Разработка широкополосной антенны на базе элемента Batwing для систем Wi - Fi и RFID

1.

Министерство обороны Российской Федерации
Черноморское высшее военно-морское ордена Красной Звезды училище им. П.С. Нахимова
Кафедра Радиотехнических систем
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
на тему: Разработка широкополосной антенны на базе элемента Batwing для
систем Wi-Fi и RFID.
Выполнил: ст. гр. 741 Пономарев В.В.
Руководитель: проф. Афонин И.Л.
Севастополь
2024

2.

Разработка рамочной антенны уменьшенных размеров для Wi-Fi
Актуальность темы исследования:
• В настоящее время широкое распространение
получили системы Wi-Fi, позволяющие
соединить компьютеры, смартфоны, планшеты
и другие устройства с интернетом и системы
RFID,
позволяющие
осуществлять
идентификацию объектов.
• В
работе
представлены
результаты
исследования и разработки рамочной антенны
с дополнительными изгибами с линейной
поляризацией поля излучения.
• Разработанная антенна имеет меньшие
размеры и больший коэффициент усиления,
чем антенны, обычно используемые в
системах Wi-Fi.
Объект исследования: печатные антенны и антенные элементы Batwing.
Предмет исследования: базовые решения и методики проектирования печатных
антенн.
Методы исследования: методы математического моделирования, вычислительной
электродинамики, теории антенн, численные методы.
2

3.

Разработка широкополосной антенны на базе элемента Batwing для
систем Wi-Fi и RFID
Цель исследования: Целью работы является
разработка антенны с линейной поляризацией
поля излучения для систем Wi-Fi и RFID,
имеющей следующие характеристики:
диапазон частот: 2 – 3 ГГц;
вид поляризации: линейная;
входное сопротивление: 50 Ом;
коэффициент стоячей волны в питающей
линии не более 2-х в рабочей полосе
частот;
Коэффициент усиления не менее 3,5 дБи.
Для достижения поставленной цели необходимо
в работе решить задачи:
1. Выполнить обзор существующих антенн, используемых в системах Wi-Fi и RFID;
2. Разработать излучающий элемент антенны на базе печатной структуры.
3. Разработать антенную решетку на базе разработанных элементов и выполнить
моделирование в CAD Feko.
4. Разработать конструкцию излучающей структуры антенны.
3

4.

Первая задача. Обзор существующих антенн,
используемых в системах Wi-Fi и RFID
Примеры антенн Wi-Fi, RFID и антенн с увеличенным диапазоном частот
В результате выполнения первой задачи
Проведен
обзор существующих
антенн
дециметрового диапазона Wi-Fi и RFID и
методов построения широкополосных антенн.
Выявлено, что рассмотренные антенны, такие
как
антенна
Харченко
или
Quados
характеризуются значительным недостатком —
они имеют недостаточно широкую полосу
пропускания.
Признано целесообразным использовать при
построении антенной системы в качестве
базовой излучающую структуру типа Batwing.
4

5.

Вторая задача. Разработка излучающего элемента.
Модель антенного элемента
Зависимости активной части входного
сопротивления антенны от частоты
Зависимость коэффициента стоячей волны от Зависимости реактивной части входного
частоты
сопротивления антенны от частоты
5

6.

Вторая задача. Разработка излучающего элемента.
6
Сечение
диаграммы
направленности
плоскостью
XOZ
Диаграмма направленности антенного элемента
Распределение плотности поверхностного тока
Сечение
диаграммы
направленности
плоскостью
YOZ
6

7.

Третья задача. Разработка антенной решетки и
моделирование в CAD Feko.
7
ДН в
плоскости
YOZ,
линейные
единицы
Диаграмма направленности лвухэлементной
антенной решетки
ДН в
плоскости
YOZ,
логарифмическе
единицы

8.

Третья задача. Разработка антенной решетки и
моделирование в CAD Feko.
8
ДН в
плоскости
XOZ,
линейные
единицы
Диаграмма направленности
четырехэлементной антенной решетки
ДН в
плоскости
YOZ,
линейные
единицы

9.

Четвертая задача. Разработка конструкции излучающей
структуры антенны.
2
4 отверстия Ø1
9

10.

Выводы по работе
1. Выполнен обзор существующих антенн диапазона частот 2 до 3 ГГц, и выявлено, что
рассмотренные антенны, как правило, имеют сложную схему возбуждения антенных элементов и
высокую стоимость или недостаточно широкополосны.
2. Выполнено моделирование работы разрабатываемых антенн, в результате которого
установлено, что:
— в качестве элемента антенной решетки целесообразно использовать печатный излучатель
типа Batwing, что позволяет расширить рабочую полосу частот элемента;
— для решения задачи увеличения коэффициента усиления целесообразно использовать
объединение элементов в линейные синфазные антенные решетки.
3. Проведено компьютерное моделирование антенных элементов и решеток из этих элементов
при питании с помощью фидера с волновым сопротивлением 50 Ом.
4. Установлено, что антенна обладает следующими характеристиками: максимальный уровень
КСВ в полосе частот 2 до 3 ГГц не превышает 2; коэффициент усиления антенного элемента – 4
дБи; ширина диаграммы направленности изменяется в пределах рабочей полосы частот в
плоскости XOZ от 42о до 58о, а в плоскости YOZ от 68о до 84о.
5. Двухэлементная антенная решётка обладает следующими характеристиками излучения:
коэффициент усиления изменяется в пределах рабочей полосы частот от 6,8 до 10,1 дБи; ширина
диаграммы направленности изменяется в пределах рабочей частоты в плоскости XOZ от 33о до 58о,
в плоскости YOZ от 26о до 43о.
6. Четырехэлементная антенная решётка обладает следующими характеристиками излучения:
коэффициент усиления изменяется в пределах рабочей полосы частот от 11,8 до 13,2 дБи; ширина
диаграммы направленности изменяется в пределах рабочей частоты в плоскости XOZ от 17о до 28о,
в плоскости YOZ от 26о до 43о.
Задачи работы выполнены, цель исследования достигнута.
10

11.

14
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ