Моделирование и оптимизация печатной антенны для широкополосных беспроводных систем

На сегодняшний день для поставщиков услуг сотовой связи в России остро стоит вопрос развёртывания 5G – нового поколения сетей мобильной связи, так как в других развитых странах уже начали тестироваться и применяться системы, ос­нованные на 5G. Их появление связано с постоянно быстрорастущей потреб­ностью в вы­сокоскоростной передаче данных, которая может изменить взаимо­отношения человека и машин во многих сферах нашей жизни и производства [1]. Увеличение пропускной способности достигается, в основном, за счёт повыше­ния частотного спектра (от 2 до 6 ГГц) и, как следствия, расширения канала связи. Частоты 2,4 и 5 ГГц уже давно используются устройствами с Wi-Fi, 2-2,7 ГГц – гаджетами с 4G LTE. В России планируется использовать части диапазо­нов 3,4÷3,8 ГГц и 4,8÷4,99 ГГц, как и в остальном мире.

Антенны, которые могут охватить такой большой диапазон частот называ­ются сверхшироколосными или UWB (англ. Ultra-Wide Band). Основным трен­дом при конструировании подобных антенн является миниатюризация.  В дан­ной статье предлагается пример оптимизированной по габаритам и характери­стикам антенна для диапазонов частот, рассмотренных выше.

За основу была взята дискоконусная антенна, обладающая всенаправлен­ностью в горизонтальной плоскости и многодиапазонностью. На рисунке 1 изобра­жена дискоконусная антенна после переноса в печатный вид. Для наглядности материал основания сделан полупрозрачным.

Рисунок 1. Дискоконусная антенна в печатном виде и традиционном с основными размерами, рассчитанными для частоты 3,6 ГГц

В качестве подложки был взят ма­териал был взят материал RT/duroid 5880 толщиной 0,508 мм, который полезен своей низким коэффициентом диэлектри­ческой проницаемости и тангенсом угла диэлектрических потерь, а также их низ­кой анизотропией в зависимости от частоты, что делает его наиболее подходя­щими для СВЧ-устройств, где потери должны быть минимальны. Наиболее важ­ные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики RT/duroid5880

Моделирование проводилось с помощью ПО CST Microwave Studio. Опти­мизация проводилась с помощью глобального алгоритма (CMA Evolutionary Strategy) с последующим применением локального алгоритма (Trust Region Framework). После применения конструктивных принципов улучшения характе­ристик, описанных в [2] и [3], антенна приняла вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Вид дискоконусной антенны после применения техник по улучшению характеристик

Значения геометрических параметров после оптимизации, указанных на рисунке 2, представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Значения геометрических параметров антенны после оптимизации

На рисунке 3 отображён график коэффициента стоячей волны (КСВ) в зависимости от частоты. Стоит отметить, что полученная антенна имеет хорошее согласование в полосе частот 2,2÷5,6 ГГц (КСВ менее 1,5), а полоса пропускания (по уровню КСВ ≤ 2) составляет около 6,6 ГГц.

Рисунок 3. График коэффициента стоячей волны в зависимости от частоты

Исходя из графика рисунка 3 вычисляется относительная ширина полосы пропускания:

где  и – верхняя и нижняя частота рабочего диапазона соответственно. Также по этому графику вычисляется коэффициент перекрытия:

На рисунке 4 изображены диаграммы направленности в Е- и Н- плоскостях на различных частотах (выбраны середины используемых частот и границы полосы пропускания).

Рисунок 4. Диаграммы направленностей а) в Е- и Н- плоскостях при частотах 2,4 ГГц, 3,6 ГГц и 4,9 ГГц; б) в Е- и Н- плоскостях при частотах 2 ГГц, 7 ГГц и 8,62 ГГц

Перейдём к выводам. Среди преимуществ разработанной антенны можно выделить: многодиапазонность и сверхширокая полоса пропускания ( = 124%, коэффициент перекрытия равен k = 4,25 в диапазоне частот 2,03÷8,62 ГГц); практически круговая диаграмма направленности в Н-плоскости, особенно при частоте ниже 3,6 ГГц; коэффициент усиления больше 2 дБ при частоте 2 ГГц и выше без использования экрана (с экраном в среднем выше); размеры: 52,5 мм x 27,5 мм х 0,508 мм.

Все описанные преимущества делают целесообразным применение для сверширокополосных беспроводных устройств; систем, использующих стандарты 5G, 4G LTE, Wi-Fi и т.д. Полезные свойства антенны могут быть использованы в будущем, к примеру, для следующего поколения мобильной связи.