Антенный массив нечувствительный к металлическим плоскостям
В статье описывается антенный массив из печатных диполей, на работу которого не влияют расположенные поблизости металлические плоскости. Это достигается за счет добавления слоя искусственного магнитного проводника под подложкой диполя. Питание на элементы антенны поступает через симметрирующее устройство.
В мобильном оборудовании связи, как правило, используются проводные антенны, например монополи или перевернутая L-антенна. Чтобы уместить ее в ограниченном пространстве печатной платы, излучающий элемент сгибают и располагают на малом расстоянии параллельно металлическому слою заземления, влажной поверхности или коже (для носимых устройств). В этом случае не соблюдается согласование входного импеданса антенны, что увеличивает обратные потери и ухудшает характеристики излучения, поскольку электромагнитные поля, генерируемые излучателем вблизи идеального проводника, становятся связанными. Для повышения качества связи используют планарную перевернутую F-антенну (PIFA) либо изменяют граничные условия на металлической платформе.
Рисунок 1
Рисунок 1
Частотная зависимость S11 антенного элемента
Сравнение диполя с а) классическим магнитным проводником; б) предлагаемым симметрирующим устройством
В настоящей статье описывается массив из комбинированных искусственных магнитных проводников и печатных диполей, объединенных в матрицу Батлера. Особенностями предлагаемой антенны являются низкий профиль, а также способность работать в сложных условиях вблизи металлических или других поверхностей, вызывающих потери. Для применимости данного метода к носимым устройствам формирования луча рабочая частота задана равной 2,4 ГГц. Высота структуры мала по сравнению с другими антеннами с искусственными магнитными проводниками.
Матрица вырабатывает четыре луча, которые остаются практически неизменными даже вблизи идеального проводника. Предлагаемое решение было смоделировано методом полной волны и исследовано на прототипе. Получены зависимости параметра S11 и диаграммы направленности в дальней зоне.
Диполь наискусственном магнитном проводнике
Для демонстрации преимуществ предлагаемой конфигурации проведем три эксперимента с разными граничными условиями для дипольной антенны, изготовленной на стеклотекстолитовой подложке толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,3 и тангенсом угла потерь 0,02.
На рисунке 1 показаны характеристики антенного элемента без дополнительных слоев (черным), с идеальным электрическим проводником (синим) и с идеальным магнитным проводником (красным).
В отсутствие дополнительных элементов антенна имеет заметный резонанс на частоте 2,4 ГГц, диаграмма направленности сферична. Такие условия назовем «нормальными». Мы покажем, что при наличии идеального проводника (синяя кривая) по сравнению с нормальными условиями значительно ухудшается не только S11, но и направленность в дальней зоне. Если заменить идеальный проводник идеальным магнитным проводником (красная кривая), параметр S11 и диаграм ма направ ленности антенны становятся лучше, чем при наличии идеального проводника рядом. Идеальным можно считать искусственный магнитный проводник, если он работает во всей интересующей полосе частот.
Заметим, что комбинация тонкого диполя и искусственного магнитного проводника не является новой идеей. Она обеспечивает хорошее согласование импедансов, приемлемый коэффициент усиления, низкую удельную скорость поглощения даже в непосредственной близости от человеческой кожи.
Предлагаемое решение, однако, отличается несколькими важными геометрическими параметрами. Во-первых, исходная структура не подходит для планарного исполнения, поскольку питание в ней осуществляется с помощью коаксиального кабеля. Для обеспечения питания требуется согласующее устройство на линиях передачи, состоящее из синфазной и противофазной (сдвиг 180º) цепей. Оно должно быть тщательно сконфигурировано, чтобы не взаимодействовать с искусственным магнитным проводником, напечатанным под антенной.
Рисунок 3
Рисунок 4
а) топология и геометрические параметры; б) внешний вид антенны с искусственным магнитным проводником
Таблица 1
Частотная зависимость S-параметров а) классического; б) предлагаемого симметрирующих устройств
Геометрические размеры схемы при резонансе на 2,4 ГГц
Форма симметрирующего устройства показана на рисунке 2. Для сравнения приведено классическое симметрирующее устройство. Если элементы массива выровнены в поперечном направлении, печатный диполь должен располагаться перпендикулярно оси массива, т. е. привычное расположение элементов приходится изменить (см. рис. 2а). Для расположения элементов следует воспользоваться функцией оптимизации в электромагнитном симуляторе. Как показано на рисунке 3, структура делит входную энергию на две равных части, между которыми фазовый сдвиг составляет 180° на рабочей частоте.
По сравнению с классическим симметрирующим устройством, эта структура практически нечувствительна к наличию искусственного магнитного проводника.
На рисунке 4 показаны размеры антенны с симметрирующим устройством, осуществляющим питание печатного диполя. Линии питания имеют согнутую форму и проходят в непосредственной близости от антенны, не набегая на вспомогательные кольцевые резонаторы, которые расположены на подложке из стеклотекстолита. Эта схема сложнее классической, потому что согласование импедансов затрудняется наличием симметрирующего устройства в главной и связанной цепях, а так же небольшого зазора между линиями питания, который служит для предотвращения пересечения спиралей. Геометрические параметры элементов схемы для обеспечения резонанса на частоте 2,4 ГГц приведены в таблице 1. характеристики антенного элемента при этих значениях показаны на рисунке 5. Несмотря на разрывы в симметрирующем устройстве, импеданс согласован на резонансной частоте.
Результаты электромагнитного моделирования и прямых измерений показывают близкое соответствие. Коэффициент усиления антенны составляет около 2,5 дБи. широкий луч позволяет осуществлять синтез антенной решетки, хотя наблюдается слабое расхождение между измеренной и смоделированной диаграммами направленности.
Рисунок 5
Рисунок 6
Внешний вид матрицы Батлера для формирования луча
Рисунок 7
Измеренные и смоделированные параметры S11, а также диаграмма направленности в дальней зоне
а) массив диполей с искусственным магнитным проводником; б) внешний вид массива; в) измеренный коэффициент обратных потерь
Таблица 2
Результаты измерения матрица Батлера
Измерения
На рисунке 8 показан внешний вид интегрального антенного массива, приведена смоделированная и измеренная диаграмма направленности в дальней зоне в нормальных условиях. Видно близкое соответствие числовых значений и формы диаграммы направленности. Разница обусловлена потерями и неровностями подложки.
На рисунке 9а показана послойная структура антенны. Слой металлизации расположен в непосредственной близости от дипольной антенны и искусственного магнитного проводника. На рисунке 9б изображены четыре разных луча, полученных при нормальных условиях. Они похожи на приведенные на рисунке 8.
Результаты измерений работы дипольной антенны без искусственного магнитного проводника показаны на рисунке 9в. Видно резкое ухудшение диаграммы направленности, сопровождающееся рассогласованием импедансов (|S11| > –4 дБ).
Рисунок 8
Рисунок 9
а) массив диполей с искусственным магнитным проводником; б) внешний вид массива; в) измеренный коэффициент обратных потерь
а) внешний вид интегрального антенного массива; б) смоделированная и в) измеренная диаграммы направленности в дальней зоне
Выводы
Мы рассмотрели новый плоский антенный элемент на основе диполя с искусственным магнитным проводником и симметрирующим устройством. Особенностью предложенного решения является возможность работы в жестких граничных условиях. Четыре таких элемента соединены в матрицу Батлера, обеспечивающую четыре направленных луча, характеристики которых не зависят от наличия металлического слоя вблизи них.