Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Βελτιστοποίηση μεγέθους και εύρους ζώνης τετραγωνικών κεραιών μικροταινίας για τη λειτουργία στις ζώνες GSM900 και IEEE b/g Ξυπόλυτου Ευαγγελία Επιβλέποντας: Δ. Π. Χρυσουλίδης, Καθηγητής Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2008

2 Ευχαριστίες προς: Δ. Π. Χρυσουλίδη, καθηγητή Α.Π.Θ. Ελίνα Κορκόντζηλα, υποψήφια διδάκτωρ 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη δυνατότητας βελτίωσης των χαρακτηριστικών των κεραιών μικροταινιωτού καλύμματος, με κατάλληλη τροποποίηση της γεωμετρίας τους. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η βελτίωση του εύρους ζώνης τους με την εισαγωγή σχισμών ή ανοιγμάτων σε τετραγωνικές κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την εκπόνηση της εργασίας είναι το CST Microwave Studio 2006a. Αρχικά έγινε η εξοικείωση με το πρόγραμμα, παράλληλα με τη μελέτη των βασικών χαρακτηριστικών των κεραιών μικροταινιωτού καλύμματος. Έπειτα ακολούθησε μια σειρά προσομοιώσεων κεραιών με διάφορες γεωμετρίες, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στα επόμενα κεφάλαια, με σκοπό την εύρεση τρόπου διεύρυνσης του εύρους ζώνης συχνοτήτων των κεραιών αυτών. Τέλος, έγινε η κατασκευή της κεραίας και η μέτρηση των S-παραμέτρων της με στόχο την επαλήθευση των θεωρητικών και αριθμητικών υπολογισμών που πραγματοποιήθηκαν. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΝΙΑΣ... 6 I. ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ... 6 II. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ... 7 III. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ IV. ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΤΗΤΑ V. ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ VI. ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ, ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ VII. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ VIII. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ II ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ I. ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ II. ΧΡΗΣΗ ΣΧΙΣΜΩΝ III. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΠΡΟΒΟΛΟΥ IV. ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΩΤΟ ΚΑΛΥΜΜΑ V. ΠΡΟΣΘΕΤΟΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΤΕΣ VI. ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ III ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ I. ΕΞΟΙΚΕΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ CST MICROWAVE STUDIO 2006A-ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΗΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΤΑ 900 MHZ II. ΜΕΛΕΤΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΤΑ GHZ III. ΤΕΤΡΑΓΩΝIΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΕΣ ΣΧΙΣΜΕΣ ΣΤΑ 2.4GHZ IV. ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΕΣ ΣΧΙΣΜΕΣ ΔΥΟ ΚΟΜΜΕΝΕΣ ΑΚΜΕΣ V. ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΑ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΠΛΕΥΡΑ ΤΗΣ VI. ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΑΚΜΗ VII. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΤΑ GHZ ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΜΕΛΕΤΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHZ. 84 I ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHZ ΚΑΙ ΕΝΑ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΑΚΜΗ II ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHZ ΚΕΦΑΛΑΙΟ V ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ I. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ 2.4 MHZ 98 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΝΙΑΣ Αν και η έννοια της κεραίας μικροταινίας είναι γνωστή από τη δεκαετία του 50, πέρασαν 20 χρόνια μέχρι να αρχίσει η εφαρμογή της, ενώ η γενικευμένη χρήση της παρατηρήθηκε κυρίως τα τελευταία χρόνια. Στις μέρες μας, οι κεραίες βρίσκουν εφαρμογή σε δορυφορικά συστήματα, σε διαστημόπλοια, στην κινητή και ασύρματη επικοινωνία. Στα συστήματα αυτά, οι απαιτήσεις για μικρό μέγεθος, βάρος και κόστος κεραιών, εύκολη εγκατάσταση και χρήση καθώς και αεροδυναμικό προφίλ είναι επιτακτικές.[1] I. ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Οι κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος αποτελούνται από ένα πολύ λεπτό στρώμα μεταλλικής λωρίδας (μικροταινιωτό κάλυμμα ή patch), τοποθετημένο πάνω στη μία πλευρά ενός στρώματος διηλεκτρικού υλικού ( υπόστρωμα ή substrate ), με τη σειρά του τοποθετημένο πάνω σε ένα επίσης πολύ λεπτό μεταλλικό στρώμα ( γείωση ή ground plane ) σε όλο του το εύρος, όπως φαίνεται στο Σχήμα : μικροταινιωτό κάλυμμα L W υπόστρωμα h γείωση Σχήμα 1.1 Δομή κεραίας μικροταινίας Το πάχος του μικροταινιωτού καλύμματος καθώς και της γείωσης, είναι πολύ μικρότερο του, όπου το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο. Το πάχος του υποστρώματος είναι ένα μικρό κλάσμα του μήκους κύματος στον ελεύθερο χώρο και παίρνει συνήθως τιμές στο διάστημα. Στις περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιείται η ευρύπλευρη λειτουργία των κεραιών αυτών, δηλαδή το μέγιστο της ακτινοβολίας τους είναι 6

7 στο επίπεδο το κάθετο προς αυτό της κεραίας. Αυτό επιτυγχάνεται καθορίζοντας τις διαστάσεις του αγώγιμου μικροταινιωτού καλύμματος, έτσι ώστε να διεγείρουμε τον κατάλληλο ρυθμό συντονισμού. Με βάση την απαίτηση αυτή, για μία ορθογωνική κεραία μικροταινίας, το μήκος της λαμβάνει τιμές στο διάστημα. Όσον αφορά τα διηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται για τις κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος αυτά συνήθως έχουν σχετική διηλεκτρική σταθερά στο εύρος των τιμών. Τα διηλεκτρικά υλικά με μικρή διηλεκτρική σταθερά, σύμφωνα με το παραπάνω εύρος τιμών, και με μεγάλο πάχος, είναι πιο επιθυμητά για την κατασκευή κεραιών μικροταινίας, καθώς συντελούν στην καλύτερη αποδοτικότητα, μεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων, βελτίωση των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας (αφού το διηλεκτρικό συγκεντρώνει λιγότερο το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του). Σαν κυριότερο μειονέκτημα ωστόσο, θεωρείται το αυξημένο πάχος του υποστρώματος άρα και οι μεγαλύτερες διαστάσεις της κεραίας. Από την άλλη πλευρά, η χρήση υλικών με υψηλή διηλεκτρική σταθερά έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη πιο συμπαγών σε διαστάσεις (compact) κεραιών, με αντίτιμο όμως το μειωμένο εύρος ζώνης και τη μειωμένη αποδοτικότητα. Το τελευταίο οφείλεται στις απώλειες που εισάγει το διηλεκτρικό υλικό. Δεδομένου ότι οι κεραίες μικροταινίας αποτελούν συνήθως μέρος ενός ευρύτερου κυκλώματος στο οποίο πρέπει να ενσωματωθούν, χρειάζεται πολλές φορές κάποιος συμβιβασμός σχετικός με την επιλογή των υλικών και των διαστάσεων των κεραιών αυτών.[1] II. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Η ακτινοβολία μιας κεραίας μικροταινιωτού καλύμματος μπορεί να προσδιοριστεί από το πεδίο μεταξύ του μεταλλικού φύλλου της κεραίας (patch), και του επιπέδου γείωσης (ground plane). Εναλλακτικά η ακτινοβολία μπορεί να περιγραφεί σε σχέση με την κατανομή του επιφανειακού ρεύματος πάνω στο μεταλλικό μικροταινιωτό κάλυμμα (patch). Μπορούμε να αναλύσουμε τη λειτουργία της κεραίας μικροταινίας με βάση πολλά μοντέλα. Κάποια από αυτά είναι: α) Το μοντέλο του αντηχείου β) Το μοντέλο της γραμμής μεταφοράς γ) Ολοκληρωτικές εξισώσεις (Method of Moments) 7

8 Το μοντέλο της γραμμής μεταφοράς είναι το πιο απλοποιημένο από όλα, παρέχει μια καλή φυσική εξήγηση, αλλά είναι λιγότερο ακριβές. Από την άλλη μεριά, το μοντέλο του αντηχείου είναι πιο ακριβές από το μοντέλο της γραμμής μεταφοράς, αλλά είναι πιο περίπλοκο. Τα δύο παραπάνω μοντέλα δεν θα πρέπει να θεωρηθούν ως δύο ανεξάρτητες μέθοδοι, αλλά χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά για μια προσεγγιστική περιγραφή της κεραίας. Για την ακριβή ανάλυση της κεραίας χρησιμοποιούνται υπολογιστικές μέθοδοι, που βασίζονται κυρίως σε μεθόδους πεπερασμένων διαφορών και ολοκληρωτικές εξισώσεις (integral equations). Ιδιαίτερα στην περίπτωση που υπάρχουν παραλλαγές στο βασικό σχήμα της κεραίας, μια αναλυτική προσέγγιση θα ήταν πολύ δύσκολη έως και αδύνατη. Παρακάτω αναλύονται οι δύο πρώτες μέθοδοι, το μοντέλο του αντηχείου και το μοντέλο της γραμμής μεταφοράς. α)μοντέλο αντηχείου Θεωρούμε μία ορθογωνική κεραία μικροταινίας που τροφοδοτείται από μια μικροκυματική πηγή. Η τροφοδότηση αυτή της κεραίας θα δημιουργήσει μια κατανομή φορτίου πάνω και κάτω από το μεταλλικό φύλλο της (patch) και στην επιφάνεια του επιπέδου γείωσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: L Jb Jt h Σχήμα 1.2 Κατανομή φορτίων και δημιουργία πυκνότητας ρεύματος σε κεραία μικροταινίας Η αρνητική και θετική φύση του φορτίου προκύπτει από το μήκος της κεραίας που είναι περίπου ίσο με στο ρυθμό συντονισμού. Η κατανομή του φορτίου ελέγχεται από δύο μηχανισμούς: (α) από τις ελκτικές και (β) από τις απωθητικές δυνάμεις. Οι ελκτικές δυνάμεις αναπτύσσονται μεταξύ των ετερωνύμων φορτίων που βρίσκονται στο κάτω μέρος της επιφάνειας του μικροταινιωτού καλύμματος και στην επιφάνεια του επιπέδου γείωσης. Αυτές τείνουν να συγκρατούν τα φορτία στο κάτω μέρος της επιφάνειας του μικροταινιωτού καλύμματος. 8

9 Οι απωθητικές δυνάμεις αναπτύσσονται μεταξύ των ομώνυμα φορτισμένων φορτίων στο κάτω μέρος της επιφάνειας του μικροταινιωτού καλύμματος και τείνουν να ωθούν κάποια φορτία από το κάτω προς το πάνω μέρος της επιφάνειας του μικροταινιωτού καλύμματος. Αυτή η κίνηση των φορτίων δημιουργεί ανάλογες πυκνότητες ρεύματος τόσο στο κάτω όσο και στο πάνω μέρος της επιφάνειας του μικροταινιωτού καλύμματος. Στις περισσότερες κεραίες μικροταινίας ο λόγος του ύψους του υποστρώματος προς το πλάτος της κεραίας,, είναι πολύ μικρός (κυρίως λόγω του h που είναι συνήθως αρκετά μικρό). Έτσι η ελκτική δύναμη μεταξύ των φορτίων κυριαρχεί και η συγκέντρωση των φορτίων και η ροή του ρεύματος παραμένουν κάτω από το μικροταινιωτό κάλυμμα. Μια μικρή ποσότητα ρεύματος ρέει γύρω από τα άκρα του μικροταινιωτού καλύμματος προς την επάνω επιφάνειά του και επομένως είναι «υπεύθυνο» για τη δημιουργία ενός αδύναμου μαγνητικού πεδίου, εφαπτομενικού προς τα άκρα. Αυτό μας επιτρέπει να κάνουμε την παραδοχή ότι το εφαπτομενικό μαγνητικό πεδίο είναι μηδέν, το οποίο ισοδυναμεί με «μαγνητικά τείχη» στην περιφέρεια της κεραίας. Αυτή η παραδοχή είναι πιο έγκυρη για κεραίες με λεπτό διηλεκτρικό στρώμα και μεγάλη διηλεκτρική σταθερά, καθώς τότε το πεδίο εγκλωβίζεται περισσότερο στο εσωτερικό του διηλεκτρικού στρώματος και άρα το εφαπτομενικό πεδίο στα άκρα της κεραίας τείνει ακόμα περισσότερο προς το μηδέν. Επιπλέον, το ηλεκτρικό πεδίο είναι σχεδόν παράλληλο προς την επιφάνεια του μικροταινιωτού καλύμματος. Συνεπώς η κεραία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα αντηχείο με ηλεκτρικά τείχη στο κάτω και πάνω μέρος, αφού η εφαπτομενική συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου είναι σχεδόν μηδέν, και με τέσσερα μαγνητικά τείχη στην περιφέρεια (σχισμές), αφού η εφαπτομενική συνιστώσα του μαγνητικού πεδίου είναι σχεδόν μηδέν. Οι τέσσερις πλευρικοί τοίχοι του αντηχείου αντιπροσωπεύουν τέσσερα στενά ανοίγματα ή σχισμές όπου λαμβάνει χώρα η ακτινοβολία. Αν χρησιμοποιήσουμε την αρχή του Huygens, το μεταλλικό μικροταινιωτό κάλυμμα μπορεί να αναπαρασταθεί από μία ισοδύναμη πυκνότητα ρεύματος. Οι τέσσερις πλευρικές σχισμές αντιπροσωπεύονται από τις ισοδύναμες πυκνότητες ρεύματος και, που αντιστοιχούν στο μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο στις σχισμές ( και αντίστοιχα). Τα ισοδύναμα αυτά ρεύματα φαίνονται στο Σχήμα και δίνονται από τις σχέσεις: (1.1) (1.2) 9

10 Jt Js, Ms L Js, Ms W (α) Jt=0 Js=0, Ms L Js=0, Ms W (β) Ms=-2nxEα L Ms=-2nxEα W (γ) Σχήμα 1.3 Ισοδύναμες ρευματικές κατανομές σε ορθογώνια κεραία μικροταινίας.(α) και με επίπεδο γείωσης. (β) και με επίπεδο γείωσης.(γ) χωρίς επίπεδο γείωσης. Για μικρό πάχος διηλεκτρικού υποστρώματος, όπως έχει προαναφερθεί το ρεύμα που διαρρέει την επιφάνεια του μεταλλικού μικροταινιωτού καλύμματος είναι πολύ μικρότερο του ρεύματος, που διαρρέει το κάτω μέρος της κεραίας (Σχήμα ). Ομοίως το εφαπτομενικό μαγνητικό πεδίο κατά μήκος των σχισμών και οι αντίστοιχες πυκνότητες ρεύματος είναι μηδενικά. Έτσι η μόνη μη μηδενική πυκνότητα ρεύματος είναι η 10

11 ισοδύναμη μαγνητική πυκνότητα ρεύματος κατά μήκος της περιφέρειας της κεραίας. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα Χρησιμοποιώντας τη θεωρία των ειδώλων καταλήγουμε στη σχέση: (1.3) Συνεπώς η ακτινοβολία της κεραίας οφείλεται στις ισοδύναμες μαγνητικές πυκνότητες ρεύματος γύρω από την περιφέρεια της κεραίας(σχήμα ).[6] Στην πραγματικότητα, αν θεωρήσουμε την κεραία μικροταινίας ως ένα τέλειο αντηχείο με μαγνητικά αγώγιμους τοίχους και με ένα διηλεκτρικό άνευ απωλειών, τότε δεν θα πρέπει να ακτινοβολείται καθόλου ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ωστόσο η κεραία μικροταινίας δεν λειτουργεί ακριβώς όπως ένα αντηχείο, αφού ακτινοβολεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από τις σχισμές της. Αυτό για ένα αντηχείο σημαίνει πως ο συντελεστής ποιότητάς του είναι πεπερασμένος. Ο συντελεστής ποιότητας ενός αντηχείου ορίζεται από το λόγο της αποθηκευμένης σε αυτό ενέργεια ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, προς τη συνολική ισχύ απωλειών: (1.4) Ένα τέλειο αντηχείο έχει ισχύ απωλειών ίση με μηδέν και άρα άπειρο συντελεστή ποιότητας. Μια κεραία μικροταινίας όμως, έχει ισχύ απωλειών διάφορη του μηδενός, καθώς παρουσιάζει απώλειες (α) ωμικές στα αγώγιμα μέρη, (β) στο διηλεκτρικό, απώλειες λόγω κυμάτων επιφανείας και (γ) απώλειες λόγω ακτινοβολίας (η ακτινοβολία θεωρείται απώλεια για ένα τέλειο αντηχείο). Άρα η κεραία μικροταινίας μπορεί μεν να θεωρηθεί ως ένα αντηχείο, όχι όμως τέλειο. Αυτό εξάλλου προκύπτει και από την παραπάνω παραδοχή πως το εφαπτομενικό μαγνητικό πεδίο στις παράπλευρες επιφάνειες της κεραίας είναι σχεδόν μηδενικό και όχι ακριβώς μηδενικό. Επειδή το πάχος μια κεραίας μικροταινίας είναι συνήθως πολύ μικρό, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που δημιουργείται στο διηλεκτρικό υπόστρωμα ανακλάται συνεχώς μέχρι να φτάσει 11

12 στα άκρα της. Έτσι ένα μικρό μέρος της αρχικής του ενέργειας ακτινοβολείται από την κεραία, γεγονός που την καθιστά λιγότερο αποδοτική. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο διηλεκτρικό υπόστρωμα της κεραίας σχηματίζει στάσιμα κύματα. Επιπλέον, αφού το πάχος του διηλεκτρικού στρώματος συνήθως είναι πολύ μικρότερο του μήκους κύματος στον ελεύθερο χώρο ( ) η μεταβολή του πεδίου κατά το ύψος της κεραίας μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα και επομένως το πεδίο σταθερό. Μόνο οι ρυθμοί είναι δυνατόν να διαδοθούν σε ένα τέτοιο αντηχείο. Με βάση λοιπόν το μοντέλο του αντηχείου προκύπτει ότι το ακτινοβολούμενο πεδίο οφείλεται στο πεδίο που αναπτύσσεται στις σχισμές και όχι σε κάποια ρευματική κατανομή στην πάνω επιφάνεια του μεταλλικού τμήματος, η οποία είναι πρακτικά αμελητέα.[6] Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου για τον κυρίαρχο ρυθμό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: L W Σχήμα 1.4 Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου για τον ΤΜ 010 ρυθμό στο μικροκυματικό αντηχείο. Οι τέσσερις πλευρικοί τοίχοι του αντηχείου αναπαριστούν τέσσερα στενά ανοίγματα ή σχισμές μέσα από τις οποίες λαμβάνει χώρα η ακτινοβολία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ειδικότερα αν θεωρήσουμε το σύστημα συντεταγμένων του Σχήματος επιχειρήσουμε την ανάλυση του αντηχείου., μπορούμε να 12

13 x z h L W y Σχήμα 1.5 Γεωμετρία ορθογώνιας κεραίας μικροταινίας. Οι ρυθμοί που μας ενδιαφέρουν είναι οι και μάλιστα κατά τη διεύθυνση. Δεδομένου ότι στις σχισμές έχουμε μηδενισμό των εφαπτομενικών συνιστωσών του μαγνητικού πεδίου και εφαρμόζοντας τη μέθοδο του χωρισμού των μεταβλητών και των οριακών συνθηκών, μπορούμε να καταλήξουμε στην εξής εξίσωση για τη συνιστώσα : (1.5) Όπου (1.6) Επομένως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο αντηχείο υπάρχει μόνο για τις τιμές των δεικτών που ικανοποιούν την παραπάνω σχέση ή αλλιώς μόνο για τις συχνότητες εκείνες για τις οποίες υπάρχει τριάδα δεικτών που ικανοποιούν τη Σχέση. Αυτό εξηγεί και το γεγονός ότι κεραίες μικροταινίας είναι γενικότερα κεραίες στενής ζώνης συχνοτήτων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, κάνοντας την προσέγγιση ότι το πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος των κεραιών μικροταινίας είναι πολύ μικρό σε σχέση με το μήκος κύματος, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι κατά μήκος του ύψους της κεραίας (δηλαδή κατά μήκος της διάστασης δεν υπάρχει σημαντική μεταβολή των πεδιακών μεγεθών [1]. Μπορούμε συνεπώς να θέσουμε στην εξίσωση ( ) m=0 και να συμπεράνουμε ότι μεταξύ των δύο 13

14 μεταλλικών επιφανειών της κεραίας μπορούν να αναπτυχθούν ρυθμοί συντονισμού της μορφής: (1.7) Οι συχνότητες συντονισμού προκύπτουν από την εξίσωση ( ) και είναι:, n, p=0,1 (1.8) Για να προσδιορίσουμε τον κυρίαρχο ρυθμό πρέπει να εξετάσουμε τις συχνότητες συντονισμού. Ο ρυθμός με τη μικρότερη συχνότητα συντονισμού είναι ο κυρίαρχος ρυθμός. Για όλες τις κεραίες μικροταινίας ισχύει και. Αν ισχύει επίσης και, ο ρυθμός με τη μικρότερη συχνότητα συντονισμού είναι ο. Η συχνότητα συντονισμού δίνεται από τη σχέση: (1.9) Ορισμένοι ρυθμοί χαμηλής τάξης φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: L L W W (α) (β) ) L L W W (γ) Σχήμα 1.6 (δ) Ρυθμοί χαμηλής τάξης για την περίπτωση ορθογωνικής κεραίας μικροταινίας 14

15 β)μοντέλο γραμμής μεταφοράς Το μοντέλο αυτό αναπαριστά την κεραία μικροταινίας σαν δύο σχισμές, που διαχωρίζονται από μια γραμμή μεταφοράς χαμηλής σύνθετης αντίστασης και μήκους, όσο δηλαδή το μήκος της κεραίας. Επειδή οι διαστάσεις της κεραίας μικροταινίας είναι πεπερασμένες, το πεδίο διέρχεται κάτω από τα άκρα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο των άκρων, κατά το οποίο οι διαστάσεις της κεραίας «φαίνονται» να είναι μεγαλύτερες από ότι στην πραγματικότητα. [1] μικροταινιωτό κάλυμμα L W h υπόστρωμα γείωση Σχήμα 1.7 Κεραία μικροταινίας. Για μια γραμμή μικροταινίας του Σχήματος ηλεκτρικού πεδίου φαίνονται στο Σχήμα :, οι τυπικές δυναμικές γραμμές του γραμμή μικροταινίας h υπόστρωμα γείωση Σχήμα 1.8 Γραμμή μικροταινίας 15

16 h εr Σχήμα 1.9 Γραμμές ηλεκτρικού πεδίου. Τυπικά οι δυναμικές γραμμές δεν είναι ομοιογενείς, αφού διέρχονται μέσα από δύο διηλεκτρικά υλικά με διαφορετική διηλεκτρική σταθερά, τον αέρα και το διηλεκτρικό υλικό της κεραίας. Μέρος των δυναμικών γραμμών βρίσκεται στον αέρα και μέρος τους στο διηλεκτρικό υπόστρωμα της κεραίας. Ωστόσο επειδή ( όπου 1 η διηλεκτρική σταθερά του αέρα), και, το ηλεκτρικό πεδίο συγκεντρώνεται κυρίως στο διηλεκτρικό υπόστρωμα. Τα φαινόμενα των άκρων σε αυτήν την περίπτωση κάνουν την κεραία να φαίνεται ηλεκτρικά μεγαλύτερη σε σχέση με τις φυσικές της διαστάσεις. Αφού λοιπόν κάποια κύματα διαδίδονται στον αέρα και κάποια στο διηλεκτρικό υπόστρωμα, εισάγεται μια ενεργός διηλεκτρική σταθερά (effective dielectric constant). Η τελευταία ορίζεται ως η διηλεκτρική σταθερά ενός μέσου που αν γέμιζε όλο το χώρο, η συμπεριφορά του συστήματος θα ήταν η ίδια σε ό,τι αφορά τη διάδοση του σχεδόν ΤΕΜ ρυθμού στη μικροταινία. Για γραμμή μικροταινίας πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα και αέρα στην πάνω επιφάνειά της, η ενεργός διηλεκτρική σταθερά παίρνει τιμές στο διάστημα Στις περισσότερες εφαρμογές όπου η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος είναι πολύ μεγαλύτερη της μονάδας ( ), η τιμή της ενεργού διηλεκτρικής σταθεράς θα είναι πιο κοντά στην τιμή της πραγματικής διηλεκτρικής σταθεράς του υποστρώματος. Η ενεργός διηλεκτρική σταθερά είναι επίσης συνάρτηση της συχνότητας. Όσο η συχνότητα λειτουργίας αυξάνει, τόσο πιο πολύ το πεδίο συγκεντρώνεται στο εσωτερικό του υποστρώματος. Συνεπώς η γραμμή μικροταινίας συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ομοιογενής γραμμή ενός διηλεκτρικού (μόνο του υποστρώματος) και η ενεργός διηλεκτρική σταθερά πλησιάζει την τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς του υποστρώματος. 16

17 εreff 12 Μεταβολή ενεργού διηλεκτρικής σταθεράς με τη συχνότητα εr=2.33 εr=6.8 εr= Log Frequency Σχήμα 1.10 Διακύμανση ενεργού διηλεκτρικής σταθεράς σε σχέση με τη συχνότητα. Για χαμηλές συχνότητες η ενεργός διηλεκτρική σταθερά είναι σχεδόν σταθερή, για μεσαίες συχνότητες η τιμή της αρχίζει να αυξάνεται και για υψηλές συχνότητες πλησιάζει την τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς του υποστρώματος (Σχήμα ). Οι αρχικές τιμές στις χαμηλές συχνότητες, της ενεργού διηλεκτρικής σταθεράς αναφέρονται ως στατικές τιμές και δίνονται από την εξίσωση: (1.10), όπου Εξαιτίας των φαινόμενων των άκρων το ηλεκτρικό μήκος της κεραίας είναι μεγαλύτερο από το φυσικό της μήκος. Για το κυρίαρχο Ε-επίπεδο ( επίπεδο), αυτό φαίνεται στο Σχήμα, όπου οι διαστάσεις της κεραίας κατά το μήκος της έχουν επιμηκυνθεί και στα δύο άκρα κατά μια απόσταση ΔL, το οποίο είναι συνάρτηση της ενεργού διηλεκτρικής σταθεράς ( ) και του λόγου πλάτος προς ύψος ( ). 17

18 ΔL L ΔL W κάτοψη εr h πλάγια όψη Σχήμα 1.11 Φυσικό και Ενεργό μήκος κεραίας (κάτοψη και πλάγια όψη) Μια προσεγγιστική σχέση για το κανονικοποιημένο πρόσθετο μήκος είναι: (1.11) Εφόσον η κεραία έχει επιμηκυνθεί και στα δύο της άκρα κατά ΔL, το ενεργό μήκος της κεραίας είναι: (1.12), όπου L το φυσικό μήκος της κεραίας Το ενεργό μήκος είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς καθορίζει ουσιαστικά τη συχνότητα λειτουργίας της κεραίας. Η μικρότερη δυνατή συχνότητα συντονισμού της κεραίας είναι αυτή για την οποία το ενεργό μήκος της ( ) είναι ίσο με (όπου το μήκος κύματος στην κεραία μικροταινίας): (1.13) (1.14) (1.15) 18

19 Αν επιθυμούμε τώρα να κατασκευάσουμε μια κεραία μικροταινίας που να λειτουργεί σε δεδομένη συχνότητα η εξίσωση ( ) θα πρέπει να επιλυθεί ως προς το μήκος κεραίας. Για μια αποδοτική κεραία, ένα καλό πλάτος που οδηγεί σε καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας έχει αποδειχτεί πως είναι: (1.16) Πέρα από την επίδραση των φαινόμενων των άκρων στο μήκος της κεραίας, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να θεωρήσουμε και την επίδραση των ασυνεχειών στην κεραία. Οι ασυνέχειες αυτές μπορούν να περιγραφούν μέσω ισοδύναμων κυκλωματικών στοιχείων (Σχήμα 1.12). Κάθε σχισμή μπορεί να παρασταθεί από μία παράλληλη ισοδύναμη αγωγιμότητα η οποία απαρτίζεται από μία αγωγιμότητα (που σχετίζεται με την ακτινοβολούμενη από τις σχισμές ισχύ) και από μια επιδεκτικότητα (η οποία σχετίζεται με την αποθηκευμένη ενέργεια του πεδίου στην περιοχή των ασυνεχειών ). L W B1 G1 B2 G2 Σχήμα 1.12 (α) (β) (a)ορθογωνική κεραία μικροταινίας και (β) προσεγγιστικό κυκλωματικό ισοδύναμο Τέλος η χαρακτηριστική αντίσταση της κεραίας μικροταινίας δίνεται από τη προσεγγιστική σχέση: (1.17) Από τη Σχέση ( ) συμπεραίνουμε ότι η κεραία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα τμήμα μιας γραμμής μεταφοράς μήκους L και πλάτους W με χαρακτηριστική αντίσταση Ζ. Η σύνθετη αντίσταση της κεραίας δεν εξαρτάται από το ύψος του διηλεκτρικού υποστρώματος h, αλλά 19

20 από το πλάτος W. Μάλιστα όσο το πλάτος W αυξάνεται, τόσο η αντίσταση της κεραίας μειώνεται, όπως προκύπτει από τη Σχέση ( ). III. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Με βάση τις μορφές του ηλεκτρικού πεδίου για τους διάφορους ρυθμούς, όπως αυτοί φαίνονται στο Σχήμα, στις οποίες καταλήξαμε με βάση το μοντέλο του αντηχείου, είναι δυνατόν να υπολογίσουμε το πεδίο που ακτινοβολείται από τις σχισμές που σχηματίζουν τα όρια του μεταλλικού τμήματος με το αγώγιμο επίπεδο. Η ανάλυση που θα ακολουθήσει αναφέρεται στον κυρίαρχο ρυθμό [1] Για να υπολογίσουμε τη μορφή του μακρινού πεδίου της κεραίας, γνωρίζοντας την τιμή του πεδίου στις τέσσερις σχισμές, θα πρέπει να εφαρμόσουμε την αρχή του Huygens. Σύμφωνα με αυτή μπορούμε να υπολογίσουμε το πεδίο (ηλεκτρικό ή μαγνητικό) σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου όταν γνωρίζουμε τις τιμές του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου σε μια κλειστή επιφάνεια, η οποία και θεωρείται ως δευτερεύουσα πηγή. Έτσι σε μεγάλη απόσταση από την επιφάνεια το ηλεκτρικό πεδίο δίνεται από τη σχέση: (1.18) όπου: Α η επιφάνεια ολοκλήρωσης, και το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια αυτήν και το μοναδιαίο κάθετο διάνυσμα. Μια άλλη διατύπωση της παραπάνω αρχής είναι ότι το πεδίο σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου μπορεί να θεωρηθεί ότι παράγεται από μια ισοδύναμη κατανομή ηλεκτρικού ρεύματος και μια ισοδύναμη κατανομή μαγνητικού ρεύματος πάνω στην επιφάνεια Α: (1.19) (1.20) Με το σκεπτικό αυτό, η παραπάνω αρχή ονομάζεται και αρχή της ισοδυναμίας (equivalent principle). 20

21 Στην περίπτωσή μας η επιφάνεια αποτελείται από τις τέσσερις σχισμές, την επάνω επιφάνεια του μεταλλικού τμήματος και όλο το αγώγιμο επίπεδο μέχρι το άπειρο. Στα μεταλλικά τμήματα όμως η ρευματική κατανομή θεωρείται αμελητέα και έτσι λαμβάνουμε υπόψη μόνο την ακτινοβολία από τις σχισμές. Δεδομένου ότι το μαγνητικό πεδίο είναι σχεδόν κάθετο στις σχισμές (εφαπτομενικό στις σχισμές μαγνητικό πεδίο σχεδόν μηδενικό), το ισοδύναμο ηλεκτρικό επιφανειακό ρεύμα είναι περίπου ίσο με το μηδέν. Επομένως η ακτινοβολία προκαλείται μόνο από το ισοδύναμο μαγνητικό επιφανειακό ρεύμα. Λόγω της παρουσίας του αγώγιμου επιπέδου, και εφαρμόζοντας τη μέθοδο των εικόνων, λαμβάνεται υπόψη και το κατοπτρικό του μαγνητικού αυτού ρεύματος. Το κατοπτρικό μαγνητικό ρεύμα βρίσκεται πολύ κοντά με το πραγματικό, γιατί το πάχος του διηλεκτρικού είναι πολύ μικρό, σε σχέση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Μπορούμε να θεωρήσουμε τότε, ότι το μαγνητικό ρεύμα είναι ουσιαστικά το διπλάσιο Επομένως εφαρμόζουμε την ( ) ολοκληρώνοντας τις ισοδύναμες ρευματικές κατανομές: (1.21) πάνω στις τέσσερις σχισμές. Παρατηρούμε επίσης ότι στις δύο σχισμές που εκτείνονται κατά μήκος της κεραίας, το ηλεκτρικό πεδίο έχει θετικές τιμές στο μισό και αρνητικές στο άλλο μισό, όπως φαίνεται στο Σχήμα ). Μπορεί επομένως να αποδειχτεί ότι το μακρινό πεδίο που οφείλεται στις σχισμές αυτές είναι αμελητέο σε σχέση με αυτό που οφείλεται στις δύο σχισμές που εκτείνονται κατά πλάτος της κεραίας. Με άλλα λόγια οι αντίρροπες ισοδύναμες κατανομές στα δύο μισά τμήματα μιας τέτοιας σχισμής αλληλοαναιρούνται στο μακρινό πεδίο. Έτσι οι μόνες ακτινοβολούσες σχισμές (radiating slots) είναι αυτές που εκτείνονται κατά πλάτος της κεραίας μικροταινίας, Σχήμα x φ θ z M1 y E2 M2 n Σχισμή 2 E1 W Σχισμή 1 L Σχήμα 1.13 Ακτινοβολούσες σχισμές και ισοδύναμη επιφανειακή μαγνητική ρευματική κατανομή 21

22 Αυτό είναι που εξηγεί και την ουσία του μοντέλου της γραμμής μεταφοράς, καθώς υποθέσαμε ότι η ακτινοβολία λαμβάνει χώρα μόνο στις ασυνέχειες, όπως φαίνεται και στο κυκλωματικό ισοδύναμο του Σχήματος. Έτσι η κεραία μικροταινίας λειτουργεί ουσιαστικά σαν μια στοιχειοκεραία δύο σχισμών με ίσα (μαγνητικά) ρεύματα, σε απόσταση, και το μέγιστο της ακτινοβολίας αναμένεται να παρατηρηθεί σε διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο της κεραίας (ευρύπλευρη ακτινοβολία). Με βάση την ανάλυση που προηγήθηκε και χρησιμοποιώντας την αρχή της ισοδυναμίας, μπορούμε να υπολογίσουμε το μακρινό πεδίο για μια σχισμή. Στη συνέχεια, θεωρώντας, τη στοιχεικοκεραία των δύο σχισμών, μπορούμε να καταλήξουμε στο συνολικό αποτέλεσμα. Χρησιμοποιώντας τη προσέγγιση καταλήγουμε ότι η κυρίαρχη συνιστώσα στο μακρινό πεδίο είναι η, δηλαδή σε διεύθυνση ουσιαστικά κατά μήκος της κεραίας. Η παρατήρηση αυτή είναι πολύ σημαντική σε ό,τι αφορά τη γνώση της πόλωσης της κεραίας, η οποία είναι βέβαια γραμμική, αλλά η διεύθυνσή της καθορίζεται από τον τρόπο που η κεραία είναι τοποθετημένη στο χώρο. Για μία σχισμή, η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου είναι: (1.22) ενώ το συνολικό πεδίο προκύπτει: (1.23) όπου είναι η τάση κατά μήκος της σχισμής. Στην παραπάνω σχέση ο όρος ανάμεσα στα άγκιστρα εκφράζει το πεδίο της μιας σχισμής, ενώ ο δεύτερος όρος είναι ουσιαστικά το μισό του παράγοντα της στοιχειοκεραίας των δύο σχισμών. Τέλος, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας στα δύο κύρια επίπεδα. Το Ε-επίπεδο(Ε-plane) είναι αυτό του ηλεκτρικού πεδίου και όπως υποθέσαμε το σύστημα αξόνων είναι το επίπεδο ( ), (που βρίσκεται κατά μήκος της κεραίας). Επιπρόσθετα το Η-επίπεδο (Η-plane),είναι το επίπεδο του μαγνητικού πεδίου και άρα το. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας στα δύο επίπεδα Ε και Η, όπως προκύπτουν από την ), φαίνονται στο Σχήμα και 22

23 x φ συνολικό σχισμή 1 σχισμή 2 y x (α) συνολικό, σχισμή 1, σχισμή 2 θ z Σχήμα 1.14 (β) Διάγραμμα ακτινοβολίας (α)ε και (β)η επιπέδου μιας κεραίας μικροταινίας Παρατηρούμε ότι το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας μικροταινίας έχει τη μορφή ενός αρκετά ευρέως λοβού με μέγιστο στη διεύθυνση την κάθετη στο επίπεδο της κεραίας. Τα διαγράμματα που υπολογίζονται με την εφαρμογή του μοντέλου του αντηχείου είναι πολύ κοντά σε αυτά που υπολογίζονται με την ακριβέστερη μέθοδο των ολοκληρωτικών εξισώσεων αλλά και τα πραγματικά, μετρούμενα διαγράμματα ακτινοβολίας. Μικρές διαφορές υπάρχουν προς τις διευθύνσεις που είναι σχεδόν παράλληλες προς το επίπεδο της κεραίας IV. ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΤΗΤΑ Γνωρίζοντας τη μορφή του ηλεκτρικού πεδίου στο μακρινό πεδίο εύκολα μπορούμε να υπολογίσουμε την κατευθυντικότητα της κεραίας μικροταινίας από τη σχέση: (1.24), 23

24 όπου η μέγιστη ένταση ακτινοβολίας και η εκπεμπόμενη ισχύς. Είναι σκόπιμο να υπολογίσουμε και την ακτινοβολούμενη ισχύ από μία σχισμή μόνο, δεδομένου ότι θα χρειαστεί στον υπολογισμό της αντίστασης εισόδου. Η ισχύς αυτή είναι ίση με: (1.25), όπου θεωρήσαμε το πεδίο της μιας σχισμής από την εξίσωση ), χωρίς την παρουσία του παράγοντα της στοιχειοκεραίας. Το παραπάνω ολοκλήρωμα μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά με τη βοήθεια της γνωστής συνάρτησης ολοκληρωτικού ημιτόνου, οπότε: (1.26) Μπορούμε λοιπόν εύκολα να υπολογίσουμε την κατευθυντικότητα της ακτινοβολίας από μία σχισμή μόνον [1]. Αυτό που κυρίως μας ενδιαφέρει είναι ο υπολογισμός της συνολικής κατευθυντικότητας της κεραίας. Η διαδικασία υπολογισμού ακολουθεί παρακάτω: Υπολογίζουμε πρώτα τη μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας (1.27), οπότε η συνολική κατευθυντικότητα προκύπτει: (1.28) Το ολοκλήρωμα αυτό υπολογίζεται με αριθμητικές μεθόδους. Υπάρχουν δύο προσεγγιστικές, ασυμπτωτικές εκφράσεις για μικρές και μεγάλες τιμές του πλάτους της κεραίας, (1.29) 24

25 Και γενικά η μεταβολή σε db, ως προς το πλάτος, είναι σχεδόν γραμμική για τις ενδιάμεσες τιμές. V. ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ Για τον υπολογισμό της αντίστασης εισόδου κεραίας μικροταινίας επιστρέφουμε στο κυκλωματικό ισοδύναμο του Σχήματος ), στο οποίο όμως πρέπει πρώτα να υπολογίσουμε τις αγωγιμότητες και για την κάθε ακτινοβολούσα σχισμή [1]. Καταρχήν ορίζεται κατά αντιστοιχία με την αντίσταση ακτινοβολίας, η έννοια της αγωγιμότητας ακτινοβολίας από τη σχέση: (1.30), Όπου η τάση στο σημείο τροφοδοσίας, δηλαδή στη σχισμή. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την έκφραση της ακτινοβολούμενης ισχύος από τη μία σχισμή ( ), προκύπτει τελικά ότι: (1.31) Οι δύο επιδεκτικότητες είναι και αυτές ίσες κατά μέτρο, αλλά μπορεί να αποδειχτεί ότι έχουν αντίθετο πρόσημο. Με δεδομένο ότι το μήκος της κεραίας είναι κατά βάση, η σύνθετη αγωγιμότητα της δεξιάς σχισμής συνδέεται με την αριστερή σχισμή μέσω γραμμής μεταφοράς μήκους Επομένως η μετασχηματισμένη σύνθετη αγωγιμότητα της δεξιάς σχισμής, στη θέση της αριστερής σχισμής θα είναι ακριβώς η ίδια. Έτσι οι επιδεκτικότητες αλληλοαναιρούνται και η σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου είναι καθαρά πραγματική και ίση με: (1.32) Η παραπάνω ανάλυση είναι προσεγγιστική και δεν λαμβάνει υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο σχισμών. Η αλληλεπίδραση αυτή μπορεί να ληφθεί υπόψη μέσω μιας αμοιβαίας αγωγιμότητας(mutual conductance) μεταξύ των σχισμών, η οποία θα πρέπει να προστεθεί στην αυτοαγωγιμότητα (self conductance). 25

26 VI. ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ, ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση για τις κεραίες μικροταινίας, συμπεραίνουμε ότι είναι ουσιαστικά μικροκυματικοί συντονιστές, επομένως το εύρος ζώνης τους είναι μικρό. Επιπλέον η ενέργεια ταλαντώνεται κατά κύριο λόγο με τη μορφή στάσιμων κυμάτων στο χώρο μεταξύ των μεταλλικών τοιχωμάτων.[1] Εφαρμόζοντας τη θεωρία των συντονιστών, μπορούμε να ορίσουμε το συντελεστή ποιότητας (quality factor) της κεραίας ως το λόγο της αποθηκευμένης ενέργειας του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου, προς τη συνολική ισχύ απωλειών της κεραίας, πολλαπλασιασμένο επί την κυκλική συχνότητα, δηλαδή: (1.33) Η ισχύς απωλειών της κεραίας μπορεί να αναλυθεί (α) σε ωμικές απώλειες στους αγωγούς, (β) σε απώλειες στο διηλεκτρικό υλικό, (γ)απώλειες λόγω παρουσίας κυμάτων επιφανείας στο διηλεκτρικό, αλλά και (δ) απώλειες λόγω ακτινοβολίας, καθώς ένα μέρος της ακτινοβολίας ακτινοβολείται από τις σχισμές. Επομένως: (1.34) όπου οι δείκτες αναφέρονται κατά σειρά σε ακτινοβολία (radiation), απώλειες στους αγωγούς (conductor) και στο διηλεκτρικό (dielectric) και σε απώλειες λόγω κυμάτων επιφανείας (surface waves). Έτσι μπορούμε να ορίσουμε τέσσερις επιμέρους συντελεστές ποιότητας. Ο συνολικός συντελεστής ποιότητας θα δίνεται από τη σχέση: (1.35) Η θεώρηση του συντελεστή ποιότητας στις κεραίες μικροταινίας έχει διαφορετική σημασία από ότι στους μικροκυματικούς συντελεστές. Στους δεύτερους, η ακτινοβολούμενη ισχύς θεωρείται ως «απώλειες», ενώ στις κεραίες μικροταινίας αποτελεί το μέγεθος που θέλουμε να μεγιστοποιήσουμε, ώστε να καταστήσουμε την κεραία μας αποδοτική. Επίσης σε αντίθεση με έναν συντονιστή, στον οποίο επιδιώκουμε ελαχιστοποίηση των απωλειών και 26

27 αύξηση του συντελεστή ποιότητας για να πετύχουμε οξύτερους συντονισμούς, στις κεραίες μικροταινίας επιδίωξη είναι γενικά να έχουμε όσο το δυνατόν χαμηλότερο συντελεστή ποιότητας, τόσο για να έχουμε μεγαλύτερη ακτινοβολούμενη ισχύ, όσο και για να πετύχουμε μεγαλύτερο εύρος ζώνης, δεδομένου ότι ισχύει η γνωστή προσεγγιστική σχέση: (1.36) όπου η συχνότητα συντονισμού και Δf το εύρος ζώνης μισής ισχύος του συντονιστή. Στόχος μας επομένως είναι να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες στους αγωγούς και στο διηλεκτρικό καθώς και αυτές που προκαλούνται από τα κύματα επιφανείας, ώστε να μεγιστοποιηθούν οι απώλειες λόγω ακτινοβολούμενης ισχύος, δηλαδή να μεγιστοποιηθεί η απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας (radiation efficiency). Η τελευταία ορίζεται ως ο λόγος της ακτινοβολούμενης ισχύος προς τη συνολική ισχύ: (1.37) Ειδικότερα οι απώλειες λόγω κυμάτων επιφανείας μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες, όταν το πάχος του υποστρώματος είναι μικρό. Για μεγαλύτερα πάχη, αυξάνει η επίδραση των απωλειών αυτών στην αποδοτικότητα της κεραίας μικροταινίας και γενικά επικρατεί μία τάση περιορισμού τους. Ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος, που παρουσιάζει όμως κατασκευαστικές δυσκολίες, είναι η χρήση κοιλοτήτων ή αντηχείων (cavities), όπως φαίνεται στο Σχήμα. Όπως απεικονίζεται η συνέχεια του διηλεκτρικού υποστρώματος διακόπτεται με κατακόρυφες μεταλλικές επιφάνειες που εμποδίζουν την ανάπτυξη κυμάτων επιφανείας. Ωστόσο έχει αποδειχτεί ότι οι απαιτήσεις μεγαλύτερου εύρους ζώνης και καλύτερης αποδοτικότητας είναι συγκρουόμενες. Ειδικότερα όσο αυξάνει το πάχος του υποστρώματος, τόσο βελτιώνεται το εύρος ζώνης, αλλά από την άλλη μεριά μειώνεται η αποδοτικότητα της κεραίας μικροταινίας. Αυτό συμβαίνει γιατί αυξάνονται οι απώλειες που εισάγουν το διηλεκτρικό και τα κύματα επιφανείας και επομένως μειώνεται η ακτινοβολούμενη ισχύς. Έτσι απαιτείται στην πράξη κάποιος συμβιβασμός. 27

28 2c h 2b 2a h Σχήμα 1.15 Κατακόρυφη τομή κεραιών μικροταινίας με μεταλλικές κοιλότητες VII. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Η τροφοδοσία μιας κεραίας μικροταινίας μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους [9]-[11]. Κάποιοι από τους πιο συνηθισμένους είναι: (α) με γραμμή μικροταινίας, (Σχήμα ) (β) με ομοαξονικό καλώδιο, (Σχήμα ) (γ) μέσω ανοίγματος και (Σχήμα ) (δ) σε γειτνίαση με μικροταινία(σχήμα ). μικροταινιωτό κάλυμμα L W h υπόστρωμα γείωση (α) κυκλικό μικροταινιωτό κάλυμμα διηλεκτρικό υπόστρωμα ομοαξονικός κονέκτορας επίπεδο γείωσης (β) 28

29 μικροταινιωτό κάλυμμα γραμμή μικροταινίας άνοιγμα (γ) γραμμή μικροταινίας μικροταινιωτό κάλυμμα (δ) Σχήμα 1.16 Τρόποι τροφοδοσίας μιας κεραίας μικροταινίας (a)με γραμμή μικροταινίας (microstrip line), (β)με ομοαξονικό καλώδιο,(probe fed), (γ)μέσω ανοίγματος, (aperturecoupled feed), (δ)σε γειτνίαση με μικροταινία(proximity-coupled). Η τροφοδοσία μιας κεραίας μέσω γραμμής μικροταινίας, η οποία ουσιαστικά είναι μια αγώγιμη λωρίδα, προϋποθέτει η γραμμή τροφοδοσίας να έχει πολύ μικρότερο πλάτος σε σχέση με το πλάτος του μικροταινιωτού καλύμματος. Επιπλέον, για την επίτευξη της προσαρμογής της σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, χαράσσεται κατάλληλη εσοχή (inset), όπως φαίνεται στο Σχήμα Αυτός ο τρόπος τροφοδοσίας μιας κεραίας μικροταινίας, είναι εύκολος στον σχεδιασμό και στην κατασκευή, αλλά σε περίπτωση που το διηλεκτρικό υπόστρωμα έχει μεγάλο πάχος, αυξάνονται τα κύματα επιφανείας και η παρασιτική ακτινοβολία, πράγμα που στην πράξη σημαίνει μείωση του εύρους ζώνης της κεραίας. Ένας άλλος τρόπος τροφοδότησης κεραίας μικροταινίας είναι με ομοαξονικό καλώδιο, όπου ο εσωτερικός αγωγός του καλωδίου καταλήγει σε πρόβολο και συνδέεται με το μεταλλικό φύλλο, όπως φαίνεται στο Σχήμα ενώ ο εξωτερικός αγωγός συνδέεται στο επίπεδο γείωσης. 29

30 Οι δύο παραπάνω τρόποι τροφοδοσίας κεραίας μικροταινίας εισάγουν ασυμμετρίες, οι οποίες προκαλούν τη διέγερση ανώτερων ρυθμών. Για να ξεπεραστούν κάποια από αυτά τα προβλήματα, χρησιμοποιούνται εναλλακτικοί τρόποι τροφοδοσίας, χωρίς άμεση επαφή του συστήματος τροφοδοσίας με την κεραία, όπως φαίνεται στα Σχήματα και Η τροφοδοσία μέσω ανοίγματος του Σχήματος είναι ο πιο δύσκολος τρόπος τροφοδοσίας από όλους τους παραπάνω όσον αφορά την κατασκευή και επιπλέον επιφέρει το μικρότερο εύρος ζώνης. Παρόλα αυτά έχει την μικρότερη παρασιτική ακτινοβολία. Το σύστημα τροφοδοσίας αποτελείται από δύο υποστρώματα διαχωριζόμενα από το επίπεδο γείωσης. Στην κάτω πλευρά του χαμηλότερου υποστρώματος υπάρχει μια γραμμή μικροταινίας, η οποία συζευγνύεται με το μικροταινιωτό κάλυμμα μέσω σχισμής/ανοίγματος στο επίπεδο γείωσης. Το σύστημα τροφοδοσίας αυτό επιτρέπει την ανεξάρτητη σχεδίαση της κεραίας και του ίδιου, καθώς το αγώγιμο επίπεδο τα απομονώνει. Τυπικά, για το χαμηλό υπόστρωμα χρησιμοποιείται υλικό με υψηλή διηλεκτρική σταθερά ενώ για το δεύτερο υπόστρωμα χρησιμοποιείται υλικό με μεγάλο πάχος και χαμηλή διηλεκτρική σταθερά. Για αυτήν την κατασκευή, τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, το μήκος της γραμμής τροφοδοσίας, το μέγεθος και η θέση του ανοίγματος μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να βελτιστοποιηθεί η κεραία. Η προσαρμογή του συστήματος τροφοδοσίας με την κεραία πραγματοποιείται τροποποιώντας κατάλληλα το πλάτος της γραμμής τροφοδοσίας και το μήκος του ανοίγματος. Τέλος είναι δυνατή η διέγερση μέσω γειτνίασης (proximity coupling, Σχήμα στην οποία η μικροταινία τροφοδοσίας υλοποιείται στο πρώτο υπόστρωμα, ενώ η κεραία μικροταινίας στο δεύτερο. Αν και δύσκολη στην κατασκευή, η μέθοδος αυτή παρουσιάζει το καλύτερο εύρος ζώνης (μέχρι και ) χαμηλή παρασιτική ακτινοβολία και πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Τέτοιες διατάξεις, διηλεκτρικών πολλαπλών επιπέδων (multilayer structures), παρουσιάζουν αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, καθώς προσφέρουν πολύ καλύτερες δυνατότητες απομόνωσης του συστήματος τροφοδοσίας από την κεραία.[1] VIII. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Οι κεραίες μικροταινίας έχουν πλήθος προτερημάτων σε σχέση με τις συμβατικές κεραίες μικροκυμάτων και για αυτό χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, καλύπτοντας ένα 30

31 ευρύ φάσμα συχνοτήτων από MHz έως GHz. Μερικά από τα βασικά πλεονεκτήματα των κεραιών μικροταινίας είναι: Μικρό βάρος και μικρός όγκος Μικρό κόστος κατασκευής και άμεσα υποκείμενες σε μαζική παραγωγή Δυνατότητα γραμμικής και κυκλικής πόλωσης με απλή τροφοδοσία Εύκολη κατασκευή κεραιών για λειτουργία σε διπλή συχνότητα και με διπλή πόλωση Εύκολη ενσωμάτωση σε μικροκυματικά ολοκληρωμένα κυκλώματα Οι γραμμές τροφοδοσίας και τα κυκλώματα προσαρμογής μπορούν να ενσωματωθούν κατευθείαν με τη δομή της κεραίας. Παρόλα αυτά οι κεραίες μικροταινίας έχουν κάποιους περιορισμούς σε σχέση με τις συμβατικές κεραίες μικροκυμάτων. Κάποιοι από αυτούς είναι: Στενό εύρος ζώνης Μικρό κέρδος(~6db) Πολύ μεγάλες ωμικές απώλειες στα συστήματα τροφοδοσίας στοιχειοκεραιών Οι περισσότερες κεραίες μικροταινίας ακτινοβολούν στο μισό χώρο. Κατασκευαστικά περίπλοκα συστήματα τροφοδοσίας για υψηλής επίδοσης στοιχειοκεραίες Δύσκολη επίτευξη καθαρής πόλωσης Εξωγενής ακτινοβολία από την τροφοδοσία και από άλλες συνδέσεις Αδυναμία διαχείρισης υψηλής ισχύος(μόνο μέχρι ~ W) Μειωμένο κέρδος και αποδοτικότητα όπως και υψηλά επίπεδα αντίθετης πόλωσης και αμοιβαίας σύζευξης σε περιβάλλον στοιχειοκεραίας σε υψηλές συχνότητες Κύματα επιφανείας Παρά την εύκολη ενσωμάτωση των κεραιών μικροταινίας σε ευρύτερα τυπωμένα κυκλώματα ( MMIC s), το υπόστρωμα υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς που προτιμάται, οδηγεί σε κακή αποδοτικότητα και στενό εύρος ζώνης 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ II ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο οι κεραίες μικροταινίας έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα, το μέγεθός τους, αλλά και ένα μειονέκτημα, το μικρό τους εύρος. Οι σύγχρονες συσκευές, όμως, απαιτούν κεραίες μικρού μεγέθους με σχετικά μεγάλο εύρος ζώνης. Οι δύο αυτοί περιορισμοί είναι αντικρουόμενοι, καθώς η μείωση του μεγέθους της κεραίας, σε δεδομένη συχνότητα λειτουργίας, προκαλεί συνήθως μείωση του εύρους ζώνης. Υπάρχουν όμως τρόποι, όπως έχει αποδειχτεί, με τους οποίους μπορεί κανείς να βελτιώσει το εύρος ζώνης μιας κεραίας μικροταινιωτού καλύμματος, διατηρώντας παράλληλα την απαίτηση για μικρό μέγεθος κεραίας. Παρακάτω παρατίθενται τεχνικές βελτίωσης εύρους ζώνης. I. Κατάλληλη επιλογή των χαρακτηριστικών του υποστρώματος(πάχος h και διηλεκτρική σταθερά ) II. Χρήση σχισμών III. Τροφοδοσία τροποποιημένου προβόλου IV. Τρισδιάστατο μεταλλικό μικροταινιωτό κάλυμμα V. Πρόσθετοι ακτινοβολητές VI. Ενσωματωμένο φορτίο αντίδρασης I. ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ Το εύρος ζώνης συχνοτήτων μιας κεραίας μικροταινίας μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τον συντελεστή ποιότητάς της, σύμφωνα και με τη Σχέση ( ). Έτσι, με την κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων του υποστρώματος, όπως το πάχος και τη διηλεκτρική σταθερά είναι δυνατή η μείωση του συντελεστή ποιότητας της κεραίας και επομένως η αύξηση του εύρους ζώνης της. [6], [8] 32

33 h1 εr1 h2 εr2<εr1 Σχήμα 2.1 Αύξηση πάχους h υποστρώματος κεραίας μικροταινίας και ταυτόχρονα μείωση της διηλεκτρικής του σταθεράς Αυξάνοντας τη διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος, το ηλεκτρικό πεδίο συγκεντρώνεται περισσότερο στο εσωτερικό του (κύματα επιφανείας), πράγμα που σημαίνει αύξηση της αποθηκευμένης ενέργειας. Σύμφωνα με τον ορισμό του συντελεστή ποιότητας της κεραίας μικροταινίας (Σχέση ), όπου: αύξηση της αποθηκευμένης ενέργειας σημαίνει αύξηση του συντελεστή ποιότητας της κεραίας μικροταινίας και άρα μείωση του εύρους ζώνης της (Σχέση ). Από την άλλη μεριά, η αύξηση του πάχους του υποστρώματος οδηγεί σε μείωση της αποθηκευμένης ενέργειας στο εσωτερικό του άρα μείωση του συντελεστή ποιότητας και αύξηση του εύρους ζώνης της κεραίας μικροταινίας. Συνοψίζοντας, η αύξηση του πάχους του υποστρώματος και η μείωση της διηλεκτρικής του σταθεράς οδηγούν στην αύξηση του εύρους ζώνης της κεραίας μικροταινίας. Παρόλα αυτά, η προσέγγιση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο όταν το πάχος του υποστρώματος είναι. Μερικά από τα μειονεκτήματα της χρήσης υποστρώματος με μεγάλο πάχος και με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά είναι τα εξής: Αύξηση των κυμάτων επιφανείας και συνολικής αποθηκευμένης ενέργειας, άρα μείωση της αποδοτικότητας ακτινοβολίας της κεραίας. Η ακτινοβολία λόγω των κυμάτων επιφανείας αλλοιώνει το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας, η οποία αρχίζει να πλησιάζει την ακροπυροδοτική λειτουργία. 33

34 Πιθανότητα διέγερσης υψηλότερων ρυθμών συντονισμού, με αποτέλεσμα την αλλοίωση του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας. II. ΧΡΗΣΗ ΣΧΙΣΜΩΝ Ένας άλλος τρόπος βελτίωσης του εύρους ζώνης μιας κεραίας μικροταινίας είναι η δημιουργία σχισμών ή μαιάνδρων στο επίπεδο γείωσης, όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα [5]: υπόστρωμα σημείο τροφοδο σίας επίπεδο γείωσης μικροταινιωτό κάλυμμα Σχήμα 2.2 Κεραία μικροταινίας με επίπεδο γείωσης σε σχήμα μαιάνδρου τροφοδοσία 1 υπόστρωμα τροφοδοσία 2 μικροταινιωτό κάλυμμα επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.3 Επίπεδο γείωσης κεραίας μικροταινίας με σχισμές Εισάγοντας σχισμές στο επίπεδο γείωσης, αυξάνεται το ηλεκτρικό μήκος του, δηλαδή το ρεύμα είναι αναγκασμένο να διανύσει μεγαλύτερη διαδρομή πάνω στο μέταλλο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών στα αγώγιμα μέρη και τελικά τη μείωση του 34

35 συνολικού συντελεστή ποιότητας της κεραίας. Σύμφωνα και πάλι με τη Σχέση, μείωση του συντελεστή ποιότητας σημαίνει αύξηση του εύρους ζώνης της κεραίας. Σχισμές μπορούν να τοποθετηθούν όχι μόνο στο επίπεδο γείωσης, αλλά και στο μεταλλικό φύλλο της κεραίας, με αποτέλεσμα βελτιωμένο εύρος ζώνης, για τον ίδιο λόγο που αναφέρθηκε προηγουμένως. Ένα παράδειγμα τέτοιας κεραίας(στη συγκεκριμένη περίπτωση τριγωνικού σχήματος [12] ) φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: γείωση υπόστρωμα σχισμές μικροταινιωτό κάλυμμα Σχήμα 2.4 Τριγωνική κεραία μικροταινία με σχισμές Παρακάτω αναφέρονται κάποια παραδείγματα κεραιών μικροταινίας, με σχισμές συγκεκριμένης γεωμετρίας. α)κεραία μικροταινίας με σχισμή σχήματος U(U-slotted patch) Η κεραία μικροταινίας με σχισμή σχήματος U, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η θέση της τροφοδοσίας επιλέγεται σε κατάλληλο σημείο, ώστε αυτό να βρίσκεται κοντά με το σημείο μηδενισμού του κυρίαρχου ρυθμού της απλής, χωρίς σχισμές, κεραίας μικροταινίας. 35

36 L w1 dp W w2<w1 l1 μικροταινιωτό κάλυμμα w2 l2 υπόστρωμα εr τροφοδοσία γείωση Σχήμα 2.5 Κεραία μικροταινίας με U-σχήματος σχισμή(u-slotted patch) Εισάγοντας τη σχισμή U σχήματος στην κεραία, έχει παρατηρηθεί ότι δύο γειτονικοί ρυθμοί συντονισμού διεγείρονται στη γειτονιά της βασικής συχνότητας συντονισμού της απλής, χωρίς σχισμές, τριγωνικής κεραίας. Το εύρος ζώνης της τροποποιημένης κεραίας μικροταινίας είναι μεγαλύτερο από αυτό της απλής κεραίας μικροταινίας. Για την συγκεκριμένη κατασκευή, έχει αποδειχτεί ότι, παρόλο που τα μήκη και τα πάχη των σχισμών επηρεάζουν την ευρυζωνική λειτουργία της κεραίας, ο μεγαλύτερος ρυθμός συντονισμού είναι πιο ευαίσθητος στο μήκος της οριζόντιας σχισμής, ενώ ο μικρότερος εξαρτάται κυρίως από την περίμετρο της U-σχήματος σχισμής. β)κεραία μικροταινίας με σχισμή σχήματος Ε(Ε-slotted patch) Παρόμοια αποτελέσματα μπορεί να επιφέρει και η χρήση σχισμής σχήματος Ε ( Ε-shaped patch ), σε ορθογώνια, κυκλική και τριγωνική κεραία. Στο Σχήμα απεικονίζεται η περίπτωση της ορθογωνικής κεραίας. Οι σχισμές έχουν το ίδιο μήκος και πλάτος και είναι τοποθετημένες συμμετρικά ως προς τον κύριο άξονα της κεραίας. Η τροφοδοσία τοποθετείται στο χώρο ανάμεσα στις δύο σχισμές και σε απόσταση από το κάτω άκρο της κεραίας, για ικανοποιητική διέγερση της κεραίας σε μεγάλο εύρος δέσμης. 36

37 W w1 L w2 l μικροταινιωτό κάλυμμα dp υπόστρωμα εr τροφοδοσία γείωση Σχήμα 2.6 Κεραία μικροταινίας με Ε-σχήματος σχισμή(ε-slotted patch) Παρακάτω φαίνεται μια τυπική κατανομή επιφανειακού ρεύματος σε μια κεραία μικροταινίας με σχισμή σχήματος Ε. Σχήμα 2.7 Κατανομή επιφανειακού ρεύματος για κεραία μικροταινίας με Ε-σχήματος σχισμή Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε να παρατηρήσουμε πως η «διαδρομή» που διανύει το ηλεκτρικό ρεύμα πάνω στο μεταλλικό φύλλο με σχισμές, είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη διαδρομή σε μια απλή ορθογωνική κεραία μικροταινίας. Αυτό προκαλεί τη μείωση του συντελεστή ποιότητας της κεραίας και άρα τη βελτίωση του εύρους ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας της. 37

38 γ)κεραία μικροταινίας με σχισμές σχήματος «οδοντόβουρτσας»(toothbrush-shaped slots) l2 l1 l5 l4 l3 W σημείο τροφοδοσίας L μικροταινιωτό κάλυμμα με σχισμές εr επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.8 Ορθογώνια κεραία μικροταινιωτού καλύμματος με ένα ζευγάρι σχισμών σχήματος οδοντόβουρτσας Σε μια κεραία μικροταινίας με τη παραπάνω γεωμετρία, έχει αποδειχτεί ότι διεγείρονται δύο γειτονικοί ρυθμοί ο και ο. Όταν τα μήκη,, και, επιλεγούν κατάλληλα, οι δύο αυτού ρυθμοί διεγείρονται σε γειτονικές συχνότητες συντονισμού. Ο λόγος των δύο αυτών συχνοτήτων συντονισμού είναι πολύ κοντά στη μονάδα(περίπου ίσος με ), πράγμα που σημαίνει βελτίωση του εύρους ζώνης της κεραίας μικροταινίας. δ)κεραία μικροταινίας με σχισμές διπλά λυγισμένες(double bend slots) Σε παρόμοια αποτελέσματα καταλήγουμε και με τη χρήση δύο διπλά λυγισμένων σχισμών πάνω στην κεραία. 38

39 y x 15 o l2 75 o l1 W σημείο τοροφοδοσίας lt 75 o x μικροταινιωτό x κάλυμμα L h εr επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.9 Ορθογώνια κεραία μικροταινίας με ένα ζευγάρι διπλά-λυγισμένων σχισμών(doublebend slots) Με τις δύο αυτές διπλά λυγισμένες σχισμές, με συγκεκριμένη γωνία λυγίσματος και αντίστοιχα, οι δύο πρώτοι ρυθμοί συντονισμού μπορούν να διεγερθούν σε συχνότητες συντονισμού με λόγο, βελτιώνοντας έτσι το εύρος δέσμης της κεραίας. Ενσωματώνοντας μάλιστα ακόμα μία λυγισμένη σχισμή με γωνία λυγίσματος, ο λόγος των συχνοτήτων συντονισμού μπορεί να μειωθεί σε, βελτιώνοντας ακόμα περισσότερο το εύρος δέσμης της κεραίας. ε)κεραία μικροταινίας με ένα ζευγάρι σχισμών «δεξιάς γωνίας»(right-angle slots) και μιας τροποποιημένης U σχήματος σχισμή(u-shaped slot) Μια παρόμοια τεχνική χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι σχισμών «δεξιάς-γωνίας», πετυχαίνοντας έτσι βελτιωμένο εύρος ζώνης για μια ορθογώνια κεραία μικροταινιωτού καλύμματος. Η γεωμετρία της κεραίας αυτής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 39

40 y l1 l2 W x σημείο τροφοδοσίας l3 l4 x μικροταινιωτό κάλυμμα L εr επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.10 Ορθογώνια κεραία μικροταινίας με ένα ζευγάρι σχισμών δεξιάς-γωνίας (right-angle slots) και μια τροποποιημένη-σχισμή σχήματοςu Στην περίπτωση αυτή διεγείρονται δύο ρυθμοί, ο και ο, με λόγο συχνοτήτων συντονισμού. Αυτός ο λόγος όμως δεν είναι και τόσο ικανοποιητικός για την επίτευξη ενός μεγάλου εύρους δέσμης. Έχει αποδειχτεί ότι χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη σχισμή σχήματος U κατά μήκος της κύριας γραμμής της κεραίας κατά την κατεύθυνση συντονισμού, η συχνότητα συντονισμού του ρυθμού μπορεί να μειωθεί, ενώ η αντίστοιχη συχνότητα του επηρεάζεται ελάχιστα. Έτσι ο λόγος των δύο συχνοτήτων συντονισμού μειώνεται και γίνεται περίπου ίσος με, βελτιώνοντας έτσι το εύρος ζώνης. Συνεπώς η τροποποιημένη σχισμή διαταράσσει, με κατάλληλο σχεδιασμό, τη διαδρομή του ρεύματος του ρυθμού πάνω στην διεγερμένη επιφάνεια της κεραίας, ώστε να μειωθεί ο λόγος των δύο συχνοτήτων συντονισμού. III. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΠΡΟΒΟΛΟΥ Στις κεραίες με τροφοδοσία τροποποιημένου προβόλου ένας αρκετά μακρύς πρόβολος ενώνει το επίπεδο γείωσης με το μεταλλικό φύλλο της κεραίας, περνώντας από το παχύ διηλεκτρικό υπόστρωμα. Οι μεγάλες διαστάσεις του όμως έχουν ως αποτέλεσμα μία μεγάλη αντίδραση προβόλου, γεγονός που δυσχεραίνει ακόμα περισσότερο την προσαρμογή της σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας και της αντίστασης της τροφοδοσίας. Το τελευταίο εμποδίζει την ικανοποιητική λειτουργία της κεραίας σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων.[2]-[4],[7] 40

41 Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η αφαίρεση ενός τμήματος του μεταλλικού φύλλου της κεραίας γύρω από το σημείο της τροφοδοσίας (Σχήμα 2.11). Το αφαιρούμενο αυτό τμήμα συνήθως είναι κυκλικό(ring slot). Διαλέγοντας τις κατάλληλες διαστάσεις του αφαιρούμενου αυτού κυκλικού τμήματος, η αντίδραση του προβόλου μπορεί να αντισταθμιστεί και να επιτευχθεί καλή προσαρμογή αντιστάσεων μεταξύ της κεραίας και της τροφοδοσίας. Το αποτέλεσμα είναι ικανοποιητική λειτουργία της κεραίας σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων.[9]-[12] μικροταινιωτό κάλυμμα υπόστρωμα εr επίπεδο γείωσης αφαιρούμενο κυκλικο τμήμα γύρω από το σημείο τροφοδοσίας(ring slot) Σχήμα 2.11 Τροφοδοσία κεραίας μικροταινίας μέσω προβόλου-αφαίρεση μικρού κυκλικού τμήματος γύρω από την τροφοδοσία στο μεταλλικό φύλλο της κεραίας Μια άλλη ενδιαφέρουσα μέθοδος για τη βελτίωση του εύρους ζώνης κεραιών μικροταινίας είναι η χρήση τρισδιάστατης τροφοδοσίας με τη βοήθεια ενός μεταβατικού τμήματος γραμμής μικροταινίας, όπως απεικονίζεται στα παρακάτω σχήματα: μικροταινιωτό κάλυμμα εr επίπεδο γείωσης θέση τροφοδοσίας (μεταβατικό τμήμα) Σχήμα 2.12 γωνία) Τροφοδοσία κεραίας μικροταινίας μέσω μεταβατικής γραμμής μικροταινίας(υπό 41

42 μικροταινιωτό κάλυμμα τροφοδοσία εr Σχήμα 2.13 Τροφοδοσία κεραίας μικροταινίας μέσω μεταβατικής γραμμής μικροταινίας(άποψη και πλάγια όψη) Σε αυτήν την περίπτωση, παρόλο που η κεραία έχει παχύ υπόστρωμα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν, μικρού μήκους, πρόβολο, ο οποίος είναι συνδεδεμένος σε ένα ορθογώνιο κομμάτι μικροταινίας, ως μέσο μετάβασης της τροφοδοσίας στην κυρίως κεραία. Έτσι τo μικροταινωτό κάλυμμα μπορεί να είναι πολύ ψηλά από το επίπεδο γείωσης χωρίς να απαιτείται μεγάλου μήκους πρόβολος. Το βελτιωμένο εύρος ζώνης που προκύπτει είναι περίπου της συχνότητας συντονισμού της κεραίας μικροταινίας. IV. ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΩΤΟ ΚΑΛΥΜΜΑ Το πρόβλημα της μεγάλης αντίδρασης του προβόλου, στις κεραίες που τροφοδοτούνται με πρόβολο και αποτελούνται από παχύ διηλεκτρικό υπόστρωμα, μπορεί να λυθεί τροποποιώντας τη γεωμετρία του μικροταινιωτού καλύμματος όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 42

43 h2 L W/2 W/2 h1 τρισδιάστατο μικροταινοωτό κάλυμμα V- σχήματος σημείο τροφοδοσίας επίπέδο γείωσης Σχήμα 2.14 Γεωμετρία V-σχήματος(V-shaped) μικροταινιωτού καλύμματος κεραίας μικροταινίας με τροφοδοσία προβόλου Η απόσταση από το μικροταινιωτό κάλυμμα μέχρι το επίπεδο γείωσης πρέπει να είναι μικρή(για παράδειγμα mm), έτσι ώστε η επαγωγική αντίδραση του προβόλου μέσα στο διηλεκτρικό υπόστρωμα να είναι μικρή. Η απόσταση πρέπει αν είναι αρκετά μεγαλύτερη από την (για παράδειγμα mm), έτσι ώστε το ενεργό πάχος του υποστρώματος να είναι μεγάλο. Οι δύο παραπάνω περιορισμοί συμβάλουν στην αύξηση του εύρους ζώνης της κεραίας μικροταινίας. [7] Μία παραλλαγή της παραπάνω γεωμετρίας, που οδηγεί σε αύξηση του εύρους ζώνης, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 43

44 τρισδιάστατο μικροταινιωτό κάλυμμα σημείο τροφοδοσίας επίπέδο γείωσης Σχήμα 2.15 Γεωμετρία τρισδιάστατου μικροταινιωτού καλύμματος κεραίας μικροταινίας με τροφοδοσία προβόλου V. ΠΡΟΣΘΕΤΟΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΤΕΣ Μία άλλη τεχνική βελτίωσης του εύρους δέσμης, χρησιμοποιεί πρόσθετες συνεπίπεδες (παρασιτικές) κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος, είτε απευθείας συζευγμένες στην κυρίως κεραία, είτε συζευγμένες με αυτήν μέσω ενός μικρού κενού [7]. Μία κεραία ορθογωνίου σχήματος με δύο πρόσθετες κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος απευθείας συζευγμένες με την αρχική στις ακτινοβολούσες πλευρές της, μπορεί να έχει ως και πέντε φορές καλύτερο εύρος δέσμης, από αυτό μιας απλής ορθογώνιας κεραίας. Ωστόσο, με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται το μέγεθος της κεραίας, λόγω των 2 πρόσθετων κεραιών. Γι αυτό, μια κεραία συζευγμένη απευθείας με μία πρόσθετη κεραία και μέσω κενού με δύο άλλες παρασιτικές κεραίες, εξυπηρετεί στην εξοικονόμηση του χώρου που απαιτείται για την υλοποίηση της κεραίας, προσφέροντας ταυτόχρονα ένα κατά πολύ βελτιωμένο εύρος δέσμης κεραίας, μέχρι και φορές μεγαλύτερο από αυτό της απλής κεραίας (Σχήμα 2.16). 44

45 W2 L2 patch 2 dp L3 L1 L4 W3 W1 W4 παρασιτική κεραία κυρίως κεραία επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.16 Ορθογωνική κεραία μικροταινιωτού καλύμματος με δύο παρασιτικές κεραίες συζευγμένες μέσω κενού, και μία απευθείας σε αυτήν συζευγμένη παρασιτική κεραία Οι δύο παρασιτικές κεραίες είναι συζευγμένες μέσω κενού στις μη ακτινοβολούσες πλευρές της κύριας κεραίας, ενώ η απευθείας συζευγμένη κεραία βρίσκεται στην ακτινοβολούσα πλευρά της κύριας κεραίας, συζευγμένη με αυτήν μέσω μιας στενής αγώγιμης λωρίδας. Η τροφοδοσία τοποθετείται στην κεραία 1 (patch1), κατά μήκος της κεντρικής γραμμής και σε απόσταση από αυτήν. Επιλέγοντας ελαφρώς διαφορετικά μήκη συντονισμού για τις τέσσερις συνολικά κεραίες, τέσσερις ρυθμοί συντονισμού μπορούν να διεγερθούν, διευρύνοντας έτσι το εύρος δέσμης. VI. ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Ένας άλλος τρόπος βελτίωσης του εύρους ζώνης μια κεραίας μικροταινίας είναι να εισάγουμε σε αυτήν ένα τμήμα γραμμής μικροταινίας σε μία από τις δύο ακτινοβολούσες πλευρές της κεραίας.[7] Το κομμάτι αυτό της εισαγόμενης γραμμής μικροταινίας λειτουργεί ως φορτίο, καθώς εισάγει κάποια αντίδραση (Σχήμα 2.17). Τροποποιώντας κατάλληλα τις διαστάσεις αυτού του τμήματος, μπορούν να διεγερθούν δύο ρυθμοί συντονισμού σε συχνότητες πολύ κοντά στην κεντρική συχνότητα συντονισμού της απλής ορθογωνικής κεραίας μικροταινίας, σχηματίζοντας έτσι ένα ευρύ εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας. Έχει αναφερθεί ότι το εύρος ζώνης που προκύπτει από μία τέτοια κεραία είναι έως και τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό μιας απλής ορθογωνικής κεραίας μικροταινίας των ίδιων διαστάσεων. 45

46 σημείο τροφοδοσίας φορτίο αντίδρασης μικροταινιωτό κάλυμμα εr επίπεδο γείωσης Σχήμα 2.17 Ορθογωνική κεραία μικροταινίας με ενσωματωμένο φορτίο αντίδρασης 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ III ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Στον παρόν κεφάλαιο θα αναλυθούν όλες οι κεραίες μικροταινίας που μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, με κεντρικές συχνότητες συντονισμού τα MHz και τα GHz. Η μελέτη των κεραιών αυτών είχε ως σκοπό την αύξηση του εύρους ζώνης τους, με κατάλληλη τροποποίηση της γεωμετρίας τους και συγκεκριμένα με εισαγωγή διαφόρων σχισμών στο μεταλλικό φύλλο των κεραιών, ώστε αυτές να μπορούν να χαρακτηριστούν ως κεραίες ευρείας ζώνης. I. ΕΞΟΙΚΕΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ CST MICROWAVE STUDIO 2006a-ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΗΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΤΑ 900 MHz Αρχικά η εξοικείωση με το πρόγραμμα προσομοίωσης CST Microwave Studio 2006, έγινε με τη μελέτη μιας απλής τετραγωνικής κεραίας μικροταινίας, με συχνότητα συντονισμού τα MHz, χωρίς καμία ιδιαιτερότητα στη γεωμετρία της. Η κεραία αυτή απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.1 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού τα 900MHz και δύο θύρες τροφοδοσίας Τα μέρη από τα οποία απαρτίζεται αυτή η κεραία είναι το επίπεδο γείωσης(ground plane), το διηλεκτρικό υπόστρωμα(dielectric substrate) και το μεταλλικό φύλλο της κεραίας(patch). Επίσης διαθέτει δύο θύρες τροφοδοσίας 1 και 2, όπως φαίνεται στο παραπάνω Σχήμα. Τα 47

48 υλικά κατασκευής των τμημάτων της κεραίας και οι διαστάσεις τους αναγράφονται στον παρακάτω συγκεντρωτικό πίνακα: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC(Perfect Electric Conductor) Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.1 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας. Σημειώνουμε ότι οι διαστάσεις του μεταλλικού φύλλου της κεραίας υπολογίστηκαν από τη Σχέση :., θέτοντας όπου MHz και λύνοντας ως προς. Οι δύο θύρες τροφοδοσίας 1 και 2 είναι τύπου discrete port και είναι τοποθετημένες κάθετα μεταξύ τους, στα μέσα δύο πλευρών της κεραίας, η μία κατά και η άλλη κατά. Μια discrete port ορίζεται από ένα αρχικό και ένα τελικό σημείο. Αυτά τα δύο σημεία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους με ένα τέλεια αγώγιμο καλώδιο, στο κέντρο του οποίου βρίσκεται η θύρα τροφοδοσίας. Στην προκειμένη κατασκευή, η διεύθυνση του καλωδίου είναι κατά τον άξονα, με αρχικό σημείο το (δηλαδή την αρχή του επιπέδου γείωσης) και τελικό την επιφάνεια του μεταλλικού φύλλου(patch). Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που εκπέμπεται από τη θύρα, έχει διαφορά φάσης με αυτό της θύρας, καθώς αυτές είναι τοποθετημένες σε κάθετους άξονες. Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζονται οι συντελεστές σκέδασης της κεραίας μικροταινίας και η εκπεμπόμενη ισχύς : 48

49 0 S-Parameter(dB) S11 S12 S21 S Frequency(MHz) Διάγραμμα 3.1 Συντελεστές σκέδασης κεραίας μικροταινίας 0.7 Delivered Power Frequency(MHz) Διάγραμμα 3.2 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Από το Διάγραμμα παρατηρούμε ότι οι συντελεστές ανάκλασης στις θύρες εισόδου 1 και 2 λαμβάνουν τιμές μεταξύ και περίπου db,δηλαδή τιμές έως, που είναι διόλου αποδεκτές για την καλή λειτουργία κεραίας μικροταινίας. Αντιθέτως οι συντελεστές σύζευξης και λαμβάνουν πολύ χαμηλές τιμές στην περιοχή συχνοτήτων γύρω από τα MHz. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει πολύ καλή αποσύζευξη μεταξύ των δύο θυρών 49

50 τροφοδοσίας, που είναι και το επιθυμητό. Μπορούμε να υπολογίσουμε και το λόγο στασίμου κύματος για την κεραία αυτή χρησιμοποιώντας τον τύπο: (3.1) όπου ο συντελεστής ανάκλασης σε μία από τις δύο θύρες, δηλαδή ο συντελεστής σκέδασης (ή ). Οι τιμές του λόγου στασίμου κύματος προκύπτουν, τιμές καθόλου ικανοποιητικές για την καλή λειτουργία μιας κεραίας. Αποδεκτές τιμές του λόγου στασίμου κύματος θεωρούνται αυτές που είναι μικρότερες του ή ακόμα πιο αυστηρά του. Η κακή λειτουργία της προκείμενης κεραίας διαπιστώνεται και από το διάγραμμα της εκπεμπόμενης ισχύος. Στην περιοχή των MHz που μας ενδιαφέρει, παρατηρούμε ότι το ποσοστό της ισχύος που εκπέμπεται είναι περίπου το της συνολικής ισχύος με την οποία τροφοδοτούμε την κεραία, και δεν είναι καθόλου ικανοποιητικό. Στη συνέχεια επιδιώκεται η τροποποίηση της τετραγωνικής κεραίας μικροταινίας, ώστε να επιτευχθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. II. ΜΕΛΕΤΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΤΑ GHz Η επόμενη κεραία που μελετήθηκε είναι μια απλή τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού σχήμα: GHz και δύο θύρες τροφοδοσίας, όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 3.2 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού 2.4GHz και δύο θύρες τροφοδοσίας 50

51 Στο μοντέλο αυτό το μεταλλικό φύλλο της κεραίας έχει σαφώς μικρότερη διάσταση από το προηγούμενο, αφού η συχνότητα συντονισμού είναι μεγαλύτερη (Σχέση ). Το πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος αυξήθηκε από τα mil στα mil, κρατώντας σταθερή την τιμή της διηλεκτρικής του σταθεράς. Η αύξηση του πάχους του υποστρώματος οδηγεί στη μείωση της αποθηκευμένης ενέργειας στο εσωτερικό του, μείωση του συντελεστή ποιότητας της κεραίας και επομένως αύξηση του εύρους ζώνης της, όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο. Παρακάτω παρατίθενται τα χαρακτηριστικά της κεραίας μικροταινίας: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC(Perfect Electric Conductor) Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.2 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας Οι δύο θύρες τροφοδοσίας είναι και πάλι τοποθετημένες σε κάθετους άξονες και στο μέσο της κάθε πλευράς, ώστε η κεραία να μπορεί να λειτουργήσει με διπλή πόλωση. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων της κεραίας αυτής παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράμματα: 0 S-Parameters(dB) S11 S12 S22 S Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.3 Συντελεστές σκέδασης κεραίας μικροταινίας 51

52 0.5 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.4 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Παρατηρούμε και πάλι ότι οι συντελεστές ανάκλασης δεν λαμβάνουν ικανοποιητικές τιμές και ότι η εκπεμπόμενη ισχύς αποτελεί μικρό ποσοστό της συνολικής ισχύος με την οποία τροφοδοτούμε την κεραία. Επιπλέον παρατηρούμε ότι παρόλο που το μήκος της κεραίας υπολογίστηκε για συχνότητα συντονισμού GHz, φαίνεται από τα παραπάνω διαγράμματα πως η κεραία συντονίζεται σε ελαφρώς μικρότερη συχνότητα. Αυτό οφείλεται στα φαινόμενα των άκρων που, όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο, κάνουν την κεραία να φαίνεται «ηλεκτρικά μεγαλύτερη» σε σχέση με τις φυσικές της διαστάσεις, «ρίχνοντας» έτσι ελαφρώς τη συχνότητα συντονισμού της.(σχέση ). III. ΤΕΤΡΑΓΩΝIΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΕΣ ΣΧΙΣΜΕΣ ΣΤΑ 2.4GHz Η επόμενη κεραία που μελετήθηκε, βασιζόμενη στην παραπάνω απλή τετραγωνική κεραία μικροταινίας, αποτελείται από συνολικά τέσσερις σχισμές [14] κατά τη διεύθυνση πάνω στο μεταλλικό φύλλο, σε μία από τις πλευρές τις κεραίας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 52

53 Σχήμα 3.3 Τετραγωνική κεραία μικροταινία με τέσσερις ενσωματωμένες σχισμές και δύο θύρες τροφοδοσίας Όλες οι σχισμές έχουν το ίδιο μήκος και πλάτος και παρουσιάζουν συμμετρία κατά τον άξονα. Ξεκινώντας από τα αριστερά οι δύο πρώτες σχισμές απέχουν mil, η δεύτερη με την τρίτη σχισμή mil και η τρίτη με την τέταρτη πάλι mil. Η εισαγωγή σχισμών στο μεταλλικό φύλλο μιας κεραίας μικροταινίας, όπως προαναφέρθηκε, μεγαλώνει το ηλεκτρικό μήκος της, καθώς το ρεύμα «αναγκάζεται» να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση πάνω στο μεταλλικό φύλλο (Σχήμα ). Οι απώλειες στα αγώγιμα μέρη αυξάνονται και ο συνολικός συντελεστής ποιότητας μειώνεται. Σύμφωνα με τη Σχέση η μείωση του συντελεστή ποιότητας της κεραίας μικροταινίας, σε δεδομένη συχνότητα συντονισμού, οδηγεί σε αύξηση του εύρους ζώνης της κεραίας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της παραπάνω κεραίας παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράμματα: 53

54 0 S-Parameters(dB) S21 S11 S12 S Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.5 Συντελεστές σκέδασης κεραίας μικροταινίας 0.8 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.6 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Παρατηρούμε από τα παραπάνω διαγράμματα ότι οι συντελεστές ανάκλασης και λαμβάνουν μη ικανοποιητικές τιμές στο διάστημα συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει(γύρω από τα GHz). Επιπλέον η αποδοτικότητα της κεραίας είναι χαμηλή, καθώς η μέγιστη ισχύς που μπορεί να εκπέμψει αποτελεί μόλις το της συνολικής ισχύος τροφοδοσίας της κεραίας. 54

55 Η εισαγωγή σχισμών σε συνδυασμό με τα φαινόμενα των άκρων αυξάνουν το ηλεκτρικό μήκος της κεραίας. Λόγω του φαινομένου αυτού η κεραία συντονίζεται σε μικρότερη συχνότητα σύμφωνα με τη Σχέση. Για να επιτύχουμε συντονισμό στην επιθυμητή συχνότητα, μπορούμε να μειώσουμε το φυσικό μήκος της κεραίας ( Σχέση ). Η τεχνική αυτή εφαρμόζεται σε όλες τις παρακάτω κεραίες μικροταινίας και ιδιαίτερα σε αυτές που συμπεριλαμβάνουν σχισμές. Στη συνέχεια η κεραία αυτή προσαρμόστηκε στα Οhm, που είναι η αντίσταση των θυρών τροφοδοσίας, έτσι ώστε να έχουμε ελάχιστες ανακλάσεις σε αυτές. Η προσαρμογή έγινε με τη βοήθεια μετασχηματιστή. Η τροφοδοσία της κεραίας γίνεται τώρα στα άκρα του υποστρώματος με χρήση γραμμής μικροταινίας και στο μέσο της κάθε πλευράς του. Σχήμα 3.4 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με τέσσερις ενσωματωμένες σχισμές, προσαρμοσμένη στα 50 Ohm και τροφοδοτούμενη από waveguide ports(πλάγια όψη και πρόσοψη) Οι δύο θύρες τροφοδοσίας που χρησιμοποιήθηκαν αυτή τη φορά καλύπτουν όλο το μήκος της πλευράς στην οποία είναι τοποθετημένες και ονομάζονται waveguide ports. Αυτές οι θύρες τροφοδοσίας όχι μόνο τροφοδοτούν την κεραία μικροταινίας με ισχύ, αλλά ταυτόχρονα απορροφούν την ανακλώμενη ισχύ. Πρακτικά, κάθε μία από αυτές τις θύρες μπορεί να αντικατασταθεί από έναν διαμήκη ομοιογενή κυματοδηγό συνδεόμενο στη δομή αυτή. Αρχικά επιλέγουμε τη συχνότητα συντονισμού εκείνη στην οποία το φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας είναι ελάχιστο(τουλάχιστον φορές μικρότερο από το πραγματικό μέρος). H συχνότητα αυτή είναι τα GHz, όπου η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας είναι: 55

56 Ohm Στη συνέχεια υπολογίζουμε τα χαρακτηριστικά των γραμμών μικροταινίας α)του μετασχηματιστή λ/4 και β)της τροφοδοσίας. α)γραμμή μικροταινίας : Υπολογίζουμε την αντίσταση της γραμμής,από τον τύπο: (3.2) Ohm, όπου η αντίσταση της τροφοδοσίας ίση με Ohm και R L το πραγματικό μέρος της αντίστασης εισόδου της κεραίας ίσο Ohm Με τη βοήθεια εφαρμογής του προγράμματος CST Microwave Studio υπολογίζουμε το πλάτος W της γραμμής μικροταινίας που αντιστοιχεί στην τιμή της αντίστασης που βρέθηκε παραπάνω: mil Το πλάτος της γραμμής μικροταινίας, με γνωστή χαρακτηριστική αντίσταση, μπορεί να υπολογιστεί και αναλυτικά από τον τύπο: (3.3) όπου (3.4), (3.5) Το μήκος της γραμμής υπολογίζεται εύκολα,με γνωστά τα μεγέθη (ταχύτητα του φωτός στο κενό) και 56

57 τη συχνότητα συντονισμού της κεραίας μικροταινίας, από τη σχέση: (3.6) mil β)γραμμή τροφοδοσίας Η γραμμή μικροταινίας της τροφοδοσίας έχει αντίσταση Ohm. Με τη βοήθεια της ίδιας εφαρμογής του προγράμματος, υπολογίζουμε το πλάτος W της γραμμής μικροταινίας που αντιστοιχεί σε αυτήν την τιμή της αντίστασης: mil, όπου ο δείκτης 50 υποδηλώνει ότι αναφερόμαστε στη γραμμή τροφοδοσίας. Το μήκος της γραμμής τροφοδοσίας το επιλέγουμε να είναι mil. Επειδή η αντίσταση εισόδου της κεραίας μικροταινίας (και άρα και της γραμμής του μετασχηματιστή ) είναι πολύ μεγαλύτερη από τα Ohm της γραμμής τροφοδοσίας, το αντίστοιχο πλάτος της γραμμής θα είναι πολύ μικρότερο από αυτό της γραμμής τροφοδοσίας. Για να έχουμε μια ομαλή μετάβαση από τη μία γραμμή στην άλλη, χρησιμοποιούμε ένα ενδιάμεσο τμήμα γραμμής μικροταινίας με μεταβλητή αντίσταση από το ένα άκρο στο άλλο(άρα και μεταβλητό πλάτος), που εξασφαλίζει την παραπάνω απαίτηση. Μεταβάλλοντας κατάλληλα τα μήκη και τα πλάτη των γραμμών αυτών μικροταινίας πετυχαίνουμε την καλύτερη προσαρμογή της κεραίας(το μικρότερο συντελεστή ανάκλασης και ) και καταλήγουμε στις εξής τιμές: mil mil Το συνολικό μήκος του τμήματος προσαρμογής είναι: mil 57

58 όπου το μήκος της γραμμής τροφοδοσίας το μήκος του ενδιάμεσου μεταβατικού τμήματος γραμμής μικροταινίας Το μήκος υποστρώματος τότε προκύπτει ως το άθροισμα του μήκους του μεταλλικού φύλλου και του διπλάσιου μήκους του τμήματος προσαρμογής(λόγω συμμετρίας): όπου το μήκος του μεταλλικού φύλλου της κεραίας mil ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC(Perfect Electric Conductor) Taconic TLY5-loss free PEC Πίνακας 3.3 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ (mil) ΠΛΑΤΟΣ (mil) Σχισμή Κενό Πίνακας 3.4 Διαστάσεις σχισμών κεραίας μικροταινίας Η επιφάνεια του συνολικού τμήματος που αφαιρέθηκε από το μεταλλικό φύλλο της κεραίας λόγω της εισαγωγής των σχισμών είναι mil. Η συνολική επιφάνεια του μεταλλικού φύλλου της κεραίας είναι mil. Επομένως το αφαιρούμενο τμήμα αποτελεί το του συνολικού εμβαδού του μεταλλικού φύλλου της κεραίας. Στο σημείο αυτό πρέπει να πούμε ότι, δεν μπορούμε να εισάγουμε απεριόριστο αριθμό σχισμών και με οποιοδήποτε μέγεθος, γιατί έτσι μειώνεται 58

59 η συνολική επιφάνεια του αγώγιμου μέρους της κεραίας. Αυτό σημαίνει μείωση της ισχύος ακτινοβολίας και χαμηλή αποδοτικότητα της κεραίας μικροταινίας [13]. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της κεραίας φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα: 0 S-Parameters(dB) S11-35 S12 S21 S Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.7 Συντελεστές σκέδασης κεραίας μικροταινίας σχήματος Deleverd Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.8 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας σχήματος

60 Από το Διάγραμμα παρατηρούμε ότι οι συντελεστές ανάκλασης και στις θύρες 1 και 2 αντίστοιχα, λαμβάνουν ικανοποιητικές τιμές, αφού και οι δύο διέρχονται κάτω από το όριο των db για κάποιο εύρος συχνοτήτων. Ο συντελεστής λαμβάνει τιμές db για τις συχνότητες GHz έως τα GHz ( συνολικά MHz) και ο συντελεστής για τις συχνότητες GHz έως τα GHz(συνολικά MHz). Αυτό σημαίνει ότι ο λόγος στασίμου κύματος της κεραίας είναι ικανοποιητικός για ένα εύρος συχνοτήτων MHz. Οι συντελεστές σύζευξης και στις αντίστοιχες συχνότητες, λαμβάνουν αρκετά χαμηλές τιμές, που σημαίνει ότι υπάρχει καλή αποσύζευξη μεταξύ των θυρών. Από το Διάγραμμα παρατηρούμε ότι το ποσοστό της εκπεμπόμενης ισχύος λαμβάνει ικανοποιητικές τιμές(πάνω από της συνολικής ισχύος που παρέχεται στην κεραία) για το διάστημα συχνοτήτων GHz, δηλαδή για εύρος ζώνης MHz. Τα μειονεκτήματα του μοντέλου αυτού της κεραίας μικροταινίας που οδήγησαν και στην απόρριψή της είναι τα εξής: Το εύρος ζώνης συχνοτήτων που προκύπτει από τους συντελεστές ανάκλασης ( MHz), αποτελεί το της κεντρικής συχνότητας συντονισμού της κεραίας, τα GHz, ποσοστό όχι ιδιαίτερα ικανοποιητικό. Η αποδοτικότητα της κεραίας είναι ικανοποιητική μόνο για ένα πολύ μικρό εύρος συχνοτήτων GHz ( MHz). Εκτός των συχνοτήτων αυτών η αποδοτικότητα της κεραίας είναι πολύ κακή. Το εύρος αυτό των συχνοτήτων είναι μακριά από την επιθυμητή συχνότητα συντονισμού, τα GHz. Το εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας αυτής, επιτεύχθηκε με χρήση διηλεκτρικού υποστρώματος με χαμηλή διηλεκτρική σταθερά ( ) και με μεγάλο πάχος ( mil). Η κεραία αυτή λοιπόν προκύπτει αρκετά ογκώδης. Η προσπάθεια για μία πιο συμπαγή γεωμετρία, θα σήμαινε μείωση του πάχους του υποστρώματος ή αύξηση της διηλεκτρικής του σταθεράς, που οδηγούν στην περεταίρω μείωση του εύρους ζώνης. Για τη βελτίωση της παραπάνω κεραίας μικροταινίας, δοκιμάστηκε η αλλαγή του τρόπου και της θέσης τροφοδοσίας της. 60

61 Σχήμα 3.5 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με 4τέσσερις ενσωματωμένες σχισμές και δύο θύρες τροφοδοσίες τύπου discrete. Η γεωμετρία της κεραίας παραμένει σε γενικές γραμμές ίδια, με τις τέσσερις σχισμές κατά μήκος της μίας πλευράς της. Οι θύρες τροφοδοσίας δεν είναι πλέον τοποθετημένες στην άκρη του μεταλλικού φύλλου, όπως στις προηγούμενες γεωμετρίες, αλλά στο εσωτερικό του. Έτσι, εφόσον δεν εφαρμόζεται προσαρμογή της κεραίας με πρόσθετη γραμμή μικροταινίας, μπορούμε να μειώσουμε τις διαστάσεις του υποστρώματος της κεραίας. Θα πρέπει να αναφέρουμε ότι στην κεραία αυτή έχει αφαιρεθεί το επίπεδο γείωσης ( ground plane ) και έχει αντικατασταθεί από την οριακή συνθήκη:, που μας δίνει τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα και επιταχύνει το χρόνο προσομοίωσης. Για αυτόν το λόγο το τελικό σημείο των θυρών είναι και όχι (υπάρχει μόνο ένα στρώμα χαλκού). ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.5 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας σχήματος

62 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ (mil) ΠΛΑΤΟΣ (mil) Σχισμή Κενό Πίνακας 3.6 Διαστάσεις σχισμών Οι συντεταγμένες των θυρών δίνονται στον παρακάτω πίνακα: ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Πίνακας 3.7 Συντεταγμένες θυρών τροφοδοσίας(οι συντεταγμένες με δείκτη 1 αναφέρονται στο αρχικό σημείο της θύρας, ενώ με αυτές με δείκτη 2 στο τελικό σημείο) + Η προσομοίωση αυτή έγινε με μεταβαλλόμενες θέσεις των θυρών 1 και 2 κατά. Η αρχική τιμή της μεταβλητής είναι mil και μεταβάλλεται ( αυξάνεται ) επτά φορές κατά mil. Παρακάτω παρατίθενται συγκριτικά διαγράμματα για τους συντελεστές σκέδασης,όσον αφορά τη θέση των θυρών τροφοδοσίας: 0 S11-Parameter(dB) dx=15 dx=16 dx=17 dx= Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.9 Συντελεστές ανάκλασης S 11 για τέσσερις τιμές της παραμέτρου d x 62

63 Από το Διάγραμμα είναι φανερό πως ο μικρότερος και άρα ο καλύτερος συντελεστής ανάκλασης επιτυγχάνεται όταν η παράμετρος λαμβάνει την τιμή. 0 S11-Parameters(dB) dx=19 dx=20 dx=21 dx= Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.10 Συντελεστές ανάκλασης S 11 για τέσσερις τιμές της παραμέτρου d x Από τα Διαγράμματα και, διαπιστώνουμε ότι όσο μεγαλώνει η τιμή της παραμέτρου, δηλαδή όσο απομακρύνονται η θύρα τροφοδοσίας από το κέντρο του μεταλλικού φύλλου της κεραίας, τόσο χειροτερεύει ο συντελεστής ανάκλασης ισχύει και για τη θύρα και για τον συντελεστή ανάκλασης :. Το ίδιο 0 S22 Parameters(dB) Frequency(GHz) dx=15 dx=16 dx=17 dx=18 Διάγραμμα 3.11 Συντελεστές ανάκλασης S 22 για τέσσερις τιμές της μεταβλητής. 63

64 0 S22 Parameters(dB) Διάγραμμα dx=19 dx=20-4 dx=21 dx= Frequency(GHz) μεταβλητής. Συντελεστές ανάκλασης S 22 για τις τέσσερις τελευταίες τιμές της Από τα παραπάνω διαγράμματα συμπεραίνουμε ότι καθώς αυξάνεται η τιμή της μεταβλητής, ο συντελεστής ανάκλασης για τη θύρα δύο λαμβάνει μεγαλύτερες τιμές, δηλαδή χειροτερεύει. Για τους συντελεστές σύζευξης της κεραίας μικροταινίας παρατίθεται το παρακάτω συγκριτικό διάγραμμα (συντελεστής ): 0 S12-Parameter(dB) dx=15 dx=16-40 dx=17 dx=18 dx=19-50 dx=20 dx=21 dx= Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.13 Συντελεστές σύζευξης S 12 για οχτώ τιμές της μεταβλητής. 64

65 Παρατηρούμε ότι όσο μεγαλώνει η τιμή της μεταβλητής (δηλαδή όσο απομακρύνονται οι θύρες τροφοδοσίας από το κέντρο του μεταλλικού φύλλου της κεραίας), τόσο μεγαλώνει η σύζευξη μεταξύ των δύο θυρών. Η καλύτερη από τις παραπάνω περιπτώσεις συντελεστών σκέδασης για διάφορες τιμές του, προκύπτει αυτή για : 0 S- Parameters s11 s12-45 s21 s Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.14 Συντελεστές σκέδασης S για την τιμή. Παρατηρούμε ότι οι τιμές των συντελεστών ανάκλασης στις δύο θύρες πληρούν την προϋπόθεση να είναι μικρότερες των db, αλλά οι συντελεστές σύζευξης δεν λαμβάνουν αρκετά ικανοποιητικές τιμές. Μάλιστα στις περιοχές των συχνοτήτων όπου οι συντελεστές ανάκλασης είναι κάτω από το όριο των db, εκεί ακριβώς οι συντελεστές σύζευξης παρουσιάζουν αύξηση της τιμής τους. Επιπλέον το εύρος ζώνης της κεραίας αυτής είναι αρκετά μικρό κι έτσι προχωρούμε σε τροποποίησή της. 65

66 IV. ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΕΣ ΣΧΙΣΜΕΣ ΔΥΟ ΚΟΜΜΕΝΕΣ ΑΚΜΕΣ Σχήμα 3.6 Κεραία μικροταινίας με 4 ενσωματωμένες σχισμές, δύο θύρες τροφοδοσίας και δύο κομμένες ακμές. Από τις δύο ακμές του τετραγωνικού μεταλλικού φύλλου της κεραίας έχουν αφαιρεθεί αντίστοιχα δύο κομμάτια ισόπλευρου τριγώνου εμβαδού mil. Οι τέσσερις ενσωματωμένες σχισμές αφαιρούν από το μεταλλικό φύλλο της κεραίας συνολικά mil. Το συνολικό εμβαδόν που αφαιρέθηκε είναι mil και αποτελεί το του συνολικού εμβαδού του μεταλλικού φύλλου. Οι υπόλοιπες διαστάσεις παραμένουν αμετάβλητες. ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.8 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας 66

67 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ (mil) ΠΛΑΤΟΣ (mil) Σχισμή Κενό Πίνακας 3.9 Διαστάσεις σχισμών κεραίας μικροταινίας Οι θέσεις των δύο θυρών τροφοδοσίας είναι σταθερές και παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα: ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Πίνακας 3.10 Συντεταγμένες θυρών τροφοδοσίας της κεραίας μικροταινίας + Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της κεραίας αυτής φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα: 0 S-Prameters(dB) S11 S12 S21 S Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.15 Συντελεστές σκέδασης κεραίας μικροταινίας 67

68 1 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.16 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Από το διάγραμμα των S-παραμέτρων παρατηρούμε ότι ούτε οι συντελεστές ανάκλασης, ούτε οι συντελεστές σκέδασης λαμβάνουν ικανοποιητικές τιμές. Αντιθέτως η κεραία φαίνεται να είναι αρκετά αποδοτική, αφού εκπέμπει πάνω από το της συνολικής ισχύος για ένα εύρος συχνοτήτων περίπου MHz,παρόλο που έχουμε αφαιρέσει αρκετό τμήμα χαλκού. Ωστόσο αυτό αποτελεί το του συνολικού χαλκού του μεταλλικού φύλλου της κεραίας και εφόσον δεν ξεπερνάει το δεν προκαλεί προβλήματα στην αποδοτικότητα της κεραίας.[13] Οι κακοί συντελεστές σκέδασης όμως οδηγούν στην απόρριψη και αυτής της κεραίας. 68

69 V. ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΕΝΑ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΠΛΕΥΡΑ ΤΗΣ Σχήμα 3.7 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με ένα άνοιγμα Χαρακτηριστικό αυτής της κεραίας μικροταινίας είναι το «άνοιγμα» στη μία πλευρά της. Η βελτίωση του εύρους ζώνης της κεραίας προσεγγίζεται και πάλι με την εισαγωγή σχισμών στο μεταλλικό φύλλο, αλλά αυτή την φορά οι τέσσερις σχισμές που εισήχθησαν στις προηγούμενες κεραίες, συμπτύχθηκαν σε μία μεγάλη σχισμή, ή αλλιώς σε ένα άνοιγμα. Όλες οι διαστάσεις της κεραίας αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.11 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας Το συνολικό εμβαδόν αυτού του ανοίγματος, του τμήματος που αφαιρέθηκε από το μεταλλικό φύλλο της κεραίας, είναι ακριβώς όσο και το εμβαδόν των τεσσάρων σχισμών μαζί, ίσο με το του συνολικού εμβαδού. 69

70 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 3.12 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας Το άνοιγμα έχει συμμετρία ως προς τον άξονα. Η μοναδική θύρα τροφοδοσίας είναι τοποθετημένη στο εσωτερικό του μεταλλικού φύλλου και οι συντεταγμένες της δίνονται στον Πίνακα : ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 3.13 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας + Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αυτής της κεραίας παρατίθενται στα παρακάτω διαγράμματα: 0 S11-Prameter(dB) Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.17 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας 70

71 0 S11-Parameter(dB) Διάγραμμα 3.18 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας(μεγέθυνση στην περιοχή συχνοτήτων GHz) Frequency(GHz) Στα δύο παραπάνω διαγράμματα μπορούμε να δούμε τον συντελεστή ανάκλασης της κεραίας μικροταινίας του Σχήματος και συγκεκριμένα στο Διάγραμμα, μια μεγέθυνση αυτού στην περιοχή συχνοτήτων GHz. Στο διάστημα αυτό, η κεραία μικροταινίας συντονίζεται ικανοποιητικά δύο φορές, μία φορά στα GHz και δεύτερη στα GHz. Το συνολικό εύρος ζώνης που προκύπτει και από τους δύο αυτούς συντονισμούς δεν ξεπερνάει τα MHz. 71

72 1 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.19 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Στο διάστημα συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει παρατηρούμε ότι η κεραία είναι αρκετά αποδοτική καθώς εκπέμπεται πάνω από το της συνολικής ισχύος τροφοδοσίας της. Κατά την προσομοίωση της παραπάνω κεραίας επιλέξαμε η ανάλυσή της να γίνει σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, από έως GHz, έτσι ώστε να γίνουν ορατοί και άλλοι συντονισμοί της κεραίας, σε υψηλότερες συχνότητες. Σύμφωνα με το μοντέλο του αντηχείου μεταφοράς όλες οι δυνατές συχνότητες συντονισμού δίνονται από τον τύπο : που σημαίνει ότι μπορούν να διεγερθούν και ρυθμοί ανώτερης τάξης και άρα η κεραία να λειτουργήσει και σε άλλες συχνότητες εκτός από αυτήν του βασικού ρυθμού. Αυτούς τους ανώτερους ρυθμούς παρατηρούμε στο Διάγραμμα. Μάλιστα, παρατηρούμε ότι συμβαίνει ένας έντονος συντονισμός της κεραίας μικροταινίας στη συχνότητα των GHz, με ελάχιστη τιμή του συντελεστή ανάκλασης db. Επιπλέον το εύρος ζώνης συχνοτήτων στο οποίο ο συντελεστής ανάκλασης παραμένει κάτω από τα db είναι ΜHz, ίσο με το της κεντρικής συχνότητας. Άρα η κεραία αυτή με τις 72

73 παρούσες διαστάσεις, αν και προοριζόμενη για λειτουργία στα GHz, μπορεί να λειτουργήσει ικανοποιητικά στα GHz. Συνεχίζοντας, έγινε τροποποίηση της παραπάνω κεραίας, αφού αυτή δεν ικανοποιεί τις απαιτούμενες προϋποθέσεις για την επιθυμητή συχνότητα λειτουργίας. VI. ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΑΚΜΗ Σχήμα 3.8 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με ένα τετραγωνικό άνοιγμα σε μία ακμή και μία θύρα τροφοδοσίας Η παραπάνω κεραία ακολουθεί τη σχεδίαση της αμέσως προηγούμενης κεραίας, με τη διαφορά ότι το άνοιγμα στο μέσο μίας πλευράς μεταφέρθηκε στη γωνία μιας από τις τέσσερις πλευρές της κεραίας. Επίσης οι διαστάσεις του αφαιρούμενου από το μεταλλικό φύλλο της κεραίας τμήματος, μειώθηκαν, στην προσπάθεια διεύρυνσης του εύρους ζώνης της κεραίας. Οι νέες διαστάσεις της παραπάνω κεραίας παρατίθενται στους παρακάτω πίνακες: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο Taconic ΤLY5-loss free PEC Πίνακας 3.14 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας 73

74 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 3.15 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 + Πίνακας 3.16 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας 1 Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα: 0 S11-Parameter(dB) Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.20 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας 74

75 1 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.21 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Η κεραία παρουσιάζει έναν έντονο συντονισμό στη συχνότητα των GHz, με ελάχιστη τιμή του συντελεστή ανάκλασης ίσο με db. Συντονισμοί εμφανίζονται και σε υψηλότερες συχνότητες, στα GHz, στα GHz και στα GHz. Στην περιοχή συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει, ο συντονισμός της κεραίας είναι ικανοποιητικός, όπως και η αποδοτικότητά της. Το πρόβλημα του στενού εύρους ζώνης ωστόσο, παραμένει και επιβάλλεται περεταίρω διερεύνηση. Η κεραία τροποποιείται ελαφρώς και το άνοιγμα που εισήχθη μεταφέρεται στην πάνω δεξιά γωνία, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.9 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού τα 2.4GHz και ένα άνοιγμα σε μία ακμή της 75

76 Επιπλέον χρησιμοποιούμε υπόστρωμα με μεγαλύτερη διηλεκτρική σταθερά, για να μειώσουμε τις διαστάσεις της κεραίας. Έπειτα από μικρή έρευνα για τη θέση της τροφοδοσίας και τις διαστάσεις του ανοίγματος, βρέθηκαν τα κατάλληλα αποτελέσματα. Όλες οι διαστάσεις της κεραίας αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC Taconic RF35(loss free) PEC Πίνακας 3.17 Διαστάσεις κα υλικά κεραίας μικροταινίας ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 3.18 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 3.19 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας Οι διαστάσεις του μεταλλικού φύλλου υπολογίστηκαν από το γνωστό τύπο και βρέθηκαν ίσες με mil. Γνωρίζοντας ότι η εισαγωγή ανοίγματος στο μεταλλικό φύλλο της κεραίας θα μεγαλώσει το ηλεκτρικό μήκος της κεραίας και άρα θα 76

77 «ρίξει» τη συχνότητα συντονισμού, μειώνουμε ελαφρώς το μήκος του μεταλλικού φύλλου, ώστε η κεραία να συντονιστεί τελικά στα GHz (Πίνακας ). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της παραπάνω κεραίας παρουσιάζονται παρακάτω: 0 S11 Parameter(dB) MHz 2455MHz Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.22 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας Από το διάγραμμα του συντελεστή ανάκλασης και του λόγου στασίμου κύματος της κεραίας μικροταινίας, παρατηρούμε ότι ικανοποιητική λειτουργία είναι δυνατή για τις συχνότητες GHz, δηλαδή για εύρος ζώνης MHz, ίσο με της κεντρικής συχνότητας λειτουργίας της κεραίας( GHz). 2.4 VSWR Διάγραμμα Frequency(GHz) Λόγος στασίμου κύματος κεραίας μικροταινίας 77

78 Smith Chart +j1.0 +j0.5 +j2.0 +j0.2 +j j0.2 -j5.0 -j0.5 -j2.0 -j1.0 Διάγραμμα 3.24 Διάγραμμα Smith κεραίας μικροταινίας Η μορφή του διαγράμματος Smith, υποδηλώνει και αυτή την ικανοποιητική λειτουργία της κεραίας για ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Το χαρακτηριστικό αυτό «δίπλωμα» που δημιουργείται, όσο πιο κοντά στο κέντρο του διαγράμματος Smith είναι (άρα κοντά στον κύκλο σταθερού συντελεστή ανάκλασης εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας.[13] ), τόσο πιο μεγάλο είναι το 1 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.25 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας Η κεραία παρουσιάζεται πολύ αποδοτική αφού εκπέμπει πάνω από το τροφοδοσίας, στο εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας. της ισχύος 78

79 VII. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΤΑ GHz Ο τρόπος τροφοδοσίας της παραπάνω κεραίας που επιλέχτηκε για την κατασκευή της, συνίσταται από έναν κονέκτορα sma, τοποθετημένος ακριβώς στη θέση της θύρας τροφοδοσίας που προσομοιώθηκε κατά την θεωρητική ανάλυση της κεραίας. Ο κονέκτορας ενσωματώθηκε στην κεραία μικροταινίας, αντικαθιστώντας τη μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενη θύρα τροφοδοσίας (discrete port), με το πρόγραμμα CST Microwave Studio. Η βάση του κονέκτορα, για λόγους ευκολίας, προσομοιώθηκε ως τετράγωνη και χωρίς τις τέσσερις επιπλέον τρύπες σε αυτήν για την εισαγωγή των βιδών, αφού πρόκειται να κολλήσει και όχι να βιδωθεί στο κάτω μέρος της κεραίας. Σχήμα 3.10 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού GHz ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC Taconic RF35(loss free) PEC Πίνακας 3.20 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας 79

80 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 3.21 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 3.22 Συντεταγμένες τροφοδοσίας κεραίας μικροταινίας Παρακάτω παρατίθενται τα διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης και Smith της παραπάνω κεραίας μικροταινίας και σε σύγκριση με τα αντίστοιχα διαγράμματα που προέκυψαν με χρήση discrete port τροφοδοσίας, για τις ίδιες ακριβώς συντεταγμένες τροφοδοσίας: 0 S11-Parameter(dB) MHz 2447MHz Frequency(MHz) Διάγραμμα 3.26 Συντελεστή ανάκλασης κεραίας μικροταινίας 80

81 S11-Parameter(dB) κονέκτορας discrete θύρα Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.27 Σύγκριση συντελεστών ανάκλασης S 11 Η χρήση κονέκτορα sma για την τροφοδοσία της κεραίας, οδηγεί σε εύρος ζώνης της κεραίας ίσο με ΜHz, όσο και η χρήση discrete θύρας τροφοδοσίας. Παρατηρούμε ότι το διάγραμμα του συντελεστή ανάκλασης αλλά και το διάγραμμα Smith, έχουν αλλάξει ελαφρώς μορφή, πράγμα που οφείλεται στη μη ακριβή προσομοίωση του κονέκτορα που χρησιμοποιήθηκε για την τροφοδοσία. Smith Chart +j1.0 +j0.5 +j2.0 +j0.2 +j j0.2 -j5.0 -j0.5 -j2.0 -j1.0 κονέκτορας discrete θύρα Διάγραμμα 3.28 Διάγραμμα Smith κεραίας μικροταινίας με discrete θύρα τροφοδοσίας και με τροφοδοσία κονέκτορα 81

82 1 Delivered Power Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.29 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας 2.4 VSWR Frequency(GHz) Διάγραμμα 3.30 Λόγος στασίμου κύματος κεραίας μικροταινίας 82

83 Διάγραμμα 3.31 Τρισδιάστατη απεικόνιση κέρδους κεραίας μικροταινίας Η αποδοτικότητα, ο λόγος στασίμου κύματος και το κέρδος της κεραίας λαμβάνουν ικανοποιητικές τιμές στην περιοχή συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει. 83

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΜΕΛΕΤΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHz. I ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHz ΚΑΙ ΕΝΑ ΑΝΟΙΓΜΑ ΣΕ ΜΙΑ ΑΚΜΗ Οι διαστάσεις της κεραίας μικροταινίας υπολογίστηκαν εκ νέου, για τη συχνότητα συντονισμού των MHz, από τη Σχέση : Η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος από τα στα, με σκοπό τον περιορισμό των διαστάσεων της κεραίας, που είναι ήδη μεγάλες λόγω της χαμηλής συχνότητας συντονισμού. Οι διαστάσεις της κεραίας αναγράφονται παρακάτω: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης PEC 1.4 Διηλεκτρικό υπόστρωμα Taconic RF35(loss free) 60 Μεταλλικό φύλλο PEC 1.4 Πίνακας 4.1 Διαστάσεις κεραίας μικροταινίας ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 4.2 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας Στη συνέχεια παρατίθενται τρεις κεραίες μικροταινίας οι οποίες διαφέρουν μόνο στη θέση της θύρας τροφοδοσίας: 84

85 (α) (β) Σχήμα 4.1 (γ) Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού 900MHz, άνοιγμα σε (δ) μία ακμή της και διαφορετικές θέσεις τροφοδοσίας(α), (β), (γ), (δ) Οι συντεταγμένες της θύρας τροφοδοσίας περιγράφονται από τις μεταβλητές και, και λαμβάνουν διαφορετικές τιμές για κάθε κεραία. ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 4.3 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας Στο Σχήμα φαίνονται τέσσερις κεραίες μικροταινίας, με μόνη διαφορά την τιμή της μεταβλητής. Για την κεραία (α) η τιμή της μεταβλητής είναι, για την 85

86 κεραία (β), για την κεραία (γ) και για την κεραία(δ) (όπου η διάσταση του μεταλλικού φύλλου της κεραίας). Η θέση της θύρας τροφοδοσίας κατά την μεταβλητής είναι mil και για τις τέσσερις παραπάνω κεραίες. διεύθυνση παραμένει σταθερή και η τιμή της Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζονται οι συντελεστές ανάκλασης και των τεσσάρων αυτών κεραιών: 0 S11 Parameters(dB) px=-wp/2+600 px=-wp/2+700 px=-wp/2+800 px=-wp/ Frequency(MHz) Διάγραμμα4.1 Συντελεστής ανάκλασης S 11 για διαφορετική θέση ως προς τροφοδοσίας της θύρας Παρατηρούμε ότι όσο πλησιάζει η θύρα τροφοδοσίας προς το κέντρο του μεταλλικού φύλλου, η κεραία φαίνεται σαν να αποπροσαρμόζεται σιγά σιγά. Αυτό δεν είναι ανεπιθύμητο, καθώς για να βελτιώσουμε το εύρος ζώνης μιας κεραίας μικροταινίας, προσπαθούμε να μειώσουμε τον συντελεστή ποιότητας της και άρα να πετύχουμε μικρότερους και λιγότερο οξείς συντονισμούς. Μάλιστα στην περίπτωση που η μεταβλητή ισούται με, παρατηρούμε ότι ενδέχεται να υπάρξει και ένας ακόμη γειτονικός συντονισμός. Αν δύο γειτονικοί συντονισμοί που απέχουν μόλις λίγα MHz, βρίσκονται κάτω από το όριο των db, τότε μπορούν να παράσχουν ένα καλό εύρος λειτουργίας της κεραίας μικροταινίας. Κινούμενοι 86

87 προς αυτήν την κατεύθυνση, και κρατώντας τη θέση της θύρας τροφοδοσίας ως προς σταθερή, μελετούμε τώρα την επίδραση της αλλαγής της θέσης τροφοδοσίας ως προς. (α) (β) (γ) Σχήμα 4.2 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού 900MHz, άνοιγμα σε μία ακμή της και διαφορετικές θέσεις θύρας τροφοδοσίας:(α), (β), και (γ) Οι τρεις παραπάνω κεραίες διαφέρουν ελαφρώς από τις προηγούμενες, όσον αφορά τις διαστάσεις τους, στο μέγεθος του υποστρώματος. Στο Διάγραμμα φαίνεται ότι οι τρεις συντονισμοί βρίσκονται στο διάστημα MHz. Το εύρος των συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει περισσότερο είναι MHz, που είναι και η ζώνη uplink του GSM. Για να «ρίξουμε» λοιπόν τη συχνότητα συντονισμού από τα MHz στα, αυξάνουμε ελαφρώς το μέγεθος του μεταλλικού φύλλου της κεραίας από mil σε mil. Οι διαστάσεις του ανοίγματος και όλα τα υπόλοιπα μεγέθη παραμένουν σταθερά. 87

88 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC Taconic RF35(loss free) PEC Πίνακας 4.4 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 4.5 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 4.6 Συντεταγμένες κεραίας μικροταινίας Παρακάτω παρατίθενται συγκριτικά διαγράμματα των τριών προαναφερθέντων κεραιών μικροταινίας: 88

89 0 S11 Parameter(dB) py= -84 py= -14 py= Frequency(MHz) Διάγραμμα4.2 Συντελεστές ανάκλασης S 11 για τρεις διαφορετικές τιμές της μεταβλητής Από το παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε ότι καθώς η θύρα τροφοδοσίας κινείται προς το πάνω μέρος της κεραίας (προς τα θετικά ), ο οξύς συντονισμός που βρίσκεται μεταξύ και MHz μειώνεται, ενώ ένας δεύτερος γειτονικός συντονισμός αρχίζει να κάνει την εμφάνισή του. Μάλιστα στην περίπτωση που η μεταβλητή παίρνει την τιμή, οι δύο συντονισμοί βρίσκονται κάτω από το όριο των db: 0 S11 Parameter MHz 922.7MHz Frequency(MHz) Διάγραμμα4.3 Συντελεστής ανάκλασης S 11 όταν 89

90 Το εύρος ζώνης της κεραίας αυτής είναι MHz, ίσο με της κεντρικής συχνότητας ( MHz). Στη συνέχεια, αφού η παραπάνω περίπτωση επιλέχτηκε ως η καλύτερη, επιχειρείται η μείωση των διαστάσεων του υποστρώματος και του επιπέδου γείωσης, στην προσπάθεια για μια πιο συμπαγή κεραία. Οι διαδοχικές προσομοιώσεις που έγιναν αντιστοιχούν σε μέγεθος υποστρώματος, ίσο με και mil. 0 S11 Parameters(dB) x=6000 x=5800 x=5600 x=5400 x= Frequency(MHz) Διάγραμμα4.4 Συντελεστές ανάκλασης S 11 για τέσσερα διαφορετικά μεγέθη υποστρώματος x:6000,5800,5600,5400,5200 Η διαφορά που προκύπτει στο συντελεστή ανάκλασης από τη μείωση του υποστρώματος είναι πολύ μικρή. Μάλιστα όσο το υπόστρωμα μικραίνει, η κεραία ελαφρώς αποπροσαρμόζεται ( μειώνεται ο συντελεστής ανάκλασης ), πράγμα που μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερο εύρος ζώνης λειτουργίας της. Επιπλέον, όσο πιο μικρό είναι το υπόστρωμα της κεραίας, τόσο μικρότερες οι διαστάσεις της και ο όγκος της. Συνοψίζοντας, η τελική κεραία, υποψήφια για κατασκευή φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και μαζί αναγράφονται και όλα χαρακτηριστικά της: 90

91 Σχήμα 4.3 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού 900MHz ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC Taconic RF35(loss free) PEC Πίνακας 4.7 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 4.8 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 4.9 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας 91

92 S11 Parameter(dB) MHz MHz Frequency(MHz) Διάγραμμα4.5 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας Το εύρος ζώνης της κεραίας είναι MHz ίσο με το της κεντρικής συχνότητας συντονισμού ( MHz) Smith Chart +j1.0 +j0.5 +j2.0 +j0.2 +j j0.2 -j5.0 -j0.5 -j2.0 -j1.0 Διάγραμμα4.6 Διάγραμμα Smith κεραίας μικροταινίας 92

93 1 Deliverd Power Frquency(MHz) Διάγραμμα4.7 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας 5.5 VSWR Frequency(MHz) Διάγραμμα4.8 Λόγος στασίμου κύματος κεραίας μικροταινίας Η κεραία είναι ικανοποιητικά αποδοτική και το διάγραμμα του λόγου στασίμου κύματος δείχνει πως ο τελευταίος λαμβάνει πολύ μικρή τιμή στο διάστημα συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει (γύρω από τα MHz), μικρότερη από, που είναι ένα καλό όριο για μία ικανοποιητική λειτουργία κεραίας. 93

94 II ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ MHz Ο τρόπος τροφοδοσίας της παραπάνω κεραίας, συνίσταται από έναν κονέκτορα sma, τοποθετημένος ακριβώς στη θέση της θύρας τροφοδοσίας που προσομοιώθηκε κατά την θεωρητική ανάλυση της κεραίας, ακριβώς όπως και στην περίπτωση της κεραίας μικροταινίας των GHz. Σχήμα 4.4 Τετραγωνική κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού 900GHz και τροφοδοσία με κονέκτορα Μετά από δοκιμή των συντεταγμένων τροφοδοσίας που επιλέχτηκαν (Πίνακας ), και καθώς τα αποτελέσματα δεν ήταν αρκετά ικανοποιητικά, βρέθηκε μια νέα θέση για την τροφοδοσία του κονέκτορα, ελαφρώς διαφορετική από την προηγούμενη, ως προς τον άξονα. Όλες οι διαστάσεις και τα χαρακτηριστικά της επικείμενης κεραίας αναγράφονται στους παρακάτω πίνακες: ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΜΗΚΟΣ(mil) ΠΑΧΟΣ(mil) Επίπεδο γείωσης Διηλεκτρικό υπόστρωμα Μεταλλικό φύλλο PEC Taconic RF35(loss free) PEC Πίνακας 4.10 Διαστάσεις και υλικά κεραίας μικροταινίας 94

95 ΤΜΗΜΑ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) ΔΙΑΣΤΑΣΗ (mil) Σχισμή(άνοιγμα) Κενό Πίνακας 4.11 Διαστάσεις ανοίγματος κεραίας μικροταινίας ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΘΥΡΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 1 Πίνακας 4.12 Συντεταγμένες θύρας τροφοδοσίας κεραίας μικροταινίας Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της παραπάνω κεραίας παρατίθενται παρακάτω: 0 S11 Parameter(dB) MHz MHz Frequency(MHz) Διάγραμμα4.9 Συντελεστής ανάκλασης S 11 κεραίας μικροταινίας Το εύρος ζώνης της κεραίας είναι MHz, ίσο με το της κεντρικής συχνότητας συντονισμού ( MHz) 95

96 Smith Chart +j0.5 +j1.0 +j2.0 +j0.2 +j j0.2 -j5.0 -j0.5 -j2.0 -j1.0 Διάγραμμα4.10 Διάγραμμα Smith κεραίας μικροταινίας 1 Delivered Power Frequency(MHz) Διάγραμμα4.11 Εκπεμπόμενη ισχύς κεραίας μικροταινίας 96

97 4 VSWR Frequency(MHz) Διάγραμμα4.12 Λόγος στασίμου κύματος κεραίας μικροταινίας Διάγραμμα4.13 Τρισδιάστατη απεικόνιση κέρδους κεραίας μικροταινίας Η κεραία είναι ικανοποιητικά αποδοτική, ο λόγος στασίμου κύματος λαμβάνει τιμές μικρότερες του στο διάστημα συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει και το κέρδος της κεραίας είναι ικανοποιητικό. 97

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ V ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ- ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ Κατόπιν της μελέτης που προηγήθηκε και αναλύθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, ακολουθεί το στάδιο της κατασκευής της υποψήφιας κεραίας του Σχήματος συχνότητα συντονισμού τα στους Πίνακες, με MHz, διαστάσεων και χαρακτηριστικών που παρατίθενται και στα Διαγράμματα. Αρχικά έγινε η προετοιμασία των κατάλληλων αρχείων που επεξεργάζεται το όργανο εκτύπωσης(plotter) και αφού συνδέθηκαν όλα τα επιμέρους εξαρτήματα και όργανα, ξεκίνησε η διαδικασία της εκτύπωσης. I. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ 2.4 MHz Η κεραία που κατασκευάστηκε φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία: (α) Σχήμα 5.1 (β) Κατασκευασμένη κεραία μικροταινίας με συχνότητα συντονισμού τα 2.4GH(α)πρόσοψη, (β)πίσω όψη Αφού ολοκληρώθηκε η κατασκευή της κεραίας, προστέθηκε σε αυτήν ο κονέκτορας της τροφοδοσίας της, στο κατάλληλο σημείο και με τη βοήθεια υλικού καλάι για την κόλλησή του στην κεραία(τόσο στο κάτω μέρος όσο και στο επάνω). Έπειτα η κεραία συνδέθηκε στο φασματικό αναλυτή μέσω ομοαξονικού καλωδίου και μετρήθηκε. Τα αποτελέσματα της μέτρησης παρατίθενται στα παρακάτω διαγράμματα: 98