 |
Моделирование излучения антенн в замкнутом экранированном корпусе.
|
|
|
|
Диапазон, представляющий интерес-диапазон с центральной частотой 2.4 ГГц. Для работы на данных частотах используется большое количество разнообразных излучателей (антенн), но для осуществления беспроводной связи внутри замкнутого металлического корпуса прибора, работающего на космическом аппарате, параметры антенны такие как, габариты и масса, играют важную роль, так как эти же параметры жестко регламентированы для самого прибора. В связи с этим выбор возможного варианта антенны привязан к выше упомянутым параметрам, а также к диаграмме направленности, на которой отображается изменение коэффициента усиления антенны в пространстве.
Рис.9 Внешний вид и таблица размеров антенны.
Проведя анализ используемых антенн, выбор с учетом необходимых параметров пал на антенну Small Size 2.4 GHz PCB antenna от TI. Параметры и характеристики антенны приведены ниже.
Рис.10 Зависимость коэффициента S11(коэффициент отражения) от частоты.
По графику видно, что S11 ниже -10 дБм (КСВ меньше 2), это означает что более 90 % энергии подводимой к антенне будет излучено ею.
Антенна была размещена на плате размером 100*120*1 мм, в левом верхнем углу.
Рис.11 Внешний вид антенны.
При моделировании данной антенны, была получена следующая зависимость коэффициента S11 от частоты.
Рис.12 Зависимость коэффициента S11 от частоты, промоделированной антенны.
По данной зависимости видно, что на частоте 2.4 ГГц, коэффициент S11 не превышает -10 дБ (КСВ меньше 2).
Далее было проведено моделирование в замкнутом блоке с размером 100*120*150 мм, внутри которого 4 платы из стеклотекстолита(FR-4), на каждой из них размещена антенна, изображенная на рис.3, к каждой антенне был подведен порт питания (обозначены красным цветом на рис.5) и заземление.
|
|
|
Рис.13 Блок с платами.
Рис.14 Зависимость S-коэффициентов(S11-к. отражения,S12,S13,S14-к передачи) от частоты (антенна 1).
Рис.15 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 2).
Рис.16 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 3).
Рис.17 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 4).
Из приведенных выше зависимостей видно, что коэффициенты отражения S11, S22, S33, S44 первой, второй, третьей, четвертой антенн соответственно, не достигают величины -10 дБ, что говорит о том, что КСВ (рис.10) каждой антенны принимает значение более чем 2, а это в свою очередь означает увеличение потерь мощности.
Так же видно значение коэффициентов передачи S12(коэффициент передачи мощности из первого порта (1 антенна) в третий порт (3 антенна)), S21, S13, S31, S14, S41, S23, S32, S24, S42, S34, S43 имеет низкое значение (от -8 дБ до -16 дБ), следовательно, мощность, принимаемая другой антенной, уменьшается максимально в 40 раз, минимально в 7 раз.
Рис.18 Зависимость КСВ каждой антенны от частоты.
Учитывая, что в данном случае КСВ Каждой антенны больше 2, значит потери мощности на отражение по входу будут составлять более 10 процентов.
| КСВ | 1,3 | 1,5 | 1,7 | |||||
| % потерь мощности |
Таблица 3.
КСВ (т.н. Коэффициент Стоячей Волны) представляет собой физическую величину, как степень согласования антенно-фидерного тракта. В таблице показано, каковы реальные потери мощности при различных значениях КСВ.
Из проведённого выше моделирования можно сделать вывод:
· Коэффициент отражения антенны (S11, S22, S33, S44) меняет свое значение на нужной частоте (2.4 ГГц) при помещении антенны в экранированный корпус, что означает не оптимальный режим работы, то есть подаваемая мощность в антенну будет излучена не полностью и отразится обратно к передатчику, что может стать причиной выхода его из строя. Об этом же свидетельствует КСВ антенн на рисунке 18.
|
|
|
· Коэффициенты передачи из одной антенны в другую также не являются оптимальными и приводят к высокому затуханию при передаче мощности.
Далее было проведено моделирование с введением дополнительных перегородок между платами. Данное решение было принято в связи с тем, чтобы провести некую стандартизацию характера излучения антенны так, как размеры корпуса могут варьироваться для различных устройств и для того чтобы выровнять и привести к необходимым значениям коэффициент отражения антенны и КСВ, коэффициенты передачи из одной антенны в другую.
Рис.19 Моделирование с введением перегородок (30*30 мм).
На графиках ниже представлены зависимости S-коэффициентов от частоты для каждой из антенн с введением перегородок, показанных на рис.19, длина каждой из стенок 30 мм, высота 30 мм. Моделирование с введением перегородок с приведенными выше размерами показало наилучшие характеристики с использованием выбранной антенны.
Рис.20 Зависимость S-коэффициентов (S11-к. отражения, S12, S13, S14-к передаче) от частоты (антенна 1).
Рис.21 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 2).
Рис.22 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 3).
Рис.23 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 4).
Рис.24 Зависимость КСВ каждой антенны от частоты.
Как видно из рис.16 значение КСВ на нужной частоте является приемлемым, также можно наблюдать, что все коэффициенты передачи имеют идентичный характер полосе часто 2.3-2.5 ГГц для данного вида антенны и имеют значение больше, чем в модели без перегородок.
| S21 | S31 | S41 | S12 | S32 | S42 | S13 | S23 | S43 | S14 | S24 | S34 | |
| Модель без перегородок | -12.5 | -10.5 | -16.6 | -12.5 | -8.2 | -10.8 | -10.5 | -8.3 | -13.1 | -16.6 | -10.8 | -13.12 |
| Модель с перегород– ками | -5 | -10 | -13 | -5 | -8.7 | -11.3 | -11 | -8.5 | -5 | -13.7 | -11.3 | -4.5 |
Таблица 4. Сравнение S-коэффициентов без экранированного канала передачи и с ним
|
|
|
