Anteny mikropaskowe Elboxrf

• Specjalnością mojej firmy jest projektowanie anten mikropaskowych - pierwsza antena planarna 8 dBi na pasmo 433 MHz została zaprojektowana w 1995 na potrzeby systemu identyfikacji przemieszczających się obiektów.
   
• W 1998 zestaw przyrządów powiększył się o analizator widma Tektronix 492 oraz podwójny sprzęgacz kierunkowy firmy Hewlett - Packard (potem Agilent a teraz Keysight) na pasmo 2 -18 GHz. Obydwa przyrządy zostały połączone i tak skonfigurowane, aby można było obserwować na ekranie charakterystyki dopasowania badanej anteny.
   
• Wyświetlone przebiegi były fotografowane i publikowane jako potwierdzenie parametrów zaprojektowanych i skierowanych do produkcji anten panelowych.
  Poniżej charakterystyka anteny sektorowej TetraAnt 5 60 14 RSLL zmierzona w układzie Tek 492 + 11692D w roku 2003, kiedy antena została zaprojektowana i wdrożona do produkcji
   

  

  Poniżej zaprezentowałem ten sam pomiar, ale wykonany obecnie przyrządem ADVANTEST R3860A. Wartość mierzona to VSWR (na poprzednim zdjęciu była mierzona wartość dopasowania S11 w skali logarytmicznej).
  
  Pomiar wykonano w 2016 roku, czyli obydwa zdjęcia dzieli 13 lat. TetraAnt 5 60 14 RSLL bez zmian w projekcie jest cały czas w ofercie firmy - poprawnie zaprojektowana antena nie wymaga zmian.
   

  

• Ta wczesna konfiguracja pomiarowa pozwoliła na zaprezentowanie potencjalnym klientom jakości naszych anten. W wielu przypadkach ten prosty, ale skuteczny pomiar pozwalał na wytłumaczenie, dlaczego niektóre ówcześnie produkowane anteny nie działały prawidłowo.
  
  Poniższy obraz jest wynikiem pomiaru oświetlacza falowodowego do anteny parabolicznej na pasmo 5 GHz. Według zapewnień producenta, antena miała pracować w pasmie 5.1 do 5.8 GHz. Jak pokazał pomiar dopasowania, oświetlacz pracował poprawnie jedynie w dwóch wąskich regionach o szerokości ok. 30 MHz
   

  

Zaawansowana technologia

• W związku z większymi wymaganiami rynku i rozwojem firmy kolejne inwestycje pozwoliły na bardzo precyzyjne projektowanie i symulacje układów planarnych oraz trójwymiarowych - nazywanych symulacjami elektromagnetycznymi 2.5 D oraz 3D - w pasmie do setek GHz.
  
  Poniższe zdjęcie przedstawia symulator elektromagnetyczny 2.5D w trakcie projektowania anteny mikropaskowej na pasmo 9.6 GHz z ograniczonymi listkami bocznymi. Antena ta jest macierzą 40 (10x4) elementów promieniujących.  W otwartych oknach można zaobserwować wyniki symulacji: dopasowania S11 na wykresie Smith-a i wartości części rzeczywistej Re i urojonej Im impedancji anteny. Widoczna jest także charakterystyka promieniowania w postaci trójwymiarowej - 3D.
  
  
  
  Ta użyteczna funkcja pozwala między innymi na sprawdzenie, gdzie w charakterystyce występują listki boczne. Jak wspomniałem wcześniej, charakterystyka ograniczona jest do półsfery z powodu istnienia w przestrzeni symulacyjnej nieskończonej płaszczyzny przewodzącej (co było podstawą do uproszczenia aparatu matematycznego w tej metodzie symulacyjnej)
   
   
• Do pracy wykorzystuję legalne oprogramowania symulacyjne dwóch różnych firm. Jedno pozwala na symulację i wizualizację wyników 2.5 D, co oznacza istnienie w symulowanej strukturze nieskończonej przewodzącej płaszczyzny GND, co ogranicza wyniki wizualizacji do 180 stopni (-90 do +90). Drugie jest symulatorem 3D bez ograniczeń. Poniżej ta sama antena w środowisku 3D.
  
   

  
  Poniżej przedstawione są wyniki symulacji elektromagnetycznej. Antena jest "umieszczona" w przestrzeni symulacyjnej, jest zasilona impulsem o szerokim widmie, a odpowiedź układu jest przekształcona na czytelne wyniki i może być zobrazowana na wykresach.
   

Przykłady symulacji

• Przykłady zobrazowań wyników symulacji komputerowej 3D na przykładzie prototypowej mikropaskowej anteny planarnej 9.6 GHz z funkcją ograniczonej mocy listków bocznych.
   

  
  Symulacja 3D -  trójwymiarowe zobrazowanie charakterystyki promieniowania. Kolory pozwalają na ocenę natężenia pola elektromagnetycznego: najmniejszą moc reprezentują kolory "zimne", a największą kolory "ciepłe". Jak można się domyślić, kolor czerwony wskazuje na największą intensywność natężenia pola elektromagnetycznego.
   

  
  Symulacja 3D - zobrazowanie charakterystyki promieniowania na płaskim wykresie. Zauważyć można niski poziom promieniowania wstecznego oraz ograniczenie poziomu listków bocznych do -20 dB poniżej wiązki głównej.
  
   

  
  Symulacja 3D - dopasowanie VSWR. Uwagę zwraca dobre dopasowanie anteny w pasmie 9.2 do 10 GHz. Oczywiście nie należy się spodziewać, że charakterystyka promieniowania pozostanie bez zmian w tak szerokim zakresie częstotliwości

Przyrządy pomiarowe

• Testowanie prototypów odbywa się na przyrządzie ADVANTEST R3860A RF Component Analyzer, działającym w zakresie od 300 kHz do 20 GHz i takie właśnie jest ograniczenie dla projektowanych przeze mnie urządzeń mikrofalowych, pomimo tego, że oprogramowanie skutecznie i dokładnie symuluje struktury do setek GHz.
   

  
  Anteny rożkowe o znanym i dokładnym zysku. Zestaw pomiarowy składa się z analizatora wektorowego i pokazanych na zdjęciu anten podłączonych do analizatora za pomocą 10 m przewodów współosiowych o bardzo małym tłumieniu.

• RF Component Analyzer został skonfigurowany na zdalny pomiar rzeczywistego zysku prototypowych anten - pomiar odbywa się w częściowo wytłumionym pomieszczeniu, a sam układ pomiarowy jest oddalony o ok. 10 metrów od stanowiska badawczego.

   

  
  Advantest R3860A RF COMPONENT ANALYZER - główny przyrząd pomiarowy w laboratorium Elboxrf

   

  
  4 złącza pomiarowe pozwalają na dokładny i jednoczesny pomiar dopasowania impedancji i przesłuchów w antenach 4x4 MIMO

   

  
  R3860A ma również złącze generatora w.cz 300 kHz do 20 GHz, bardzo pomocnego przy wyznaczaniu charakterystyk mieszaczy i innych podzespołów, w tym wzmacniaczy w.cz.

   

  
  R3860A w trakcie pomiaru parametrów anteny - podłączony do anten znajdujących się w pomieszczeniu pomiarowym.