Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация

по направлению 11.03.02

Инфокоммуникационные технологии и системы связи

студента образовательной программы

Исследование микрополосковой мультипольной антенны для RFID-технологии

Башкевич Степан Владимирович

Москва 2019

Содержание

антенна информация передача

Введение

1. Цели и задачи исследования

2 Технология RFID: метки, считыватели и антенны

2.1 Устройство RFID-системы

2.2 Метки RFID

2.3 Антенны для RFID

2.4 Считывающие устройства для RFID

2.5 Основные характеристики антенн

2.6 Передача информации между считывателем и меткой

2.7 Диапазоны RFID

3 Микрополосковые антенны

3.1 Общие сведения о микрополосковых антеннах

3.2 Физические основы работы МПА

3.3 Методы расчета МПА

4 Микрополосковая антенна на основе замедляющей системы

4.1 Замедляющие системы. Виды, характеристики и параметры

4.2 Антенна на основе замедляющей системы типа меандр

5 Моделирование антенны

5.1 Программные средства для моделирования антенны

5.2 Метод моментов

5.3 Задачи исследования и моделирования

5.4 Моделирование в AWR Design

5.4.1 Согласование антенны с питающей линией

5.5 Результаты моделирования

6 Заключение

Список сокращений

Список использованных источников

Введение

Уже много лет невозможно представить жизнь человека без интернета. Постоянно разрабатываются все новые системы и появляются новые возможности с использованием глобальной сети. В настоящее время наибольший интерес представляет собой технология «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT). Это технология представляет собой сеть из различных физических объектов («вещей»), которые могут взаимодействовать между собой, а также со внешней средой. Технология «Интернета вещей» использует много различных систем и средств для своей работы. Одной из таких систем является система радиочастотной идентификации (Radio frequency identification, RFID). Система радиочастотной идентификации - это автоматическая технология, которая помогает машинам или компьютерам идентифицировать объекты, записывать или считывать различные данные или управлять отдельными объектами с помощью радиоволн. Подключив RFID -считыватель к интернет-терминалу, считыватели могут идентифицировать, отслеживать и контролировать объекты, к которым прикреплены RFID - метки, глобально, автоматически и в режиме реального времени, если это необходимо. Зачастую, именно в этом нуждается «Интернет вещей». RFID технологию часто рассматривают как предпосылку для IOT [1].

Немаловажно, каким именно образом информация передается между объектами и как она преобразуется из физической формы в виртуальную. В технологии RFID информация передается с помощью радиосигналов. Для этого в основные объекты RFID - систем необходимо встраивать антенны для их связи между собой. Растущий спрос на RFID - системы для бизнеса требует их постоянного совершенства, а это в свою очередь требует совершенствования антенн, встроенных в объекты. Одним из важных факторов для расширения области применения RFID - систем является их размер, ведь громоздкие системы сложно внедрять, и они занимают много места, что не всегда доступно для заказчика. Актуальным на данный момент направлением является разработка малогабаритных антенн для объектов RFID систем. Размеры антенны и ее форма в свою очередь влияют на важные технические параметры системы такие как дальность считывания, рабочая частота, ориентация и расположение объектов относительно друг друга. Поэтому создать малогабаритную антенну с небольшой массой и подходящими под задачу техническими характеристиками довольно непросто и является одной из важнейших задач при разработке RFID - систем.



1. Цели и задачи исследования

Исследование микрополосковой, мультипольной антенны для систем радиочастотной идентификации является целью этой работы. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи:

1) Проанализировать основные виды и методы расчета микрополосковых антенн.

2) Сконструировать антенну в программе САПР AWR Design

3) Построить диаграммы направленности антенны и получить параметры согласования антенны.

4) Изменив параметры антенны, провести моделирование антенны для возможного улучшения ее характеристик.

5) Проанализировать полученные результаты.



2 Технология RFID: метки, считыватели и антенны

2.1 Устройство RFID-системы

Технология RFID служит для идентификации объектов и обмена данными между ними на расстоянии, используя для этого электромагнитные поля и волны. Обычно система радиочастотной идентификации состоит из нескольких компонентов. В ее состав, как показано на рисунке 1, входят:

1) Компьютер или любая другая система сбора данных.

2) Считывающее устройство с антенной.

3) Среда распространения.

4) RFID - метки.

Рис.1. RFID-система

RFID-считыватель взаимодействует с меткой с помощью радиосигналов, отправляя метке как сигналы для синхронизации и начала работы, так и для определенного действия, будь то запись или чтение информации. После этого данные записываются на устройстве для хранения информации. В зависимости от того, как передается энергия от считывателя к метке, какая информация может хранится в метке и какие физические процессы используются при взаимодействии считывателя и транспондера, RFID-системы имеют колоссальное количество классификаций, которые хорошо описаны в работе [2].

2.2 Метки для RFID

Сегодня на рынке устройств RFID представлено большое количество разнообразных меток или как их еще называют транспондеров. Их можно классифицировать по большому числу параметров будь то форма или материал, из которого они выполнены, рабочая частота и дальность действия, наличие микросхемы и объема памяти для данных. На рисунке 2 представлена общая классификация для меток RFID.

Рис.2. Классификация RFID меток

В зависимости от того, какие функции будет выполнять RFID-система, под нее подбираются метки с определенным набором характеристик и выполненными из требуемых материалов.

2.3 Антенны для RFID

Антенна это один из основных элементов любой радиосистемы. С помощью них формируются электромагнитные волны, которые несут в себе определенную информацию. На данный момент существует несколько типов антенн, которые применяются в RFID системах. Это и всем известные дипольные антенны, щелевые антенны, директорные и получившие наибольшее распространение микрополосковые антенны. Как и для всех остальных антенн, к антеннам для RFID предъявляются некоторые требования:

1. Обладать требуемой пространственной направленностью;

2. Иметь возможно больший КПД;

3. Обеспечивать вполне определенный вид поляризации излучаемых волн;

4. Иметь определенную полосу рабочих частот;

5. Иметь входное сопротивление, которое с учетом фидера обеспечивает оптимальный режим работы передающего устройства;

Для дальнейшего понимания как устроена работа антенн необходимо рассмотреть их основные параметры.

2.4 Считывающие устройства для RFID

В зависимости от области применения считывающее устройство может изготавливаться в самых разнообразных исполнениях и конструкциях. В качестве самой общей классификации можно выделить OEM-устройства, считывающие устройства для промышленного применения, портативные считывающие устройства и разнообразные специальные типы считывающих устройств.

OEM-ридеры в основном используются для дальнейшей интеграции в портативные терминалы, которые собирают и обрабатывают данные для использования, например, в системах контроля доступа или кассовых системах. Обычно в такие считыватели устанавливаются внешние антенны. Промышленные считывающие устройства в основном предназначены для интеграции с промышленными устройствами монтажа и производства. Подобные считыватели часто изготавливаются в защищенном исполнении, например, во взрывозащищенном корпусе. Портативные считывающие устройства применяются для идентификации животных, в качестве контрольных устройств в общественном транспорте или как вспомогательные устройства при тестировании или обслуживании. В таких устройствах антенна располагается внутри.

2.5 Основные характеристики антенн

Основным параметром для любой антенны является ее амплитудная характеристика или диаграмма направленности. Для начала стоит сказать, что электромагнитные поля тоже имеют свою классификацию и одна из них -- это разделение полей на «ближнюю» и «дальнюю» зоны. Границы «ближней» зоны, которую так же называют зоной индукции лежат в пределах от , на расстоянии от источника, где л- это длина волны, которую излучает антенна. Напряженность поля в этой зоне уменьшается пропорционально . Соответственно «дальняя» или зона сформировавшейся волны располагается на расстоянии . Тут напряженность поля уменьшается пропорционально , где L расстояние до источника излучения. Теперь вернемся к диаграмме направленности (ДН). ДН - это зависимость напряженности электрического поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат в точке наблюдения. Обозначается ДН как Также используют выражение нормированной амплитудной характеристики и обозначают ее так:

(1)

Как видно из формулы 1, для получения нормированной диаграммы направленности берут отношение амплитудной ДН к значению ДН в направлении главного максимума излучения. Помимо амплитудной ДН есть и фазовая ДН Также для анализа антенн строят мощностные характеристики . Часто амплитудную ДН характеризуют по уровню половинной мощности (уровень 0.707 или -3dB).

Следующими параметрами, связанными между собой, являются коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны. Коэффициент направленного действия (КНД) связан с формой ДН и определяется по формуле 2:

(2)

Коэффициент усиления антенны (КУ) связывает между собой КНД и коэффициент полезного действия (КПД) по формуле 3:

КПД антенны определяется как отношение излученной мощности к мощности, подводимой к антенне.

Входной импеданс - это еще одна характеристика антенны, которая важна при определении КУ и КПД. В общем случае входное сопротивление антенны комплексное и его можно определить по формуле 5:

Здесь, реальная часть входного сопротивления отвечает за потери в антенне (потери на излучение), а мнимая отвечает за сопротивление излучения и изменение резонансной частоты. Существует общий подход для нахождения входного сопротивления антенны. Он заключается в представлении антенны в виде двухполюсника и решению известных выражений из теории электрических цепей. Во время резонанса реактивная часть сопротивления должна быть равна нулю в то время как активная максимальна. В этом случае антенна работает как резонатор и активно излучает. Такие антенны называются резонансными и часто используются для RFID-систем.

Поляризация антенны определяется поляризацией электромагнитных волн, которые она излучает. Поляризацией волны называется та фигура, которую описывает вектор электрического поля в плоскости перпендикулярной распространению волны. Различают несколько видов поляризации электромагнитных волн: линейная, круговая и эллиптическая. Поляризация есть только у поперечных волн, так как продольные волны колеблются в направлении своего распространения.

2.6 Передача информации между считывателем и меткой

Как уже было сказано выше сигнал от считывающего устройства до метки распространяется с помощью электромагнитных волн. Когда волны доходят до транспондера происходит 2 процесса: часть энергии поглощается и, если метка пассивная, идет на ее питание, а вторая часть энергии отражается (рассеивается) и движется в обратную сторону. Эта энергия служит для обратной связи метки и считывателя. Как и в большинстве беспроводных и радиосистем в RFID-системах есть несколько типов передачи информации и энергии между устройством хранения данных и устройством для чтения этих данных. Виды передачи энергии и данных продемонстрированы на следующем рисунке.

Рис.3. Виды передачи энергии и данных

Если речь идет о полностью дуплексной системе, то можно наблюдать, что передача энергии происходит постоянно, на протяжении всего сеанса передачи данных, а сами данные могут передаваться как последовательно, так и одновременно. Полудуплексная система отличается тем, что в ней данные могут передаваться только друг за другом, т.е. сначала от считывателя к транспондеру, а потом наоборот. В последовательных системах передача данных и энергии дискретна и как можно заметить из рисунка 3, сначала идет передача данных и энергии от считывателя к метке, а потом ответ от нее.

2.7 Диапазоны RFID

Диапазоны RFID простираются от низких волн (диапазон 135кГц) до сверхвысоких частот (24.125 ГГц). Наибольший интерес для разработчика RFID-систем сегодня представляет ISM-диапазон (Industrial, Scientific, Medical). Это полностью свободный и открытый диапазон частот во всем мире позволяющий разрабатывать системы RFID для научных, промышленных и медицинских целей. Основными диапазонами частот для ISM являются:

1. 6.78 МГц, диапазон коротких волн;

2. 13.56 МГц, находится в середине коротковолнового диапазона и применяется в работе индуктивных систем;

3. 27.125 МГЦ, используется для СВ-радиосвязи. Кроме индуктивных систем радиочастотной идентификации, в этой частотной области работают устройства диатермии (в медицине) и высокочастотные сварочные аппараты (в промышленных приложениях);

4. 40.680 МГц, находится у нижней границы УКВ диапазона. ISM приложения, предназначенные для данного частотного диапазона, представляют собой приложения телеметрии;

5. 433.920, диапазон СВЧ находится в середине диапазона для любительской радиосвязи 430-440 МГц. Отражательные системы радиочастотной идентификации заменяют собой индуктивные.

6. 866-915 МГц, Диапазон, отведенный в Европе для устройств с малым радиусом действия;

7. 2.45 ГГц, 5.8 ГГц, 24.125 ГГц, каждый из этих диапазонов частично пересекается с диапазонами для любительской радиосвязи и систем радиопеленгации. В этих диапазонахработают отражательные RFID-системы.



3. Микрополосковые антенны

3.1 Общие сведения о микрополосковых антеннах

В системах RFID наибольшую распространенность получили антенны в виде волновых и полуволновых диполей, а также микрополосковых антенн (МПА) различных конструкций. Рассмотрим почему именно МПА представляют наибольший интерес для исследования.

Микрополосковые антенны повсеместно используются в телекоммуникационных устройствах в наши дни. Микрополосковые излучатели (МПИ) просты в изготовлении и выполняются по печатной технологии. Конструкция МПА представлена на рисунке 4. В простейшем случае антенна состоит из 3 слоев. Верхним - является микрополосковый излучатель из металла (1), нижним проводящая металлическая пластина или пластина заземления (3), а посередине между ними располагается слой диэлектрика (2). Питание к такой антенне можно подвести как с помощью коаксиальной линии (рис.2. а), так и микрополоска (рис.2. б).

Рис.4. Конструкция микрополосковой антенны

Основными преимуществами МПА перед другими видами антенн используемых в RFID-системах являются:

1) Малая масса и габаритные размеры;

2) Простота в изготовлении и повторяемость;

3) Возможность использования в диапазонах от дециметровых до миллиметровых волн;

4) Дешевизна;

По форме микрополосковые антенны и излучатели бывают различных типов. Обычно от формы микрополосковых излучателей зависит несколько факторов, один из которых - это поляризация антенны. МПИ могут быть круглых, прямоугольных, треугольных и других более сложных геометрических форм таких как: кольца, зигзаги и т.д. Также чаще всего МПА имеют некоторые характерные размеры. Обычно металлический экран выполняется толщиной от 20 до 50 микрометров из хорошо проводящих металлов таких как медь. Диэлектрическое основание или подложка выполняется толщиной от 0.2 до 2 миллиметров со значением

Микрополосковые излучатели различных форм обычно выполняются толщиной от 20 до 50 микрометров с геометрическими размерами, примерно соотносящимися с половиной длины волны. Так же очень важны материалы, из которых выполняются излучатели и диэлектрическая подложка. К диэлектрикам используемым в конструкции МПА предъявляются особые требование такие, например, как: малые потери, однородность, прочность, устойчивость к климатическим изменениям, теплопроводность и определенные значения диэлектрической проницаемости. Чаще всего используют следующие диэлектрики: поликор , керамику, ситалл , а также кварц, фторопласт, и ферритовые подложки Материал, который используют для металлических оснований и МПИ должен иметь высокую электропроводность и обладать маленьким температурным коэффициентом сопротивления. Для оснований обычно используют алюминиевые сплавы или латунь. Для покрытий - серебро, а для проводников обычно используют медь [4].

3.2 Физические основы работы МПА

Физические основы работы микрополосковой антенны рассмотрим на примере обычного прямоугольного МП излучателя. Его конструкция и структура поля изображены на рисунке 5. Между МПИ (4) и металлической пластиной (1) возникает электрическое поле, а сами пластины образуют открытый резонатор. Размерами этого резонатора являются размеры МПИ.

Рис.5. Конструкция прямоугольного МПИ и структура поля

При возбуждении со стороны A излучателя, вдоль стороны B образуется стоячая волна, максимумы которой находятся на ее краях. Проекция вектора электрического поля на ось Y имеет максимум амплитуды и одинаковую фазу на краях стороны B. Вдоль оси X распределение поля является равномерным. В итоге, в дальней зоне, поле от такого излучателя будет равно полю, которое создают две щели возбуждаемых синфазно. Вид такой антенны представлен на рисунке 6.

Рис.6. Двухщелевой излучатель

Диаграмму направленности такого излучателя можно посчитать, как ДН из системы двух щелей. После расчетов имеем следующие выражения для ДН:

, в плоскости Е,

, в плоскости Н.

Здесь k волновое число свободного пространства. Также можно рассчитать резонансную частоту (6) и входное сопротивление на этой частоте (7).

3.3 Методы расчета МПА

Расчет характеристик микрополосковых излучателей представляет собой непростую задачу. Разновидность конструкций и технологических решений приводит к тому, что построить некий единый метод для анализа микрополосковых линий передач не представляется возможным. Это приводит к тому, что необходимо применять различные подходы при решении определенных задач. При этом существуют основные требования, предъявляемые к моделям о точности определения эквивалентных параметров и времени, которое будет затрачено на решение конкретной задачи.

Одним из первых появился метод расчета прямоугольной микрополосковой антенны представленный в предыдущей главе. Он называется метод магнитных вибраторов (двухщелевая антенна) и позволяет получить диаграмму направленности МПА при рассмотрении суперпозиции полей от двух магнитных линейных вибраторов, а также рассчитать значения резонансной частоты и входного сопротивления. Помимо этого, существуют еще несколько методов для расчета МПА, которые будут рассмотрены далее.

Метод волноводных моделей. Этот метод основан на представлении микрополосковой линии передачи в виде волновода, который имеет магнитные стенки и эквивалентные параметры. Такой метод получил название метод Олинера. Идея этого метода заключается, что можно заменить открытую линию передачи эквивалентным прямоугольным волноводом. По сути происходит замена одних краевых условий на другие. Для соответствия данной модели физической модели на нее накладывается целый ряд условий, которые вытекают из физических соображений. Эквивалентный волновод должен определяться так, чтобы его волновое сопротивление и волновое сопротивление исследуемого объекта были равны. Также должны быть равны постоянные распространения, а большая часть передаваемой мощности должна оказаться в сечении, ограниченном магнитными стенками волновода. Нельзя забывать и о заполнении волновода средой (диэлектриком) который также должен удовлетворять равенству вышеуказанных параметров Усовершенствованный метод носит название обобщенного метода Олинера и его преимущество заключается в сведении трехмерной задачи к двумерному анализу.

Строго говоря этот метод используется для определения эквивалентных параметров линий у которых имеются однородности. Но так как микрополосковые структуры с физической точки зрения являются отрезками микрополосковых линий, то этот метод применим и для расчета микрополосковых антенн. Характеристики излучения могут быть определены из расчета излучения с торцов волновода, а характеристики электромагнитного поля в дальней зоне выражаются с помощью векторного потенциала, который может быть найден из распределения токов.

Метод малой элементарной решетки. В этом методе необходимо создать решетку с небольшим количеством элементов, которые в каждой точке имеют постоянные параметры в пространстве между линией и экраном. Учитывая граничные условия для каждой получившейся области находят векторный потенциал. Далее по найденным потенциалам определяют распределение электромагнитного поля. В таком случае диаграмма направленности микрополосковой антенны будет иметь вид диаграммы направленности двухэлементной решетки. Первым элементом здесь будет являться сама микрополосковая линия, а вторым зеркально отражение этой линии на проводящую пластину. Этот метод используется для расчета МПА, однако имеет несколько недостатков главным из которых является косвенное рассмотрение диэлектрика из-за чего паразитные поверхностные волны, образующиеся на диэлектрике, не учитываются. Учет этих волн очень важен при проектировании МПА, работающих в сантиметровых и миллиметровых диапазонах.

Существуют еще несколько методов, которые основаны на решении различных уравнений для нахождения параметров МПА. Так, например, есть метод расчета параметров МПА основанный на решении волнового уравнения Гльмгольца. В этом методе используется математическая модель МПА, представленная в виде горизонтального электрического диполя над поверхностью диэлектрика. Есть методы, в которых определить излучение антенны помогает определение распределения токов в МПА. В таких методах задействовано решение уравнения Поклингтона. В целом выбор метода для расчета микрополосковой антенны зависит от требований точности и адекватности моделей, а также зависит от трудоемкости и временных затрат на достижение результата.

4 Микрополосковая антенна на основе замедляющей системы

Существенным недостатком микрополосковых антенн резонансного типа является равенство между габаритными размерами антенны и волнами, которая она может излучать или принимать. На сверхвысоких частотах порядка 1 ГГц размеры такой антенны могут достигать 30 см, что для некоторых приемников просто недопустимо. Одной из основных задач в проектировании МПА является стремление к уменьшению габаритных размеров и увеличению частотного диапазона работы антенны. Использование вместо излучателей обычных геометрических форм микрополосковых излучателей, основанных на замедляющих системах, таких, как спираль или меандр, позволяют уменьшить габаритные размеры антенны при условии излучения электромагнитных волн с прежней длинной волны. Далее будут рассмотрены основные параметры и характеристики замедляющих систем, на которых базируется конструкция предложенной в работе антенны.

4.1 Замедляющие системы. Виды, характеристики и параметры

Замедляющей системой (ЗС) называются линии, где распространяются ЭМ волны, имеющие фазовую скорость меньшую чем скорость света в свободном пространстве. Отношение скорости света в свободном пространстве к фазовой скорости волны называется коэффициентом замедления. Также коэффициент замедление можно выразить через отношение длины волны в свободном пространстве к длине волны замедленной в линии.

Еще одним важным параметром ЗС является фазовая постоянная. Она выражается по формуле 9.

Одной из основных характеристик замедляющих систем является дисперсионная характеристика. Дисперсией ЭМ волн называют зависимость фазовой скорости волны от частоты . Есть несколько видов дисперсии: нормальная, аномальная, положительная и отрицательна. Подробное описание каждого вида можно прочитать в книге [8]. Существуют несколько способов графического представления дисперсионных характеристик. Самыми удобными являются следующие 2:

1. На графике изображается зависимость волнового числа свободного пространства k от фазовой постоянной ЗС в.

2. На графике строится зависимость коэффициента замедления от длины волны в свободном пространстве .

Рис.7. Способ построение дисперсионной характеристики

Спиралевидные и меандровые замедляющие системы являются периодическими, поэтому далее перейдем к рассмотрению периодических замедляющих систем.

В общем случае периодическую замедляющую систему можно представить, как ЗС состоящую из отрезков однородной линии, в которую на равных расстояниях вставлены одинаковые неоднородности. Вид эквивалентной схемы такой системы представлен на рисунке 8.

Рис.8. Эквивалентная схема периодической ЗС.

После рассмотрения поля в периодической замедляющей системе (уравнение 10) становится понятно, что оно не может быть представлено единственной бегущей волной и требует рассмотрения целого множества волн, которые бегут по линии в обе стороны.

Такие волны имеют одинаковую частоту, но при этом различаются по фазе. Фазовые постоянные описываются выражением 11.

Эти волны называют пространственными гармониками. Их существование является характерной чертой для периодических замедляющих структур. Из формулы 11 видно, что чем больше номер гармоники p, тем больше фазовая постоянная, а отсюда следует уменьшение фазовой скорости гармоники . Ту гармонику, которая имеет наибольшую фазовую скорость называют основной волной. Это соответствует случаю, когда p=0.

На рисунке 9 представлен вид спиральной (а) и меандровой (б) замедляющей системы.

Рис.9. Вид спиральной ЗС(а) и меандровой ЗС(б)

4.2 Антенна на основе замедляющей системы типа меандр

Выбор меандровой структуры для конструкции микрополоскового излучателя на ее основе обусловлен тем, что спиральные антенны хуже подходят для работы в RFID диапазоне 860-940 МГц в силу того, что круговая поляризация, образующаяся вблизи структуры антенны, в дальней зоне вырождается в линейную. Это мешает нормальной работе антенны в RFID устройствах. Вид антенны с одним МПИ на основе меандровой линии представлен на рисунке 10.

Рис.10. Антенна на основе меандр линии

Сконструированная таким образом антенна решает сразу несколько поставленных задача таких как: уменьшение габаритных размеров МПА и создание широкополосной МПА. Уменьшить габаритные размеры антенны позволили экспериментально полученные дисперсионные характеристики для меандровых замедляющих систем [9]. Коэффициент замедления равномерно изменялся от 6-8 в рабочем диапазоне частот для меандровой линии. Благодаря этому стало возможным прямо пропорционально коэффициенту замедления уменьшить размеры структуры при сохранении электрической длинны [10]. Как видно из рисунка 9, период у такой структуры переменный и увеличивается к периферийной области. Это позволяет сохранить антеннам свойства бесконечных периодических структур и являться частотно независимыми. Исследуемая в работе антенна состоит из 4 подобных МПИ на основе меандра, симметрично расположенных по окружности. Топология антенны представлена на рисунке 11.

Рис.11. Топология исследуемой антенны

Антенна состоит из 4 полуволновых вибраторов, у каждого из которых ширина в центре равна л/4. Помимо меняющегося периода в структуре этой антенны также изменяется ширина микрополоска. Она уменьшается от центра к периферийной области. Это позволяет лучше согласовать антенну с окружающим пространством и питающей линией, а также уменьшить изрезанность диаграмм направленности. Данная антенна возбуждается в центре с помощью коаксиального кабеля, а ее излучение складывается за счет интерференции волн от всех 4 излучателей. Микрополосковые излучатели и экран антенны выполнены из меди толщиной 35 микрометров. Подложка выполнена из поликора с относительной диэлектрической проницаемостью 9.8-9.9 и толщиной 1 миллиметр. Общие габариты такой антенны не превышают 200 на 200 миллиметров.



5 Моделирование антенны

5.1 Программные средства для моделирования антенн

Существует большое количество различных программ, которые позволяют проводить расчеты СВЧ устройств и антенн. В этой работе будет использована программа, которые являются одной из наиболее популярных для моделирования антенн AWR Design или Microwave Office. Для первоначального моделирования будем использовать пакет EMSight. EMSight - полноволновый электромагнитный вычислитель, основанный на модифицированном методе моментов в спектральной области. Этот метод используется для точного определения параметров много портового рассеяния для преимущественно плоских структур. EMSight может анализировать схемы с неограниченным количеством слоев и неограниченным количеством портов. Схема анализируется внутри многослойного прямоугольного корпуса. Автоматически создается сетка с ячейками с переменным размером ячейки, которая размещает меньшие ячейки в областях с высокими вариациями плотности тока и большие ячейки в областях с более равномерными колебаниями тока. Корпус представляет собой коробку с заземленными боковыми стенками, которые ограничивают область анализа. Свойства корпуса описывают размеры и разрешение прямоугольного корпуса. Разрешение также определяет сетку рисования для структуры. Пакет EMSight выполняет расчет с помощью метода моментов Галеркина и метода быстрого переноса по частоте.

Пакет программ предоставляет следующие возможности:

· Моделирование и расчет линейных и нелинейных цепей;

· Моделирование и расчет микрополосковых конструкций;

· Построение графиков различных характеристик;

· Возможен анализ сразу нескольких СВЧ конструкций и их соединений;

· Построение диаграмм направленности в ближней и дальней зоне;

Плюсы:

· Широкий набор функций для моделирования;

· Поддержка файлов систем Spice и MMICAD;

· Не требует серьезных вычислительных ресурсов;

5.2 Метод моментов

Метод моментов (ММ) является основным при решении задач расчета металлических и диэлектрических структур, по которым протекают токи и присутствует излучение в окружающее пространство. Подобные структуры должны быть электрически малыми и чаще всего являются металлами, но также существуют специальные расширения этого метода, которые допускают наличие диэлектриков. Внутри метод основан на решении уравнений Максвелла в интегральной форме и частотной области Основное преимущество этого метода заключается в том, что на малые части разбивается только анализируемая структура, а не все пространство, как во время решения уравнений для нахождения поля в объеме. Граничные условия здесь не нужны, а затраты вычислительных мощностей пропорциональны сложности задачи и частоте. Также в метод моментов были включены следующие дополнения:

· Функции Грина (для моделирования многослойных диэлектрических сред);

· Принцип эквивалентности поверхностей (представление многослойных структур сеткой из треугольных ячеек)

· Принцип эквивалентных объемов (возможность созвать диэлектрические тела с произвольной формой, используя тетраэдральные объемы)

На рисунке 12 наглядно продемонстрированы вышеперечисленные методы. Слева специальные функции Грина для многослойной структуры, в центре принцип эквивалентных поверхностей, а справа принцип эквивалентных объемов.

Рис.12 Иллюстрация дополнительных методов

Считается, что, используя численные методы на основе метода моментов, можно поднять точность проектирования. Основная идея метода состоит в приведении функциональных уравнений задачи о возбуждении структуры элементарными источниками тока с применением функции Грина к матричным уравнениям, а затем решению их известными способами. Задача дифракции электромагнитных волн на идеально проводящей поверхности описывается уравнением 12.

Здесь L-это линейный интегральный оператор, а интегрирование происходит по поверхности дифракции; j-плотность тока, текущего по поверхности; е-первичное электрическое поле на поверхности дифракции. Будем решать уравнение 12 методом моментов. Для этого возьмем две системы базисных функций, которые являются полными в некотором функциональном пространстве:

Далее разложим неизвестную функцию по базису:

Затем подставим это выражение в формулу 12 и умножим обе части на . В результате получаем систему линейных алгебраических уравнений 14.

Решив эту систему и найдя коэффициенты , подставим их в 13 и найдем приближенное значение плотности тока. В этом суть решения функциональных уравнений при использовании метода моментов.

В последнее время для решения задач электродинамики также применятся быстрый метод моментов. Этот метод основывается на комбинации преобразования систем линейных алгебраических уравнений с применением матричных разложений. Применяется сингулярное разложение и итерационные методы нахождения коэффициентов матричных уравнений метода моментов, которые позволяют найти электрическое поле на поверхности.

5.3 Задачи исследования и моделирования

Основной задачей данной работы является исследование микрополосковой мультипольной антенны для RFID технологии, обладающей малыми габаритными размерами и способной работать в широком диапазоне частот. В ходе исследования будут разработаны несколько конструкций антенны с различными параметрами и построены их диаграммы направленности. Будет определена конструкция антенны с наилучшими характеристиками и далее для нее будет сконструирована схема согласования и построены графики параметров согласования т.е. коэффициента отражения (S11) и коэффициента стоячей волны (КСВН).

5.4 Моделирование в AWR Design

Для проектирования антенны целесообразно использовать электромагнитное моделирование. Далее поэтапно расписаны действия, которые необходимы для конструирования антенны, ее моделирования и получения результатов.

1) Задается корпус антенны;

2) Задаются материалы, которые будут использоваться для диэлектриков и проводников;

3) Задаются слои, в которых будут находится части антенны (проводник, диэлектрик, экран), и их толщина;

4) Рисуется конструкция самой антенны в нужном слое, используя необходимые материалы;

5) Задаются точки возбуждения ЭМ структуры т.е. порты;

6) Выбирается частотный диапазон для симуляции антенны и выводятся основные характеристики;

Меандровый излучатель вписан в равнобедренный треугольник со стороной 100 миллиметров и основанием 60 миллиметров. Ширина микрополоска в центре 3.6 миллиметра. Толщина поликоровой подложки равна 1 миллиметру, а диэлектрическая проницаемость 9.8. Для начала исследования сконструируем антенну, у которой не будет меняться ни ширина микрополоска, ни период структуры. Вид такой антенны представлен на рисунке 13.

Рис.13. Конструкция антенны без изменения параметров



Рис.14. Нормированные диаграммы направленности антенны в плоскости XZ(слева) и XY(справа). Синим цветом выделена левосторонняя, а розовым правосторонняя поляризация

На рисунке 14 представлены диаграммы направленности антенны, у которой не меняются период и ширина полоска. PPC LHCP(Principal Plane Cut Left-Hand Circular Polarization) - это измерение, также известное как срез основной плоскости или развертка в круговой левосторонней поляризации, фиксирует значения частоты при изменении от -90 до 90 градусов (от -р / 2 до р / 2 радиан), если существует бесконечность плоскость заземления ниже антенны или от 90 до 270 (от р / 2 до 3р / 2 радиан), если над антенной есть бесконечная плоскость заземления, или от -180 до 180 (от -р до р радиан), таковая отсутствует. Левая круговая поляризация - это линейная комбинация и , определяемая следующим образом:

PPC RHCP (PPC Right-Hand Circular Polarization) - это измерение известно как срез основной плоскости или развертка в круговой правосторонней поляризации. Определяется также, как и левосторонняя поляризация за исключением направления вращение вектора (в первом случае в левую сторону, а здесь в правую). На графиках 13 поляризационные характеристики для плоскости XZ построены под углом .

Сon LHCP (Conic Cut or Phi Sweep in Left Hand Circular polarization) - это измерение фиксирует угол и изменяет значения угла для нахождения линейной комбинации полей и . Con RHCP такое же измерение, за исключением направления вращения вектора. На рисунке 13 поляризационные характеристики для плоскости XY построены под углом .

Далее промоделируем антенну добавив изменение периода структуры. Вид антенны с изменяющимся периодом представлен на рисунке 15.

Рис.15. Конструкция антенны с непостоянным периодом

Диаграммы направленности такой антенны показаны на рисунке 16.

Рис.16. Нормированные диаграммы направленности антенны в плоскости XZ(слева) и XY(справа)

В третьем случае у антенны будет меняться как период, так и ширина микрополоска. Ее конструкция была показан на рисунке 11 выше. Диаграммы направленности приведены на рисунке 17.

Рис.17. Нормированные диаграммы направленности антенны в плоскости XZ(слева) и XY(справа)

Так как антенна является частотно независимой и ее основные характеристики в рабочей полосе частот почти не изменяются, ДН приводятся безотносительно конкретной частоты. После проведенного моделирования видно, что антенна, у которой от центра к периферии изменяются параметры, обладает лучшими поляризационными характеристиками. Диаграммы направленности более гладкие, а также более заметно преимущество левосторонней поляризации над правосторонней. Это позволяет говорить об улучшенных кросс поляризационных свойствах такой конструкции. Далее проведем дополнительное моделирование для дальнейшего улучшения поляризационных характеристик. В ходе перерасчета антенны ширина в центре составляет 3.4 миллиметра, а толщина подложки была увеличена до 1.6 миллиметра.

Рис.18. Нормированные диаграммы направленности антенны в плоскости XZ(слева) и XY(справа) после перерасчета

5.4.1 Согласование антенны с питающей линией

Согласование антенны с питающей линией (фидером) является важной и трудной задачей во время конструирования приемо-передающей аппаратуры. К фидерам, как и к антеннам предъявляются определенные требования такие как:

1. Отсутствие антенного эффекта;

2. Передача энергии от передатчика к антенне с минимально возможными потерями;

3. Необходимый уровень согласования;

4. Электрическая прочность;

5. Определенная полоса рабочих частот;

К основным параметрам фидеров можно отнести КПД, КСВ, КБВ, максимальная допустимая мощность и волновое сопротивление.

Согласование антенны напрямую с стандартным 50 омным кабелем представляет некоторые трудности поэтому было принято решение построить дополнительную схему согласования. Она может быть представлена в двух вариантах. Первое согласующие устройство будет реализовано на элементах с распределенными параметрами, а именно на отрезках микрополосковых линий передач с определенной длинной и волновым сопротивлением. Согласующее устройство представлено на рисунке 19.

Рис.19. Согласующее устройство на отрезках микрополосковых линий

Далее на рисунке 20 представлены параметры согласования антенны: коэффициент стоячей волны (КСВН\VSWR) и коэффициент отражения S11.

Рис.20. Параметры согласования. КСВН (слева) и коэффициент отражения (справа)

Коэффициент стоячей волны по напряжению определяется по следующей формуле:

Здесь коэффициент отражения от входа. S11 или коэффициент отражения является одним из параметров матрицы рассеяния многополюсника (S-scattering или рассеяние). Свойства многополюсника можно описать с помощью системы из N уравнений, которые связывают комплексные амплитуды отраженных и падающих волн. Далее приведена система для двух портового устройства:

Здесь a - это амплитуды волн, входящих в устройство, а b амплитуды волн, отраженных от входа.

Как видно из графиков КСВН в рабочей полосе частот не превышает 1.23, а отражение меньше -20 децибел, что соответствует отражению меньше 1%. Это говорит возможности хорошего согласования антенны с 50 омным входом. Также реализовать согласующее устройство можно и на сосредоточенных элементах таких, как катушки индуктивности и конденсаторы. Согласующее устройство такого типа представлено на рисунке 21, а параметры согласования на графиках на рисунке 22.

Рис.21. Согласующее устройство на сосредоточенных элементах

Рис.22. Параметры согласования. КСВН (слева) и коэффициент отражения (справа)

Характеристики при таком согласующем устройстве обладают более крутыми спусками, но само согласование по-прежнему является оптимальным. КСВН в области рабочих частот не поднимается выше 1.8.

5.5 Результаты моделирования

В результате моделирования были получены диаграммы направленности и характеристики согласования нескольких конструкций мультипольной микрополосковой антенны. Антенна, исследуемая в работе, обладает выраженной левосторонней круговой поляризацией. Оптимальной оказалась конструкция антенны, в которой изменяется ширина и период структуры. У такой антенны улучшенные кросс поляризационные характеристики, равномерные диаграммы направленности и широкий рабочий диапазон частот. Дополнительно были построены две согласующих схемы, которые показали возможность оптимального согласования антенны в рабочем диапазоне частот.



Заключение

В ходе данной работы были изучены основные параметры и методы расчета микрополосковых антенн. Была исследована мультипольная микрополосковая антенна для систем радиочастотной идентификации. Микрополосковые излучатели антенны, выполненные на основе замедляющих систем в виде меандр линий, позволили уменьшить ее габаритные размеры, не изменяя при этом рабочей полосы частот 866-915 МГц. При этом квадрупольная антенна обладает выраженной левосторонней круговой поляризацией равномерными диаграммами направленности и улучшенными кросс поляризационными характеристиками.

Во время моделирования было выявлено то, как влияют особенности конструкции антенны на ее характеристики. Так, линейное уменьшение ширины микрополоска от центра к периферийной области улучшает согласование антенны с окружающим пространством и питающей линией, а диаграммы направленности становятся равномерными, без сильной изрезанности. Изменение периода структуры позволяет такой антенне оставаться частотно независимой т.е. иметь постоянные параметры в диапазоне рабочих частот. Также были определены наилучшие размеры для ширины микрополоска и толщины подложки.

Проведенное исследование показывает, что квадрупольная микрополосковая антенна на основе меандр линии подходит для использования в системах радиочастотной идентификации в диапазоне 866-915 МГц.



Список сокращений

EM Electromagnetic

IoT Internet of Things

ISM Industrial Scientific Medical

MW Micro Wave

RFID Radio Frequency IDentification

ДН Диаграмма направленности

ЗС Замедляющая система

КНД Коэффициент направленного действия

КПД Коэффициент полезного действия

КСВН Коэффициент стоячей волны по напряжению

КУ Коэффициент усиления

МПА Микрополосковая антенна

МПИ Микрополосквый излучатель

СВЧ Сверхвысокие частоты

УКВ Ультракороткие волны



Список использованных источников

1. Xiaolin Jia, Quanyuan Feng, Taihua Fan, Quanshui Lei. RFID Technology and Its Applications in Internet of Things (IOT). ©2012 IEEE

2. Финкенцеллер К. RFID-технологии. Справочное пособие. ДМК Пресс, 2016 г.

3. Юрцев О.А. Резонансные и апертурные антенны. Методическое пособие в 3 частях. БГУИР 2000 г.

4. Проектирование полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие. Ульяновский государственный технический университет 2001 г.

5. Ю.Е. Мительман. Расчет и измерение характеристик устройств СВЧ и антенн. УФУ Екатеринбург 2016 г.

6. В.Н. Гридин, Е.И. Нефедов, Т.Ю. Черникова. Электродинамика структур крайне высоких частот. Москва, «Наука», 2002 г.

7. Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи. Электродинамические основы автоматизированного проектирования интегральных схем СВЧ. Москва, «Наука», 1980.

8. И. В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Москва, «Высшая школа», 1970г.

9. Елизаров А.А. Кухаренко Д.С. Микрополосковая антенна (варианты): Патент РФ на полезную модель № 68188 // Опубл. в Бюл. №31. 2007.

10. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. Москва, «Радио и связь», 2002 г.

11. Г.А. Ерохин, О.В. Чернов, Н.Д. Козырев, В.Д. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Горячая линия-Телеком, 2007

12. Елизаров А.А. Мультипольная антенна (варианты): Патент РФ № 2514094 // Изобретения. 2014 Опубл. в Бюл. №12.

13. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. Москва, «Радио и связь», 2000 г.

14. Нефедов Е.И., Пономарев И.Н., Семенов Е.С. Расчет согласующих устройств линий передачи с активными нагрузками. ВолГУ, 2008 г.

15. Руководство по MMIC NI AWR Design Environment ver. 14. ©2018

16. Дмитриев Е.Е. Основы моделирования в Microwave Office. 2011 г.

17. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. МЭИ 2011 г.

Размещено на Allbest.ru

...