Антенна 4G. Часть 2: разработка антенной решетки и делителя мощности
Шаблоны Joomla 3 здесь: http://www.joomla3x.ru/joomla3-templates.html

Антенна 4G. Часть 2: разработка антенной решетки и делителя мощности

Господа, прошу минуточку внимания! Сегодня у нас вторая часть марлезонского балета повествования про антенну для интернета 4G. Для тех, кто пропустил первую часть, настоятельно рекомендую ознакомиться с ней по ссылке. Напомню, что в прошлый раз мы проектировали одиночный патч для нашей антенной решетки. В этой же части мы разберем непосредственно проектирование самой антенной решетки из уже спроектированных нами патчей.

 

Решетка из патчей

Итак, как вы помните из прошлой статьи, мы тогда пришли к выводу, что наилучшей для нас антенной является антенна, построенная на основе воздушного диэлектрика. Соответственно, наша антенная решетка будет построена с использованием этого же самого способа. Эскиз нашей антенной решетки представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эскиз антенной решетки

Если вам все совсем не понятно, что там нарисовано, то настоятельно рекомендую ознакомиться с прошлой статьей. Если хоть что-то понятно, то можно смело читать дальше . Итак, что мы видим на этом рисунке? По сути что-то очень близкое к тому, что мы получили в статье про проектирование излучателя для нашей решетки. Мы видим две печатные платы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. На верхней печатной плате у нас находятся непосредственно излучатели. Их всего 4 штуки. На нижней плате расположен опорный земляной полигон и делитель мощности. Между платами находится самый обычный воздух. Как мы помним из прошлой статьи, такое построение антенны (с использованием воздушного промежутка между патчами и земляным полигоном) нам необходимо для обеспечения широкой рабочей полосы антенны.

Как все это дело работает? Очень просто. Разберем сначала прием сигнала. СВЧ-энергия сигнала мобильного интернета улавливается каждым отдельным излучателем. Дальше через отрезки медной проволоки эта энергия передается на входы делителя мощности, который расположен на нижней плате. Делитель мощности суммирует между собой энергию со всех четырех выходов и подводит ее к СВЧ-разъему. К этому разъему подключается коаксиальный кабель, которые доставляет наш принятый сигнал, например, к модему 4G.

Передача сигнала происходит абсолютно аналогичным образом. СВЧ-энергия от 4G модема по коаксиальному кабелю подводится к СВЧ-разъему антенны. Дальше она с помощью делителя мощности делится на 4 направления и через отрезки медной проволоки подводится к четырем патчам, которые излучают ее в эфир.

Как видим, принцип работы данной системы весьма прост. Хотелось бы обратить внимание, что делитель мощности может не только делить мощность с одного входа на четыре выхода, но и сводить мощность с четырех входов в один выход. Ну, то есть он работает в обе стороны. Впрочем, про делитель поговорим чуть позже.

Вы можете спросить – а для чего, собственно, мы делаем решетку из нескольких патчей? Что это нам даст? Господа, это даст нам одну важную штуку: повышение коэффициента усиления. Есть некоторое простое эмпирическое правило: удвоение числа излучателей в антенной решетке дает прирост коэффициента усиления антенны примерно на 3 дБ. Допустим, наш патч в одиночку имеет коэффициент усиления около 8 дБ (примерно столько мы получили в прошлый раз). Следовательно, если мы возьмем два таких патча и соберем из них решетку, то мы будем иметь коэффициент усиления системы 8+3=11 дБ. Если мы теперь удвоим число излучателей и сделаем решетку из 4 патчей (как у нас на рисунке 1), то коэффициент усиления будет порядка 11+3=14 дБ. Если мы еще удвоим и возьмем 8 патчей, то есть шанс получить 14+3=17 дБ. Ну и так далее.

То есть, чем больше у нас патчей в решетке, тем больше будет коэффициент усиления нашей антенны и тем больше мы сможем усилить наш сигнал 4G. А чем мощнее сигнал 4G, тем будет быстрее мобильный интернет (про это мы подробно говорили здесь). Но при увеличении числа патчей, одновременно с ростом коэффициента усиления у нас будут расти габариты антенны, усложняться схема делителя мощности, и, как следствие, будет расти цена антенны. Поэтому я остановился на разумном компромиссе: я буду делать решетку из 4 излучателей.

Что вообще значит спроектировать антенную решетку? Это значит, что мы должны определить ее основные размеры. Эти размеры показаны на рисунке 2. По сути рисунок 2 – это тот же рисунок 1, только вместо обозначений что есть что отмечены размеры.

 

Рисунок 2 – Основные размеры антенной решетки

Да, размеров у нас тут порядком, но не стоит пугаться раньше времени, господа. Большинство из них, как ни странно, мы уже знаем! Более того, я прям сейчас приведу в таблице значение всех этих параметров, что б таблица была рядом с рисунком. А дальше мы разберем что откуда взялось.

В таблице синим цветом отмечены размеры, которые были определены нами в прошлый раз, когда мы проектировали патч для нашей решетки. Все размеры, которые касаются патча, у нас остаются без изменений и мы берем их из прошлой статьи. Не зря ж мы, в самом деле, тогда их считали .

Таким образом, если не считать пока делителя мощности, у нас остаются неизвестными только 4 размера: расстояние между патчами Е и G и габариты антенной решетки С и D.

Начнем с расстояния между патчами. Оно выбирается исходя из следующих соображений. Если патчи расположены слишком близко друг к другу, то коэффициент усиления будет падать. Для осознания этого факта достаточно представить себе предельный случай, когда два патча сливаются в один: при этом общий коэффициент усиления такой системы будет равен одному патчу, то есть второй будет бесполезным. Если же мы слишком далеко отводим друг от друга патчи, то наша диаграмма направленности антенной решетки начинает ухудшаться: растут боковые лепестки, и общий коэффициент усиления при этом тоже может начинать падать. Поэтому существует некоторое оптимальное расстояние между излучателями, когда они согласованно работают с высоким коэффициентом усиления антенны в результате. Поиск такого расстояния в некотором роде творческая и итеративная работа. У меня наилучший результат получился при расстоянии между патчами C = D = 100 мм.

Ну и у нас остались последние неопределенные величины Е и G. Господа, с ними все совсем просто. В данном случае размеры платы можно оценить, исходя из простого эмпирического условия: C > E + 2A, D > G + 2B. Данное неравенство очень нестрогое и носит сугубо эмпирический характер. Главная суть заключается в том, что под всеми патчами должен быть полигон земли достаточной площади. Этот полигон должен на некоторое расстояние перекрывать проекцию патчей на нижнюю плату. Ну, то есть под каждым патчем должна расходиться земля во все стороны на некоторое расстояние. Это служит залогом того, что они будут работать так, как задумывалось. Таким образом, габариты антенны у нас заданы очень нестрого и главным образом они будут определяться тем корпусом, в который мы хотим поместить нашу плату. Ну, про корпус поподробнее мы поговорим в следующий раз, пока же я скажу, что, исходя из приведенного неравенства и доступных в продаже корпусов, я выбрал следующие размеры сторон антенны: C = 195 мм, D = 235 мм.

Итак, господа, мы определили основные размеры нашей антенны. Давайте теперь поговорим про делитель мощности, потому что мы как-то оставили его без внимания. Мы уже сказали выше, что основные его задачи – это сводить мощность с четырех патчей в один коаксиальный кабель при работе антенны на прием и разделять мощность, приходящую из кабеля, на четыре патча при работе антенны на передачу. Казалось бы – а что тут заморачиваться? Ну взять просто и провести дорожки на печатной плате от СВЧ разъема к патчам – всего делов-то. Но не все так просто, господа. Просто взять и провести дорожки можно на низких частотах. В случае СВЧ – обязательно согласование волновых сопротивлений линий. Поэтому дорожки должны иметь строго определенную геометрию (именно их геометрия будет определять волновое сопротивление). Кроме обязательного согласования линий, необходимо выполнение еще одного условия. Длинна дорожек от точки подключения СВЧ-разъема до точек подключения всех патчей должна быть строго одинаковой для всех патчей. При несоблюдении этого условия излученные сигналы могут оказаться не в фазе друг с другом и эффективность работы антенной решетки может упасть чуть ли не до нуля. Для выполнения этого условия нам необходимо делать симметричный во все стороны делитель мощности.

Прежде чем переходить непосредственно к делителю мощности, для понимания принципов его работы давайте немного поговорим про эти самые волновые сопротивления. Господа, в этой статье я не буду касаться этой темы глубоко. Возможно, в будущем разберем это подробнее, но пока будем довольствоваться всего лишь несколькими тезисами. Самый главный из них – во всех трактах нашей антенны волновое сопротивление должно быть согласовано. Это значит, что если входное сопротивление нашего патча равно 100 Ом, то и дорожка на печатной плате, которая подходит к патчу, должна иметь волновое сопротивление 100 Ом. Нет, это ни в коем случае не омическое сопротивление, которое можно мерить мультиметром и про которое мы говорили в статье про постоянный ток. Природа волнового сопротивления другая: оно определяется распределенными емкостями и индуктивностями и проявляет себя только при длинных линиях и высокочастотных сигналах. А распределенная емкость и индуктивность дорожек на печатной плате, очевидно, зависит от формы этих дорожек. Таким образом, отсюда следует простой вывод, что волновое сопротивление дорожки на печатной плате определяется формой и размерами этой самой дорожки.

Итак, волновые сопротивления должны быть согласованы. Это является главным условием того, что вся мощность будет передаваться от источника в нагрузку (например, в патч). Если волновые сопротивления у нас не согласованы (например, патч имеет волновое сопротивление в 100 Ом, а дорожка в 50 Ом), то часть энергии будет отражаться от места стыка «патч-дорожка», не попадет в патч и не излучится им. Очевидно, это негативно скажется на параметрах антенны. Но что же делать, если у нас дорожка имеет сопротивление 50 Ом, а патч – 100? Есть ли какой-то выход соединить их без потери эффективности антенны? Оказывается, такие способы есть. Один из них – использовать четвертьволновый трансформатор.

 

Четвертьволновый трансформатор

Что ж это за зверь такой? Давайте разбираться. Этот самый зверь изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Четвертьволновый трансформатор

Пусть нам требуется согласовать между собой две дорожки с различными волновыми сопротивлениями Z0 и Z1. Волновые сопротивления дорожек на печатной плате зависят преимущественно от ширины этих дорожек и от толщины печатной платы. Длина этих дорожек может быть абсолютно любой, она не оказывает влияние на волновое сопротивление. Чтобы согласовать две дорожки с помощью четвертьволнового трансформатора, нам надо расположить между ними третью дорожку длинной в одну четверть рабочей волны. Само собой, длина волны должна браться не в вакууме, а в диэлектрике. Про это мы говорили в прошлой статье. Волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора рассчитывается как среднее геометрическое волновых сопротивлений дорожек слева и справа:

Вы можете сказать мне: «Ок, это все круто. Я понял, как это все рассчитывать, кроме самого главного. Как мне рассчитать волновое сопротивление дорожки? Вот мне нужна дорожка с волновым сопротивлением 50 Ом. Какую она будет иметь ширину?» Господа, замечание дельное. Существуют разные способы расчета волновых сопротивлений, но в наш век самый простой способ – воспользоваться какой-либо программой для этого, благо их существует огромное количество. Как платных, так и бесплатных. Примером бесплатной программы может служить программа Saturn.

Чтобы вам было все предельно ясно, давайте решим следующую учебную задачку. Пусть нам требуется согласовать две дорожки, которые имеют волновые сопротивления 50 Ом и 100 Ом. Рабочая частота пусть будет равна 2,6 ГГц. Толщина печатной платы равна 1,5 мм, материал диэлектрика FR-4.

Для начала с помощью программы Saturn давайте рассчитаем, какую ширину будут иметь дорожки печатной платы, обладающие сопротивлениями 50 Ом и 100 Ом. Скриншоты расчетов приведены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Волновое сопротивление 50 Ом (ширина дорожки 3 мм)

Рисунок 5 – Волновое сопротивление 100 Ом (ширина дорожки 0,65 мм)

Итак, волновым сопротивлением в 50 Ом обладает дорожка на плате шириной в 3 мм, а волновым сопротивлением в 100 Ом – дорожка шириной в 0,65 мм. Теперь нам надо согласовать эти две линии. Требуемое сопротивлением четвертьволнового трансформатора, согласно формуле, приведенной выше, равно

С помощью программы Saturn рассчитываем, что дорожка на печатной плате с таким волновым сопротивлением должна иметь ширину примерно 1,6 мм (рисунок 6).

Рисунок 6 – Волновое сопротивление 71 Ом (ширина дорожки 1,6 мм)

Ну и в заключение, давайте рассчитаем длину нашего четвертьволнового трансформатора. С учетом длины волны в диэлектрике, получаем

Изобразим получившийся результат на рисунке 7.

Рисунок 7 – Четвертьволновый трансформатор 50-100 Ом

Итак, господа, надеюсь, теперь стало немного понятно, что из себя представляют четвертьволновые трансформаторы и как их рассчитывать, если вы раньше этим не занимались . Давайте теперь, наконец уже, продвигаться непосредственно к нашему делителю мощности.

 

Делитель мощности

Я сначала приведу картинку с его изображением и таблицу с его размерами, а потом мы разберем что там к чему. Господа, все внимание на рисунок 8.

Рисунок 8 – Делитель мощности нашей антенны

Ух, что-то там большое и страшное . Если вы сразу не поняли что там к чему – не переживайте, это нормально. Давайте постепенно разбираться что там есть что.

У нас есть некоторая точка в самом центре нашего делителя мощности, обозначенная надписью «Разъем». В эту точку запаивается СВЧ-разъем нашей антенны, к которому будет прикручен коаксиальный кабель. Сопротивление коаксиального кабеля равно 50 Ом. Это известная величина, большинство коаксиальных кабелей имеют именно такое волновое сопротивление. От этой точки влево и вправо отходят две дорожки. Очевидно, для того, что б все было согласовано, эти дорожки должны иметь волновые сопротивления по Z0 = 100 Ом. Ширину дорожки с волновым сопротивлением 100 Ом мы считали выше по тексту статьи, она у нас получилась равной t1 = 0,65 мм. Они включены как бы параллельно друг другу, а два сопротивления по 100 Ом, включенные параллельно, дадут нам как раз 50 Ом. Таким образом достигается согласование.

Входное сопротивление одиночного патча, как вы помните из предыдущей статьи, равно у нас 100 Ом. Это значит, что от каждого патча должны отходить дорожки с волновым сопротивлением все те же 100 Ом. Это является условием согласования линий. Точки подключения патчей обозначены на рисунке 8 соответствующими подписями. Но вот две дорожки от патчей (каждая с волновым сопротивлением 100 Ом) встречаются друг с другом и объединяются в одну точку. Обозначим эту точку встречи буквой А на рисунке 8. Если теперь подавать СВЧ энергию в эту точку А, то относительно этой точки суммарное эквивалентное сопротивление патчей №1 и №2 равно 50 Ом. Еще раз: если смотреть со стороны точки А, то относительно нее патчи №1 и №2 включены параллельно друг другу. Здесь все абсолютно аналогично тому, как обстоят дела с антенным разъемом, от которого у нас в стороны отходят две дорожки по 100 Ом.

Таким образом, мы пришли к фактически уже решенной задачи: у нас есть дорожка с волновым сопротивлением 100 Ом, идущая от разъема, и точка А, с волновым сопротивлением 50 Ом. Требуется согласовать это дело. В принципе, здесь можно использовать четвертьволновой трансформатор, изображенный на рисунке 7, который мы уже рассчитали. Однако мне хотелось улучшить характеристики делителя мощности, поэтому я применил два последовательно включенных четвертьволновых трансформатора. Это хорошо видно на рисунке 8: там у нас две характерные ступеньки с волновыми сопротивлениями Z1 и Z2. Как рассчитать, чему они равны? Да все по той же самой формуле. Только в данном случай у нас получится система из двух уравнений с двумя неизвестными:

Решая эту систему, получаем, что

То есть, мы уже прямо сейчас можем определить ширины дорожек t2 и t3. Расчет ширины дорожек для таких значений волновых сопротивлений показан на рисунке 9 и 10.

Рисунок 9 – Волновое сопротивление 80 Ом (ширина дорожки t2 = 1,2 мм)

Рисунок 10 – Волновое сопротивление 64 Ом (ширина дорожки t3 = 1,9 мм)

Длина этих двух четвертьволновых трансформаторов, очевидно, равна четверти длины волны в диэлектрике. Она нами уже считалась выше по тексту, таким образом, L = 12 мм.

У нас остались две неизвестные величины в нашем делителе мощности: X и Y. Господа, в принципе, длина этих отрезков определяется исключительно конструктивными особенностями нашей антенной решетки (что б делитель мощности состыковался с патчами). Исходя из этого, получаем X = 100 мм, Y = 26 мм. Почему так, думаю, нет смысла объяснять, расчеты там элементарный и доступны даже пятикласснику .

Итак, господа, делитель мощности мы спроектировали, теперь самое время оценить его параметры. Какими параметрами будет характеризоваться наш делитель мощности? Ну, во-первых, все тем же параметром S11, про который мы так много говорили в прошлый раз. Для тех, кто забыл, еще раз напомню, что этот параметр показывает насколько хорошо согласован тракт. Если он меньше -10 дБ, то мы считаем результат хорошим. Это значит, что СВЧ-энергия практически полностью проходит через тракт, не претерпевая каких бы то ни было отражений.

Кроме этого параметра, нас будет интересовать еще один S-параметр S21. Господа, пока что на моем сайте нет статей, посвященных S-параметрам, поэтому если вам интересно более глубоко разобраться в этих занятных вещах, то могу лишь посоветовать вам погуглить на эту тему, благо инфы в инете про это порядком. Пока же я лишь скажу, что этот параметр показывает то, насколько СВЧ-мощность хорошо передается со входа нашего делителя мощности на один из его выходов. Очевидно, что если у нас делитель мощности имеет один вход и четыре выхода (как в нашем случае), то на каждый из выходов придет в 4 раза меньше мощности, чем было на входе (просто за счет того, что входная мощность равномерно распределится между всеми выходами). Однако, что для обычного человека 4 раза, то для радиотехника -6 дБ (попробуйте сами перевести разы в децибелы). Таким образом, ожидаемая величина параметра S21 у нас -6 дБ. На деле, конечно, он будет меньше, потому что часть энергии не дойдет до выхода за счет всевозможных потерь по пути. На рисунке 11 приведет график зависимости параметра S11 от частоты, а на рисунке 12 график зависимости параметра S21 от частоты для только что спроектированного нами делителя мощности. При расчете этих графиков мы полагаем, что делитель мощности нагружен каждым своим выходом на нагрузку 100 Ом.

Рисунок 11 – Зависимость S11 от частоты для нашего делителя мощности

Рисунок 12 – Зависимость S21 от частоты для нашего делителя мощности

Итак, что мы можем сказать по-поводу рисунков 11 и 12? Ну, во-первых, параметр S11 у нашего делителя получился весьма и весьма неплохим. Он меньше -10 дБ в диапазоне от 600 МГц до 3 ГГц, что с огромным запасом перекрывает требующийся нам диапазон 2,5...2,7 ГГц. То есть, устройство получилось чрезвычайно широкополосным и это не может не радовать.  Что касается параметра S21, то там тоже в принципе приемлемые цифры. Конечно, идеальных -6 дБ мы не получили, но -6,6 дБ на частоте 2,5 ГГц и -6,8 дБ на частоте 2,7 ГГц тоже хорошо. То есть потери мощности у нас составляют 0,6 дБ и 0,8 дБ на краях диапазона. Таким образом, делитель мощности можно считать готовым и давайте уже наконец переходить непосредственно к антенной решетке. 

 

Сборка антенной решетки

Господа, сборка антенной решетки представляет собой соединение воедино двух печатных плат (платы с решеткой из патчей и платы с делителем мощности) так, как показано на рисунках 1 или 2. 3D модель сборки представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – 3D модель антенной решетки

Что нас интересует в данной антенной решетке? Ну, во-первых, все тот же самый коэффициент S11. Во-вторых, представляет большой интерес диаграмма направленности антенны и (как следствие) коэффициент усиления антенны. Господа, я приведу диаграмму направленности только для одной центральной частоты, но, как и обещал, я также приведу график зависимости коэффициента усиления от частоты. Таким образом, мы убедимся, что мы получили антенну, которая работает эффективно во всем заявленном диапазоне частот или даже перекрывает его. Итак, на рисунке 14 приведен график зависимости S11 от частоты для нашей получившейся антенной решетки, на рисунке 15 диаграмма направленности антенны на частоте 2,6 ГГц, а на рисунке 16 график зависимости коэффициента усиления от частоты.

 Рисунок 14 – График зависимости S11 для нашей антенной решетки

 

Рисунок 15 – Диаграмма направленности нашей антенной решетки

Рисунок 16 – График зависимости коэффициента усиления антенной решетки от частоты

Давайте теперь проанализируем полученные графики. Судя по графику параметра S11, мы получили антенну даже с лучшими характеристиками, чем рассчитывали! Смотрите сами, господа: рабочая полоса нашей антенны получилась от 2,4 ГГц до 2,8 ГГц, то есть мы получили запас по 100 МГц в каждую сторону (вы же помните, что мы надеялись получить полосу 2,5...2,7 ГГц). Во всем этом диапазоне наша антенна получилась хорошо согласованной, потому что параметр S11 там меньше -10 дБ.

Диаграмма направленности нашей антенны имеет вполне себе приличный вид, разве что боковые лепестки чуть высоковаты. Однако это не является критичным в нашем случае, зато на центральной частоте 2,6 ГГц мы получили более 14 дБ коэффициента усиления. Кроме того, антенна хорошо будет работать не только лишь на одной центральной частоте, но и вообще во всей нашей полосе: судя по графику коэффициент усиления там изменяется от 14,1 дБ до 13,9 дБ.

Следует отдельно обратить внимание, что помимо высокого коэффициента усиления в рабочей полосе, наша антенна имеет обладает значительным коэффициентом усиления и за ее пределами. Это достигается опять-таки благодаря построению по схеме с воздушным диэлектриком. Так, например, на частоте 2,1 ГГц наша антенна имеет коэффициент усиления более 8 дБ, а на частоте 1,8 ГГц 6 дБ. Это значит, что наша антенна может принимать также и 4G LTE B3 (1710...1880 МГц), и  3G (1920...2170 МГц) интернета! Да, она будет это делать хуже, чем основной 4G LTE B38 (2500...2690 МГц) интернет, но тем не менее прием будет и мы на практике в этом убедимся. Если вам вдруг не понятны эти аббревиатуры, рекомендую почитать одну из прошлых моих статей

Господа, осталось всего два небольших вопроса, которые я бы хотел рассмотреть в рамках данной статьи. Вопрос номер один: а что это за вырезы на всех патчках на рисунке 13? И вопрос номер два: а какой поляризацией обладает данная антенна?

Ответ на первый вопрос очень прост: эти вырезы в патчах служат для облегчения последующей настройки антенны, если она вдруг понадобится. Например, мы соберем антенну и обнаружим, что промахнулись с частотой. Тогда можно будет, аккуратно подрезая эти вырезы, настроить антенну на нужный диапазон.

Ответ на второй вопрос тоже очень прост: спроектированная антенна обладает вертикальной поляризацией. Это значит, что эффективность антенны будет зависеть от ее положения относительно вектора E электромагнитной волны. То есть нам надо будет подобрать такое положение антенны, что б вектор Е поля электромагнитной волны совпадал с осью Y нашей антенной решетки (ось Y вертикальная ось, если смотреть по рисунку 1).  Говоря крестьянским языком, нам надо будет не только навести антенну на вышку сотовой связи, так, что б патчи смотрели прям на нее, но и еще повращать после это антенну вокруг ее оси, ища максимум сигнала. Впрочем, пока эту тему (также как и интересную технологию MIMO) мы трогать не будем, поговорим про это позднее.

Вот и все господа, мы спроектировали решетку из патчей и делитель мощности к ней. Таким образом, наша антенная решетка готова! На приведенных расчетов будет изготовлена антенна в железе. Однако про процесс изготовления антенны мы поговорим в следующей статье. А на сегодня все, господа. Спасибо что прочитали, и до новых встреч!

Вступайте в нашу группу Вконтакте

Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.


You have no rights to post comments

ГРУППА ВК