1
Planarna antena dipolowa dla
technologii UWB
Mariusz Pergoł, Włodzimierz Zieniutycz, email: mper@eti.pg.gda.pl; wlz@eti.pg.gda.pl
Politechnika Gdańska
Słowa kluczowe: anteny szerokopasmowe, dipole planarne, UWB
Abstrakt - W pracy przedstawiono metodę projektowania planarnych anten dipolowych dla zastosowań UWB.
Poprzedzono ją przeglądem literaturowym anten szerokopasmowych. W oparciu o zaproponowaną metodę
zaprojektowano dwuwarstwową antenę dipolową o ramionach w kształcie koła. Następnie zrealizowano i
pomierzono jej parametry. Uzyskano antenę o zmniejszonych (w stosunku do jednowarstwowego odpowiednika)
rozmiarach poprzecznych i paśmie pracy 2.7 GHz - 12 GHz dla WFS < 2.
1.
Wprowadzenie
Wzrastające w ostatnich latach zapotrzebowanie na transmisję danych wiąże się z rozwojem systemów
komunikacji bezprzewodowej, zarówno wąsko-, jak i szerokopasmowych. Prowadzone badania dotyczą różnych
elementów systemu, spośród których anteny zajmują istotne miejsce. W niniejszej publikacji przedstawiono
podsumowanie prowadzonych prac w zakresie szerokopasmowych dipoli planarnych. Ich głównym celem było
opracowanie procedur projektowania szerokopasmowych dipolowych anten planarnych. Wobec coraz
częstszego zjawiska wykorzystywania metod optymalizacji w projektowaniu anten (często zwalniających
projektanta z twórczego myślenia), stworzenie logicznej i skutecznej metody projektowania niesie ze sobą z
jednej strony możliwość zaprojektowania i wykonania poprawnie działającej anteny, z drugiej (być może
istotniejszej) - możliwość uzyskania odpowiedzi na wiele pytań dotyczących zjawisk fizycznych zachodzących
w analizowanych strukturach. W skład zakresu projektowania wchodzą: wybór konfiguracji anteny (wybór
podłoża - parametry podłoża, grubość; rodzaj struktury – jednowarstwowa, dwuwarstwowa; kształt promiennika
– kołowy, trójkątny, trapezowo-trójkątny); wybór optymalnego ze względu na możliwość pracy w zadanym
paśmie promiennika (na podstawie wykonanych badań numerycznych i opracowanego kryterium oceny
zdolności radiatorów do pracy szerokopasmowej); wybór rodzaju symetryzatora, projekt kompletnej anteny
(promiennik + symetryzator) – badania numeryczne, wykonanie zaprojektowanej anteny, pomiar, weryfikacja
wyników symulacji z eksperymentem.
2.
Parametry anten szerokopasmowych
Anteny pracujące w technologii szerokopasmowej muszą spełniać nieco inne, niż w przypadku zastosowań
wąskopasmowych warunki. Główne parametry charakteryzujące antenę szerokopasmową to:
- charakterystyka dopasowania
- charakterystyka promieniowania
- odpowiedź impulsowa
W przypadku impedancji wejściowej (bezpośrednio związanej z charakterystyką dopasowania) i charakterystyki
promieniowania ważne są małe zmiany w funkcji częstotliwości. Zadanie dopasowania impedancji anteny w tak
szerokim paśmie jest ważnym elementem projektu i przedstawione w niniejszym artykule wyniki prac dotyczą
głównie tego zagadnienia. Ważnym parametrem anteny jest także charakterystyka promieniowania, która nie
może się mocno zmieniać w funkcji częstotliwości. Nie chodzi tu tylko o to, by zapewnić pożądany kształt
charakterystyki (dookólną albo kierunkową), ale o to, by szczególnie przy wyższych częstotliwościach, miała
ona podobny charakter (poziom listków bocznych, pofalowanie), jak w przypadku częstotliwości niższych.
Przesyłanie sygnałów w szerokim paśmie stwarza konieczność obserwacji kształtu odpowiedzi impulsowej
anteny, będącego miarą zniekształceń dyspersyjnych wprowadzanych przez antenę. Problem jest o tyle poważny,
ż
e nie każda antena, charakteryzująca się szerokim pasmem i należytą charakterystyką promieniowania, nadaje
się do przesyłania sygnałów szerokopasmowych.
Poza wymienionymi wyżej parametrami, należy zwrócić uwagę na cechy fizyczne anteny, tj. kształt, wymiary
i wagę anteny. Ma to szczególne znaczenie w przypadku zastosowań komercyjnych.
3.
Przegląd anten szerokopasmowych
Spośród wielu typów anten stosowanych w systemach szerokopasmowych wymienione zostaną podstawowe:
- anteny tubowe
- anteny planarne z falą bieżącą
- planarne anteny dipolowe
2
- planarne anteny monopolowe
Najprostszym przykładem anteny tubowej jest rozszerzający się falowód prostokątny. Fala prowadzona w
falowodzie, dzięki jego powolnemu rozszerzaniu się zostaje przetransformowana do fali propagowanej w wolnej
przestrzeni. W literaturze odnaleźć można różne modyfikacje anten tubowych, włączając w to tubowe anteny
cylindryczne, anteny pobudzane falowodem grzbietowym, o szerszym niż standardowo paśmie [1]. Anteny
tubowe charakteryzują się szerokim pasmem pracy (ponad 3 oktawy), są antenami kierunkowymi o zysku
kierunkowym sięgającym około 19 dBi, są więc dedykowane do tych zastosowań, w których znany jest kierunek
nadchodzącego sygnału oraz dla zastosowań obrazujących (radary). Dużym atutem anteny tubowej są małe
zniekształcenia dyspersyjne przez nią wprowadzane [1-3].
Przykładem anteny planarnej z falą bieżącą jest antena typu Vivaldi. Można ją potraktować jako planarną wersję
grzbietowej anteny tubowej. Antena zrealizowana jest na dielektrycznym podłożu, na którym umieszczono linię
szczelinową o zadanym profilu. Z reguły metalizacja naniesiona jest na jednej stronie podłoża [4-7], zdarza się
jednak, iż stosuje się metalizację obustronną, umieszczoną antypodalnie [6]. Anteny Vivaldi w ogólności
charakteryzują się szerokim pasmem, podobnie jak anteny tubowe. Są również antenami kierunkowymi, jednak
nie aż tak, jak anteny tubowe. Ich zysk kierunkowy nie przekracza 8 dBi. Badając jakość charakterystyk
dyspersyjnych anten Vivaldi należy stwierdzić, iż nie są one tak dobre jak w przypadku anten tubowych, jednak
na tyle dobre, iż anteny Vivaldi mogą zostać dopuszczone do zastosowań szerokopasmowych [7, 8].
Zdecydowaną przewagą omawianego typu anten nad antenami tubowymi jest ich budowa. Przede wszystkim
anteny Vivaldi są antenami planarnymi, a więc ich wymiary, kształt i waga przemawiają za zastosowaniami
komercyjnymi. Co prawda anteny tubowe nie mają takich ograniczeń jak anteny planarne co do poziomu
przesyłanej mocy, jednak ten fakt nie jest istotny przy rozważaniu zastosowań komercyjnych.
Planarne anteny dipolowe są zrealizowane na podłożu dielektrycznym, na którym umieszczono metalizację w
kształcie dwóch ramion, zasilanych sygnałem symetrycznym. Ramiona umieszczone mogą być bądź po jednej
stronie laminatu [9-11], bądź po dwóch stronach [12, 13] - antypodalnie. Różnorodność kształtów spotykanych
w literaturze [9-11,13, 14, 15] (od trójkątnych, czterokątnych przez pięciokątne, kołowe, eliptyczne, aż po
kształty uzyskane z optymalizacji) sprawia, iż bardzo trudno usystematyzować parametry charakteryzujące ten
typ anten. W ogólności można stwierdzić, że planarne anteny dipolowe charakteryzują się na tyle szerokim
pasmem, iż przy odpowiednim zaprojektowaniu, udaje się uzyskać współczynnik odbicia mniejszy od -10 dB
w blisko 3-oktawowym paśmie. Ponadto, anteny dipolowe charakteryzują się w przybliżeniu dookólną
charakterystyką promieniowania i zyskiem kierunkowym rzędu 2 dBi, dedykowane są zatem do zastosowań
mobilnych, w których położenie komunikujących się urządzeń może się zmieniać.
Monopolowe antena planarne wykonane są na podłożu dielektrycznym w formie pojedynczego promiennika
(ramię monopola) oraz płaszczyzny masy (ang. ground plane), znajdujących się względem siebie po tej samej
lub po przeciwległej stronie dielektryka. Jeżeli warstwa masy położona jest po tej samej stronie, co promiennik,
zasilanie następuje poprzez linię koplanarną, jeżeli po przeciwnej - przez linię mikropaskową. Anteny
monopolowe, podobnie jak dipole, charakteryzują się w przybliżeniu dookólną charakterystyką promieniowania.
Ze względu na różnorodność kształtów promienników, sytuacja z klasyfikacją monopoli pod względem
charakterystyki dopasowania czy charakterystyki dyspersyjnej jest analogiczna do przypadku dipoli
4.
Metoda projektowania dipoli planarnych
W niniejszym rozdziale zajmiemy się zagadnieniem projektowania planarnych anten dipolowych. Opiszemy tu
główne etapy zaproponowanej metody na przykładzie dwuwarstwowej anteny o ramionach w kształcie koła
(szczegółowy opis metodologii projektowania znaleźć można w [16]). Proces projektowania można podzielić na
kilka etapów:
- wybór konfiguracji anteny (rodzaj podłoża, kształt radiatorów)
- projekt koplanarnej linii zasilającej (szerokość linii, odległość między paskami)
- projekt radiatora
- projekt symetryzatora
W pierwszym kroku projektu wybrano konfigurację anteny. Ze względu na właściwości radiatorów dipolowych,
dwuwarstwowych (przede wszystkim zmniejszenie wymiarów promiennika i odporność mechaniczną), do
prowadzonych badań wybrano strukturę dwuwarstwową zrealizowaną na podłożu RF35 o przenikalności
elektrycznej
ε
r1 =
ε
r2 = 3.5 i grubości h1 = h2 = 0.5 mm (rys. 1). Wybór radiatora o ramionach kołowych
wynika z chęci ograniczenia liczby parametrów geometrycznych struktury, mogących wpływać na
dopasowanie. W tym przypadku możemy ograniczyć się do promienia radiatora. W przyjętym rozwiązaniu
planarne ramiona dipoli są umieszczone pomiędzy dwiema warstwami dielektryka. W badaniach numerycznych
3
przyjęto, że materiał dielektryczny charakteryzuje się przenikalnością elektryczną
ε
r
= 3.5, co odpowiada
typowej wartości taniego podłoża mikrofalowego firmy TACONIC RF-35, przeznaczonego również dla anten.
S
W
O
r
a) b)
s
ε
r
2
ε
r
1
h
h
1
2
Rys. 1. Konfiguracja projektowanej anteny: a) podłoże dwuwarstwowe;
b) radiator kołowy (obrys metalizacji)
W celu jednoznacznego zdefiniowania rozmiarów promiennika należało dobrać odpowiednie wartości
parametrów s, w oraz r. Pierwsze dwa opisują wymiary linii zasilającej radiator (paski koplanarne) i zostały
dobrane tak, aby impedancja charakterystyczna linii była równa w przybliżeniu 130
Ω
(tj. s = 0.5 mm, w = 1.0
mm), czyli tyle, ile wynosi impedancja wejściowa radiatorów realizowanych w tego typu strukturze (podłoże
dwuwarstwowe). Trzeci parametr, którym jest promień radiatora kołowego w istotny sposób wpływa na
charakterystykę dopasowania. W związku z tym, w ramach prowadzonych prac zbadano dokładnie wpływ
promienia na wartość parametru maksymalnego współczynnika fali stojącej WFS
max
. Uzyskane wyniki
przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Zależność WFS
max
od wartości promienia radiatora kołowego
Z wykresu można odczytać, iż wybór zbyt małej wartości promienia skutkowałby dużym niedopasowaniem
układu. Widać również, iż dla r > 11 mm wartość WFS
max
utrzymuje się na podobnym poziomie, równym około
1.5. W związku z tym, do dalszych badań wybrano radiator o najmniejszym, akceptowalnym ze względu na
wartość WFS
max
promieniu, tj. r = 11 mm. Dla tego radiatora obliczono charakterystykę dopasowania, którą
przedstawiono na rysunku 3. Wartość współczynnika odbicia w całym paśmie UWB nie przekracza -15 dB, co
odpowiada wartości WFS
max
= 1.43. Obliczenie charakterystyki dopasowania radiatora zakończyło proces jego
projektowania. W kolejnym kroku zaprojektowano symetryzator i połączono z opisywanym wcześniej
radiatorem. Antena została wykonana w laboratorium chemicznym Katedry Inżynierii Mikrofalowej i
Antenowej Politechniki Gdańskiej (rys. 4). Następnie pomierzono charakterystykę dopasowania anteny przy
pomocy wektorowego analizatora sieci Wiltron 37269A . Wyniki pomiaru umieszczono na rysunku 5.
Porównując pomierzoną charakterystykę z wynikami symulacji można zauważyć, że wykres wyników
eksperymentalnych jest przesunięty o około 500 MHz w kierunku wyższych częstotliwości. Niemniej
najważniejszą kwestią jest zgodność poziomów współczynnika odbicia w badanym paśmie. Pomierzona antena
charakteryzuje się dopasowaniem poniżej -14 dB (WFS = 1.5) w paśmie od 2.8 GHz do 9.2 GHz, natomiast
współczynnik odbicia poniżej -10 dB występuje w paśmie 2.7 GHz – 12.0 GHz. Tym samym antena spełnia
wymagania standardu UWB dotyczące charakterystyki dopasowania. W kolejnym kroku pomierzono
charakterystykę promieniowania anteny w płaszczyźnie E na częstotliwości 10 GHz (rys. 6). Pomiar na takiej
częstotliwości daje wgląd w maksymalną intensywność pofalowania charakterystyki, ponieważ stopień
4
pofalowania wzrasta wraz z częstotliwością. Brak minimów dla kątów +/- 90 stopni w charakterystyce
promieniowania wynika ze skończonych wymiarów anteny.
Rys. 3. Współczynnik odbicia dla radiatora kołowego o promieniu r = 11 mm
a)
b)
Rys. 4. Zdjęcie wykonanej anteny: a) część wewnętrzna (przed nałożenie zewnętrznej części dielektryka);
b) spód anteny (zmodyfikowana warstwa masy)
Amplituda pofalowania charakterystyki jest nie większa niż 10 dB dla kątów [-170
0
, 120
0
], poza tym zakresem
sięga nawet 15 dB. Charakterystyka w płaszczyźnie H nie została pomierzona ze względu na zaburzenia, które
wprowadzałoby złącze, przy pomocy którego doprowadzony jest sygnał do anteny. Należy dodać, że
charakterystyka promieniowania przedstawionej anteny nie odbiega od danych literaturowych [14] .
Rys. 5. Charakterystyka dopasowania wykonanej anteny
5
Rys. 6. Charakterystyka promieniowania wykonanej anteny; płaszczyzna E; f = 10 GHz
5.
Podsumowanie
W pracy przedstawiono najbardziej podstawowe typy anten szerokopasmowych oraz ich parametry.
Zaproponowano metodę projektowania planarnych anten dipolowych składającą się z kilku etapów. W oparciu
o przedstawioną metodę zaprojektowano antenę dipolową z ramionami w kształcie koła, z dwóch stron pokrytą
warstwą dielektryka. Zastosowanie drugiej warstwy dielektryka pozwoliło zmniejszyć wymiary poprzeczne o
blisko 20% w porównaniu do anten jednowarstwowych. Wykonana antena charakteryzuje się bardzo szerokim
pasmem pracy (2.7 GHz - 12 GHz), w którym współczynnik odbicia jest nie większy niż -10 dB. Szczegółowe
dane dotyczące proponowanej metody projektowania zrealizowanej anteny oraz innych anten wykonanych w
ramach projektu PBZ-MNiSW-02/II/2007 można znaleźć w publikacjach [16, 17].
Bibliografia
[1] Xu Li, Hagness S.C., Choi M.K., van der Weide D.W.: Numerical and experimental investigation of an
ultrawideband ridged pyramidal horn antenna with curved launching plane for pulse radiation. Antennas and
Wireless Propagation Letters, IEEE, 2003, nr 2, s. 259 - 262
[2] Wu Feng-tao, Yuan Nai-chang: The Radiation Characteristic of UWB Planar TEM Horn Antenna Array.
Międzyn. Konf. Radar, 2006. CIE ’06. s. 1 - 4
[3] Yingqing Xia, Edwards D.J.:Optimization of UWB Pyramidal Horn Antenna with load. Międz. Symp.
Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2007, s. 673 - 675
[4] Demeestere F., Delaveaud C., Keignart J.: A compact UWB antenna with a wide band circuit model and a
time domain characterization. Międz. Konf. Ultra-Wideband, 2006, s. 345 - 350
[5] Pancera E.: Study of a Differential - Fed UWB Antenna. Konf. LAPC 2007 Antennas and Propagation,
Loughborough, 2007, s. 237 - 239
[6] Li Tianming, Rao Yuping, Niu Zhongxia: Analysis and Design of UWB Vivaldi Antenna. Międz. Symp.
Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies forWireless Communications, 2007, s. 579 - 581
[7] Sorgel W., Waldschmidt C., Wiesbeck W.: Transient responses of a Vivaldi antenna and a logarithmic
periodic dipole array for ultra wideband communication. Międz. Symp. Antennas and Propagation Society,
2003, nr 3, s. 592 - 595
6
[8] Ghosh D., De A., Taylor M.C., Sarkar T.K., Wicks M.C., Mokole E.L.: Transmission and Reception by
Ultra-Wideband (UWB) Antennas. Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 2006, nr 48, s. 67 - 99
[9] Lule E., Babij T.: Koch island fractal ultra wideband dipole antenna. Między. Symp. Antennas and
Propagation Society, 2004, nr 3, s. 2516 - 2519
[10] Chuan-Dong Zhao: Analysis on the properties of a coupled planar dipole UWB antenna. Antennas and
Wireless Propagation Letters, IEEE, 2004, nr 3, s. 317 - 320
[11] Xuan HuiWu, Zhi Ning Chen: Comparison of planar dipoles in UWB applications. Antennas and
Propagation, IEEE Transactions on, 2005, nr 53, s. 1973 - 1983
[12] Dubrovka F.F., Vasylenko D.O.: A Bell-Shaped Planar Dipole Antenna. Międz.Konf. Ultrawideband and
Ultrashort Impulse Signals, 2006, s. 82 - 84
[13] Kiminami K., Hirata A., Shiozawa, T.: Double-sided printed bow-tie antenna for UWB communications.
Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2004, nr 3, s. 152 - 153
[14] Schantz H.G., Bottom fed planar elliptical UWB antennas. Konf. Ultra Wideband Systems and
Technologies, 2003, s. 219 - 223
[15] Shiwei Qu; Chengli Ruan: Quadrate bowtie antenna with round corners. Międz. Konf. Ultra-Wideband
ICU, 2005
[16] Pergol M., Zieniutycz W.: Unified Design Procedure for Planar Dipoles Oriented on UWB Application,
PIER, 2010, nr 102, s. 249-265
[17] Pergol M., Zieniutycz W.: UWB Planar Antenna Dipole in the Sandwich Configuration, Międz. Konf.
ICATT, 2009, Lwów, Ukraina.