Микрополосковая антенна для индивидуального головного светильника

УДК 621.372.413

МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ГОЛОВНОГО СВЕТИЛЬНИКА

Любовь Васильевна Шебалкова

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, 3, ведущий инженер-руководитель группы,

Новосибирский государственный технический университет, старший преподаватель кафедры АИУС, телефон: [phone], e-mail: *****@***ru

Микрополосковые антенны нашли широкое применение в качестве  датчиков изменения электромагнитного поля для различных локационных систем. Низкопрофильность микрополосковых антенн и разнообразие форм излучателей позволяет монтировать их непосредственно в корпусе изделия. В данной статье описано моделирование многослойной микрополосковой антенны с круглыми излучателями для носимого модуля обнаружения человека.

Ключевые слова: Микрополосковая антенна, круглый излучатель, системы безопасности, электродинамическое  моделирование

MINING HEADLAMP MICROSTRIP ANTENNA

Lyubov V. Shebalkova

Open Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, leading engineer-team manager, Novosibirsk State Technical University, 20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russia senior lecturer of AICS Department, tel. [phone], e-mail: *****@***ru

Microstrip antennas have several features and are widely used in Radar and communication systems and sensor technology. Their inherent low profile allows them to be mounted directly on product housings. The 3D electromagnetic modeling of coalmine safety system multilayer microstrip antenna is considered in this paper.

Key words: Microstrip antenna, disk radiator, safety systems, electromagnetic modeling

Для обеспечения безопасности при поведении работ современные угледобывающие шахты должны быть оснащены  системами  наблюдения  и аварийного оповещения персонала не зависимо от его местонахождения в шахте, а также средствами поиска. В последнее время разработаны системы на основе беспроводных технологий в стандарте WiFi, позволяющие определить нахождение любого человека между базовыми станциями,  расположенными непосредственно в горных выработках, в режиме реального времени, по уровню сигнала вдоль всех выработок.  Информация о координатах местоположения имеет огромное значение при планировании и проведении аварийно-спасательных операций.

Для оборудования персонала предусмотрен шахтовый индивидуальный головной светильник, который является многофункциональным устройством, имеющим в своем составе также и модуль для определения и отслеживания местонахождения человека по уровню сигнала относительно базовых станций.

В качестве компактной и технологичной антенны целесообразно использовать микрополосковую с излучателем в форме диска. Круглый излучатель несколько меньше по размерам, чем прямоугольный, и, следовательно, чаще используется при дефиците места для размещения антенны. Круглые МПИ не имеют выделенной оси (длины или ширины), поэтому точка возбуждения может быть расположена в любом месте излучателя.

Проектирование МПИ состоит в выборе подложки, типа возбуждения, и положения точки возбуждения. Радиус МПИ определяется из условия резонанса. Примерное уравнение резонанса для круглого МПИ [1]

,

где – производная функции Бесселя порядка n,

a – радиус МПИ.

Для низшей моды n = 1 и первый корень уравнения равен 1.841. Входной импеданс изменяется при передвижении точки питания вглубь излучателя, при смещении ее к центру импеданс уменьшается.

Для круглых МПИ применяются различные способы возбуждения: с помощью микрополосковой линии без врезки в излучатель и зондовый способ возбуждения. В данной антенне применен зондовый способ от коаксиального кабеля. подложке F4BM35, аналогичная антенна на подложке МИ1222 и трехслойная антенна с двумя излучателями и защитным покрытием. Применение многослойной конструкции целесообразно для расширения полосы пропускания антенны.

На рисунке 1 изображена модель трехслойной  МПА. Слои с круглыми излучателями выполнены из фольгированного диэлектрика МИ1222 с параметрами , толщина каждой платы составляет 3 мм. Радиус нижнего излучателя составляет 15,5 мм, радиус верхнего – 14,7 мм, расстояние от центра излучателя до точки запитки составляет 6 мм. Верхний излучатель покрыт слоем пластика  АБС толщиной 0,5 мм, из которого выполняется корпус светильника, диэлектрические слои расположены без воздушных зазоров. В антенне предусмотрено сквозное отверстие для размещения других элементов модуля определения местонахождения.

Нижний излучатель возбуждается коаксиальным кабелем, для возбуждения верхнего излучателя используется паразитная связь с нижним излучателем через электромагнитное поле.

Данная конфигурация обеспечивает  расширение полосы пропускания верхнего МПИ. В этом случае связь излучателей через внешние электромагнитные поля используется для расширения полосы пропускания системы. С помощью соответствующего выбора размеров нижнего МПИ резонансные частоты связанной системы излучателей сдвигаются ближе друг к другу. Это приводит к получению максимальной полосы пропускания, так как связь является функцией относительных размеров МПИ, и помогает сдвинуть ближе резонансные частоты системы. Обычно достигается увеличение полосы пропускания на несколько процентов.

Многослойные конструкции с паразитной связью представляют собой чрезвычайно сложную электромагнитную проблему, которая требует значительных вычислительных усилий. Ранее  данные конструкции отрабатывались экспериментально, но с появлением современных средств электромагнитного моделирования стало возможным проектирование различных сложных многослойных конструкций.

Рис.1. Модель трехслойной микрополосковой антенны

Результаты электродинамического моделирования представлены на рисунках 2 – 4. Переменными, по которым проводилась оптимизация, являлись $feed (положение точки возбуждения) и радиусы обоих излучателей.

На рисунке 2 изображена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты, как видно полоса пропускания составляет 146,7 МГц, минимальное значение КСВН составляет 1,05.

Рис. 2. Значение  КСВН в полосе частот

На рисунке 3 изображены главные сечения диаграммы направленности (ДН), на рисунке 4 график зависимости коэффициента усиления, коэффициент усиления в максимуме составляет 4,75 дБ.

Рис. 3. Главные сечения ДН

Рис. 4. Коэффициент усиления

На рисунке 5 показано распределение токов на излучателях, возбуждение верхнего излучателя осуществляется через электромагнитное поле.

Рис.5. Распределение поверхностных токов на излучателях

Заключение

В статье рассмотрена электродинамическая модель многослойной микрополосковой антенной системы, показаны результаты моделирования. В результате оптимизации габаритных размеров круглых излучателей, положения точки запитки, высоты верхней платы были получены результаты, соответствующие предъявленным требованиям. Данные результаты свидетельствуют о возможности интегрирования антенной системы в модуль определения и отслеживания местонахождения человека, расположенный на индивидульном головном светильнике.

       БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК        

Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House Inc., 2001. R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl and A. Ittipboon.

©, 2016