Rysunek 12 pokazuje symulację strat odbicia kompletnego układu z nową anteną umieszczoną w plastikowej obudowie. Szare strefy na wykresie pokazują zakresy pasm roboczych GSM 900 i GSM 1800. Pasmo dobrego dopasowania impedancji jest niestety mniejsze niż wymagane dla GSM 900 i GSM 1800 ze względu na ograniczenie grubości podłoża do 1 mm i jego małe straty (wysoki współczynnik dobroci Q).
Rys. 12. Symulacja strat odbicia anteny z uwzględnieniem obecności akumulatora i plastikowej obudowy
Optymalizacja obwodu dopasowującego
Parametry anteny można jeszcze poprawić przez wprowadzenie układu dopasowującego na elementach skupionych. Aplikacja Optenni Lab szybko oblicza odpowiedni układ dopasowujący na podstawie właściwości anteny i wymagań użytkownika.
Optenni Lab komunikuje się z CST STUDIO SUITE® w obu kierunkach. To oznacza, że obliczone parametry macierzy rozproszenia S anteny mogą być łatwo przesłane z CST MWS do Optenni Lab w celu dalszej optymalizacji całego układu. Rys.13 pokazuje początkowe wartości parametrów S w aplikacji Optenni Lab. Czerwone linie wskazują minimalne wsp. transmisji anteny w obu pasmach: –4,2 dB w paśmie 900 MHz i –10,4 dB w paśmie 1800 MHz.
Rys. 13. Początkowe wartości parametrów S w aplikacji Optenni Lab
Pierwszym krokiem w procesie dopasowywania anteny jest oszacowanie potencjalnych możliwości poszerzenia pasma. Oznacza to, że przy założeniu idealnego obwodu dopasowującego L/C obliczamy maksymalną możliwą do uzyskania szerokość pasma przepustowego dla zadanego poziomu strat odbicia. W tym przypadku, dla 2-elementowego obwodu dopasowującego i dla strat odbicia 6 dB, uzyskujemy pasma przepustowe 33 MHz dla nośnej 900 MHz i 46 MHz dla 1800 MHz. To jeszcze dość daleko od wymaganych szerokości pasm, odpowiednio 70 MHz i 170 MHz. Bez zwiększenia ilości elementów obwodu lepsze dopasowanie anteny nie jest możliwe.
Aplikacji Optenni Lab może wygenerować układ dopasowujący zdecydowanie poprawiający parametry anteny. I tak w przypadku 5-elementowego układu dopasowującego pokazanego na rysunku 14 straty na odbicie w obu pasmach spadają do wartości 3,6 dB (Rys.15). Optymalizując układ dopasowujący Optenni Lab pozwala również uwzględniać tolerancje wykonania elementów podawane przez ich producentów. W tym wypadku uwzględnienie elementów o wartościach rzeczywistych pogarsza dopasowanie anteny o 0,5 dB.
Rys. 14. Topologia układu dopasowującego po optymalizacji
Symulacja własności anteny w otoczeniu roboczym
Ostatnie rozważania dotyczą zachowania anteny w jej docelowym środowisku. Opisywana antena stanowi część nadajnika montowanego w obroży noszonej przez owcę, dlatego warto przeprowadzić symulację zachowania się anteny z uwzględnieniem sąsiedztwa ciała zwierzęcia.
Rysuek 16 pokazuje wyniki symulacji własności anteny zamontowanej na modelu owcy. Model zwierzęcia został zaimportowany jako plik *.sat, przy czym założono, że jest to jednolity dielektryk. Gdyby było to niezbędne, np do obliczeń współczynnika SAR (Specific Absorption Ratio), można zastosować realistyczny, zróżnicowany dielektrycznie model voxelowy. Model urządzenia zawierającego projektowaną antenę umieszczono w pewnej odległości od ciała zwierzęcia uwzględniając w ten sposób grubość warstwy wełny. Aczkolwiek ciało owcy nie wpływa znacząco na impedancję anteny, to jednak ma wyraźny efekt ekranujący. To skutkuje dużymi zmianami charakterystyki kierunkowej anteny w polu dalekim, zwiększając znacznie jej kierunkowość.
Rys. 15. Parametry S dla anteny z obwodem dopasowującym
Rys. 16. Wpływ ciała owcy na charakterystykę kierunkową anteny
Urządzenia komórkowe wykorzystują do pracy mały zakres częstotliwości pasma GSM, który jest dynamicznie przydzielany zależnie od zajętości pasma w danej chwili. Dlatego trudno jest podać jedną wartość opisującą zasięg pracy urządzenia. W celu przeprowadzenia ilościowego porównania starego i nowego wykonania anteny, zamiast porównania wartości współczynników odbicia, zastosowano równanie transmisyjne Friis’a do porównania zasięgów dla typowej sytuacji nadawania i odbioru. Równanie ma postać:
gdzie: Γt,r – współczynnik odbicia anteny nadawczej i odbiorczej (S11t,r = 20log|Γt,r|), Gt i Gr – zysk anteny nadawczej i odbiorczej, Pt i Pr – moc sygnału nadawanego i odbieranego, λ – długość fali, R – odległość między anteną nadawczą i odbiorczą
Na rys.17 pokazano porównanie zasięgów w funkcji częstotliwości w danych pasmach GSM dla anteny z układem dopasowującym i bez niego. Założono zmienność zysku anteny w zakresie od 0 dBi do 2.8 dBi w paśmie 900 MHz i w zakresie od 0 dBi do 4.5 dBi w paśmie 1800 MHz. Zysk określano na kierunku osi ciała owcy do przodu, co odpowiada ustawieniu zwierzęcia głową w kierunku stacji bazowej. Te wartości zysku wraz z odpowiednimi wartościami dla pozostałych zmiennych (Pt = 2 W; Pr = –80 dBm, S11r = –40 dB, and Gr = 9 dBi), zostały użyte do obliczeń najlepszego i najgorszego przypadku zasięgu. Warto zauważyć, jak układ dopasowujący antenę znacząco poprawia minimalny zasięg w obu pasmach.
Rys. 17. Porównanie zasięgów dla anteny dopasowanej i niedopasowanej dla obu pasm GSM. Worst case – minimalny zasięg, best case – maksymalny zasięg. Czerwona strzałka – poprawa minimalnego zasięgu
Podsumowanie
Artykuł prezentuje aplikacje Antenna Magus i Optenni Lab zapewniające we współpracy z CST MICROWAVE STUDIO zintegrowane środowisko projektowe umożliwiające rozwiązywanie typowych problemów przed jakimi stają konstruktorzy urządzeń RF. Wbudowane funkcje wspomagające projektowanie oraz elastyczność Antenna Magus w połączeniu z CST MWS i Optenni Lab zostały wykorzystane do zaprojektowania nowatorskiej zintegrowanej anteny planarnej na podwójne pasmo GSM.
Dołączaną w postaci modułu miniaturową antenę standardową zastąpiono zintegrowaną anteną drukowaną z układem dopasowującym na elementach SMD uzyskując lepsze parametry zasięgowe. Modernizacja urządzenia nie wymagała zmian układu płytki drukowanej poza obrębem samej anteny.
Antenę dobrano i wstępnie zaprojektowano w aplikacji Antena Magus, nastepnie optymalizowano jej parametry poprzez modyfikację kształtu i wymiarów w CST MICROWAVE STUDIO, a na końcu dodano układ dopasowujący policzony programem Optenni Lab.
CST MWS wykorzystano również do zbadania parametrów anteny in-situ w realistycznym środowisku pracy wykonując symulację el-mag urządzenia wraz z modelem zwierzęcia.
Opracowanie na podstawie materiałów firmowych:
Jarosław Kwiatkowski
jarek.kwiatkowski@cst.com
CST AG
Bad Nauheimer Str. 19
64289 Darmstadt
Germany
