Моделирование широкополосной антенны с двойной круговой поляризацией и высокой изоляцией

Об антеннах круговой поляризации

Антенны с круговой поляризацией занимают особое место в современных системах беспроводной связи. В отличие от линейно поляризованных систем, круговая поляризация обеспечивает устойчивый приём сигнала вне зависимости от взаимной ориентации антенн, что критически важно в условиях подвижных платформ - спутников, БПЛА, мобильных наземных комплексов и носимого оборудования.

Особый интерес представляют антенны с двойной круговой поляризацией - то есть одновременно поддерживающие правостороннюю (RHCP) и левостороннюю (LHCP) поляризацию на независимых портах. Такая конструкция позволяет одновременно передавать и принимать сигналы на одной несущей частоте, разделяя их по признаку поляризации.

Вместе с тем реализация таких антенн сопряжена с рядом конструктивных противоречий. Разработчик вынужден одновременно обеспечивать широкую рабочую полосу частот, низкий коэффициент осевого отношения (AR), а также высокую электромагнитную развязку (S₂₁) между двумя поляризационными портами. Последнее требование на практике оказывается наиболее трудновыполнимым и требует особого внимания при проектировании

Постановка задачи

В статье рассмотрим разработку патч-антенны, удовлетворяющей следующим требованиям:

1. Двойная круговая поляризация - независимые порты для RHCP и LHCP с возможностью одновременной работы;

2. Широкая рабочая полоса ≥ 500 МГц. Центральная частота - 5,8 ГГц;

3. Высокое качество поляризации - AR ≤ 3 дБ;

4. Высокая изоляция между портами - уровень ≤ -10 дБ в рабочей полосе;

5. Согласование по входу - коэффициент отражения (S₁₁) ≤ -10 дБ на обоих портах в рабочей полосе;

6. Компактность и технологичность - реализация на основе многослойной печатной платы без использования объёмных компонентов, пригодная для серийного производства с использованием доступных материалов;

Схема питания

Для обеспечения нужной изоляции необходимо запитывать патч через гибридный ответвитель (Рис. 1) [1]. Ключевое его свойство состоит в следующем: при грамотном проектировании любой сигнал, отражённый от входных портов патча и пришедший обратно на выходные порты гибрида полностью перенаправляется на порт изоляции и не попадает на порт противоположной поляризации, тем самым обеспечивается более высокая изоляция по сравнению с обычными линиями передачи.

Свойства ответвителя также помогут нам обеспечить хорошую поляризацию т.к. разница фаз между выходными его портами составляет 90 градусов.

Рисунок 1 - Схема питания патч-антенны

Гибридный ответвитель и патч будет разделять слой диэлектрика, а связь осуществляется через металлизированные отверстия (via).

Сам ответвитель будет сделан по технологии stripline (проводящии линии расположены между диэлектриками), что позволит уменьшить его размеры по сравнению с обычной микрополосковой технологией (Рис. 2).

Рисунок 2 - Технологии microstrip и stripline

Моделирование гибридного ответвителя

На первом этапе необходимо рассчитать гибридный ответвитель по технологии stripline. Так как мы пока не знаем сколько секций нам нужно для обеспечения требований, рассчитаем для одного и двух секций (Рис.3) [6]. Материал подложки - WL-CT-338 (доступен в Резоните), толщиной 0,813мм. И не забываем включить в модель препрег.

Рисунок 3 - Односекционный (слева) и двухсекционный (справа) гибридный ответвитель

Необходимо рассчитать волновые сопротивления для соответствующих линий. Подробный алгоритм расчета представлен в статье.

Рисунки модели представлена на Рис. 4 (верхняя экранирующая поверхность спрятана для наглядности). Результаты моделирования в CST Studio Suite представлены на Рис. 5 и Рис. 6

Рисунок 4 - Модель односекционного (слева) и двухсекционного (справа) гибридного ответвителя

Рисунок 5 - S-параметры односекционного ответвителя. S₁₁ - коэффициент отражения, S₂₁, S₃₁ - коэффициенты передачи, S₄₁ - коэффициент изоляции

Рисунок 6 - S-параметры двухсекционного ответвителя. S₁₁ - коэффициент отражения, S₂₁, S₃₁ - коэффициенты передачи, S₄₁ - коэффициент изоляции

Моделирование антенны

Добавим сверху патч антенну, соединив ее с выходами ответвителя через via. Толщина диэлектрика между ответвителем и патчем по расчетам выходит около 3мм. Так как в Резоните нету такого толстого СВЧ-диэлектрика - мы будем использовать две подложки WL-CT-338 (каждая толщиной 1,524 мм) для обеспечения прослойки. Не забываем добавить в модель препрег (Рис. 7).

Рисунок 7 - Модель антенны с ответвителем

Видно по Рис.7, что в модели у нас 4 подложки и 3 препрега (серым цветом) между ними.

Необходимо также обеспечить переход между stripline и microstrip, чтобы можно было припаять разъем питания. На Рис. 8 изображено как это сделано.

Рисунок 8 - Переход между stripline и microstrip

Добавив разъемы получим следующую модель (Рис. 9)

Рисунок 9 - Модель антенны с разъемами

Запустим расчет для вариант с односекционным ответвителем. Результаты представлены на Рис. 10-11.

Рисунок 10 - S-параметры антенны с односекционным ответвителем

Рисунок 11 - Зависимость AR (красный) и коэффициента усиления (КУ) (зелёный) от частоты антенны с односекционным ответвителем

Как видно нам удалось получить хорошие результаты по согласованию, КУ и поляризации. Изоляция на центральной частоте также хорошая, но ширина ее всего 288 МГц.

Для увеличения диапазона изоляции запустим модель варианта с двухсекционным ответвителем. Результаты представлена на Рис. 12-13.

Рисунок 12 - S-параметры антенны с двухсекционным ответвителем

Рисунок 13 - Зависимость AR (красный) и коэффициента усиления (КУ) (зелёный) от частоты антенны с двухсекционным ответвителем

Таким образом нам удалось увеличить диапазон изоляции до 540 МГц, не ухудшив при это остальные характеристики.

Результаты и выводы

В таблице ниже представлены результаты моделирования двухполяризационной антенны

	Вариант исполнения с односекционным ответвителем	Вариант исполнения с двухсекционным ответвителем
Ширина рабочего диапазона по S11, МГц	1020	1920
Ширина рабочего диапазона по S21,МГц	288	540
Ширина рабочего диапазона по AR, МГц	1400	1640
Ширина рабочего диапазона по КУ, МГц	850	1600
Пиковый КУ, дБ	6,1	6,1
Габариты, ДхШхГ, мм	44x44x5,26	50x50x5,26

Вывод: нам удалось обеспечить широкую полосу согласования, изоляции и поляризации для модели двухполяризационной печатной антенны путем применения двухсекционного гибридного ответвителя в линии питания и патча в качестве излучающего элемента.

Литература

1. A_Compact_Dual_Circularly_Polarized_Antenna_With_Wideband_Operation_and_High_Isolation - HUY HUNG TRAN NGHIA NGUYEN-TRONG ,AND HYUN CHANG PARK

2. Wideband Dual-Circularly Polarized Antennas Using Aperture-Coupled Stacked Patches and Single-Section Hybrid Coupler SON XUAT TA, VAN CUONG NGUYEN, BANG-TAM NGUYEN-THI, THAI BAO HOANG, AN NGOC NGUYEN, KHAC KIEM NGUYEN, AND CHIEN DAO-NGOC

3. Wideband High-Isolation Dual-Circularly PolarizedCo-Aperture Antenna using Non-Uniform ParasiticElementsHung Tran-Huy, Tu Le-Tuan, Phuong Kim-Thi, Niamat Hussain, Truong Khang Nguyen, and NghiaNguyen-Trong

4. Dual-Polarized Aperture-Coupled Wideband MicrostripPatch Antenna with High Isolation for C-Band

5. A Broad-Band Dual-Polarized Microstrip Patch AntennaWith Aperture CouplingS. Gao, L. W. Li, M. S. Leong, and T. S. Yeo

6. Power Combiners, Impedance Transformers and Directional Couplers: Part III By Andrei Grebennikov