduri, în funcție de poziționarea conectorului SMA al antenei:

-perpendicular pe planul patch-ului (Fig. 21-stânga) cu avantajul conectarii directe a

cablului de semnal la antena și evitarii folosirii transformatorului de impedanța, ceea ce

complica însa procesul de fabricație.

-în planul antenei (Fig. 21-dreapta) cu avantajul simplificarii procesului de fabricație și

dezavantajul încluderii unui transformator de impedanța (îngreuneaza modelarea

antenei).

Fig. 21 Interfațare perpendiculară (stânga) și interfațare în plan (dreapta)

2.3Antene pentru aplicații de bandă largă raportate în literatura științifică

Au fost contorizate peste 1000 de articole din literatura științifică pe problematica antenelor microstrip. Toate acestea au fost triate după criterii precum: formă, bandă și numărul de straturi.

În continuare, structurile propuse în cele 18 referințe sunt clasificate din diverse perspective în scopul obținerii unor informații utile pentru proiectarea propriu-zisă, rezumate funcție de criteriile următoare.

1) Conform cu articolele studiate, următoarele materiale au fost utilizate pentru susbstrat:

a) FR-4 (εr = 4.4) – 9 referințe ([3]-[11]) – cel mai utilizat tip de substrat, prezintă avantaje precum performanțe bune la frecvențe joase (de ordinul GHz) pentru un preț redus.

b) Familia Rogers – 7 referințe ([12]- [18]) – în această familie regăsim materiale precum Duroid 5880 (εr = 2.2), Duroid 5870 (εr = 2.3), GML 1000 (εr = 3), Arlon (εr = 2.5) sau RO 4003 (εr = 3.4). Familia Rogers este inclusă în toate instrumentele de simulare pentru microunde, așadar utilizarea lor reprezintă un avantaj în eventualitatea proiectării software.

c) “Foam” (εr = 1) – 3 referințe ([12], [19], [20]) – este un polimer ( -CH2CHCONH2- ) bazat pe acrilamidă. Acesta oferă o compatibilitate bună cu elementele metalice datorită faptului că nu are efect coroziv.

2) Au fost raportate 3 simulatoare utilizate:

a) Ansys High Frequency Structure Simulator (HFSS) – utilizat în 5 referințe ([10]-[12], [14], [19]).

b) IE3D (Mentor Graphics) – utilizat în 3 referințe ([4], [13], [18]). c) Empire (FDTD) – utilizat într-o singură referință ([17]).

În 9 referințe ([3], [5]-[8], [14]-[16], [20]) instrumentele de simulare nu sunt specificate sau nu sunt utilizate.

3) Măsurarea parametrilor este cea mai importantă etapă în proiectarea antenelor, iar ca metode de măsurare sunt date 2 opțiuni: a) analizor de rețea vectorial (VNA) ([3], [5], [8]-[10], [14], [15], [17]) și b) camera anecoică ([4], [5], [9], [10], [17]).

4) Un alt aspect important îl constituie caracterizarea experimentală a performanțelor antenei. În baza articolelor studiate s-a identificat o structură cu Gmin=0.8 dBi ([11]) și o structură cu Gmax=9 dBi ([19]). Un câștig suficient de bun (6 dBi) a fost raportat în 3 referințe ([5], [6], [15]).

5) Deși polarizarea liniară este specifică antenelor folosite în comunicații mobile, polarizarea circulară a fost raportată în 5 referințe, dintre care una de tip RHCP ([6]), una de tip LHCP ([9]), două cu ambele tipuri ([12], [13]) și una în care nu este specificat tipul ([11]).

6) Cu privire la mărimea antenei s-a identificat o dimensiune minimă de 1.2×0.5 cm2 ([4]) și o dimensiune maximă 7×7 cm2 ([11]). Dimensiunile pentru antenele propuse sunt centralizate în Tabelul 3.

Tabel 3 Dimensiunile antenelor și benzile de frecvența

În graficul din Fig. 22 sunt rezumate performanțele în frecvența ale antenelor pâna la 20 de

GHz, singura excepție fiind referința ([15]) care acopera 2 benzi largi de frecvența, prima

acoperind și comunicațiile mobile.

Fig. 22 Distribuția benzilor de frecvența

2.4 Antene de bandă largă brevetate

În figurile de mai jos sunt reprezentate diverse structuri de antene microstrip cu performanțe de bandă largă, aici referite ca AMBL (antene microstrip de bandă largă), brevetate (disponibile pe platforma http://www.freepatentsonline.com/).

Sunt propuse ca implementare geometrii, fie cu un singur strat (AMBL-1S), fie cu mai multe straturi (AMBL-MS). De menționat este faptul că, indiferent de numărul de substraturi, cele mai utilizate materiale sunt cele care au constanta dielectrică relativă εr=2.2 și 4.4 (Rogers 5880, respectiv FR-4).

Fig. 23 AMBL-1S brevetate pentru aplicații de microunde [21]-[24] (2-3 GHz)

Fig. 24 AMBL-1S brevetate pentru aplicații de microunde [25],[26] (3-5 GHz)

Fig. 25 AMBL-MS brevetate pentru aplicații de microunde [27],[28] (3-5 GHz)

Fig. 26 AMBL-MS brevetate pentru aplicații de microunde [29]-[31] (1-12 GHz)

Principalul motiv pentru care adesea se preferă utilizarea AMBL-MS în defavoarea altor tipuri de antene este banda mai mare obținută prin suprapunerea materialelor dielectrice.

2.5 Exemplu de dimensionare a unui patch dreptunghiular

În această secțiune a tezei se evaluează influența frecvenței de rezonanță și substratului asupra dimensiunilor antenei (W și L). Pentru substrat, grosimea a fost fixată la 0.0762 (cm) [2], iar ca material s-au utilizat Rogers 5880 (εr=2.2) și respectiv FR-4 (εr=4.4). Frecvența de rezonanță va fi, pe rând, frecvența centrală a fiecăreia din cele 4 benzi standardizate pentru comunicații mobile (IMT 2100, 1900 PCS A-F, 1800 DCS și 900 E-GSM), atât pentru Uplink (UL) cât și pentru Downlink (DL).

De asemenea se presupune că antena este adaptată la feed-ul de 50 Ω printr-un transformator de impedanță. Calculele pentru dimensiunile antenei au fost efectuate în programul Mathcad (Fig. 27), fiind obținute ca în Tabelul 4.

Fig. 27 Script Mathcad pentru dimensiunile antenei (patch)

În Fig. 28 se observa dependența dimensiunilor fața de frecvența în cazul celor doua materiale cu permitivitați dielectrice relative diferite, iar în Tabelul 4 sunt prezentate valorile obținute în urma calculului.

Fig. 28 Dependența dimensiunii de frecvența pentru cele doua materiale

Tabel 4 Dimensiuni de antene obținute pentru diferite frecvențe centrale

2.6 Antene comerciale de bandă largă pentru comunicații mobile

În figurile de mai jos (Fig. 29-42) sunt exemplificate 3 antene comerciale, produse de Taoglas și Linx, firme care produc antene de bandă largă. Aceste antene sunt comercializate și pe site- ul www.mouser.com, o platformă americană ce cuprinde mai multe componente electronice, printre care și antene pentru comunicații mobile. Din parametrii datasheet ai acestor antene sunt rezumate performanțele de bandă, câștig, adaptare, etc.

Fig. 29 Antenă comercială Taoglas 1

Fig. 30 Specificațiile antenei comerciale Taoglas 1

Fig. 31 Parametrii antenei comerciale Taoglas 1 (extras datasheet)

Fig. 32 S11 pentru antena comercială Taoglas 1

Fig. 33 Dependența semnalului de lungimea cablului pentru antena Taoglas 1

Fig. 34 Antenă comercială Taoglas 2

Fig. 35 Specificațiile antenei comerciale Taoglas 2

Fig. 36 Parametrii antenei comerciale Taoglas 2 (extras datasheet)

Fig. 37 Graficul pierderilor de reflexie pentru antena comercială Taoglas 2

Fig. 38 Antenă comercială Linx

Fig. 39 Specificațiile antenei comerciale Linx

Fig. 40 Graficul VSWR al antenei comerciale Linx

Fig. 41 S11 pentru antena comercială Linx

Modele comerciale există și în dotarea laboratorului TMU, așa cum este cazul antenei PCB prezentate în Fig. 42.

Fig. 42 Antenă comercială disponibilă în cadrul laboratorului [32]

2.7 Referințe

[1] Internal Shorted Patch Antenna For UMTS Mobile Phone, Saou-Wen Su, Taiwan, pg.

343-346, 2005, www.ieee.org/publications/index.html

[2] RF and Microwave Wireless Systems, Kai Chang, Ed. John Wiley & Sons Ltd, pg. 67-110,

2000

[3] Microstrip-Line-Fed Rectangular Microstrip Antenna With Open End Meandering Slots in the Ground Plane for contract Broadband Operation, Usha Kiran, India, pg. 824-827, 2006,

https://ieeexplore.ieee.org/search/

[4] A Modified PSO Technique Using Heteregeneous Boundary Conditions for Broadband

Compact Microstrip Antenna Designing, S. Kibria, Malaezia, pg. 509-514, 2013, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[5] Dual Brand-Notch UWB Antenna with Single Tri-Arm Resonator, Rezaul Azim, Malaezia, pg. 670-673, 2014, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[6] Broadband Circularly Polarized Aperture-Coupled Microstrip Antenna Mouned in a 2.45

GHz Wireless Communication System, Hua-Ming Chen, Taiwan , pg. 100-101, 2000, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[7] Analysis of a Compact and Broadband Microstrip Patch Antenna , Jamshed A. Ansari, India, pg. 2059-2063, 2007 , https://ieeexplore.ieee.org/search/

[8] Design of Square Microstrip Antenna for Dual Wideband Operation, Kishad Singh, India, pg. 2578-2582, 2009 , https://ieeexplore.ieee.org/search/

[9] Wideband Circularly Polarized Microstrip Antenna Using Broadband Quadrature Power Splitter Based on Metanaterial Transmission Line, Gang Zhao, China, pg. 1790-1793, 2008, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[10] A Broadband Microstrip Antenna for IEEE802.1.11.A/Wimax/Hiperlan2 Applications, M. S. Nishamol, India , pg. 155-161, pg. 372-379, 2010, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[11] Design of Wideband Circularly Polarized Capacitive Fed Microstrip Antenna, S. Murugan, India, 2011, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[12] A Wideband Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna Wireless Lan Applications,

G. Yang et al, Columbia, pg. 279-285, 2004 , https://ieeexplore.ieee.org/search/

[13] A Broadband Suspended Microstrip Antenna for Circular Polarization, V. G. Kasabegoudar, India , pg. 353-368, 2009, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[14] Ultra-Wideband Square Slot Antenna with a Novel Diamond Open-Ended Microstrip Feed, Mohammad Naser-Moghadasi, UK , pg. 1075-1080, 2008, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[15] Multiband Antenna for WiFi and WiGig Communications, Dian Wang, Hong Kong, pg.

309-312, 2015, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[16] Wideband Dielectric Resonator-Loaded Suspended Microstrip Patch Antennas, Vijay

Gupta, India, pg. 300-302, 2002, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[17] A Wideband Microstrip Antenna with Symmetric Radiation Patterns, Veeresh G. Kasabegoudar, India, pg. 1991-1995, 2007, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[18] Multi-Wideband Compact Microstrip Patch Antenna Based on Slot Matching, E. E. M. Khaled, Egipt, pg. 169-177, pg. 2578-2582, 2008, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[19] Wideband Microstrip Patch Antenna with Tilted L-Probe Feeding, Dongsheng Qi, China, pg. 380-382, 2004, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[20] Analysis of Broadband U-Slot Microstrip Patch Antenna, J. A. Ansari, India, 2007, pg.

1069-1073, https://ieeexplore.ieee.org/search/

[21] Ultra-wideband microstrip antenna , Soung-ho Myoung ,Do-Hoon Kwon, Seong-soo Lee, 7324049, www.freepatentsonline.com/7324049.html

[22] System and method of using absorber-walls for mutual coupling reduction between microstrip antennas or brick wall antennas, Eswarappa Channabasappa, 7427949, www.freepatentsonline.com/7427949.html

[23] Microstrip antenna for RFID device, Daniel D. Deavours, Mutharasu Sivakumar, 7750813, www.freepatentsonline.com/7750813.html

[24] Broadside high-directivity microstrip patch antennnas, Carles Puente Baliarda, Jaume Anguera Pros, Carmen Borja Boran, 7423593, www.freepatentsonline.com/7423593.html

[25] Broadband microstrip antennas with varactor diodes, Prakash Bhartia, 4529987, www.freepatentsonline.com/4529987.html

[26]Dualbandmicrostripantenna, Y.C.Cheng,6735849, www.freepatentsonline.com/6735849.html

[27] Planar single feed circularly polarized microstrip antenna, Vahakn Nalbandian, 6166692, www.freepatentsonline.com/6166692.html

[28] Electromagnetically coupled microstrip antennas, Amir I. Zaghloul, 4761654, www.freepatentsonline.com/4761654.html

[29] High efficiency slot microstrip antenna , William D. Killen, Herlberto Jose Delgado, 6995711, www.freepatentsonline.com/6995711.html

[30] Wideband microstrip antenna , Fred J. Dietrich, 4847625, www.freepatentsonline.com/

4847625.html

3. Caracterizarea experimentală a unor antene de bandă largă

3.1 Introducere

Caracterizarea experimentală a unei antene presuspune două lucruri: caracterizarea adaptării de impedanță și măsurarea diagramei de radiație. Acestea sunt detaliate mai jos în raport cu experimentele efectuate.

Adaptarea de impedanță este necesară pentru transfer maxim de energie la nivelul de separare a două medii fizice diferite. Este cuantificată cu ajutorul parametrilor S sau, mai simplu, cu VSWR. O valoare mare VSWR indică existența reflexiilor semnalului și implicit o adaptare de impedanță mai slabă calitativ. Valori mai mici decât 2 sunt obligatorii pentru aplicațiile cu antene. După cum se poate observa în Tabelul 5, o adaptare foarte bună înseamnă VSWR=1.5 și în cazul ideal VSWR=1. Tot aici se reprezintă și corespondența dintre VSWR și puterea

reflectată (%), unde Γ = (Zin-Z0)/(Zin+Z0).

Tabel 5 Semnificația valorilor VSWR din perspectiva semnalului reflectat

Valoarea parametrului VSWR se determina dupa formula (7), unde analizorul VNA04 afișeaza puterea aferenta tensiunii masurate :

Diagrama de radiație descrie puterea relativa radiata în toate direcțiile la o distanța constanta fața de antena. Aceasta se poate masura 2D sau 3D, ideal în camera anecoica.

Pentru masurarea diagramei de radiație, în aceasta lucrare sunt utilizate aceleași dispozitive ca

și în cazul identificarii tipului de polarizare.

De asemenea, este necesara conexiunea la PC pentru a putea încarca și vizualiza rezultatele

masurate. Ca program software a fost utilizat Amitec Polar Plot.

Polarizarea se definește ca orientarea câmpului electric a unei unde electromagnetice. Exista doua tipuri de polarizari: polarizare liniara și respectiv polarizare circulara. În cazul polarizarii liniare vectorul câmpului electric își pastreaza planul iar în cazul polarizarii circulare acesta urmeza o mișcare de rotație în jurul direcției de propagare realizând o întoarcere completa într-o perioada. Daca mișcarea circulara este în sens orar (Fig. 43) ne referim la RHCP. În caz

contrar ne referim la LHCP.

Fig. 43 Exemplificarea polarizarii circulare de tip RHCP [1]

Experimental se realizeaza mai întâi determinarea tipului de polarizare și apoi masurarea

diagramei de radiație.

Pentru cele 3 experimente efectuate au fost necesare echipamentele urmatoare (identice la

diagrama de radiație și polarizare):

Tabel 6 Dispozitive necesare pentru determinarile experimentale

Fig. 44 Analizor de rețea ATS04

Fig. 45 Parametrii datasheet ATS04

Fig. 46 Specificațiile liniei de transmisie de tip slot

Fig. 47 Analizor de rețea VNA04

Fig. 48 Parametrii datasheet analizor de rețea VNA04

Fig. 49 Parametrii datasheet pentru AMLP

Fig. 50 Parametrii datasheet pentru AMBow

Fig. 51 Parametrii datasheet pentru AMViv

Fig. 52 Dispozitive necesare caracterizării adaptării de impedanță

Fig. 53 Montaj experimental pentru Setup 1 (colțul încăperii)

Fig. 54 Montaj experimental pentru Setup 2 (centrul încăperii)

Fig. 55 Montaj experimental pentru determinarea tipului de polarizare

3.2 Caracterizarea experimentală a adaptării de impedanță pentru AMLP

Fig. 56 Montaj experimental pentru AMLP

Fig. 57 Meniul programului VNA04MIC

Fig. 58 Selectarea frecvenței

Fig. 60 Unde staționare la frecvența 1747,5 MHz

Pentru aceasta frecvența s-au masurat extremele undelor staționare, = -30,726 dBm și = -33,571 dBm. Pentru a se calcula VSWR se va utiliza urmatoarea formula:

Fig. 61 Minim măsurat de = -33,571 dBm

Fig. 62 Maxim masurat de = -30,726 dBm

Fig. 63 Unde staționare evidențiate la frecvența 1842,5 MHz

Pentru aceasta frecvența s-au masurat = -29,84 dBm și = -34,159 dBm.

VSWR = 1,64

Fig. 64 Unde staționare evidențiate la frecvența 1880 MHz

Fig. 65 Unde staționare evidențiate la frecvența 1950 MHz

Fig. 66 Unde staționare evidențiate la frecvența 1960 MHz

Fig. 67 Unde staționare evidențiate la frecvența 2140 MHz

3.3 Caracterizarea experimentala a adaptarii de impedanța pentru AMBow

Fig. 68 Montaj experimental pentru AMBow

Fig. 69 Unde staționare evidențiate la frecvența 1747,5 MHz

Fig. 70 Unde staționare evidențiate la frecvența 1842,5 MHz

Fig. 71 Unde staționare evidențiate la frecvența 1880 MHz

Fig. 72 Unde staționare evidențiate la frecvența 1950 MHz

Fig. 73 Unde staționare evidențiate la frecvența 1960 MHz

Fig. 74 Unde staționare evidențiate la frecvența 2140 MHz

3.4 Caracterizarea experimentala a adaptarii de impedanța pentru AMViv

Fig. 75 Montaj experimental pentru caracterizarea adaptarii de impedanța al AMViv

Fig. 76 Unde staționare evidențiate la frecvența 1747,5 MHz

Fig. 77 Unde staționare evidențiate la frecvența 1842,5 MHz

Fig. 78 Unde staționare eidențiate la frecvența 1880 MHz

Fig. 79 Unde staționare evidențiate la frecvența 1950 MHz

Fig. 80 Unde staționare evidențiate la frecvența 1960 MHz

Fig. 81 Unde staționare evidențiate la frecvența 2140 MHz

Tabelul 7 ilustreaza valorile pentru VSWR masurate în banda aferenta comunicațiilor mobile

3G (frecvențe centrale UL/DL).

Tabel 7 Valorile VSWR calculate

3.5 Identificarea pe cale experimentala a polarizarii celor 3 antene

Identificarea polarizarii coincide cu identificarea pe cale experimentala a planului corect de poziționare a antenei testate în raport cu planul antenei de emisie. Masuratorile trebuie efectuate

la aceeași frecvența, modificându-se doar poziționarea antenei. Pentru aceasta lucrare

masuratorile au fost efectuate la frecvența de 1880 MHz, pentru poziționare fiind identificate 3

scenarii:

S1 – poziționarea antenei în planul orizontal

S2 – poziționarea antenei în planul vertical

S3 – poziționarea antenei perpendicular în planul vertical

Fig. 82 Caracterizarea polarizarii AMLP la poziționarea în planul orizontal

Pentru AMLP la S1 s-a masurat o putere de -17 dBm.

Fig. 83 Caracterizarea polarizarii AMLP la poziționarea în planul vertical

Pentru AMLP la S2 s-a masurat o putere de -30,8 dBm.

Fig. 84 Caracterizarea polarizarii AMBow la poziționarea în planul orizontal

Pentru AMBow la S1 s-a masurat o putere de -25,2 dBm.

Fig. 85 Caracterizarea polarizarii AMBow la poziționarea în planul vertical

Pentru AMBow la S2 s-a masurat o putere de -32,8 dBm.

Fig. 86 Caracterizarea polarizarii AMBow poziționata perpendicular în planul vertical

Pentru AMBow la S3 s-a masurat o putere de -39,6dBm.

Fig. 87 Caracterizarea polarizarii AMViv la poziționarea în planul orizontal

Pentru AMViv la S1 s-a masurat o putere de -17,3 dBm.

Fig. 88 Caracterizarea polarizarii AMViv la poziționarea în planul vertical

Pentru AMViv la S2 s-a masurat o putere de -36,1 dBm.

Fig. 89 Caracterizarea polarizarii AMBow poziționata perpendicular în planul vertical

Pentru AMViv la S3 s-a masurat o putere de -42,2 dBm.

Din valorile obținute în urma masuratorilor (Tabel 8) se observa ca puterea maxima se obține la poziționarea antenei în planul aferent scenariului S1.

Tabel 8 Puterile masurate în cele 3 scenarii experimentale

3.6 Masurarea diagramei de radiație pentru cele 3 antene – Setup 1

Diagrama de radiație a antenelor s-a masurat la recepție, în planul orizontal, 360°, în colțul

încaperii.

Fig. 90 Montajul experimental pentru AMLP (Setup 1)

Fig. 91 Diagrama de radiație pentru AMLP: 1747,5 MHz

Fig. 92 Diagrama de radiație pentru AMLP: 18428,5 MHz (stânga) și 1880 MHz (dreapta)

Fig. 93 Diagrama de radiație pentru AMLP: 1950 MHz (stânga) și 1960 MHz (dreapta)

Fig. 94 Diagrama de radiație pentru AMLP: 2140 MHz

Fig. 95 Montajul experimental pentru AMBow (Setup 1)

Fig. 96 Diagrama de radiație pentru AMBow: 1747,5 MHz (stânga) și 1842,5 MHz (dreapta)

Fig. 97 Diagrama de radiație pentru AMBow: 1880 MHz (stânga) și 1950 MHz (dreapta)

Fig. 98 Diagrama de radiație pentru AMBow: 1960 MHz (stânga) și 2140 MHz (dreapta)

3.7 Referințe

[1] Engineering Electromagnetics, William H. Hayt, The McGraw-Hill Companies, 2001

Concluzii

În cadrul acestei lucrări de diplomă au fost îndeplinite cu succes următoarele 5 obiective:

1. A fost efectuată o documentare științifică laborioasă, peste 1.000 de articole științifice existente pe direcția antenelor microstrip fiind clasificate și ulterior restrânse la aplicațiile de bandă largă care fac uz de geometria de tip patch dreptunghiular cu un singur strat, existând și alte structuri cu performanțe bune în frecvență.

2. Au fost rezumate într-o sinteză originală variantele comerciale de antene de bandă largă care acoperă și spectrul comunicațiilor mobile, remarcându-se o disproporționalitate clară între numărul mare de articole științifice existente în literatură (aproximativ 1400) și numărul mic de variante comerciale, respectiv numărul și mai mic de producători de antene de bandă largă existenți pe piață (sub 10).

3. S-a familiarizat cu proiectarea propriu zisă a unei antene de tip patch dreptunghiular pentru diverse frecvențe din comunicațiile mobile.

4. S-au caracterizat experimental trei antene microstrip de bandă largă, aprofundându-se măsurarea diagramei de radiație și caracterizarea adaptării de impedanță.

Anexa 1 – Lista acronime

ADS Advanced Design System

AMBL-1S Antene Microstrip de Banda Larga cu un singur strat

AMBL-MS Antene Microstrip de Banda Larga MultiStrat

AMBow Antena Microstrip de tip Bowtie

AMLP Antena Microstrip de tip Log Periodic

AMViv Antena Microstrip de tip Vivaldi

CPW CoPlanar Waveguide

DCS Digital Cellular System

DL Downlink

EMC ElectroMagnetic Compatibility

FDTD Finite Diference Time Domain

GPRS General Packet Radio Services

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communications

HFSS High Frequency Structure Simulator

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IMT International Mobile Telecomunications

LHCP Left Hand Circular Polarization

MIC Microwave Integrated Circuit

MIMO Multiple Input Multiple Output

MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit

MSA Microstrip Antenna

NB-IoT Narrow Band IoT

PCB Printed Circuit Board

PCS Personal Communications Service

RF Radio Frequency

RHCP Right Hand Circular Polarization

SAR Specific Absorption Rate

SMA Sub Miniature Version A

SWR Standing Wave Ratio

UL Uplink

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

VNA Vector Network Analyzer

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

Anexa 2

Fig. 1 Linie microstrip – structură principială

Fig. 2 Linii de câmp în linia microstrip (vedere transversală)