Определение антенны
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
5.1.4 Заключение Хочется надеятся, что развитие высокотехнологичных бытовых устройств всё же перейдёт в стадию интенсификации, но в ближайшем будущем развитие точно будет экстенсивным. Наверняка появятся новые виды встроенных антенн, работающие более эффективно, чем сегодняшние, однако качество связи всё же, скорее всего, придётся повышать бóльшим количеством базовых станций, а не улучшением радиочасти самих сотовых аппаратов. Телефоны будут обладать всё большей функциональнстью, приближающейся к полноценным персональным компьютерам и богатыми мультимедийными возможностями, но то, что является основой работы сотового аппарата будет предлагать всё то же “качество связи, вполне достаточное для условий города”... Все вышесказанное не должно настраивать против встроенных антенн, просто когда производители говорят “ наши встроенные решения ничем не уступают внешним ” знайте – это неправда. 5.2. Встроенные антенны переносных устройств 5.2.1. PIFA антенна Планарные ‘повёрнутые’ антенны (PIFA) обычно состоит из планарных полосковых прямоугольных элементов, расположенных выше по отношению к горизонту плоскости ‘земли’, с коротким завитком- отводом или ‘пином’ замыкания, и ещё один питающий планарный отвод-ответвление. Планарная ‘Повёрнутая’ антенна является вариантом монополя, где верхняя часть антенны расположена так, чтобы быть параллельной к полигону ‘земли’. Это сделано затем, чтобы уменьшить высоту антенны, сохраняя при этом резонансную длину её трассы. Параллельные входные планары добавляют емкость к входному сопротивлению антенны, которая компенсируется путем осуществления короткого замыкания ответвления. Конец ответвления подсоединен к полигону ‘земли’ с добавлением переходного отверстия. Полигон ‘земли’ антенны играет важную роль в её функционировании. Возбуждение тока на планарном входее IFA является причиной возбуждения тока в плоскости полигона ‘земли’. В результате на IFA формируется электромагнитное поле и далее его отражение на полигоне ‘земли’. Такое идеальное поведение полигона ‘земли’, как отражателя энергии, возможно, когда плоскости земли бесконечна, либо гораздо бőльшая по своим размерам, чем сам монополь. На практике размер металлического слоя монополя сравним с другой частью антенны, выступающей в качестве диполя. F F }{ Антенны GSM 18 из 43 • комбинация антенна/земля будет вести себя как асимметричный диполь, при этом различия в распределении тока по двум частям диполя отвечает за некоторое искажение диаграммы направленности; • в общем случае, требуется ‘земли’ PCB-плоскости длиной примерно на одну четверть (λ/4) рабочей длины волны; • если длина PCB-плоскости земли гораздо больше, чем λ/4, диаграмма направленности будет становиться все более многолепестковая; Рис.9 ‘Повёрнутая’ антенна. • с другой стороны, если длина PCB-плоскости земли значительно меньше, чем λ / 4, то настройка антенны становится все труднее и, в общем, снижается эффективность; • оптимальное расположение PIFA, с целью достижения всенаправленности диаграммы и 50Ω импеданса, оказалось на краю печатной платы. • miter’s используются, чтобы избежать прямоугольных изгибов планарных микрополосок антенны, что приводит к плохому току на ответвлении. • конусность (taper) необходима для того, чтобы компенсировать шаг резкого перехода между 50Ω-ной микрополосковой линии от модема и антенны. Всенаправленное поведение антенны PIFA с усилением значения обеспечивают достаточную производительность для обычных помещений, с учетом стандартных значений выходной мощности и чувствительности приёмников устройств с коротковолновым радиодиапазоном. Поляризация антенны скорее эллиптическая, чем линейная, с осевым отношением редко достигающим 20 дБ. Таким образом, антенна имеет возможность получать и вертикально и горизонтально поляризованные электромагнитные волны, которые могут быть оказаться в помещениях, где деполяризация является доминирующим событием, а выбор лучшей поляризации затруднён. В настоящее время, многие беспроводные системы вертикально поляризованы. Хотя было доказано, что при использовании горизонтально поляризованых антенн, как на приёмнике так и на передатчике, результаты передачи энергии на 10 дБ больше, чем в среднем по сравнению с мощностью, принятой на вертикально поляризованые антенны на обоих концах соединения. • полоса пропускания PIFA увеличивается с её толщиной; • входное сопротивление PIFA может быть урегулировано, чтобы иметь соответствие значению сопротивления нагрузки без использования дополнительных цепей. PIFA можно рассматривать как вид, своего рода, линейной ‘повёрнутой’ антенны (IFA) с элементом проводного излучателя, расположенного на плате для расширения полосы пропускания. o во-первых, преимуществом PIFA является то, что её можно скрыть в мобильном корпусе, по сравнению с антеннами со шнуром / стерженем / спиралью; o во-вторых, преимуществом PIFA является снижение излучения к голове пользователя, сведения к минимуму поглощения мощности электромагнитных волн (SAR) и повышения этим эффективности антенны; o в-третьих, преимуществом является то, что PIFA демонстрирует умеренный или высокий выигрыш в вертикальной и горизонтальной состояниях поляризации. Эта функция очень полезна в определённых беспроводных сетях связи, где ориентации антенны не является фиксированной и отражения F F }{ Антенны GSM 19 из 43 присутствуют с разных сторон окружающей среды. В этих случаях, важным параметром становится общее поле, то есть векторная сумма горизонтальных и вертикальных состояний поляризации. Узкополосная характеристика PIFA является одним из ограничений своих коммерческих приложений для беспроводных систем. короткое замыкание ответвления в точке питания типовых PIFA является хорошим методом для снижения размера антенны, но это приводит в узкополосному импедансу. а) Методы повышения полосы пропускания PIFA ♦ ширина пропускания полосы очень во многом зависит от размера полигона ‘земли’. Изменяя этот размер, полоса пропускания PIFA может быть скорректирована. Например, сокращение полигона ‘ земли’ может эффективно расширить полосу пропускания антенной системы. Чтобы уменьшить добротность структуры (и увеличить полосу пропускания), могут быть вставлены (реализованы) несколько щелей на краях полигона; ♦ использование воздушных промежутков подложки антенны для низкой добротности и увеличения полосы пропускания; ♦ использование паразитарных резонаторов (с резонансом рядом с главной резонансной частотой); ♦ подбор расположения и расстояния между терминалами (input IFA и ответвления); ♦ возбуждение несколько режимов, разработанных для ближней или дальней связи в зависимости от требований; ♦ использование накопительных элементов для увеличения полосы пропускания. б) Размеры PIFA Один из методов понижения размеров антенны PIFA есть просто укорачивание антенны. Однако, этот подход влияет на импеданс терминалов антенны, так что появляется реактивная составляющая. Это может быть компенсировано емкостями, установленными в верхнем слое. На практике, отсутствие высоты антенны заменяется эквивалентной схемой, которая улучшает эффективность и согласование импеданса. Емкостная нагрузка снижает резонанс на длине λ/4 меньше, чем на λ/8 за счет полосы пропускания и хорошего согласования. Емкостная нагрузка может быть получена путем добавления пластины ( параллельно земле), образующей параллельно плате конденсатор. Рис.10 PIFA. Резонансная частота. ♦ Резонансная частота PIFA может быть определена из формулы: L1 + L2 = λ/4, когда W/L1 = 1, тогда L1 + H = λ/4 когда W = 0, тогда L1 + L2 + H = λ/4 ♦ Введение открытых слотов снижает частоту. Это обусловлено тем фактом, что токи текут по краю фигурного паза слота, поэтому емкость, нагружающая слот, снижает частоту и, следовательно, резко размеры антенны. Тот же принцип создания слотов в планарном элементе также может применяться при двухчастотной работе. }{ Антенны GSM 20 из 43 ♦ Изменения в ширину плоских элементов также может влиять на выбор резонансной частоты. ♦ Ширина завитка ответвления антенны PIFA играет очень важную роль в выборе своей резонансной частоты. Резонансная частота кратно уменьшается с уменьшением ширина пластины-проводника цепи – W. ♦ В отличие от проводника микрополосы (microstrip) к антенне, которая условно сделана размером в полдлины волны, PIFA’s сделаны точно в четверть длины волны. ♦ Анализ характеристик резонансной частоты и полосы пропускания антенны легко можно сделать путем определения месторасположения точки питания (feed point), для которой должен быть получен минимальный коэффициент отражения. в) Согласование импеданса ♦ Согласование импеданса PIFA достигается позиционированием однократного питания пина (вывода) в пазе слота, и за счет оптимизации пространства между питающим и короткозамкнутыми пинами ( выводами). ♦ Основной идеей при проектировании PIFA является отказ от каких-либо дополнительно сосредоточенных компонентов для согласования сети, и таким образом избежать потерь из-за этого. г) Диаграмма направленности ♦ Диаграммой направленности PIFA является относительное распределение излучаемой мощности в зависимости от направления в пространстве. ♦ В обычном случае диаграмма направленности определяется в дальней зоне и представляется в зависимости от направленности координат. Излучающие свойства включают в себя плотность потока мощности, силы поля, фазы и поляризации. д) Распределения электрических полей Доминирующая составляющая электрического поля Е Z равна нулю на короткозамкнутом краю платы, в то время как напряженность этого поля на противоположном краю планарного элемента значительно больше. Для полей E X и Е Y есть заостренная часть, которая соединяется с источником питания. Это означает, что силовая электрическая линия направлена от источника питания (feed) на землю (ground plane). В тех местах, где ширина короткозамкнутой полосы уже, чем планарный элемент, электрические поля E X и Е Y начинают генериться на всех открытых контурах планарного элемента. Эти поля рассеяния являются излучающими источниками в PIFA. е) Распределение тока ♦ PIFA имеет очень большой ток на нижней поверхности планарных элементов и горизонтальной плоскости по сравнению с полем на верхней поверхности элемента. В связи с этим, PIFA лучший объект для влияния на неё внешних факторов, которые влияют на характеристики антенны (например, руки оператора мобильной связи / голова). ♦ PIFA поверхности распределения тока различаются для разной ширины короткозамыкнутых пластин. Максимальное распределение тока ближе к короткому выводу и снижается при удалении от него. ♦ Волны поверхности земли может произвести ложные излучений или пара энергии на разрывах, приводит к искажениям в основной шаблон, или нежелательные потери мощности. Эффектами поверхностной волны можно управлять с помощью фотонной запрещенной зоны структуры (или просто зазором в диэлектрике). Это снимает ограничение с низкой эффективности, вместе с определённой степенью влияния величины аксессуара, который будет обсуждать выше. ж) Эффекты субстратов на параметры ♦ Пропускная способность PIFA обратно пропорциональна добротности - Q, определённой для резонатора: Q = запасенная энергия / потери мощности; ♦ В подложке с высокой диэлектрической постоянной (E R ), как правило, сохраняется энергии больше, чем излучается. При моделировании PIFA, как конденсатора с потерями и высокой E R, это приводит к высокой добротности и, очевидно, снижению пропускной способности. Аналогично, когда толщина подложки увеличивается, обратно пропорционально толщине уменьшается энергия, запасенная в PIFA и также добротность. ♦ В целом, увеличение роста и снижение E R могут быть использованы для увеличения пропускной способности PIFA. }{ Антенны GSM 21 из 43 з) Эффективность Эффективность антенны PIFA в окружающей среде понижается в соответствии с понесенными ею потерями, в том числе: омическими потерями, несоответствием потерь, потерями в фидерной линии передачи, потерями края власти, внешних паразитных резонансов и т. д. Следует отметить, что процессы расчета и моделирования PIFA антенны довольно сложны и проводятся с помощью мощных пакетов специализированных программ. Производство этих антенн обеспечивается современным, высокотехнологичным оборудованием. Как правило, такая антенна предназначена для работы в конкретной конструкции определённого сотового телефона (или модельного ряда) и не работает, как универсальная, в устройствах встроенного беспроводного оборудования. 5.2.2. PCB антенна Примерами такого вида антенн являются PCB-антенна P/N #1513165-1 производства фирмы Tyco Electronics ( Рис.11а), довольно доступная для приобретения сегодня, или антенна ANT-916-SP (Рис.11б), производства компании Linx Technologies, Inc. Рис.11а Рис.11б Параметры PCB-антенны P/N #1513165-1 Частотный диапазон GSM900 МГц 824 960 Частотный диапазон GSM1800 МГц 1780 1990 Коэффициент усиления антенны dBi 0 Импеданс Ом 50 WSWR меньше, чем 2,5:1 Диаграмма направлености ненаправленная, круговая Параметры PCB-антенны ANT-916-SP Частотный диапазон GSM900 МГц 916 Полоса пропускания МГц 30 Коэффициент усиления антенны dBi 0 Импеданс Ом 50 WSWR ≥ 1,9 Диаграмма направлености ненаправленная, круговая }{ Антенны GSM 22 из 43 PCB- антенны просты, имеют низкую стоимость. Они удобны для применения в носимой аппаратуре, построенной на базе встраиваемых беспроводных устройств. Рис.12 На рисунке 12 приведен пример PCB-антенны диапазонов GSM900 и GSM1800, которая предлагается для использования в разработках встраиваемого беспроводного оборудования компанией Siera Wireless ( Канада). Подробное описание антенны, с рекомендациями и техническими данными, приведено в документе Tuneable PCB Antenna на сайте компании http://www.sierrawireless.com/ 5.3. Простейшие внешние антенны для встроенных устройств. В простейшем случае в качестве внешней антенны используется металлический штырь, длина которого равна 1/4 длины волны (около 8см в GSM900 и 4см и GSM1800). Рис.13 Длина волны λ (рис.9)может быть измерена между любыми двумя точками волны с одинаковой фазой, максимумами, минимумами или узлами волны. где частота f в МГц, а длина волны λ в метрах. 1/4· λ 900 =300/900=0,0833 м или 8,33 см, или для высоты штыря: h( см)=7500/900=8,33 см Для диапазона EGSM-900 частоты передачи с 880 МГц до 915 МГц, а приёма с 925 МГц до 960 МГц (разнос между частотами приёма и передачи 10 МГц). Средняя частота середины диапазона равна 920 МГц. 1/4· λ 920 =300/920=0,0815 м или 8,15 см Для увеличения эффективности внешней антенны рекомендуется при её изготовлении и настройке в качестве рабочей частоты брать не среднюю между частотами приёма (Rx) и передачи (Тх), а частоту передачи (Тх). Это более обосновано, так как максимальная мощность передатчика модема пользователя, безусловно, меньше чем у базовой станции, и при худших условиях модем просто не будет услышан. 1/4· λ 915 =300/915=0,082 м или 8,2 см }{ Антенны GSM 23 из 43 При этом коэффициент усиления такой антенны полагается равным 0 дБ, то есть антенна как бы не обладает никаким усилением. Другой простейший вид - дипольная антенна (рис.14), которую можно изготовить буквально за 15 минут. Берем коаксиальный кабель, например RG6U, срезаем с одного конца верхнюю изоляцию и "разделываем" его. Получаем центральный проводник и оплетку кабеля. К центральному проводнику припаиваем медный провод диаметром 1…2,5 мм и длиной 82 мм (для диапазона 900 МГц). К оплетке припаиваем второй кусок провода такой же длины (рис.10). Другой конец кабеля подключаем к модему (через разъем или переходник). Располагаем “рога" вертикально (один вверх, другой вниз) и получаем нечто похожее на букву " Т", положенную набок (в GSM используется вертикальная поляризация, поэтому требуется именно такое расположение диполя). Рис.14 Простейшие антенны (в том числе и штыревые с магнитным основанием) имеют коэффициент усиления до 3 dBm, и в зонах неуверенной радиосвязи могут вести себя неустойчиво. 5.3. Выносные (внешние) антенны для встроенных устройств Существуют и двух-трехдиапазонные, и комбинированные антенны. В пригородных условиях необязательно использовать двухдиапазонные антенны, поскольку обычно они имеют меньшее усиление, чем однодиапазонные, а покрытие за городом и на краю зоны всегда обеспечивается в диапазоне GSM 900. Внешняя антенна используется, как правило, для улучшения качества связи в зданиях и подвальных помещениях, а также для обеспечения связью вне зоны приёма в пригороде. Такая антенна устанавливается на улице. Существуют следующие ситуации, в которых внешние антенны просто необходимы: ♦ Неустойчивая связь на границе зоны покрытия из-за предельной удаленности от ближайшей базовой станции; ♦ Работа внутри зоны покрытия, но в местах радиотени (складки рельефа, экранировка крупными естественными или искусственными сооружениями); ♦ Связь внутри помещения с высокой степенью ослабления сигнала (подвалы и полуподвалы, металлические сооружения, здания, обшитые металлом и т.д.). При использовании на объектах внешних антенн, в условиях ослабления сигнала внутри зданий ( подвальные или изолированные производственные помещения и т.д.) идёт борьба за каждую десятую часть децибела потерь. Антенна - пассивный элемент! Она лишь "работает" с энергией электромагнитных волн из эфира, а дальше дело за кабелем фидера и переходниками, обеспечивающих вынос антенны наружу - в зону уверенного покрытия сигналом базовой станции GSM. Использование внешней антенны в большинстве случаев увеличивает срок работы модема (устройства) от аккумулятора, так как в зависимости от уровня сигнала варьируется и мощность передатчика модема, а в случае применения внешней антенны она меньше. Специалисты, руководствуются правилом: применение внешней антенны дает выигрыш, только если затухание на используемой длине кабеля и разъемах не будет больше 50% от подаваемого сигнала. В противном случае, установка внешней антенны не даст выигрыша за счет слишком большого ослабления подаваемого сигнала. В приведённой ниже Таблице 5 приводится зависимость величины ослабления радиосигнала от различных материалов конструкций зданий объектов, внутренних и внешних преград. }{ Антенны GSM 24 из 43 Таблица 5 Наименование Ед.изм. Значение Деревянная или пенобетонная стена дБ 3-4 Кирпичная стена дБ 3-4 Бетоная стена дБ 10 Железобетонная стена дБ 18-20 Железобетонная стена с объемным армированием дБ до 30 Окно в кирпичной стене дБ от 2 Стекло в металлической раме дБ от 3 Железная дверь в офисной стене дБ 7 Железная дверь в кирпичной стене дБ 12,4 Стекловолокно дБ 0,5-1 Стекло дБ 3-20 Дождь, туман дБ 0,02-0,05 Деревья дБ 0,35 |