ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΥΠΕΡΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΥΠΕΡΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ Όνομα: Αμανατίδου-Τοτικίδου Άννα ΑΕΜ: 5312 Επιβλέπων Καθηγητής: Γιούλτσης Τραϊανός Ημερομηνία: Ιούλιος 2009

2 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή..σελ Το λογισμικό Sonnet Θεωρία Η/Μ Ανάλυσης Το κουτί Sonnet (Sonnet Box) Σύζευξη με το κουτί Διηλεκτρικά στρώματα και μεταλλικά επίπεδα.9 3. Μονοπολική κεραία διχαλωτού σχήματος με αναδιπλωμένα άκρα Γενικά Γεωμετρία της κεραίας Σχεδίαση και ανάλυση στο Sonnet Συμπαγής κεραία αναδιπλωμένου σχήματος τεχνολογίας PIFA Γενικά Γεωμετρία της κεραίας Σχεδίαση και ανάλυση στο Sonnet Παραμετρική Μοντελοποίηση κεραίας υπερευρείας ζώνης Γενικά Γεωμετρία της κεραίας Σχεδίαση και ανάλυση στο Sonnet Strip-loaded Circular Slot κεραία υπερευρείας ζώνης με βελτιωμένα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας Γενικά Γεωμετρία της κεραίας Σχεδίαση και ανάλυση στο Sonnet Συμπαγής κεραία υπερευρείας ζώνης ελλειπτικού μονοπόλου Γενικά Γεωμετρία της κεραίας Σχεδίαση και ανάλυση στο Sonnet Επίλογος Βιβλιογραφικές Αναφορές..44 2

3 1. Εισαγωγή Από την εμφάνιση της πρώτης κεραίας μικροταινίας μέχρι σήμερα έχουν παρουσιαστεί χιλιάδες υλοποιήσεις μικροταινιακών κεραιών. Αντικειμενικά πλεονεκτήματα όπως η ευκολία κατασκευής, το χαμηλό κόστος υλοποίησης, η σαφής και εκ των προτέρων γνώση των ακτινοβολούντων χαρακτηριστικών και η εξαιρετική συμβατότητα ενσωμάτωσής τους με επίπεδες παθητικές ή ενεργές κυκλωματικές διατάξεις, συνέβαλαν στην καθιέρωσή τους ως βασικές λύσεις σε ολοκληρωμένα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Με την ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών τα τελευταία χρόνια, η ανάγκη για χαμηλού προφίλ ακτινοβολητών με αναβαθμισμένα χαρακτηριστικά κυρίως ως προς το ευρύ φάσμα προσαρμογής τους (που αποτελεί το βασικότερο μειονέκτημά τους), συνεπικούρησε στην στροφή της έρευνας σε πιο ευρυζωνικές μικροταινιακές υλοποιήσεις. Παράλληλα, οι εμπορικές εφαρμογές καταστούν αναγκαία την ομοιοκατευθυντική κάλυψη ακτινοβολίας, ώστε να εξασφαλίζεται αδιάκοπη ζεύξη με τους σταθμούς βάσης. Αυτό το χαρακτηριστικό δεν ικανοποιείται από τις κλασικές μικροταινιακές υλοποιήσεις λόγω της ύπαρξης επιπέδου γείωσης που λειτουργικά χρησιμοποιείται για να οδηγεί το σήμα εισόδου και ως εκ τούτου εκμηδενίζει την εκπεμπόμενη ακτινοβολία στον υποχώρο κάτω από αυτό. Συμπερασματικά, δυο είναι τα βασικότερα μειονεκτήματα της μικροταινιακής τεχνολογίας, το χαμηλό εύρος προσαρμογής και η ημικατευθυντικότητα των διαγραμμάτων ακτινοβολίας. Η εξέλιξη των ασύρματων φορητών τερματικών για υπηρεσίες φωνής και δεδομένων είναι συνεχής. Η απαίτηση για ελαχιστοποίηση των διαστάσεων και αύξηση της εργονομίας οδήγησε στην υιοθέτηση ακτινοβολητών χαμηλού προφίλ, με ομοιοκατευθυντικότητα ακτινοβολίας και ευκολία σχεδίασης. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές για την ενίσχυση του εύρους ζώνης φέρνοντας κοντά τις διάφορες συχνότητες συντονισμού, όπως η διαφοροποίηση της γεωμετρίας της κεραίας, η εισαγωγή σχισμών στη γεωμετρία και η χρήση διαφόρων τρόπων τροφοδοσίας. 3

4 Μεταξύ των UWB κεραιών που έχουν σχεδιαστεί κατά καιρούς, οι επίπεδες μονοπολικές κεραίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα λόγω του μεγάλου εύρους ζώνης που προσφέρουν, της απλής κατασκευής και του χαμηλού τους κόστους καθώς και της ομοιοκατευθυντικής συμπεριφορά ακτινοβολίας. Το ευρύ φάσμα λειτουργίας ( GHz) διαφοροποιεί τα UWB από τα συμβατά συστήματα. Ωστόσο, λόγω της επικάλυψης του UWB φάσματος με το ήδη υπάρχον φάσμα των WLAN, είναι επιθυμητή η υιοθέτητση κάποιων χαρακτηριστικών φίλτρου που θα μειώσουν την αλληλοπαρεμβολή των δύο αυτών συστημάτων επικοινωνίας. Για το λόγο αυτό έχει προταθεί η εισαγωγή στα μονόπολα σχισμών διαφόρων σχημάτων όπως U-shaped, V-shaped κ.ά. ώστε να επιτευχθεί αυτή η μπάντα απόρριψης. Ένα από τα στοιχεία σχεδίασης είναι και η επιλογή του διηλεκτρικού που θα χρησιμοποιηθεί, δηλαδή η επιλογή της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς και της εφαπτομένης απωλειών. Με υψηλή διηλεκτρική σταθερά έχουμε μικρότερο μέγεθος κεραίας, αλλά ταυτόχρονα μειώνεται το εύρος ζώνης. Μεγάλη τιμή της εφαπτομένης απωλειών μειώνει την αποδοτικότητα της κεραίας και αυξάνει τις απώλειες τροφοδοσίας. Μεγάλο πάχος του διηλεκτρικού αυξάνει το εύρος ζώνης και την αποδοτικότητα, αλλά δεν μπορεί να επιλεγεί πολύ μεγάλο λόγω των επιπτώσεων από τα κύματα επιφανείας που εμφανίζονται. 4

5 2. Το λογισμικό Sonnet Το Sonnet είναι ένα από τα πιο κατάλληλα λογισμικά που χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό τρισδιάστατων επίπεδων (3D planar) κυκλωμάτων και κεραιών. Τα τρισδιάστατα επίπεδα κυκλώματα αποτελούνται από στρώματα μετάλου ενσωματωμένα σε στρωματοποιημένα διηλεκτρικά υλικά. Τα κυκλώματα αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν vias και κάθετα μεταλλικά φύλλα. To Sonnet επιτρέπει τη χρήση οποιουδήποτε αριθμού διηλεκτρικών και μεταλλικών στρωμάτων αλλά και τύπων μετάλλου και διηλεκτρικού που ορίζει ο κάθε χρήστης. Μερικά παραδείγματα τρισδιάτατων επίπεδων κυκλωμάτων είναι τα MMIC, RFIC, οποεπίπεδοι κυματοδηγοί (CPW), multilayer κυκλώματα όπως LTCC και PCB και κεραίες μικροταινίας. Το Sonnet δημιουργεί ακριβή RF μοντέλα ( S-,Y-,Z-παραμέτρους) για επίπεδα κυκλώματα και κεραίες. Το λογισμικό απαιτεί μια φυσική περιγραφή του κυκλώματος (διάταξη και ιδιότητες των μετάλλων και διηλεκτρικών που χρησιμοποιούνται) και χρησιμοποιεί για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση ( EM analysis) την αυστηρή μέθοδο Method-of-Moments, η οποία βασίζεται στις εξισώσεις του Maxwell και περιλαμβάνει όλες τις επιδράσεις συντονισμών, πολλαπλής σύζευξης (cross-coupling) και παρασιτικές επιδράσεις. 2.1 Θεωρία Ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης Όπως αναφέρθηκε, το Sonnet χρησιμοποιεί τη μέθοδο Method-of-Moments εφαρμόζοντας άμεσα τις εξισώσεις του Maxwell. Μια σύντομη μη-μαθηματική περιγραφή της εφαρμογής της μεθόδου αυτής είναι η εξής: Αρχικά το Sonnet υποδιαιρεί το μεταλλικό μέρος (metallization) του κυκλώματος σε μικρά τμήματα (subsections), όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. 5

6 Σχήμα 2.1: (α) Ένα κύκλωμα όπως φαίνεται στο project editor (β) Οι υποδιαιρέσεις (subsections) του κυκλώματος Στη συνέχεια παίρνει ένα από τα τμήματα αυτά και, αγνοώντας όλα τα υπόλοιπα τμήματα, υπολογίζει το ολικό ηλεκτρικό πεδίο (ολική τάση) που οφείλεται στο ρεύμα μόνο του υπό εξέταση τμήματος. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για κάθε τμήμα διαδοχικά. Έτσι υπολογίζεται η σύζευξη μεταξύ όλων των τμημάτων του κυκλώματος. Κάθε τμήμα (subsection) του κυκλώματος παράγει ηλεκτρικό πεδίο σε όλη την επιφάνεια του διηλεκτρικού στρώματος. Το συνολικό όμως εφαπτομενικό ηλεκτρικό πεδίο σε αγώγιμη επιφάνεια χωρίς απώλειες είναι μηδέν. Έτσι, το πρόγραμμα τοποθετεί ρεύμα σε όλα τα τμήματα ταυτόχρονα και το προσαρμόζει, ώστε το συνολικό εφαπτομενικό ηλεκτρικό πεδίο (που οφείλεται στο ρεύμα όλων των τμημάτων) να είναι μηδέν, όπου υπάρχει αγώγιμη επιφάνεια, λόγω του ότι δεν υπάρχει τάση διαμέσου τέλειας αγώγιμης επιφάνειας. Αυτό ονομάζεται οριακή συνθήκη (boundary condition). Το ρεύμα για το οποίο έχουμε μηδενική τάση αποτελεί τη λύση του προβλήματος. Ο υπολογισμός της ολικής τάσης εξαιτίας του ρεύματος σε ένα συγκεκριμένο τμήμα (subsection) γίνεται με ταχύ μετασχηματισμό Fourier ( 2-D FFT). Το μέγεθος (ο αριθμός των πράξεων) του FFT είναι ίσο με τον αριθμό των κελιών (cells) σε κάθε επίπεδο. Για να μειωθούν λοιπόν οι απαιτήσεις μνήμης πρέπει να επιλέγονται όσο το δυνατόν μεγαλύτερα κελιά. Τα δεδομένα για την τάση και το ρεύμα αποθηκεύονται σε έναν πίνακα ΝxΝ, όπου Ν είναι ο αριθμός των 6

7 υποτμημάτων (subsections). Για μια γρήγορη ανάλυση πρέπει ο αριθμός N να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος, κάτι που επιτυγχάνεται με όσο το δυνατόν μικρότερο αριθμό κελιών για την υπό μελέτη περιοχή της μεταλλικής επιφάνειας (metallization). Κάποια ακόμα σημαντικά σημεία της ανάλυσης είναι τα εξής: Η τάση δε μηδενίζεται σε όλα τα υποτμήματα. Αν συνέβαινε αυτό, τότε όλα τα ρεύματα θα ήταν επίσης μηδενικά. Πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μια πηγή τάσης, ή διέγερση που να δημιουργεί ρεύμα. Μια πηγή τάσης δημιουργείται ρυθμίζοντας την τάση σε ένα ή περισσότερα υποτμήματα σε 1,0 Volt. Αυτό το subsection ονομάζεται θύρα ( port ) και μπορεί να θεωρηθεί ως είσοδος ή έξοδος. Αν υπάρχουν απώλειες στους αγωγούς, αυτές λαμβάνονται υπόψιν ρυθμίζοντας την τάση (εφαπτομενικό ηλεκτρικό πεδίο) σε κάθε επιμέρους τμήμα (εκτός από τις θύρες) όχι μηδέν αλλά σε μια τιμή ανάλογη με το ρεύμα που το διαρέει, σύμφωνα με το νόμο του Ohm. Ο ταχύς μετασχηματισμός που χρησιμοποιεί το Sonnet είναι δυο διαστάσεων. Οι διαστάσεις αυτές είναι οι δυο διαστάσεις της επιφάνειας των διηλεκτρικών στρωμάτων (x-y), οι οποίες πρέπει να δειγματοληπτηθούν ομοιόμορφα. Για να μειωθεί ο αριθμός των subsections N, το Sonnet οργανώνει αυτόματα τα ανεξάρτητα κελιά (cells) σε μεγαλύτερες ενότητες (subsections). Για να έχουμε όσο το δυνατόν ακριβότερη ανάλυση, οι ενότητες αυτές είναι μικρές στα άκρα των αγώγιμων τμημάτων (όπου οι διακυμάνσεις του ρεύματος είναι ταχείες) και μεγαλύτερες ενότητες στο εσωτερικό τους (όπου η μεταβολή του ρεύματος είναι πιο αργή). Για τον υπολογισμό της σύζευξης των τμημάτων του κυκλώματος, πρέπει να υπολογιστεί όπως είπαμε το ηλεκτρικό πεδίο, θεωρώντας τις πλευρές του sonnet box ως ορθογώνιους κυματοδηγούς με κατακόρυφη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Για να γίνει αυτό τα 7

8 ηλεκτρικά πεδία υπολογίζονται ως ένα άθροισμα (των m και n) όλων των κυματοδηγούμενων ρυθμών TE mn και TM mn, οι οποίοι μπορούν να αποτελέσουν μια πλήρη ορθογώνια βάση για την απεικόνιση οποιασδήποτε πηγής ελεύθερου πεδίου. Υπάρχει ένα άθροισμα για τα πεδία πάνω από κάθε τμήμα και κάτω από κάθε τμήμα αντίστοιχα. Για να υπολογιστεί η παρουσία κάθε ρυθμού στο subsection εφαρμόζεται η οριακή συνθήκη στην ασυνέχεια αυτή. Συνολικά έχουμε ένα άθροισμα δυο διαστάσεων από ημίτονα και συνημίτονα που υπολογίζεται με τον διδιάστατο ταχύ μετασχηματισμό Fourier. 2.2 Το Sonnet Box Σχήμα 2.2: Το μεταλλικό κουτί μέσα στο οποίο γίνετα η ηλεκτρομαγνητική ανάλυση Η ηλεκτρομαγνητική ανάλυση του Sonnet πραγματοποιείται μέσα σε ένα μεταλλικό κουτί (six-sided) όπως φαίνεται παραπάνω. Το κουτί αυτό περιέχει οποιονδήποτε αριθμό διηλεκτρικών στρωμάτων, που είναι παράλληλα με το κάτω μέρος του κουτιού. Οι αγώγιμες επιφάνειες μπορούν να τοποθετηθούν 8

9 στα επίπεδα μεταξύ κάποιων ή και όλων των διηλεκτρικών στρωμάτων, ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν vias για να συνδέσουν τις μεταλλικές επιφάνειες ενός επιπέδου με ένα άλλο. Τα τέσσερα τοιχώματα του κουτιού είναι τέλειοι αγωγοί (χωρίς απώλειες), γεγονός που προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα για μια ακριβή και αποτελεσματική ηλεκτρομαγνητική ανάλυση υψηλών συχνοτήτων. Οι τοίχοι του κουτιού αποτελούν ένα ιδανικό ground αναφοράς για τις θύρες (ports), ενώ δίνουν και ένα φυσικό τρόπο υπολογισμού της επίδρασης του περιβλήματος στη συμπεριφορά κυκλωμάτων που τοποθετούνται σε εσωτερικούς χώρους. 2.3 Σύζευξη με το κουτί Καθώς οι τοίχοι του κουτιού είναι τέλειοι αγωγοί χωρίς απώλειες, οποιαδήποτε μεταλλική επιφάνεια ενός κυκλώματος που βρίσκεται κοντά στα τοιχώματα μπορεί να συζευχθεί με αυτά. Αν αυτό δεν είναι επιθυμητό τότε πρέπει το κύκλωμα να απομακρυνθεί αρκετά από τους τοίχους. Μια απόσταση τρεις με πέντε φορές το πάχος του διηλεκτρικού είναι στις περισσότερες περιπτώσεις ικανοποιητική, ενώ κάποιες φορές χρειάζεται μεγαλύτερη απόσταση λόγω των συντονισμών που προκαλούνται από την παρουσία του κουτιού (box resonances). 2.4 Διηλεκτρικά στρώματα και μεταλλικά επίπεδα Όλες οι γεωμετρίες στο Sonnet αποτελούνται από δύο ή περισσότερα διηλεκτρικά στρώματα. Δεν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των χρησιμοπούμενων διηλεκτρικών στρωμάτων αρκεί κάθε στρώμα να αποτελείται από ένα και μόνο διηλεκτρικό υλικό. Οι μεταλλικές επιφάνειες (metal polygons) τοποθετούνται στο επίπεδο διεπαφής (interface) δυο διηλεκτρικών στρωμάτων και συνήθως μοντελοποιούνται ως μηδενικού πάχους. Σύνδεση μεταξύ μεταλλικών επιφανειών διαφορετικών επιπέδων μπορεί να γίνει με χρήση vias. Η αρίθμηση των επιπέδων γίνεται από πάνω προς τα κάτω. 9

10 3. Μονοπολική κεραία υπερευρείας ζώνης διχαλωτού σχήματος με αναδιπλωμένα άκρα 3.1 Γενικά Λόγω της ταχείας ανάπτυξης τεχνολογιών των ημιαγωγών, μια μεγάλη ποικιλία ασύρματων υπηρεσιών έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι τεχνολογίες υπερευρείας ζώνης (UWB) είναι μια από τις βασικές τεχνολογίες των ασύρματων δικτύων προσωπικού χώρου (WPANs), τα οποία υπόσχονται πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης (μέχρι και 480Μbps) σε πολύ μικρή απόσταση (π.χ. 10 μέτρα). Λόγω του μεγάλου εύρους ζώνης ( GHz), τα στοιχεία των κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση UWB συστημάτων αντιμετωπίζουν πολύ διαφορετικές προκλήσεις από εκείνες που εφαρμόζονται σε συμβατικά συστήματα στενού εύρους ζώνης. Σε γενικές γραμμές, μια κεραία UWB πρέπει να πληροί μια σειρά κρίσιμων απαιτήσεων, όπως σταθερό διάγραμμα ακτινοβολίας και κέρδους, σταθερή ομάδα καθυστέρησης, υψηλή απόδοση ακτινοβολίας και χαμηλό προφίλ. Ανάμεσα στις προτεινόμενες UWB κεραίες, οι επίπεδες μονοπολικές κεραίες είναι ιδιαίτερα σημαντικές λόγω του μικρού τους μεγέθους και των σταθερών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας. Σημειώνεται επίσης ότι λόγω της επικάλυψης των φασμάτων των UWB με τα WLAN, επιδιώκεται οι UWB κεραίες να έχουν ιδιότητες φίλτρου στην περιοχή των 5-6 GHz για άμβλυνση των πιθανών παρεμβολών. Η διατήρηση αυτής της ιδιότητας φιλτραρίσματος σε όλες τις κατευθύνσεις συνιστά κρίσιμη παράμετρο στη σχεδίαση τέτοιων κεραιών. 3.2 Γεωμετρία κεραίας Η πρώτη κεραία που μελετήσαμε είναι μια κεραία μικροταινίας με διχαλωτό σχήμα και αναδιπλωμένα τα άκρα της. Ο ακτινοβολητής διχαλωτού σχήματος τροφοδοτείται με γραμμή μικροταινίας 50Ω. Προκειμένου να επιτευχθούν οι 10

11 ιδιότητες ζωνοφρακτικού φίλτρου στην περιοχή συχνοτήτων των WLAN οι ταινίες διχαλωτού σχήματος αναδιπλώνονται προς τα πίσω, σχηματίζοντας ένα ζευγάρι συζευγμένων γραμμών. Οι συζευγμένες αυτές γραμμές λειτουργούν ως παράλληλοι ακτινοβολητές και εμποδίζουν την ακτινοβολία στην στοχοθετημένη μπάντα απόρριψης. Το μήκος και το πλάτος της εγκοπής των γραμμών αυτών καθορίζουν την μπάντα συχνοτήτων απόρριψης της κεραίας. Η γεωμετρία της προτεινόμενης κεραίας φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα 3.1: Γεωμετρία κεραίας W = 30mm, W1 = 4.5mm, W2 = 5.8mm, W3 = 11mm, Ws = 2mm W m =.4mm, L = 12.5mm, L = 2mm, L = 11.5mm, L = 8mm, L = 2mm, G 0. 5mm = Η κεραία είναι κατασκευασμένη σε υπόστρωμα FR-4 πάχους 1.6mm με διηλεκτρική σταθερά ε r = 4. 4 και εφαπτομένη απωλειών tan δ = Όπως φαίνεται στο σχήμα η τροφοδοσία γίνεται με γραμμή μικροταινίας 50Ω μήκους 11.5m και το ground plane είναι διαστάσεων 30 mm Για να επιτευχθεί η επιθυμητή μπάντα φιλτραρίσματος οι δυο λωρίδες της κεραίας όπως έχει ειπωθεί αναδιπλώνονται προς τα πίσω σχηματίζοντας ένα ζεύγος συζευγμένων γραμμών. Προσαρμόζοντας τις τιμές των παραμέτρων L 4 και G μπορεί να προστεθεί στην απόκριση της κεραίας ένας συντονισμός 11

12 με τις επιθυμητές ιδιότητες απόρριψης καθορισμένων συχνοτήτων. Πρέπει να τονιστεί ότι οι συζευγμένες γραμμές δεν υποστηρίζουν ΤΕΜ ρυθμούς ούτε αποτελούν συζευγμένες γραμμές μικροταινίας, αφού λειτουργούν σε ανομοιογενές περιβάλλον και δεν έχουν ground plane. 3.3 Σχεδίαση της κεραίας στο Sonnet Για το σχεδιασμό της κεραίας στο Sonnet αρχικά καθορίζουμε τις μονάδες του κυκλώματος σε mm με την επιλογή: Circuit Units Length mm Στη συνέχεια δημιουργούμε το κατάλληλο κουτί (box) για να τοποθετήσουμε μέσα την κεραία μας. Με την επιλογή: Circuit Dielectric _ layers ορίζουμε τα διηλεκτρικά στρώματα του κουτιού δίνοντας για κάθε στρώμα το πάχος του (σε mm), το όνομά του, τη διηλεκτρική σταθερά και την εφαπτομένη απωλειών. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε: Έχουμε τρία διηλεκτρικά στρώματα άρα δύο επίπεδα (layers). Στο επίπεδο 0 θα σχεδιάσουμε την κεραία και στο επίπεδο 1 το ground plane. Τα Top και Bottom Metal ορίζονται ως Free space, ενώ επιλέγεται και η παράμετρος της συμμετρίας (Symmetry). Με την επιλογή αυτή, ό,τι βρίσκεται κάτω από τη γραμμή της συμμετρίας αγνοείται και το μεταλλικό μέρος από το πάνω μέρος ανακλάται στην άλλη πλευρά με αποτέλεσμα να επιταχύνεται κατά πολύ η ανάλυση. Στη συνέχεια θα ορίσουμε το μέγεθος των κελιών και του κουτιού (πάντα σε mm) με την επιλογή: Circuit Box 12

13 Οι τιμές των παραμέτρων που επιλέγονται είναι: Για τον αριθμό των κελιών προτιμάται μια τιμή που είναι δύναμη του 2, γιατί επιταχύνεται κατά πολύ ο υπολογισμός του FFT. Σε κάθε περίπτωση ισχύει η σχέση: Num. Cells CellSize = BoxSize Για το υλικό της κεραίας θεωρούμε τέλειο μέταλλο χωρίς απώλειες (lossless metallization). Για τη σύνδεση της κεραίας με το ground plane τοποθετούμε via στην αρχή της γραμμής τροφοδοσίας με την επιλογή (όντας στο 0 επίπεδο): Tools Add _ Via ( Down _ one _ level) circular( Diameter = 1.0mm, Num. Sides = 360) Στη συνέχεια ορίζουμε και τη διέγερση και την τοποθετούμε στη θέση της via ως via port με την επιλογή: Tools Add _ Port Σχήμα 3.2: Απεικόνιση της via port Όπως φαίνεται, η via port έχει το θετικό της άκρο στο επίπεδο μηδέν και το αρνητικό της στο επίπεδο ένα.η αρίθμηση των via ports φαίνεται μόνο στο χαμηλότερο επίπεδο που φτάνει η via (εδώ είναι το επίπεδο 1). 13

14 Η απεικόνιση της κεραίας στα δυο επίπεδα αλλά και τρισδιάστατα φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.3: Απεικόνιση κεραίας στο Project editor (κάτοψη) στα δύο επίπεδα Σχήμα 3.4: Τρισδιάστατη απεικόνιση της κεραίας με (α) L4 8mm, G = 0. 5mm L = 8mm, G 0. 5mm 4 = = (β) Τέλος, ορίζονται και οι παράμετροι επίλυσης του κυκλώματος: Analysis Setup Speed / Memory Coarse / Edge _ Meshing Με τον τρόπο αυτό καθορίζεται ο ελάχιστος και μέγιστος αριθμός των κελιών που μπορούν να συνθέσουν ένα subsection. Η συγκεκριμένη επιλογή αποτελεί ένα καλό συμβιβασμό μεταξύ ταχύτητας και ακρίβειας της ανάλυσης. Analysis Setup Advanced Box _ resonance _ Info 14

15 Έτσι μπορούμε να γνωρίζουμε για ποιες συχνότητες εμφανίζονται συντονισμοί λόγω της παρουσίας του κουτιού. Επειδή αυτοί οι συντονισμοί είναι δύσκολο να εξαλειφθούν πλήρως, προσπαθούμε να μετακινήσουμε τις συχνότητες συντονισμού είτε κάτω είτε πάνω από τη ζώνη συχνοτήτων στην οποία γίνεται η ανάλυση, μεταβάλλοντας το μέγεθος του κουτιού (είτε μεγαλώνοντάς το είτε μικραίνοντάς το). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιήσαμε τόσο μεγάλο μέγεθος κουτιού. Analysis Setup Analysis _ Control Adaptive _ Sweep( ABS,2 12GHz) Πρόκειται για μια τεχνική ανάλυσης που προσφέρει καλή ακρίβεια για ένα μικρό σχετικά αριθμό σημείων που μπορεί να καθοριστεί και από τον χρήστη (εδώ επιλέχτηκαν 100 σημεία ανάλυσης). Η ανάλυση γίνεται για δυο περιπτώσεις, με και χωρίς αναδιπλωμένα τα άκρα της κεραίας και για δύο διαφορετικές θύρες διέγερσης. Τα αποτελέσματα για τις απώλειες επιστροφής (Return Loss-dB) είναι: Σχήμα 3.5: Απώλειες επιστροφής της κεραίας από τη βιβλιογραφία 15

16 Σχήμα 3.6: Απώλειες επιστροφής της κεραίας υπολογισμένες στο Sonnet με (α) κυκλική via (β) ορθογώνια via Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα υπάρχει μια καλή συμφωνία των αποτελεσμάτων και για τις δυο περιπτώσεις. Κάποιες διαφορές υπάρχουν στη ζώνη συχνοτήτων 6-7 GHz, όπου στο αρχικό διάγραμμα οι απώλειες επιστροφής είναι κατά 10 db περίπου μικρότερες. Η χρήση δυο διαφορετικών θυρών δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες διαφορές στα αποτελέσματα, με κύρια την αύξηση των απωλειών της κεραίας στην περιοχή των 10GHz για την (α) περίπτωση. Πάντως και στα δυο διαγράμματα είναι φανερή οι ιδιότητες απόρριψης της περιοχής γύρω από τα 5 GHz που πετυχαίνεται με την εισαγωγή των αναδιπλωμένων άκρων της κεραίας ( S 5dB) >, ενώ χωρίς 11 αυτά η κεραία λειτουργεί κανονικά στη ζώνη αυτή ( S 10dB) <

17 4. Συμπαγής κεραία αναδιπλωμένου σχήματος τεχνολογίας PIFA 4.1 Γενικά Η Federal Communication Commission (FCC) έχει προσδιορίσει ένα εύρος ζώνης 7.5 GHz ( GHz) για ultrawideband (UWB) εφαρμογές. Οι μονοπολικές κεραίες παρουσιάζουν ένα καλό εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης και κ λα ή λ ιτουργία ε σε όλ ς ε τις κ τευθύνσεις α όταν χρησιμοποιούνται σε τερματικές συσκευές. Οι μη συμμετρικές αυτές κεραίες προσαρμόζονται και εύκολα σε γραμμές 50Ω. Σε μια προσπάθεια να μειωθεί το κόστος παραγωγής και να βελτιωθεί το εύρος ζώνης, έχουν αναπτυχθεί επίπεδες κατασκευές έναντι των κλασσικών κυλινδρικών stub τετάρτου μήκους κύματος. Επίπεδες μονοπολικές κεραίες έχουν βελτιστοποιηθεί ώστε να παρέχουν εξαιρετικά μεγάλο εύρος ζώνης (impedance bandwidth) με καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Επιπλέον έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη πολύ συμπαγών UWB κεραιών για φορητές εφαρμογές. Αυτές οι απαιτήσεις έχουν οδηγήσει στο σχεδιασμό μονοπολικών κεραιών πιο πολύπλοκων σχημάτων που προσφέρουν ένα καλό συμβιβασμό μεγέθους και ολικής απόδοσης. Επίπεδες κεραίες ανεστραμμένου-f (PIFA) έχουν αποδειχθεί κατάλληλες για χειροσυσκευές ευρυζωνικών συστημάτων. Πράγματι, η προσθήκη ενός shorting probe βελτιώνει το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης καθώς δημιουργεί εναλλακτικές και πιο περίπλοκες διαδρομές του ρεύματος, γεγονός που επιτρέπει τη διέγερση περισσότερων ρυθμών στον ακτινοβολητή. Στη συγκεκριμένη κεραία, το αναδιπλωμένο σχήμα της μειώνει το μέγεθός της, αν και αυτό έχει ισχυρή επίδραση στο διάγραμμα ακτινοβολίας. 4.2 Γεωμετρία κεραίας Παρουσιάζεται μια ημιεπίπεδη κεραία που λειτουργεί στο φάσμα UWB που έχει διατεθεί από την FCC. Η μικρή αυτή κεραία αποτελείται από ένα διπλωμένο αγώγιμο στοιχείο που είναι συνδεδεμένο σε ένα τυπωμένο τμήμα. Έχουν βρεθεί διάφοροι τρόποι για να δημιουργηθούν διαφορετικές διαδρομές 17

18 του ρεύματος, οι οποίες αυξάνουν τις ηλεκτρικές διαστάσεις της κεραίας. Όταν η κεραία τοποθετείται σε διάφορες θέσεις πάνω σε ένα μεγάλο ground plane, τα χαραστηριστικά σύνθετης αντίστασης και ακτινοβολίας φαίνονται να είναι σχετικά ανεξάρτητα από το μέγεθος του ground plane και τη θέση της κεραίας πάνω σε αυτό. Εδώ θα εξετάσουμε μόνο τη μεμονωμένη περίπτωση της κεραίας. Η προτεινόμενη κεραία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές συστημάτων χειρός χάρη στο μικρό της μέγεθος, σε συστήματα επικοινωνιών UWB και παρουσιάζει σχεδόν ομοιοκατευθυντικά χαραστηριστικά ακτινοβολίας. Η πρότυπη κατασκευασμένη κεραία απεικονίζεται στις παρακάτω φωτογραφίες: Σχήμα 4.1: Φωτογραφίες της πρότυπης κεραίας (α) από μπροστά (β)από πίσω (γ) και πλάγια όψη αντίστοιχα Όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα η κεραία είναι κατασκευασμένη σε υπόστρωμα FR4 πάχους 1.6mm, σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς ε = 4. 3 και εφαπτομένης απωλειών tan δ = Το αναδιπλώμενο στοιχείο είναι φύλλο ορείχαλκου διάμετρο 0.2mm και η via που συνδέει τα δυο τμήματα είναι κυκλική με 0.5mm. Το ground plane έχει διαστάσεις 46 mm 2 2. r 18

19 W = 46mm, L = 30mm, L1 = 7mm, L2 = 15mm, d = 5mm s =.5mm, s = 7mm, s = 2mm, w = 18mm, w = 2mm, w = 10mm, fg 1mm Σχήμα 4.2:Γεωμετρία κεραίας με = 1 = 2mm, x2 = 4mm, v1 = 1.5mm, v2 = 2mm, v3 = 8mm, v4 = 2mm, v5 = 1mm, e = x 2mm Το τμήμα τροφοδοσίας της κεραίας είναι τυπωμένο σε υπόστρωμα FR4 ενώ το ground plane βρίσκεται στην κάτω πλευρά του υποστρώματος FR4. Το αναδιπλωμένο λεπτό μεταλλικό φύλλο είναι συνδεδεμένο με το τυπωμένο στοιχείο αλλά και κατά μήκος του ground plane από την άλλη πλευρά. Ο τρόπος αυτός γείωσης όχι μόνο βελτιώνει το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης αλλά συμβάλλει και στη μείωση των επιπτώσεων λόγω ασυμμετρίας του κυκλώματος στο τμήμα της τροφοδοσίας. Η τροφοδοσία γίνεται με γραμμή μικροταινίας 50Ω που είναι τοποθετημένη ασύμμετρα στη βάση του τυπωμένου τμήματος του ακτινοβολητή. Το τυπωμένο τμήμα της κεραίας συνδέεται με το αναδιπλωμένο εξωτερικό τμήμα με μια shorting 19

20 probe, που είναι τυπική σε τεχνολογίες PIFA. Αυτή η σύνδεση δημιουργεί μια εναλλακτική διαδρομή του ρεύματος που μειώνει την απόσταση μεταξύ του στρώματος FR4 και του αναδιπλωμένου τμήματος της κεραίας και κατ επέκταση το μέγεθος της κεραίας. Η διαμόρφωση επιπλέον του εξωτερικού τμήματος της κεραίας είναι τέτοια που επιτρέπει τη διαρροή του ρεύματος κατά μήκος αυτού, παρέχοντας μια πιο σύνθετη διαδρομή. Η τεχνική αυτή ουσιαστικά μεγενθύνει εικονικά τις ηλεκτρικές διαστάσεις της δομής χωρίς να τροποποιήσει καθόλου τις φυσικές τις διαστάσεις και μειώνει το κάτω άκρο της ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας της κεραίας. Οι πολλαπλές ακμές του αναδιπλωμένου εξωτερικού τμήματος λόγω των συμμετρικών του εγκοπών συμβάλλουν στη λειτουργία στις χαμηλότερες συχνότητες του φάσματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος ( + υ + 6 υ + x + υ + υ ) t τόσο μειώνεται το κάτω όριο του φάσματος λειτουργίας Σχεδίαση της κεραίας στο Sonnet Ο σχεδιασμός της κεραίας στο Sonnet γίνεται όπως έχει ήδη αναφερθεί. Όσον αφορά στα διηλεκτρικά στρώματα έχουμε: Για το μέγεθος του κουτιού ορίζουμε τις παρακάτω παραμέτρους: 20

21 Επειδή λόγω της δομής της κεραίας δε μπορούμε να χησιμοποιήσουμε via port, η τροφοδοσία της γίνεται λίγο διαφορετικά, με θύρες standard box wall που είναι και οι πιο συνηθισμένες. Σχήμα 4.3: Απεικόνιση της θύρας standard box wall Αυτό που κάνουμε είναι να ενώσουμε τη γραμμή μικροταινίας καθώς και το groundplane με το περίβλημα του κουτιού. Το μήκος των γραμμών αυτών δε μπορεί να είναι πολύ μεγάλο γιατί καθυστερεί την ανάλυση. Προσθέτουμε στη συνέχεια τις δυο θύρες (standard box wall ports) πάνω και κάτω ορίζοντας την αρίθμηση με 1 για τη θύρα που αντιστοιχεί στη γραμμή μικροταινίας και -1 για τη θύρα που αντιστοιχεί στο groundplane. Η αρνητική αρίθμηση ουσιαστικά αντιστρέφει την πολικότητα της θύρας. Έτσι εξασφαλίζεται ότι ως ground θα λειτουργεί μόνο αυτό που προσδιορίσαμε στη δομή μας και όχι το περίβλημα του κουτιού. Τέλος ορίζουμε και τις δύο γραμμές που χρησιμοποιήσαμε για να ενώσουμε την κεραία με το περίβλημα του κουτιού ως reference planes ώστε οι επιδράσεις από αυτές να μη ληφθούν υπόψιν στα αποτελέσματα. Αυτό έγινε με την επιλογή: Circuit ref. Planes / Cal. lenght Fixed 50mm 21

22 Η κεραία στα τρία επίπεδα καθώς και στην τρισδιάστατη μορφή φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 4.4: Απεικόνιση της κεραίας και στα τρία επίπεδα στο project editor Σχήμα 4.5: Τρισδιάτατη απεικόνιση της κεραίας (α) με εγκποπές (slits) (β) χωρίς εγκοπές Τέλος, ορίζονται και οι παράμετροι επίλυσης του προβλήματος. Η μόνη αλλαγή σε σύγκριση με την προηγούμενη ανάλυση είναι η επιλογή: Analysis Advanced _ Sub sec tioning Maximun _ Sub sec tion _ Size 6subs / λ 22

23 Με την επιλογή αυτή η ανάλυση γίνεται λιγότερο ακριβής. Η προεπιλεγμένη τιμή της παραμέτρου αυτής είναι 20subs / λ, η οποία είναι ικανοποιητική για τις περισσότερες εφαρμογές. Στη συγκεκριμένη περίπτωση όμως, η αγώγιμη επιφάνεια που πρέπει να αναλυθεί είναι αρκετά μεγάλη και δεν υπάρχει και συμμετρία στην κεραία με αποτέλεσμα η ανάλυση με μια μεγαλύτερη τιμή της παραμέτρου να επιβραδύνεται σημαντικά. Τα subsections της κεραίας σχηματίζονται ως εξής: Σχήμα 4.6: Απεικόνιση των subsections της κεραίας και στα τρία επίπεδα Η ανάλυση λαμβάνει χώρα για τις δυο περιπτώσεις διαμόρφωσης του εξωτερικού περιβλήματος. Τα αποτελέσματα των απωλειών ανάκλασης είναι τα ακόλουθα: Σχήμα 4.7: Απώλειες επιστροφής της κεραίας από τη βιβλιογραφία 23

24 Σχήμα 4.8: Απώλειες επιστροφής της κεραίας υπολογισμένες στο Sonnet Από τα διαγράμματα φαίνεται ότι υπάρχει μια γενική συμφωνία. Είναι επίσης φανερή και η μείωση της χαμηλότερης συχνότητας για την οποία έχουμε S11 < 10dB στην περίπτωση που εισάγονται οι εγκοπές στο πίσω μέρος της κεραίας. Οι βασικές διαφορές εντοπίζονται στην περιοχή γύρω από τα 4 GHz και τα 6 GHz αντίστοιχα όπου οι απώλειες στην αρχική προσομοίωση είναι πολύ μικρότερες ( S 10dB) <. Επίσης, στο αρχικό διάγραμμα έχουμε πολύ 11 καλή λειτουργία της κεραίας λίγο πάνω από τα 10 GHz ενώ η αντίστοιχη μείωση απωλειών στην προσομοίωση με το Sonnet είναι στα 8 GHz και λίγο πάνω από τα 11 GHz. Ένας λόγος για τις διαφορές αυτές είναι το κομμένο υπό γωνία (beveling) άκρο της κεραίας στο σημείο της τροφοδοσίας, κάτι το οποίο δεν μπορεί να υλοποιηθεί με το Sonnet, αφού όλες οι δομές είναι επίπεδες. 24

25 5. Παραμετρική Μοντελοποίηση κεραίας υπερευρείας ζώνης 5.1 Γενικά Οι UWB κεραίες σε σύγ κιση ρ με τις κεραίες στενού εύρους ζώνης (narrowband) παρουσιάζουν μια σειρά χαρακτηριστικών τα οποία μοντελοποιούνται με καινούριους τρόπους. Εδώ θα εισάγουμε τη χρήση παραμετρικών μοντέλων για την αποτελεσματική μοντελοποίηση συναρτήσεων μεταφοράς UWB κεραιών και για τον καθορισμό ισοδύναμου κυκλώματος με ίδια σύνθετη αντίσταση εισόδου. Μια κεραία μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μετατροπέας οδηγούμενων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται σε ελεύθερο χώρο και το αντίστροφο. Πρότυποι ορισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθορίσουν τα χαρακτηριστικά μιας κεραίας. Θεωρώντας την κεραία ως έναν ηλεκτρομαγνητικό ακτινοβολητή, περισσότερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη χαρακτηριστικών όπως το διάγραμμα ακτινοβολίας, η κατευθυντικότητα, το κέρδος, η απόδοση και η πόλωση. Ωστόσο, θεωρώντας την κεραία ως στοιχείο ενός κυκλώματος μεγαλύτερο ενδιαφέρον για ένα σχεδιαστή RF κυκλωμάτων θα είχε η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας, ο συντελεστής ανάκλασης και ο λόγος στασίμου κύματος τάσης (VSWR). Γενικά, στη μελέτη συστημάτων στενής ζώνης όλα αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να θεωρηθούν ανεξάρτητα της συχνότητας (δηλαδή σταθερά στο καθορισμένο εύρος ζώνης). Αντίθετα, σε ευρυζωνικά συστήματα τα χαρακτηριστικά αυτά της κεραίας μεταβάλλονται με τη συχνότητα. Σε UWB συστήματα επιπρόσθετα χαρακτηριστικά χρειάζονται προκειμένου να ληφθούν υπόψιν οι επιδράσεις από την παροδική ακτινοβολία και από τη διακύμανση της φάσης. Οι UWB κεραίες θεωρούνται ως συστήματα γραμμικά αμετάβλητα στο χρόνο, που καθορίζονται στο πεδίο της συχνότητας από μια μιγαδική συνάρτηση μεταφοράς και στο πεδίο του χρόνου από μια παλμική απόκριση. Τα χαρακτηριστικά της κεραίας εξαρτώνται επίσης και από την κατεύθυνση 25

26 διάδοσης του σήματος. Συνεπώς τα μοντέλα των συναρτήσεων μεταφοράς και των παλμικών αποκρίσεων είναι διανύσματα του χώρου. 5.2 Γεωμετρία της κεραίας Η κεραία που χρησιμοποιείται ως παράδειγμα αποτελείται από ένα τετράγωνο patch και ένα μικρότερο από τη δομή της κεραίας ground plane σε υλοποίηση μικροταινίας, με χαρακτηριστικό ένα U-slot το οποίο και πετυχαίνει την απόρριψη της περιορισμένης ζώνης συχνοτήτων. Το αγώγιμο υλικό που χρησιμοποιείται είναι χωρίς απώλειες, ενώ το διηλεκτρικό είναι glass epoxy με σχετική διηλεκτρική σταθερά = 4.4 και εφαπτομένη απωλιεών tan δ = 0, ε r αφού θεωρούμε τέλεια διηλεκτρικά και τέλειους αγωγούς. Η κεραία που απεικονίζεται έχει επιπλέον και ιδιότητες φίλτρου. Σχεδιάστηκε και αυτή με σκοπό να καλύπτει όλο το UWB φάσμα ( GHz) και να απορρίπτει τις συχνότητες του narrowband φάσματος που έχει διατεθεί για WiFi στα 5GHz. Η δομή της φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 5.1: (α) Γεωμετρία της κεραίας (β) Φωτογραφία κατασκευασμένης κεραίας Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας βασίζεται στη παραμετρική προσέγγιση που χρησιμοποιεί τη μέθοδο σύνθεσης παθητικού φίλτρου Foster. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου της 26

27 κεραίας είναι όπως είναι γνωστό, με Γ το συντελεστή ανάκλασης και Z 0 = 50Ω τη σύνθετη αντίσταση αναφοράς: Z α ( 1 + Γ) /( Γ) = 1 Z 0 Το παραμετρικό μοντέλο της Z α βασισμένο στο φίλτρο του Foster μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο (όπου M ένας συντελεστής): R p + ω i ( p) = + A p + B j j Z 2 2 i i j p + 2a j p + ω j j 2 j 2 ( Bj / Aj ) 2a jbj Aj M = ω + / Τα αντίστοιχα κυκλώματα απεικονίζονται ακολούθως: Σχήμα 5.2: (α) Στοιχειώδες φίλτρο του Foster (β) Ισοδύναμο κύκλωμα της σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας 5.3 Σχεδίαση της κεραίας στο Sonnet Ο σχεδιασμός της κεραίας στο Sonnet γίνεται όπως έχει ήδη αναφερθεί. Όσον αφορά στα διηλεκτρικά στρώματα και στο μέγεθος του κουτιού έχουμε: 27

28 Η τροφοδοσία της γίνεται όπως και στη πρώτη κεραία με κυκλική via port. Η κεραία στα δυο επίπεδα καθώς και στη τρισδιάστατη μορφή της φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 5.3: Απεικόνιση της κεραίας στα δυο επίπεδα στο project editor Σχήμα 5.4: Τρισδιάστατη απεικόνιση της κεραίας 28

29 Τα αποτελέσματα που μας ενδιαφέρουν είναι για την σύνθετη αντίσταση εισόδου (πραγματικό και φαντασικό μέρος). Σχήμα 5.5: Πραγματικό και φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης εισόδου υπολογισμένα στο Sonnet 29

30 Σχήμα 5.6: Πραγματικό και φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης εισόδου από τη βιβλιογραφία Από τα διαγράμματα παρατηρούμε ότι το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της αντίστασης κυμαίνονται μεταξύ 50 Ω και 0Ω αντίστοιχα σε όλη την UWB εκτός από την ζώνη απόρριψης (κοντά στα 5 GHz), όπως είναι επιθυμητό και αναμενόμενο. Τα αιχμηρά σημεία και οι απότομες μεταβολές που έχουν οι καμπύλες οφείλονται στους συντονισμούς λόγω της παρουσίας του κουτιού (box resonances). Θα μπορούσαν να μειωθούν περαιτέρω αν αυξάναμε κι άλλο το μέγεθος του κουτιού, αυτό όμως είναι κάτι που απαιτεί περισσότερη μνήμη. Η μνήμη που απαιτείται για κάθε ανάλυση μπορεί να υπολογιστεί εκ των προτέρων ( Analysis Estimate _ memory ) ώστε να αποφευχθεί η επιλογή παραμέτρων απαγορευτικών για την εκάστοτε ανάλυση. 30

31 6. Strip-Loaded Circular Slot κεραία υπερευρείας ζώνης με βελτιωμένα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας 6.1 Γενικά Τα συστήματα υπερευρείας ζώνης παρουσιάζουν ολοένα και μεγαλύτερο ενδιαφέρον σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως σε επίγεια διεισδυτικά ραντάρ, για μεγάλους ρυθμούς διάδοσης δεδομένων μικρής εμβέλειας ασύρματων τοπικών δικτύων, συστήματα επικοινωνιών για στρατιωτικούς σκοπούς κ.λπ., λόγω της καλής χωρικής τους ανάλυσης, της χαμηλής πιθανότητας υποκλοπής, της κυματομορφής σήματος χωρίς παρεμβολές. Καθώς μια UWB κεραία είναι ένα σημαντικό τμήμα των UWB συστημάτων είναι επιθυμητό να έχει απλή δομή, μεγάλο εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης, γραμμική καθυστέρηση φάσης, σταθερό διάγραμμα ακτινοβολίας και σταθερό κέρδος σε καθορισμένες διευθύνσεις, ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν μικρότερη υποβάθμιση των ακτινοβολούμενων παλμών. Οι επίπεδες κεραίες με σχισμή (wide slot antennas, WSA) με αμφίδρομη συμπεριφορά ακτινοβολίας και μέτριο κέρδος είναι από τις πιο δημοφιλείς UWB κεραίες. Έχουν παρουσιαστεί διάφορες κεραίες με σχισμές διαφορετικών σχημάτων που βελτιώνουν κατά πολύ το εύρος ζώνης. Ωστόσο, τα μοντέλα ακτινοβολίας των κεραιών αυτών παρουσιάζουν στρέβλωση των υψηλών συχνοτήτων λόγω της άνισης κατανομής φάσης και την σημαντική παρουσία των υψηλότερων ρυθμών εξαιτίας των μεγάλων ηλεκτρικών διαστάσεων των σχισμών. 6.2 Γεωμετρία της κεραίας Εδώ παρουσιάζεται μια κεραία με κυκλική σχισμή που έχει στο εσωτερικό της μια φορτισμένη λωρίδα σε σχήμα μισοφέγγαρου (moon-shaped), η οποία ρυθμίζει το μοντέλο ακτινοβολίας της κεραίας σε όλο το φάσμα. Το ground plane είναι μικρότερο από την κυρίως δομή της κεραίας και η τροφοδοσία γίνεται με ένα κυκλικό patch και γραμμή μικροταινίας. 31

32 Η κεραία παρουσιάζει μετρημένο εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης 144.8% ( VSWR 2), αρκετά σταθερό διάγραμμα ακτινοβολίας και μικρές διαστάσεις. Η ταινία τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται ανακατανέμει το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο slot για να επιτευχθεί σταθερή συμπεριφορά ακτινοβολίας σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων και βελτιστοποιείται ώστε η επίδρασή της στο εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Σχήμα 6.1: Δομή της κεραίας (α) πλάγια όψη (β) κάτοψη (γ) γεωμετρία του strip Η δομή της κεραίας φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Το υπόστρωμα αποτελείται από διηλεκτρικό πάχους 0.787mm και σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς ε = Στην πάνω πλευρά του υποστρώματος έχουμε μια r γραμμή μικροταινίας 50Ω και ένα κυκλικό patch ακτίνας R p. Στην κάτω πλευρά έχουμε μια δομή που είναι ένα ορθογώνιο ground plane του οποίου το ένα τμήμα είναι μισός κύκλος και αφαιρείται από το εσωτερικό ένα κυκλικό τμήμα ακτίνας 26 mm. Μέσα σ αυτή την κυκλική σχισμή βρίσκεται μια λωρίδα σε σχήμα φεγγαριού ακτίνας R S. Η λωρίδα σχηματίζεται από δύο όμοιες ελλείψεις με μετατοπισμένο το κέντρο τους, όπως φαίνεται παρακάτω. Η ακτίνα R S επιτρέπει τον έλεγχο χαμηλότερης συχνότητας αποκοπής της κεραίας. Κατάλληλες τιμές των R p και h εξασφαλίζουν ένα καλό συντονισμό μεταξύ της γραμμής τροφοδοσίας και της κυκλικής σχισμής σε μια ευρεία 32

33 ζώνη. Το ολικό μέγεθος της κεραίας είναι μόνο 52 mm 62mm, ενώ μια άλλη παρόμοια κεραία με σχισμή χωρίς το strip θα χρειαζόταν διπλάσιο σχεδόν μέγεθος. 6.3 Σχεδίαση της κεραίας στο Sonnet Ο σχεδιασμός της κεραίας στο Sonnet γίνεται όπως έχει ήδη αναφερθεί. Όσον αφορά στα διηλεκτρικά στρώματα και στο μέγεθος του κουτιού έχουμε: Η τροφοδοσία της γίνεται όπως και προηγουμένως με κυκλική via port. Η κεραία στα δυο επίπεδα καθώς και στη τρισδιάστατη μορφή της φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 6.2: Απεικόνιση της κεραίας στα δυο επίπεδα 33

34 Σχήμα 6.3: Τρσδιάστατη απεικόνιση της κεραίας με (α) Y Y = mm (β) Y Y = mm out in 10 out in 15 Για την ανάλυση επιλέγεται όπως και σε προηγούμενη κεραία η παράμετρος 6subs / λ για τους ίδιους λόγους. Τα subsections του κυκλώματος σχηματίζονται ως εξής (είναι εμφανής η διαφορά του μεγέθους των υποτμημάτων στα άκρα και στο εσωτερικό της δομής): Σχήμα 6.4: Απεικόνιση των subsections της κεραίας στα δυο επίπεδα Η ανάλυση γίνεται και για τα δυο μεγέθη των moon-shaped strips. Τα αποτελέσματα για τις απώλειες επιστροφής (σε db) είναι: 34

35 Σχήμα 6.5: Απώλειες επιστροφής της κεραίας από τη βιβλιογραφία Σχήμα 6.6: Απώλειες επιστροφής της κεραίας υπολογισμένες στο Sonnet Από τα διαγράμματα φαίνεται η καλή συμφωνία των αποτελεσμάτων. Η λειτουργία της κεραίας είναι πολύ καλή σε όλο το εύρος των συχνοτήτων 2-15 GHz αφού S < 10dB. Στη ζώνη μάλιστα 3-11 GHz έχουμε S < 15dB. Ο

36 λόγος αυτής της καλής συμπεριφοράς της κεραίας είναι ακριβώς η παρουσία της λωρίδας σε σχήμα μισοφέγγαρου. Οι απότομες αυξομειώσεις στις καμπύλες οφείλονται στους συντονισμούς λόγω του κουτιού (box resonances) που είναι και πάλι εμφανείς. Οι συντονισμοί είναι πιο έντονοι στη περίπτωση της λωρίδας με μαγαλύτερο πάχος. Τα αποτελέσματα των δυο περιπτώσεων διαφέρουν λίγο μεταξύ τους, όμως και για τις δυο ισχύει ότι S < 10dB

37 7. Συμπαγής κεραία υπερευρείας ζώνης ελλειπτικού μονοπόλου 7.1 Γενικά Έχουν μελετηθεί πολλές κεραίες με ground planes διαφορετικών σχημάτων (τετράγωνες, κυκλικές, ελλειπτικές) και μεγεθών σε διάφορους συνδυασμούς. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις του απεικονίζονται στον ακόλουθο πίνακα. Παρατηρείται ότι η χρήση tapered ομοεπίπεδου κυματοδηγού (coplanar waveguide,cpw) αντί για απλού CPW μπορεί να βελτιώσει το εύρος ζώνης ως και 1.7 φορές (σύγκριση πρώτης και δεύτερης κεραίας). Επίσης, συγκρίνοντας την τρίτη με την τέταρτη κεραία φαίνεται ότι ένα ground plane σχήματος τραπεζίου βελτιώνει το εύρος ζώνης κατά 1.5 φορά έναντι ενός ορθογώνιου. Τέλος, με τις δυο τελευταίες κεραίες φαίνεται ότι το ελλειπτικό σχήμα της μονοπολικής κεραίας διπλασιάζει σχεδόν το εύρος ζώνης. Η επιλογή του μήκους του μεγάλου άξονα για μεγαλύτερο εύρος ζώνης από την περίπτωση που a = 120mm δίνει a = 60mm, έχουμε όμως μεγαλύτερη κεραία. Συμπερασματικά, μια κεραία ελλειπτικού μονοπόλου με groundplane σχήματος τραπεζίου και τροφοδοσία με tapered CPW βελτιώνει κατά πολύ το εύρος ζώνης. Σχήμα 7.1: Σύγκριση εύρους ζώνης για διάφορες υλοποιήσεις κεραιών 37

38 7.2 Γεωμετρία της κεραίας Παρουσιάζεται μια συμπαγής μονοπολική κεραία που τροφοδοτείται από οποεπίπεδο κυματοδηγό (CPW) και αποτελείται από ένα ελλειπτικό μονοπολικό patch, ενώ το ομοεπίπεδο groundplane έχει τραπεζοειδές σχήμα. Αποτελέσματα από προσομοίωση και πειράματα δείχνουν ότι η κεραία πετυχαίνει ένα λόγο εύρους ζώνης σύνθετης αντίστασης 21.6 :1 για VSWR 2 και μια σχεδόν ομοιοκατευθυντική συμπεριφορά, έχοντας παράλληλα μικρό ολικό μέγεθος, περίπου 0.19λl 0. 16λl, όπου l λ είναι το μήκος κύματος στην χαμηλότερη συχνότητα λειτουργίας. Η σύγκριση της κεραίας αυτής με κεραίες διαφορετικών σχημάτων έδειξε ότι το μεγάλο εύρος ζώνης της συγκεκριμένης οφείλεται στο βέλτιστο ελλειπτικό σχήμα του μονοπόλου, στο τραπεζοειδές σχήμα του groundplane και στον τρόπο τροφοδοσίας (tapered CPW). a = 120 mm / 60mm, b = 30mm, H = 75mm Dmin = 9mm, Dmax = 140mm, w = 2.7mm, w = mm Σχήμα 7.2: Γεωμετρία κεραίας bottom top 1 Η κεραία όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα είναι ένα ελλειπτικό μονόπολο με μεγάλο άξονα α και μικρό άξονα b, το τραπέζιο groundplane έχει βάσεις D min και D max και ύψος H. Και τα δύο βρίσκονται πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα πάχους h = mm και σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς ε r = Το ελλειπτικό μονόπολο τροφοδοτείται από ένα tapered CPW που 38

39 βρίσκεται στη μέση του groundplane, όπου το ολικό κενό είναι G = 3mm, το πλάτος του CPW στο κάτω μέρος είναι w bottom = 2. 7mm και το πλάτος του CPW στο πάνω μέρος είναι w top = 1. 0mm. Το πλάτος του CPW μειώνεται γραμμικά από το σημείο Β στο σημείο Α με αποτέλεσμα η σύνθετη αντίσταση να μεταβάλλεται ομαλά από 50Ω στο σημείο Β σε 100Ω στο σημείο Α. 7.3 Σχεδίαση της κεραίας στο Sonnet Ο σχεδιασμός της κεραίας στο Sonnet γίνεται όπως έχει ήδη αναφερθεί. Όσον αφορά στα διηλεκτρικά στρώματα και στο μέγεθος του κουτιού έχουμε: Η μεταλλική επιφάνεια της κεραίας περιορίζεται σε ένα μόνο επίπεδο, συνεπώς η τροφοδοσία δε μπορεί να γίνει όπως στις προηγούμενες κεραίες. Εξετάστηκαν αρκετοί τρόποι για τον τρόπο διέγερσης της κεραίας με στόχο να επιτευχθούν τα αποτελέσματα του λόγου στασίμου κύματος από τη βιβλιογραφία ( VSWR < 2). Μερικοί από αυτούς είναι οι ακόλουθοι: 39

40 Σχήμα 7.3: Τρόποι τροφοδοσίας με (α) standard box walls (β) τρεις vias και μια via port (γ) standard box walls και reference planes (δ) internal ungrounded port και (ε) δυο internal ungrounded ports Με κανένα από τους παραπάνω τρόπους τροφοδοσίας όμως τα αποτελέσματα για το λόγο στασίμου κύματος δεν ήταν τα επιθυμητά. Τα 40

41 καλύτερα αποτελέσματα προέκυψαν με τον πρώτο τρόπο. Η δομή της κεραίας και ο λόγος στασίμου κύματος παρουσιάζονται ακολούθως: Σχήμα 7.4: Απεικόνιση της κεραίας (α) στο project editor (β) με subsections Σχήμα 7.5: Λόγος στασίμου κύματος από τη βιβλιογραφία 41

42 Σχήμα 7.6: Λόγος στασίμου κύματος υπολογισμένος στο Sonnet Από το διάγραμμα φαίνεται ότι μόνο για λίγες συχνότητες έχουμε VSWR < 2 και η συμπεριφορά της κεραίας δεν είναι η αναμενόμενη και επιθυμητή. Τα αποτελέσματα θα προέκυπταν πιθανόν καλύτερα αν επιλέγαμε ως fill type της μεταλλικής επιφάνειας της έλλειψης ως conformal mesh αντί για staircase, καθώς και μεγαλύτερο αριθμό subsections ανά μήκος κύματος. Ο λόγος που δεν έγινε αυτό είναι ότι η ανάλυση θα γινόταν εξαιρετικά αργή. 42

43 8. Επίλογος Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Sonnet για την υπολογιστική ανάλυση διαφόρων τύπων κεραιών υπερευρείας ζώνης. Το Sonnet είναι ένα απλό και εύχρηστο λογισμικό που δίνει πολλές δυνατότητες στο χρήστη για τη μελέτη των χαρακτηριστικών όχι μόνο κεραιών αλλά και άλλων τρισδιάστατων, επίπεδων κυκλωμάτων. Συνολικά μελετήθηκαν πέντε κεραίες με διαφορετικά χαρακτηριστικά, ώστε να ανταποκρίνονται στις προδιαγραφές διαφόρων εφαρμογών. Κοινό χαρακτηριστικό τους (που είναι άλλωστε και το επιδιωκόμενο) είναι η καλή λειτουργία ( S < 10dB) 11 σε ένα μεγάλο φάσμα συχνοτήτων (7.5 GHz). Σε γενικές γραμμές τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι σύμφωνα με τα ήδη υπάρχοντα στη βιβλιογραφία. Τυχόν διαφορές μπορεί να οφείλονται στην αδυναμία επακριβούς σχεδίασης της δομής της κεραίας και του τρόπου τροφοδοσίας της, καθώς και στις επιδράσεις που προκύπτουν από το ίδιο το μοντέλο ανάλυσης που χρησιμοποιεί το λογισμικό. Πρωταρχικό μέλημα στη σχεδίαση κεραιών και στο μέλλον θα εξακολουθήσει να είναι εκτός από την ελαχιστοποίηση των πραγματικών τους διαστάσεων, η ελαχιστοποίηση και των απωλειών ανάκλασης ( VSWR < 2) σε ακόμα μεγαλύτερα εύρη συχνοτήτων. 43

44 9. Βιβλιογραφικές Αναφορές [1] Tzyh-Ghuang Ma and Shung-Jung Wu, Ultrawideband Band-Notched Folded Strip Monopole Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, No. 9, pp , Sep [2] Giuseppe Ruvio and M. J. Amman, A Novel Wideband Semi-Planar Miniaturized Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, No. 10, pp , Oct.2007 [3] Y. Duroc, A. Ghiotto, T.P. Vuong and S. Tedjini, Parametric Modeling of Ultrawideband Antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, No. 11, pp , Nov.2007 [4] Shi-Wei Qu, Jia-Lin Li, Jian-Xin Chen and Quan Xue, Ultrawideband Strip- Loaded Circular Slot Antenna With Improved Radiation Patterns, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, No. 11, pp , Nov [5] Shun-Shi Zhong, Xian-Ling Liang and Wei Wang, Compact Elliptical Monopole Antenna With Impedance Bandwidth in Excess of 21:1, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, No. 11, pp , Nov [6] Sonnet User s Manuals, Getting Started, Release 11, Version 11.54, March 2007 [7] Sonnet User s Manuals, User s Guide, Release 11, Version 11.54, March