ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛА ДОБРОТНОСТИ НА ПРИМЕРЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ Махалов П.С.,Мительман Ю.Е.

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина


Номер: 12-1
Год: 2014
Страницы: 57-62
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

добротность, полоса пропускания, диэлектрическая проницаемость, микрополосковая антенна, Quality factor, pass band, permittivity, microstrip antenna

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматривается предел добротности Q линейно-поляризованной микрополосковой антенны при изменении диэлектрической проницаемости и высоты подложки. Выполнен расчет резонансных размеров микрополосковой антенны. Приводится сравнение расчетной добротности Q и добротности после моделирования.

Текст научной статьи

Современные переносные телекоммуникационные устройства, такие как мобильные телефоны, планшеты, GPS-навигаторы и т.д. совмещают в себе множество беспроводных модулей. Развитие техники в области телекоммуникаций имеет тенденцию к уменьшению размеров и увеличению функциональности. Следовательно, все меньшее пространство выделяется для размещения антенн, соизмеримых с длиной волны, внутри устройства. Это влечет за собой ухудшение характеристик излучения антенн: уменьшение коэффициента усиления (КУ), искажение диаграммы направленности (ДН), уменьшение коэффициента полезного действия (КПД), уменьшение полосы рабочих частот. Ширину резонанса характеризует добротность, иначе говоря, чем выше значение добротности, тем более узкополосной является антенна. В рамках решаемой задачи интерес вызывает максимально возможная полоса рабочих частот. Следовательно, необходимо знать минимально достижимое значение добротности, которое в случае линейно-поляризованной антенны определяется по следующей формуле (классическое выражение Чу) [1]: (1) где - волновое число, a - радиус сферы, в которую вписана антенна. Рис. 1. Эскиз микрополосковой антенны Рабочая частота микрополосковой антенны (МПА), показанной на рис. 1, определяется резонансной длиной, которая рассчитывается по формуле (2) где - скорость света в вакууме, - рабочая частота, - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, - величина поправки для резонансной длины, учитывающая краевой эффект. Учет излучения на торце МПА сокращает длину на следующую величину: (3) где - эффективная диэлектрическая проницаемость, определяемая следующим выражением: (4) В данной работе исследуется МПА квадратной формы, поэтому , и нахождение размеров МПА сводится к решению следующего уравнения относительно (5) Все дальнейшие расчеты будем выполнять для рабочей частоты . Существует несколько выражений для определения добротности. В основном используется следующее соотношение [2]: (6) где - полоса согласования по заданному уровню КСВ. В результате добротность можно определить из следующей формулы: (7) Оценку добротности антенны Q будем производить при изменении двух параметров: и (независимо друг от друга). В первом случае зафиксируем толщину мм, а значение относительной диэлектрической проницаемости будем выбирать из следующего ряда: 1, 2, 5, 10, 20, 50. Во втором случае зададим , а толщина подложки будет принимать значения 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10 мм (табл. 1). Таблица 1 1 1 2 5 10 20 50 W, мм 143,587 102,626 65,11 45,774 31,883 19,346 2 , мм 0,2 0,5 1 2 5 10 W, мм 147,609 147,178 146,46 145,024 140,715 133,535 Моделирование [3] будем производить в среде Ansoft HFSS v.14. Представленные в таблице 1 значения будут использоваться в качестве первого приближения. В дальнейшем вариацией этого размера и положения точки питания будем добиваться согласования на частоте . Ниже приведем полученные частотные зависимости КСВ при различных комбинациях и . Рис. 2. Частотные зависимости КСВ при и вариации Рис. 3. Частотные зависимости КСВ при и вариации Полосу согласования будем определять по уровню . Тогда выражение для оценки добротности примет вид: (8) Рассчитанные значения добротности для каждого случая приведены в табл. 2, а также изображены в виде графиков на рис. 4-5. Таблица 2 1 1 2 5 10 20 50 , МГц 7 6,2 3,5 2,2 1,8 1 Q 58,3 65,8 116,6 185,6 226,8 408,3 2 , мм 0,2 0,5 1 2 5 10 , МГц 0,4 1,1 2,3 4,6 12 24,5 Q 1021,1 371,1 177,5 88,7 34 16,7 Рис. 4. Зависимость добротности от высоты подложки Из представленной на рис. 4 зависимости видно, что использование толстой подложки позволяет приблизиться к пределу Чу. Однако при этом необходимо помнить, что с увеличением толщины подложки возрастают потери в ней и уменьшается КПД антенны. Рис. 5. Зависимость добротности от диэлектрической проницаемости подложки В соответствии с полученными зависимостями добротности от высоты и диэлектрической проницаемости подложки можно сказать, что на обеспечение максимальной рабочей полосы частот в большей степени влияет высота подложки. Это объясняется тем, что резонансный размер обратно пропорционален . При увеличении диэлектрической проницаемости подложки уменьшается резонансный размер и, следовательно, уменьшается полоса. А при увеличении высоты подложки резонансный размер незначительно уменьшается, т.е. не происходит значительных изменений реального размера антенны, однако полоса так же растет. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при малых значениях и больших значениях (до возникновения двухмодового режима) можно приблизиться к пределу по добротности .

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.