Патч-антенна, изготовление и практика

Господа, в прошлой статье мы обсудили вопросы, касающиеся мобильного интернета: какие стандарты описывают его работу, от чего зависит скорость и стабильность канала, поговорили про модуляции. И, как вы помните, в тот раз мы пришли к выводу, что для увеличения скорости мобильного интернета может быть полезна направленная антенна. Сегодня я расскажу про то, как проходила разработка этой самой антенны.

Конечно, вы мне можете возразить: «MyElectronix, послушай, зачем ты этим занялся? В продаже есть огромное количество отличных патч-антенн для 3G и 4G диапазонов с отличными характеристиками и по смешной цене». На это, казалось бы, разумное утверждение у меня есть целый ряд веских возражений.

Во-первых, давайте поговорим про коэффициент усиления антенны. Да, продавцы его обычно указывают. Но насколько реальны эти цифры? В некоторых магазинах я видел предложения антенн, которые имели по 30 дБ усиления или даже больше . И это были не зеркальные антенны, а весьма небольшие решетки из патчей. Те, кто хотя бы немного понимает в СВЧ-технике, скажут вам, что такие цифры по усилению просто невозможно реализовать в небольших размерах планарной антенки. По крайней мере с теми материалами, что есть на текущий день. Очевидно, это просто наглый обман покупателя и попытка впарить продукт, который не соответствует описанию. Продавцы пользуются тем, что обычный человек не имеет специальных приборов и не сможет проверить достоверность указанных цифр, а зачастую рассуждает, что раз у этой антенны такой большой коэффициент усиления, то она самая лучшая.

Во-вторых, давайте не будем забывать про рабочуюполосу частот антенны. Очевидно, антенна должна иметь полосу не меньше, чем полоса полезного сигнала 3G или 4G. Чему равна полоса в каждом из диапазонов мы подробно обсуждали в прошлый раз. Особенно же нам интересна зависимость коэффициента усиления антенны от частоты. Во всей рабочей полосе антенны должен сохраняться высокий коэффициент усиления! Должен-то должен, но… продавцы обычно не предоставляют графика зависимости коэффициента усиления от частоты! Везде есть только одна цифра. То есть пишут, например, что антенна имеет коэффициент усиления 15 дБ. А 15 дБ это, простите, где? На центральной частоте? По краям? Или еще где? Ответов нет… Соответственно, нет никакой возможности делать прогнозы по поводу работоспособности данной антенны во всем диапазоне частот…

В-третьих, продавцы не предоставляют результаты измерений параметров их антенн. Хотелось бы видеть реальные диаграммы направленности, снятые в безэховой камере, или хотя бы параметры антенны, измеренные векторным анализатором цепей. В лучшем случае приводятся теоретические картинки, вызывающие к тому же большие сомнения. На одном сайте, например, была приведена абсолютно одна и та же картинка диаграммы направленности для совершенно разных антенн. Очевидно, у продавцов есть только одна эта картинка и они пихают ее везде для придания солидности, с надеждой, что среднестатистический пользователь не будет вникать в параметры диаграммы направленности.

Ну и наконец, в-четвертых (пожалуй, едва ли не самый значимый для меня пункт), мне просто было интересно поставить себе задачу спроектировать свою собственную антенну для мобильного интернета и воплотить ее в жизнь .

Итак, этих причин мне хватило, что б заняться разработкой своей собственной антенны. Обещаю, что для моей антенны я приведу как все теоретические графики, так и измерения параметров антенны с помощью приборов: таким образом, мы проверим насколько теория сходится с практикой. Кроме того, обязательно будут тесты антенны при работе на реальный 4G сигнал.

Итак, я занялся разработкой собственной антенны для мобильного интернета. Важно понимать, что сделать одну универсальную планарную антенну на все диапазоны 3G и 4G с хорошими характеристиками практически невозможно. Нельзя обеспечить одновременную эффективную работу антенны с большим коэффициентом усиления во всех диапазонах (880…950) МГц, (1920…2170) МГц, (791…862) МГц, (1710…1880) МГц, (2500…2690) МГц. Те, кто обещает, что, мол, их антенна одинакова хороша в любом из этих диапазонов и дает там усиление в десятки децибел – наверняка врет. В принципе, можно сделать набор антенн, каждая из которых будет хорошо работать в своем диапазоне и потом свести их вместе с помощью сплиттера. Но это неизбежно повлияет на стоимость антенны и ее габариты, поэтому я отказался от этого способа. По крайней мере на данном этапе. Вместо этого я выбрал для себя один диапазон 4G и сделал антенну исключительно под него. Я выбрал диапазон LTE B38 (2500…2690) МГц. Да, моя антенна будет хорошо работать только в этом диапазоне, но я могу гарантировать, что этот диапазон будет полностью закрыт и во всем нем будет высокий коэффициент усиления антенны.

Как оказалось, спроектировать антенну, которая будет эффективно работать даже только в одном диапазоне, не так уж и просто. Сейчас я кратко опишу путь, который пришлось преодолеть.

Прежде всего, господа, взгляните на рисунок 1. На нем показано схематичное изображение антенной решетки из четырех излучателей (патчей). Что-то типа этого мы должны получить в результате всей работы. Для избежания путаницы с терминологией в дальнейшем под словом «антенна» я буду понимать антенную решетку, а под словом «патч» – один единственный излучатель этой антенной решетки.

Рисунок 1 – Антенная решетка

Господа, раз уж мы сегодня занимаемся разработкой патча, давайте посмотрим поближе, что он из себя представляет. Взгляните на рисунок 2.

Рисунок 2 – Патч

Патч обычно представляет собой эдакую двухстороннюю печатную плату. На одном слое расположен непосредственно излучатель. На рисунке 2 он имеет прямоугольную форму со сторонами А и B, но это совершенно не обязательно. Форма может быть шести- или восьмиугольная, круглая, овальная, да вообще какая угодно. Тут богатое поле для творчества разработчика. Играясь с формой излучателя можно изменять параметры антенны: резонансную частоту, поляризационные характеристики и другие.

На параметры антенны, а особенно на ее входное сопротивление, оказывает сильное влияние положение точки запитки патча – место, к которому подводится или откуда снимается сигнал, излученный/принятый антенной. Тут тоже есть с чем поиграться. На рисунке 1 изображен простейший случай, когда полосок для запитки непосредственно примыкает к одной из сторон патча, но на деле это может быть совсем не так. Полосок запитки может отделяться от патча вырезами различной формы, предназначенными для согласования сопротивлений. Или, например, резко уходить на другой слой в какой-то заведомо рассчитанной точке излучателя. Об этом мы поговорим позднее.

На нижнем слое печатной платы расположен земляной полигон – сплошной слой меди, подключенный к земле схемы. Вообще говоря, его может и не быть, но чаще все-таки он бывает.

Наконец, на параметры антенны оказывает влияние толщина H и материал диэлектрика. При проектировании антенны следует тщательно выбирать СВЧ-материал, исходя из рабочей частоты, допустимых потерь в диэлектрике, ну и суммы денег, которые вы готовы выложить за него, потому что качественные СВЧ-материалы обычно стоят дорого .

C чего лучше начинать проектирование патч-антенны? Первым делом надо определить первое приближение размеров его сторон. Как это сделать? Существует простое эмпирическое правило: размер излучателя патч-антенны примерно равен половине длины волны. Как нам посчитать эту величину? Очень просто. Существует всем известная еще со школьных времен формула, которая связывает скорость распространения радиоволн (фактически скорость света), частоту и длину волны. Скорость света – известная величина, она равна примерно 300000 км/с. Следует отметить, что эта цифра верна для вакуума. В нашем же случае электромагнитная волна распространяется в диэлектрике, ну, то есть в материале нашей печатной платы. При таких условиях скорость электромагнитной волны будет другой и это обязательно надо учесть. Это учитывается путем деления длины волны в вакууме на квадратный корень из диэлектрической проницаемости материала. Итак, формула для длины волны имеет вид

где λ – искомая длина волны, с – скорость света, f – частота сигнала, ε – диэлектрическая проницаемость материала.

Таким образом, мы уже можем получить первое приближение размеров нашего патча:

Мы уже можем подставить конкретные числа и вычислить интересующие нас размеры. Скорость света с, как уже говорилось, равна 3·10⁸ м/с, частоту возьмем f = 2,6 ГГц (центр нашего диапазона LTE B38), а диэлектрическую проницаемость материала печатной платы выберем равной ε = 4,3 (типичная величина для широко распространенного материала FR-4). Таким образом, получаем, что излучатель должен иметь размеры

Господа, прежде чем продолжать дальнейший разговор, давайте рассмотрим основные параметры, которые нас интересуют в патче. В патче, собственно, нас будет интересовать две вещи: параметр S11 и коэффициент усиления патча в нашей рабочей полосе.

Про параметр S11 вы можете подробно почитать в интернете, загуглив что-то типа «S-параметры». Материала в инете на эту тему много. Если же говорить предельно простым крестьянским языком, то параметр S11 – это показатель того, насколько сильно волна будет отражаться от нашего антенного входа (когда волновые сопротивления не согласованы, имеет место быть отраженная волна, потому что не вся энергия передается в антенну). Измеряется он в децибелах. Если S11 близок к нулю, то это значит, что практически вся энергия, которую мы подаем по кабелю в антенну, отражается от ее входа. В антенну, соответственно, ничего не поступает. Это плохо и числа S11 близкие к нулю нас не устраивают. Нас будут устраивать S11 = (-8…-10) дБ или меньше. Короче, чем более S11 отрицательный, тем лучше. При этом он должен быть таким во всей рабочей полосе частот антенны.

Про коэффициент усиления антенны, наверняка, вы уже где-то слышали раньше. Им любят козырять продавцы антенны, показывая, какой он у них большой. Измеряется он также в децибелах. Любят свч-шники их, ничего не поделаешь . Итак, если мы получим коэффициент усиления нашего патча в районе 3 дБ будем считать, что это неплохой результат, а если в районе 5 дБ, то хороший. Заметьте, господа, я сейчас говорю про коэффициент усиления одного патча! В случае решетки коэффициент усиления будет заметно больше. Собственно, только для этого мы и делаем решетку.

Итак, господа, на рисунке 3 изображен патч с размерами 28*28 мм.

Рисунок 3 – Патч с размерами в четверть длины волны (28 мм)

Рассчитаем зависимость параметра S11 от частоты для патча, изображенного на рисунке 2. Результат расчета дает следующий график (рисунок 4).

Рисунок 4 – График S11 для патча со сторонами 28 мм

Как видим, параметры на рисунке 4 не совсем радужные. Во-первых, мы не попали точно в частоту. Вы же помните, что мы считали антенну на 2,6 ГГц, а минимальное значение S11 (как раз в этой точке патч резонирует) у нас получилось на частоте 2,42 ГГц. Ну да это мелочи. Сдвиг данной частоты осуществляется простейшим образом: надо чуть изменить размеры патча. Поскольку у нас получилась резонансная частота меньше расчетной, нам надо немного уменьшить стороны нашего патчика. Это приведет к тому, что он будет резонировать на более высокой частоте. В общем, это все не страшно и легко решается. Гораздо хуже другое: как вы можете видеть, резонансный пик на рисунке 3 очень узкий. Это значит, что рабочая полоса нашего патча получилась тоже очень узкой. Вы помните, что нам нужна полоса на весь диапазон LTE B38, а это без малого 200 МГц. Здесь же мы получили полосу всего лишь 50 МГц (если смотреть по уровню -10 дБ коэффициента S11). Что ж делать-то?.. Я пробовал различные способы: по-хитрому подключать точку запитки, менять форму патча, делать разные вырезы в нем, что по идее должно привести к расширению его полосы. Некоторые варианты патчей приведены на рисунках 5-7.

Рисунок 5 – Первый вариант патча

Рисунок 6 – Второй вариант патча

Рисунок 7 – Третий вариант патча

Отмечу, что это лишь некоторые из большого числа конфигураций, которые я перепробовал. Все было тщетно и полоса никак не расширялась. Наилучший график коэффициента S11, который мне удалось получить, представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 – Наилучший S11, который удалось получить

Как мы видим из этого рисунка, мне удалось достичь резонанса на 2,6 ГГц, то есть как раз в центре нашего рабочего диапазона. S11 на этой частоте получился -14 дБ, что довольно-таки неплохо. Рабочая же полоса этого патча получилась все так же порядка 50 МГц (2,56…2,61) ГГц. Видим, что мы никак не укладываемся в требуемый диапазон (2,5…2,69) ГГц. На частоте 2,5 ГГцS11 =-4 дБ, а на частоте 2,7 ГГц он равен вообще всего лишь -2,55 дБ.

Но может быть это не страшно? Подумаешь, какой-то там S11! Вдруг коэффициент усиления не связан с ним и будет высоким? Давайте убедимся, что это не так. На рисунках 9-11 я представил графики коэффициента усиления (ну то есть фактически диаграммы направленности) антенны на трех частотах: 2,6 ГГц, 2,5 ГГц и 2,7 ГГц.

Рисунок 9 – Диаграмма направленности патча на частоте 2,6 ГГц

Рисунок 10 – Диаграмма направленности патча на частоте 2,5 ГГц

Рисунок 11 – Диаграмма направленности патча на частоте 2,7 ГГц

Как видим из этих рисунков, на частоте 2,6 ГГц у нас вполне себе неплохая диаграмма направленности нашего патча. В пике мы имеем коэффициент усиления 3,8 дБ. Это в целом нормально, потому что мы условились считать все коэффициенты усиления выше 3 дБ приемлемыми. На всякий случай еще раз напомню, что речь идет про коэффициент усиления одного патча, а не всей антенной решетки. На частоте 2,5 ГГц ситуация уже хуже: наш коэффициент усиления равен 2,47 дБ. А на частоте 2,7 ГГц вообще полный атас: коэффициент усиления всего лишь 0,8 дБ! Как видим, эти числа полностью коррелируют с графиком S11.

Итак, это лучшее, что мне удалось выжать из патча, построенного по структуре, изображенной на рисунке 2. Результат совершенно меня не удовлетворил, хотя и был ожидаем. Дело в том, что обычные патч-антенны на стеклотекстолите славятся своей узкополостностью. Тем не менее, прежде чем придумывать что-то новое, я должен был проверить максимально простой вариант конструкции. К сожалению, он получился не самым удачным. И я стал думать, как же быть дальше? Как одновременно сохранить антенну в печатном исполнении и выжать из нее максимально хорошие параметры?.. За период размышлений было выпито немало чашек зеленого и черного чая, набросано различных вариантов построения антенны, но в конце концов мне удалось найти удачное решение. Я решил построить антенну по схеме с воздушным диэлектриком!

Господа, в данном решении нет чего-либо принципиально нового с точки зрения науки. Но что касается меня, то я такую антенну делал впервые. И никто из моих знакомых-электронщиков похожие антенны тоже не делал. Так что я совершенно не представлял, чем может закончиться данный эксперимент, но тем было интереснее его провести. Вы спросите меня – а в чем тут суть? Господа, суть данной антенны очень проста и она изображена на рисунке 12

Рисунок 12 – Структура антенны с воздушным диэлектриком

Что мы видим на рисунке 12? Мы видим две печатные платы, расположенные на некотором расстоянии d друг от друга. И в этом-то расстоянии d заключается вся фишка!  Между платами, понятное дело, самый обычный воздух, который окружает нас. На верхней плате расположен непосредственно излучатель, который излучает и принимает сигналы нашего 4G диапазона. Опорный земляной полигон же расположен в этом случае на второй, нижней, плате. В этом главное отличие данной конструкции патча от того, который изображен на рисунке 2. На рисунке 2, как вы можете видеть, опорный земляной полигон находится просто на другой стороне печатной платы излучателя. Здесь же между ними находится воздух! И это, господа, позволяет очень существенно расширить рабочую полосу антенны. СВЧ-энергия подводится и отводится от патча с помощью короткого отрезка медной проволоки, которая пронизывает обе печатные платы.

Господа, не буду утомлять вас различными итерациями расчетов, которые я проводил, а лучше сразу представлю вашему вниманию финальный результат патча, который у меня получился. Он изображен на рисунке 13.

Рисунок 13 – 3D модель патча с воздушным диэлектриком

Основные размеры данного патча приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры патча с воздушным диэлектриком на диапазон (2,5…2,7) ГГц

Разберем подробнее, на что влияет каждый из параметров.

Параметр А и В определяют размеры патча. Они влияют в первую очередь на резонансную частоту патча. В результате расчетов получилось, что резонансная частота соответствует требуемой при A=B=40 мм.

Параметр H это толщина печатной платы. Поскольку у нас в роли диэлектрика выступает воздух, то этот параметр желательно минимизировать для снижения потерь СВЧ энергии в диэлектрике (логично, что чем толще диэлектрик, тем больше в нем потерь). Однако его нельзя делать слишком тонким: должна обеспечиваться необходимая жесткость конструкции. Кроме того, производитель печатных плат должен иметь возможность изготовить печатную плату данной толщины. Исходя из всех этих особенностей, была выбрана толщина печатной платы H=1,6 мм.

Параметр d – это расстояние между двумя печатными платами антенны. Или, с другой стороны, толщина воздушного диэлектрика. Чем этот параметр больше, тем шире полоса антенны. Однако при слишком большом расстоянии начинает падать коэффициент усиления антенны. Компромиссной величиной оказалась d = 8 мм.

Величина p – это сдвиг точки запитки относительно центра патча. Этот сдвиг влияет на входное сопротивление антенны. Я настраивал свой патч таким образом, чтобы его входное сопротивление было 100 Ом. Почему так – разберем чуть позже. Требуемое сопротивление было получено при p = 17 мм.

Итак, господа, мы разобрали конструктивные особенности нашего патча. Осталось только привести графики параметра S11 и диаграммы направленности. Они изображены на рисунка 14 и 15.

Рисунок 14 – S11 патча с воздушным диэлектриком

Рисунок 15 – ДН патча с воздушным диэлектриком

Как видим из рисунка 14 у нас существенно выросла рабочая полоса патча. Если смотреть по уровню -10 дБ коэффициента S11, она стала почти 150 МГц. Да, вы можете возразить, что все равно чуть-чуть не хватает для покрытия всего диапазона. Однако, забегая вперед, скажу, что когда мы соберем решетку целиком, перекрытие у нас будет полное: из-за дополнительных потерь добротность системы понизится, что приведет к небольшому расширению полосы.

Если смотреть на диаграмму направленности патча, тут вообще все замечательно: коэффициент усиления достигает аж 8,3 дБ.

Как мы видим, построение антенны по схеме с воздушным диэлектриком хорошо всем: во-первых мы получили большой коэффициент усиления нашего патча, а во-вторых – обеспечили широкую рабочую полосу. Но есть у этого способа и недостатки. Первый недостаток – это большие габариты нашего патча (и, как следствие, всей антенной решетки). Сравните их сами: в первом случае у нас получились размеры патча менее 28 мм, тогда как сейчас – все 40мм. Плюс не следует забывать, что толщина также выросла чуть ли не на 10мм. И второй недостаток – потребуется заказать уже не одну, а целых две печатные платы, что неизбежно повлияет на стоимость изделия. Однако не смотря на эти недостатки, получившиеся параметры были весьма хороши, поэтому я решил остановиться на этом варианте.

Таким образом, господа, мы сконструировали патч, который полностью перекрывает наш диапазон 4G LTE B38 (2500…2690) МГц. Следующим шагом будет создание антенной решетки на основе данного патча. Но об этом в следующей статье. На сегодня все, господа. Спасибо, что прочитали, надуюсь, кому-нибудь это будет полезно.

Social button for Joomla