ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ"

Παρασκευή Μιχαηλίδης
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ ΤΜΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ (ΤΥΠΩΜΕΝΗΣ) ΚΕΡΑΙΑΣ ΣΕ Η/Μ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ (CST) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Δρ. Τάσος Παρασκευόπουλος, Δημήτριος Ρόγγας, Δρ. Λεωνίδας Μαράντης, Καθηγητής Αθανάσιος Κανάτας

3 Άσκηση 1: transmission line). Σχεδιασμός μικροταινιακής γραμμής μεταφοράς 50 Ω (microstrip Άσκηση 2: λειτουργία στα 5.9 GHz. Σχεδιασμός μικροταινιακής κεραίας (microstrip patch antenna) για Τα δεδομένα για το διηλεκτρικό υλικό (Rogers RO4725JXR) που θα χρησιμοποιηθεί είναι: σχετική διηλεκτρική σταθερά εr = 2.55, εφαπτομένη απωλειών tanδ = , πάχος υποστρώματος h= 0.78 mm, πάχος χαλκού t= mm. (i) Βρείτε τον συντελεστή ανάκλασης στη θύρα εισόδου της κεραίας (S11), τη συχνότητα συντονισμού (fr) καθώς και το εύρος ζώνης λειτουργίας (BW). (ii) Να καταγραφούν το διάγραμμα ακτινοβολίας (3D, E-plane-φ=0 o και H- plane- φ=90 o ), το 3dB beam width για τα E- και H-planes αντίστοιχα, και το κέρδος ακτινοβολίας για τη συχνότητα συντονισμού. (iii) Υπολογίστε τη θεωρητική κατευθυντικότητα της κεραίας από τον τύπο (3.88) σελ. 169 και συγκρίνετε με το αποτέλεσμα της προσομοίωσης.

1. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 50 Ω

MW & RF & Optical Antennas Planar Time Domain).

βελάκι δεξιά από το help για να ανοίξει η λίστα με τα βήματα

Για τη δημιουργία του υποστρώματος της μικροταινιακής

4 1. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 50 Ω Αρχικά δημιουργούμε ένα νέο Project Template (και επιλέγουμε MW & RF & Optical Antennas Planar Time Domain). Στη συνέχεια επιλέγουμε το QuickStart Guide πατώντας το βελάκι δεξιά από το help για να ανοίξει η λίστα με τα βήματα που απαιτούνται για να πραγματοποιηθεί η προσομοίωση. Για τη δημιουργία του υποστρώματος της μικροταινιακής γραμμής, αρχικά ορίζουμε το συγκεκριμένο υλικό Rogers RO4725JXR (lossy) από το Material Library.

και στη συνέχεια επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και

Ω πατάμε Macros Calculate Calculate analytical Line Impedance,

μέχρι να πλησιάσουμε το Z 0 κοντά στα 50 Ω.

5 και στη συνέχεια επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και ορίζουμε τις διαστάσεις του κουτιού σε κάθε άξονα για μήκος γραμμής 20 mm. Για τον υπολογισμό του πλάτους W L της μικροταινιακής γραμμής 50 Ω πατάμε Macros Calculate Calculate analytical Line Impedance, όπου «δοκιμάζουμε» διαφορετικά πλάτη γραμμής ξεκινώντας από W>2h μέχρι να πλησιάσουμε το Z 0 κοντά στα 50 Ω. Διαφορετικά, βρίσκουμε το πλάτος W L (σε mm) της γραμμής με χαρακτηριστική αντίσταση 50 Ω χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις ( ) του θεωρητικού φυλλαδίου.

Για το σχεδιασμό της λωρίδας μικροταινίας επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και ορίζουμε τις διαστάσεις σε κάθε άξονα για μήκος γραμμής 20 mm, πλάτος - W L /2 έως W L /2 και πάχος επιμετάλλωσης 0.

Για το σχεδιασμό του επιπέδου γείωσης επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και ορίζουμε τις διαστάσεις σε κάθε άξονα για μήκος γραμμής 20 mm, πλάτος όσο του υποστρώματος και πάχος επιμετάλλωσης 0.

6 Για το σχεδιασμό της λωρίδας μικροταινίας επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και ορίζουμε τις διαστάσεις σε κάθε άξονα για μήκος γραμμής 20 mm, πλάτος - W L /2 έως W L /2 και πάχος επιμετάλλωσης mm (Προσοχή στο σύστημα συντεταγμένων που είναι κοινό για κάθε Component). Ως υλικό επιλέγουμε το PEC. Για το σχεδιασμό του επιπέδου γείωσης επιλέγουμε Modeling Brick, πατάμε Esc και ορίζουμε τις διαστάσεις σε κάθε άξονα για μήκος γραμμής 20 mm, πλάτος όσο του υποστρώματος και πάχος επιμετάλλωσης mm. Αφού ολοκληρώσουμε το σχεδιασμό της μικροταινιακής γραμμής, προχωράμε στον ορισμό της αρχικής και τελικής συχνότητας που θα πραγματοποιηθεί η προσομοίωση GHz (πατώντας στο κουμπί frequency). Για την δημιουργία της πηγής διέγερσης θα χρειαστεί να επιλέξουμε την πλευρά της μικροταινίας πατώντας το πλήκτρο F και επιλογή της επιφάνειας με διπλό κλικ. Στην συνέχεια πατάμε Macros Solver Ports Calculate port extension coefficient, όπου πατάμε Calculate και Construct port from picked face. Την ίδια διαδικασία ακολουθούμε για να ορίσουμε την θύρα στην άλλη πλευρά της γραμμής. Για τον καθορισμό των ορίων της προσομοίωσης επιλέγουμε Boundary conditions και ορίζουμε Xmin,Xmax,Ymin,Ymax σαν open, Zmin σαν electric και Zmax σαν open (add space). Επιλέγουμε Setup solver και πατάμε Start.

7 Τα αποτελέσματα των S-parameters φαίνονται στο drop-down μενού 1D Results S- parameters.

2. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΣΤΑ 5.9 GHZ Ακολουθούμε την ίδια διαδικασία με το προηγούμενο παράδειγμα μέχρι και τον ορισμό του διηλεκτρικού υλικού.

8 2. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΣΤΑ 5.9 GHZ Ακολουθούμε την ίδια διαδικασία με το προηγούμενο παράδειγμα μέχρι και τον ορισμό του διηλεκτρικού υλικού. Για τη δημιουργία του υποστρώματος της μικροταινιακής κεραίας δημιουργούμε ένα Brick 40 x 40 x 0.78 mm. Για τη δημιουργία του αγώγιμου επιθέματος (patch) χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις ( και 3.1) του θεωρητικού φυλλαδίου για τον υπολογισμό του πλάτους W και μήκους L. Στη συνέχεια δημιουργούμε ένα Brick L x W x mm με υλικό PEC πάνω από το υπόστρωμα. Για το σχεδιασμό του επιπέδου γείωσης δημιουργούμε Brick με διαστάσεις 40 x 40 x mm με υλικό PEC κάτω από το υπόστρωμα. Για τη τροφοδοσία του επιθέματος χρησιμοποιούμε τις διαστάσεις του προηγούμενου παραδείγματος για το πλάτος αλλά με μήκος που ξεκινάει από την άκρη του υποστρώματος (-20 mm) και καταλήγει στο κέντρο του patch (0 mm). Ορίζουμε την αρχική και τελική συχνότητα που θα πραγματοποιηθεί η προσομοίωση GHz (πατώντας στο κουμπί frequency). Δημιουργούμε τη πηγή τροφοδοσίας όπως και στο προηγούμενο παράδειγμα. Καθορίζουμε τα όρια της προσομοίωσης (Boundaries) σαν open (add space).! Λόγω του περιορισμού της Student Edition στον αριθμό των κελιών πλέγματος στα cells ακολουθούμε τα παρακάτω στο tab Simulation: o Στα Boundaries Open Boundary Fraction of wavelength = 6. o Στα Boundaries Symmetry Planes XZ plane magnetic. o Στο Global Properties ορίζουμε τα cells όπως φαίνεται παρακάτω:

Τρέχουμε την προσομοίωση και αφού ελέγξουμε το S11 της κεραίας μας θα διαπιστώσουμε ότι δεν πετυχαίνουμε καλή προσαρμογή του patch με τη γραμμή τροφοδοσίας.

9 Τρέχουμε την προσομοίωση και αφού ελέγξουμε το S11 της κεραίας μας θα διαπιστώσουμε ότι δεν πετυχαίνουμε καλή προσαρμογή του patch με τη γραμμή τροφοδοσίας.! Σώζουμε το τρέχον αρχείο 2 φορές με όνομα patch2.cst και patch1.cst. Για τη τροφοδοσία της κεραίας, λόγω του ότι η αντίσταση εισόδου της δεν είναι στα 50 Ω, χρησιμοποιούμε 2 διαφορετικές μεθόδους: (i) Με ένθετη τροφοδοσία στο σημείο του επιθέματος όπου η αντίσταση του είναι στα 50 Ω. (ii) Με μετασχηματιστή λ/4 Μέθοδος (i) Για την βελτίωση της προσαρμογής (επίτευξη συντονισμού κάτω από το επίπεδο των -10 db) μεταξύ του patch element και της γραμμής τροφοδοσίας, απαιτείται η δημιουργία σχισμής στο patch element. Δουλεύουμε στο αρχείο patch1.cst Το μήκος L s υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση: L s = L, όπου: ε 2 ε r,eff = ε r+1 + ε r 1 [ h r,eff 2 2 L ] 1/2

10 Για το άνοιγμα σχισμής στο patch element, δημιουργούμε πρώτα ένα Brick με διαστάσεις όπως φαίνονται παρακάτω. Όταν το δημιουργήσουμε, θα χρειαστεί να επιλέξουμε το component του patch πατάμε το πλήκτρο (-) επιλέγουμε το brick της σχισμής πατάμε το πλήκτρο Enter. Ξανατρέχουμε την προσομοίωση. Μέθοδος (ii) Για τη τροφοδοσία με μετασχηματιστή λ/4, ανοίγουμε το αρχείο patch2.cst. Tροποποιούμε το component της γραμμής ώστε να ξεκινάει από την άκρη του υποστρώματος με μήκος 3.75 mm. Δημιουργούμε ένα νέο brick με μήκος γραμμής 8.75 mm, πλάτος 0.5 mm και πάχος επιμετάλλωσης mm. Εκτελούμε την προσομοίωση και παρατηρούμε ότι η συχνότητα συντονισμού είναι μετατοπισμένη στα 5.75 GHz. Για να πετύχουμε συντονισμό στην επιθυμητή συχνότητα απαιτείται η τροποποίηση του μήκους L του επιθέματος (Patch). Για τον υπολογισμό του διαγράμματος ακτινοβολίας επιλέγουμε το Tab Simulation Field Monitor Farfield (5.9 GHz) OK.

Σχετικά έγγραφα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ ΤΜΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗΣ (ΤΥΠΩΜΕΝΗΣ) ΚΕΡΑΙΑΣ ΣΕ Η/Μ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ (ADS) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Τάσος Παρασκευόπουλος,