Сравнительный анализ методов численного моделирования

Характеристик PIFA-антенны

     В настоящее время наблюдается рост популярности антенн PIFA, то есть F-образных плоских антенн (Planar Inverted-F Antennas), широко используемые в мобильной связи. Характеристики этих антенн следует выделить их высокой эффективностью, большим рабочая полоса частот, малые габаритные размеры и ненаправленная диаграмма направленности, отмечает его использование в беспроводной связи и портативных устройствах.

     Электрические характеристики антенны PIFA для повесить над поясом верхнюю лучистую пластину, с пропорция длин его сторон, высота этой тарелки над экран, размеры и положение вертикального ландшафта стена, антенная розетка. Маленькие времена измерения антенны PIFA возможны, потому что резонансная частота определяется в основном полупериметрическая горизонтальная излучающая пластина. Полоса пропускания антенны PIFA напрямую зависит от ширины D вертикальной короткозамыкающей платы (рис.7.9)

Рис. 7.9. Конструкция PIFA антенны в печатном исполнении

Антенна расположена на стеклопластиковой подложке FR-4 высотой h = 1,57 мм с параметрами е = 4,3 и tg £ = 0,017. Излучающий элемент и слой земли выполнены из меди.

Для расчета параметров антенны использовалась формула

                           

(7.3)

где Л - длина волны; D- ширина закорачивающей пластины; W- ширина антенны; L- длина антенны; h- толщина диэлектрика.

В результате расчетов на частоте 433 МГц были получены следующие параметры антенны: W = 120 мм, L = 100 мм, D = 28 мм. Полученные результаты не соответствуют требованиям стандарта задач, так как габариты не должны превышать 60 мм по большей стороне. Следовательно, когда mo

В процессе моделирования эти параметры были изменены на следующие значения: W = 60 мм, L - 50 мм, D = 14 мм, что соответствует требованиям поставленной задачи. Чтобы быть уверенным тоже по дальности выбраны координаты точки питания антенны: x = -20мм, y = 10 мм от центра антенны.

Базовая программа была выбранный пакет моделирования EMSS FEKO, с помощью которых влияние коаксиального разъем к параметрам антенны и определил решение для конструктивной замены КЗ доски. Использование пакета EMSS FEKO основано на об успешном опыте авторов на численной модели разные типы СШП антенн.

В пакете FEKO разработано три варианта конструкции антенн PIFA (рис. 2) с разной шириной место подачи (через или с коаксиальным разъемом) и два структура шлейфа КЗ (от до сила окончательной металлизации или в виде перехода металлическое отверстие).

На рис. 3 и 4 показаны зависимости КСВН от антенный вход для первых двух вариантов конструкции (Рис. 2, а и б).

Рис. 7.10. Варианты конструкции PIFA антенны: а- антенна с закорачивающей пластинои без коаксиального соединителя; б — антенна с закорачивающей пластиной с коаксиальным кабелем; в - антенна с переходным отверстием;

 

           Из полученных результатов видно, что коаксиальный этот разъем влияет на резонанс частота антенны (резонансная частота стала на 5,5 МГц меньше). К тому же разъем отрицательный влияет на КСВ антенны. Полученные результаты КСВ тата 1,76 на измененной резонансной частоте на 1.8. Но он не изменил пропускную способность антенна, которая осталась на 10,6 МГц. Поэтому при проектировании антенны необходимо учитывать влияние коаксиального кабеля. Подумайте о замене короткого направляющая пластина (опция в рис. 2, в). На рис. 5 показана зависимость КСВ от антенный вход для данного варианта конструкции.

                   

               а)                                 б)                                 в)

Рис. 7.11. а)-графическое представление КСВ антенны с закорачивающей пластиной без коаксиального соединителя в рабочей полосе частот; б)- графическое представление КСВ антенны с закорачивающей пластиной с коаксиальным соединителем в рабочей полосе частот; в)- графическое представление КСВ антенны с переходным отверстием и с коаксиальным соединителем в рабочей полосе частот.

Из полученных результатов (рис.7.11) видно, что закорачивающая пластина может быть заменена переходным отверстием. С этом можно выбрать такое отверстие, при котором не будет изменяться резонансная частота и будет сохраняться полоса пропускания. В этом случае частота остается 433 МГц, а полоса пропускания составляет 10,6 МГц. Но при этом изнашивается КСВ антенна. В приведенных выше результатах оно изменилось с 1,8 до 2. Следовательно, при замене закорачивающей пластины переходным отверстием следует учитывать ухудшение КСВ.

Для сравнительного анализа моделирование проводилось с использованием различных численных методов в диапазоне частот 433 МГц. В данном случае расчет проводился для антенны с пластиной в диэлектрике и переходным отверстием. Результаты представлены в таблице. 1. Для использования антенны в системе связи, использующей частотный канал 440 МГц, была спроектирована антенна на этой рабочей частоте и изготовлен ее прототип. На рис. На рисунке 6 представлена ​​трехмерная модель конструкции антенны, рассчитанная на частоту 440 МГц с коаксиальным разъемом типа SMA. В таблице 2 представлены результаты моделирования такой антенны с использованием различных численных методов.

 

Таблица1. Результаты расчета параметров PIFA антенны различными численными методами

Параметр	Метод моментов		Метод конечных разностей во временной области			Метод конечных элементов
	С закорачивающей пластиной	С переходным отверстием	С закорачивающей пластиной	С переходным отверстием	С закорачивающей пластиной		С переходным отверстием
Резонансная частот fрез, Мгц	432.8	432	435.5	433.1	432.5		434.2
Полоса пропускания, Мгц	10.5	10.5	14.4	15.2	11.5		11.8
КСВ	1.7	2.02	1.21	1.46	1.15		1.24

 

Таблица 2. Результаты моделирования PIFA антенны с учетом коаксиального соединителя SMA

Параметр	Метод моментов	Метод конечных разностей во временной области	Метод конечных элементов
Резонансная частот fрез, Мгц	438.1	435.2	436.2
Полоса пропускания, Мгц	9.1	15.2	12.6
КСВ	2.2	1.45	1.66

 

           По окончании моделирования антенны были подготовлены технологические материалы для изготовления печатной схемы. Печатная плата двухслойная с металлизацией всех отверстий. Вокруг отверстия, через которое впаян разъем SMA в нижнем слое, вырезан пояс, чтобы отделить землю от источника питания во избежание коротких замыканий. После получения готовых карт монтировался разъем SMA. Соответственно антенна показана на рис. 7.12.

          Рис. 7.12. а)- макет антенны («вид сверху); б)-макет -пенны (в снизу)

Для определения характеристик антенны использовалось устройство PNA Network AnalyzerN52 На рис.7.13

Р и с. 7.13. Установка для определения характери-стик антенны

       

На рис.7.14. показаны результаты моделирования и измерений коэффипиента отражения на входе антенны с коаксиальным соединителем тина S M

Рис.7.14. Графики зависимости коэффициента отражения на входе антенны с коаксиальным соединителем типа SMA от частоты (1 - метод моментов, 2 - метол конечных элементов; 3 - метод конечных разностей во временной

 

       Результаты моделирования и измерения коэффициента отражения на входе с коаксиальным разъемом типа S M A. Видно, что ранее был рассчитан на частоту 440 МГц, рабочий плавится на частоте 439,69 МГц. Также видно, что большую часть результаты были получены в САПР ФЭКО методом моменты. Из этого можно сделать вывод, что при проектировании антенны необходимо учитывать это влияние множества факторов, которые могут повлиять на правильное функционирование антенны.

        На рис.7.15. показаны диаграммы направленности антенны PIFA, спроектированной с коаксиальным разъем SMA 440 МГц с разными углами азимута.

Рис. 7.15. Диаграммы направленности PIFA антенны в печатном исполнении с коаксиальным соединителем типа SMA: а - угол азимута р = 0°; б- угол азимута р = 90°

· По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

  при проектировании антенны PIFA или другой печатной антенны необходимо учитывать влияние коаксиального разъема, так как он может сместить резонансную частоту и ухудшить антенна КСВ;

· при проектировании антенны PIFA можно заменить перемычку на переходник отверстие и при этом поддерживать резонансную частоту, а также практически не менять полосу пропускания, однако это приведет к ухудшению КСВ антенны;

· наиболее адекватный с точки зрения совпадения с экспериментальными данными метод численно имитация антенны PIFA в данном случае является методом моментов с детальной геометрией.

логическое представление коаксиального разъема и всей конструкции антенны в целом по сравнению с другими численными методами (метод конечных элементов, метод конечных разностей в область времени).

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Системы спутниковой связи и вещания представляют собой совокупность оборудования, состоящего из орбитального ретранслятора и ряда наземных станций.В настоящее время станции спутниковой связи интегрированы в сеть передачи данных. Объединение группы географически распределенных станций в сеть позволяет пользователям предоставлять широкий спектр услуг и функций, а также эффективно использовать спутниковые ресурсы. Такие сети обычно имеют одну или несколько станций управления, которые поддерживают работу наземных станций как в управляемом администратором, так и в полностью автоматическом режимах.

       Принцип работы спутниковой системы довольно прост: сигнал с одной из наземных станций отправляется прямо на спутник, с которого ретранслируется на другие объекты в зоне действия ретранслятора.

Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных затрат на размещение и переключение. CCC постоянно и ревностно сравнивают с волоконно-оптическими сетями связи. Адаптация этих сетей набирает обороты из-за быстрого технологического развития соответствующих областей волоконной оптики, что поднимает вопрос о судьбе ССС.

       В данной работе были рассмотрены принципы построения спутниковой системы связи, принцип работы спутникового телевидения, особенности спутниковых антенн, сравнительный анализ вычислительных методов электродинамики, особенности электрически малых антенн и исследование конструкций антенн PIFA для мобильных средств связи. Описывается оборудование для приема спутникового сигнала. В качестве технологии доставки спутникового ТВ была выбрана технология VSAT, в работе рассмотрены ее основные достоинства и недостатки. Был сделан выбор искусственного спутника Земли, который соответствует следующим параметрам: он обеспечивает стабильную и бесперебойную связь в поселке Новая Аугура в Ku-диапазоне.

Список использованной литературы

1. Аболиц, А. И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории  и эффективность / А. И. Аболиц. – М.: ИТИС, 2004. – 426с.: ил.

2. Кантор, Л. Я. Расцвет и кризис спутниковой связи / Л. Я. Кантор //

Электросвязь, 2007. – №7. – С. 19-23.

3. Гаранин, М. В. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие

для вузов / М. В. Гаранин, В. И. Журавлев, С. В. Кунегин. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.: ил.

4. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: Учеб. пособие / В. Е. Камнев,

В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. – М.: «Альпина Паблишер», 2004. – 536 с.: ил.

5. Кантор, Л. Я. Спутниковая связь и вещание: Справочник. – 3-е изд.,

перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др.; Под ред. Л.Я. Кантора. – М.: Радио и связь, 1997. – 528 с.: ил.

6. Кривицкий Б. Х. Справочник по Радиоэлектронным системам: В 2-х

томах / Под ред. Б. Х. Кривицкого. – М.: Энергия, 1979. – 368 c.: ил.

7. Гениатулин, К. А. Исследование методов обработки сигналов в системах

спутниковой связи / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Информатика и проблемы телекоммуникаций: в 2 т. – Т.1.: мат-лы Росс. научн.-техн. конф. –Новосибирск: Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики, 2008. –C350.

8. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи

информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. – Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.

9. Воскресенский, Д. И. Активные фазированные антенныерешетки / Под

ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. – М.:Радиотехника, 2004.488с

10. Слюсар, В. И. Цифровое формирование луча в системах связи: будущее

рождается сегодня / В. И. Слюсар // Электроника. – НТБ, 2001. – №1. – С. 6-

11. Гениатулин, К. А.Применение цифровых антенных решеток всистемах158

12. Гениатулин, К. А. Применение метода координационных колец при

частотно-территориальном планировании системы подвижной спутниковой связи / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Современные проблемы телекоммуникаций: мат-лы Росс. научн.-техн. конф. – Новосибирск: Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики, 2012. – C. 119-120.

13. Анпилогов, В. Р. Спутники связи и вещания нового поколения (обзор

тенденций развития) / В. Р. Анпилогов // Спутниковая связь и вещание:

специализированное издание – 2009. – C. 28-35

14. Слюсар, В.И. Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой

связи / В. И. Слюсар // Первая миля. – 2008. – № 4. – С. 10-15.

15. Типы спутниковых антенн [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://prosputnik.ru/tipy-sputnikovykh-antenn (Дата обращения: 30.01.19)