Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНОК РУПОРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ 2,4 ГГц

Авторы:
Город:
Екатеринбург
ВУЗ:
Дата:
07 марта 2016г.

С развитием сетей передачи данных и ростом числа потребности в их использовании постоянно увеличивается количество издаваемых, как международными организациями, так и правительствами различных стран, стандартов и регламентов. Как правило, тенденция появления новых регламентирующих документов в области связи вызвана не только техническим прогрессом и направлением хозяйственной деятельности предприятий, но и физическими ограничениями на повсеместное использование. Наглядный пример, разделение спектра частот по диапазонам, которые в свою очередь делятся по каналам. Данный принцип осуществлен в стандарте IEEE 802.11. В диапазоне частот от 2400 МГц до 2500 МГц размещено четырнадцать частотных каналов Wi-Fi. В Российской Федерации используются только тринадцать частотных каналов Wi-Fi. Это вызвано вследствие выделения частот последнего частотного канала Wi-Fi для автомобильных радаров. Беспроводной маршрутизатор, точка доступа, беспроводной адаптер и другие устройства, предназначенные для сетей Wi-Fi, имеют в комплекте антенну. Антенна предназначена излучать и принимать электромагнитные волны в пространстве. Конструкция той или иной антенны влияет на радиус действия беспроводной сети. Основная проблема антенн в недостаточно большой зоне покрытия. Казалось бы, увеличив мощность передатчика, можно решить проблему, но мощность передачи сигнала в свободном пространстве, для создания сети Wi-Fi без оформления лицензии, ограничена, не более 100 мВт. Чтобы увеличить дальность и/или задать зоны покрытия, нужно устанавливать специфичные антенны, которые имеют определенный коэффициент усиления и диаграмму направленности. Антенны, применяемые для точек доступа, как правило, являются штыревыми, то есть сигнал распространяется равномерно во все стороны. Таким образом, антенны излучают энергию электромагнитной волной на 3600. Однако эффективность на различных направлениях распространения неодинакова и зависит от диаграммы направленности. Идеальный источник электромагнитных волн с равномерным распределением энергии по всем направлениям называется изотропным излучателем. Графическое представление зависимости напряженности поля от направления называется диаграммой направленности. Диаграмма направленности описывается вектором, исходящим из начала координат. Длина вектора отображает количество передаваемой энергии. Направление с максимальным излучением называется главным лепестком, противоположное этому направлению излучение называется обратным лепестком. Все остальные неоднородные излучения называются боковыми лепестками. Направления, на которых антенна не излучает сигнал, называется нулями диаграммы направленности. Основной характеристикой диаграммы направленности является ширина лепестка, при котором коэффициент усиления отличается от максимального значения на 3 дБ. Зависимость между коэффициентом усиления и шириной диаграммы следующая: чем меньше усиление, тем шире диаграмма, и наоборот. Коэффициент усиления антенны не увеличивает мощность передаваемого сигнала, потому что необходимую для усиления энергию пассивному устройству взять неоткуда. Коэффициент усиления отражает разницу между плотностью потока энергии, излучаемого антенной, и плотностью потока энергии, излучаемого  изотропной антенной. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи). Цель данной исследовательской работы определить влияния, которые оказываются на основные параметры излучения, такие как диаграмма направленности, от толщины стенок рупора. Для частоты эксперимента все параметры для рупора задаются константами, кроме самой толщины стенок. Одним из инструментов, позволяющих выполнить проектирование высокочастотного или сверхвысокочастотного устройства, рассчитать его технические характеристики, провести компьютерный эксперимент, моделирующий условия реального мира, является линейка инструментов для инженерных расчетов, разработанная американской компанией Ansoft, LLC. Технология HFSS позволяет выполнять расчет электрических и магнитных полей, токов, S­параметров и излучений. Процесс выполнения расчета полностью автоматизирован, пользователю необходимо задать геометрические параметры, свойства материалов и желаемый результат. HFSS автоматически строит сеточную модель, соответствующую конкретной задаче. Для решения уравнений электродинамики HFSS используется метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), включающий адаптивное генерирование и деление ячеек. Решения для электромагнитного поля, полученные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики СВЧ­устройства с учетом возникновения и преобразования одних типов волн в другие, потерь в материалах и на излучение и т.д. HFSS предоставляет возможности моделирования антенн, делителей мощности, схем коммутации, волноводных элементов, фильтров СВЧ и трехмерных неоднородностей, описание которых сводится к построению трехмерной геометрической модели, заданию свойств материала, идентификации портов и требуемых характеристик. В результате расчета находятся поля внутри и вне структур, а также многомодовые S­параметры.[1] Для исследования влияния толщины стенок рупора на диаграмму направленности излучения на частоте 2412 МГц зададим задачу на решение в программе Ansys HFSS. В условиях задачи дано: рупор, цилиндрической формы из идеального металлического проводника. Внутри рупора расположен еще один цилиндр, параметр вещества вакуум, радиус внутреннего объекта 2 мм, высота 4 мм со сдвигом по оси Z на 2 мм вниз. Радиус рупора в зависимости от толщины стенки задается суммой радиуса внутреннего объекта 2 мм, плюс динамический параметр t (от 0,5 мм до 3 мм), который характеризует толщину стенок. На конструкцию накладываются граничные условия на излучения с помощью цилиндрического объекта из вакуума и превышающий габариты объекта по высоте на 2 мм с каждой стороны, радиус граничных условий задается суммой диаметра внутреннего объекта рупора и параметром t. В данной задаче не учитывается перекрытие объектов с различными материальными свойствами. На внутренней поверхности диэлектрического объекта необходимо задать волноводное возбуждение двух взаимоперпендикулярных мод. Далее необходимо задать установки на решение задачи. Частота расчетов 2412 МГц. Для вычисления диаграммы направленности необходимо задать поле в дальней зоне. Выбираем дальнее поле по двум ортогональным плоскостям. Одна поверхность по углу Phi 0 градусов, другая по углу Phi 90 градусов. По углу Theta установим изменения от 0 до 360 градусов с шагом 0,1. Чтобы получить распределение диаграммы направленности в декартовой системе координат, нужно создать отчет по полю в дальней зоне в прямоугольной системе координат. Необходимые параметры для отчета - установки на решение по поверхности по углу Phi равное 90 градусов. Вывод результата делаем по коэффициенту усиления в дБ. Пример полученной диаграммы направленности приведен на Рисунке 1. Изменяя динамический параметр стенки рупора t с шагом 0,5 мм, проведем 6 построений для диапазона от 0,5 мм до 3 мм. От полученных диаграмм направленности в Табл.1 записывается три характеристики: пиковая мощность основного лепестка (Gain Total), ширина лепестка (Dd) для значений ниже амплитуды на -3 дБ и -10 дБ.

Таблица 1

Результаты исследования


Толщина стенки, мм

Dd, –3 дБ

Dd, –10 дБ

Gain Total, дБ

0,5

930

1530

-14,71

1

1170

-

-13,64

1,5

1280

-

-14,69

2

980

1690

-16,65

2,5

990

1870

-15,62

3

1080

-

-15,98

По результатам исследования диаграмма направленности имеет кривую зависимость от толщины стенок рупора. Ширина главного лепестка диаграммы направленности, при котором коэффициент усиления отличается от максимального значения на 3 дБ, минимальная для толщины 0,5 мм. Это значит, что вектор направленности будет максимальным при толщине рупорных стенок 0,5 мм, то есть основное количество энергии излучения будет направленно вдоль данного вектора. Отсутствие значений Dd, при –10 дБ от максимального значения, говорит о небольшом радиусе покрытия антенной из данного рупора. Иными словами, чем меньше ширина лепестка диаграммы направленности, тем дальше зона покрытия в направлении этого лепестка.

 

Список литературы

1.     «Обзор возможностей ANSYS HFSS для трехмерного моделирования СВЧ-устройств произвольной геометрии» – Евгений Буторов, Андрей Ларионов (sapr.ru)

2.     Видеоурок CADFEM VL1214 / Андрей Геттих / Центр Компетенции ANSYS (cadfem-cis.ru)