1 Uvod Krožni valovod je ena najpogosteje uporabljenih anten zaradi njenih razmeroma dobrih karakteristik in preproste konstrukcije. Njene karakteristike sevanja [1,2], polarizacije [3] in druge podrobnosti [4,5] so bile področje velikega zanimanja od njenega nastanka. Klasična antena je pravzaprav krožni votlinski resonator, ki ima eno stranico odprto. Največji dobitek, ki ga taka antena lahko doseže, je dan z enačbo (1). 22 max )1()(209.0 k k kaG β β += . (1) V enačbi (1) je radij antene predstavljen z a, 00εµω=k , (2) 22 ckk −=β , (3) 841.1=ak c , (4) fπω 2= . (5) Kakor je mogoče videti iz enačbe (1), dobitek narašča z večanjem radija odprtega konca antene in z naraščanjem frekvence. Osnovni rod krožnega valovoda je TE11 [6]. Da antena pravilno deluje, je treba izbrati radij antene tako, da je dovolj velik, da se lahko širi osnovni rod (TE11) in dovolj majhen, da se ne morejo širiti višji rodovi. Okvirne mere premera krožnega valovoda, ki ustrezajo opisu so med 0,6 in 0,7 valovne dolžine v praznem prostoru [12]. Dobitek narašča s frekvenco, vse dokler se ne pojavijo višji rodovi. Pojav višjih rodov povzroči počasno padanje dobitka. Največji dobitek, ki ga lahko Prejet 20. oktober, 2009 Odobren 16. marec, 2010 132 Raspor, Vidmar dosežemo na ta način, je okrog 8 dBi. To je ena od glavnih slabosti take antene. Do zdaj je bilo vloženega veliko dela na področju povečanja smernosti klasične antene. Rešitve, ki so bile predlagane do zdaj vključujejo: dodajanje dielektričnih plasti [7], uporaba korugacije na površini antene [8], uporaba pasovno-zaponih struktur [9], uporaba končnih vzdolžnih korugiranih sekcij na koncu antene [10], uporaba metamaterialov za boljše usmerjanje žarkov [14] itd. V tem članku je predstavljena nova metoda za povečanje smernosti antene za okrog 1,5-2 dB glede na klasično anteno. Glavna prednost predstavljene metode v članku je v njeni preprostosti in nizkih stroških izdelave. Čeprav je metoda preprosta, pa je povečanje smernosti z njo primerljivo z drugimi predlaganimi metodami. 2 Princip delovanja 2.1 TE rodovi Pri obravnavi rodov TE izhajamo iz splošne rešitve valovne enačbe za vzdolžno komponento magnetne poljske jakosti [13]. Za transverzalno funkcijo vzdolžne komponente magnetne poljske jakosti izberemo: )cos()(),( 0 ϕϕ mrkJHrH rmzz = . (6) Končen rezultat izpeljave za električno in magnetno poljsko jakost za TE rodove je prikazan na spodnjih enačbah. Polje za rodove TEmn nad kritično frekvenco je definirano s spodnjimi enačbami: zjmn m mn zr zemr a y J ry ma jHzrE βϕ ωµ ϕ −= )sin()(),,( 2 2 0 (7) zjmn m mn z zemr a y J y a jHzrE βϕ ωµ ϕϕ −= )cos()(),,( '0 (8) 0),,( =zrEz ϕ (9) zjmn m mn z zr zemr a y J y a jHzrH βϕ β ϕ −−= )cos()(),,( '0 (10) zjmn m mn z z zemr a y J ry ma jHzrH βϕ β ϕϕ −= )sin()(),,( 2 2 0 (11) zjmn mzr zemr a y JHzrH βϕϕ −= )cos()(),,( 0 (12) Da bi si lahko laže predstavljali porazdelitev električnega polja v krožnem valovodu, jo ponazorimo s silnicami, ki jih v transverzalnem preseku za električno poljsko jakost prikazuje slika 1. Slika 1: TE Rodovi krožnega valovoda Figure 1. TE modes of the circular waveguide horn 2.2 TM rodovi Pri tej vrsti antene TM rodovi niso zanimivi, saj si želimo, da se širi samo en rod, TE11. Tudi preostali TE rodovi niso zaželeni. 2.3 Klasična antena Polje v resonatorju vzbudimo z malo lambda/4 sondo v steni cevi, resonator pa sam poskrbi, da se polje pravilno izoblikuje. V ta namen mora biti cev dovolj dolga. Da antena deluje kakor resonator, mora biti dolžina med vzbujevalno sondo in koncem cevi vsaj polovico valovne dolžine. Polarizacija opisane antene je linearna, v smeri vzbujevalne sonde znotraj resonatorja. Na želeno frekvenco jo uglasimo predvsem z dolžino vzbujevalne sonde. Prilagoditev antene nato popravimo z uglaševalnim vijakom, ki ga pritrdimo v cev, točno na nasprotni strani vzbujevalne sonde. To je razvidno iz slike 2. 2.4 Izboljšava klasične antene z zaslonkami Antena je bila razvita s pomočjo več simulacijskih 3D orodij. Simulirali smo veliko različnih oblik antene. Struktura z uporabo majhne in velike krožne zaslonke v obliki obroča je kazala zelo obetavne rezultate. Pozneje smo ugotovili, da je mogoče smernost še dodatno povečati z uporabo elipsaste zaslonke. Vzrok za to je, ker osnovni rod TE11 ni čisto simetričen po Krožni valovod z zelo veliko smernostjo in izkoristkom osvetlitve odprtine 133 odprtini antene, kakor je razvidno iz slike 1. Veliko anten smo preizkusili tudi praktično in nazadnje izbrali najboljši prototip za objavo v članku. Obravnavana antena ima enako sestavo kakor klasična antena, dodani ima le dve zaslonki. Rabita za odboj določenih snopov nazaj v anteno. Ti snopi se potem spet odbijejo nazaj od kovinske notranjosti antene in se seštejejo v fazi skupaj z drugimi snopi. Antena seva na nezaslonjenem delu odprtine. Ohranja linearno polarizacijo, kakor klasična antena. Glede na rezultate simulacij ima osno razmerje okrog 40 dB. Podano osno razmerje je dano za točko največjega sevanja antene. Električno polje E in magnetno polje H se zaradi dodanih obročev razširita glede na klasično anteno. Prikazana sta na spodnjih slikah. Slika 2: Porazdelitev električnega polja Figure 2. Electric-field distribution Slika 3: Porazdelitev magnetnega polja Figure 3. Magnetic-field distribution Obroči naredijo tudi fazo električnega in magnetnega polja bolj enakomerno po površini, kjer seva antena. Rezultati simulacij so prikazani na slikah 4 in 5. Slika 4: Porazdelitev faze električnega polja Figure 4. E-field phase distribution V simulacijskem programu je mogoče izbrati le tole barvno skalo. Temno rdeča in temno modra barva pomenita skoraj isto fazo. Kar je iz slike videti kakor velik preskok faze, je skoraj ista faza. Slika 5: Porazdelitev faze magnetnega polja Figure 5. H-field phase distribution 3 Praktična izdelava antene in izmerjeni rezultati 3.1 Dimenzije antene Konstrukcija antene je prikazana na sliki 2. Izmere za frekvenco okrog 2,5 GHz so: D=83 mm (0,69λ0), l1=47 mm (0,39λ0), l2=63 mm (0,53λ0), h=20 mm (0,17λ). Preizkusili smo veliko različnih vrst vzbujevalnih sond. Za malenkost boljši rezultati so bili doseženi z uporabo bakrene cevke s premerom stene 0,6 mm in zunanjim premerom okrog 4 mm. Za uglaševalni vijak je bil uporabljen vijak M6x70. Za njegovo pritrditev na anteno se lahko uporabita dve matici, kakor je tole prikazano na sliki 6. 134 Raspor, Vidmar Slika 6: Konstrukcija antene Figure 6. Antenna construction Izmere velike elipsaste in majhne krožne zaslonke so prav tako podane za frekvenco okrog 2,5 GHz. Prikazane so na sliki 7. Dimenzije so: Dci=10 mm (0,08λ0), Dco=20 mm (0,17λ0), E1=65 mm (0,54λ0), E2=48 mm (0,4λ0), D=83 mm (0,69λ0). Obe zaslonki sta nameščeni na zaščitni pokrov antene, ki je bil izdelan iz 1,5 mm debelega pleksi stekla z relativno dielektričnostjo približno 3,4. Zaščitni pokrov je bil izoblikovan tako, da se je točno prilegal notranjemu radiju oboda. Tako je pritrditev na anteno zelo preprosta, rabi pa tudi za okrepitev celotne konstrukcije. Slika 7: Dimenzije velike elipsaste in majhne okrogle zaslonke Figure 7. Dimensions of the large ellipse disc and the small circular reflector 3.2 Izmerjeni rezultati Glavni parametri antene (imepdanca, smerni diagrami in smernost) so bili izmerjeni med frekvencama 2,2 in 2,7 GHz v korakih po 20 MHz. Na slikah 4 in 5 sta prikazana smerna diagrama, ki sta bila izmerjena na centralni frekvenci, 2,46 GHz. Slika 8 prikazuje smerni diagram antene v horizontalni polarizaciji (E-ravnina), slika 9 pa smerni diagram v vertikalni polarizaciji (H-ravnina). V obe sliki sta vključena tudi smerna diagrama, ki sta bila izračunana z uporabo 3D simulacijskih orodij. Slika 8: Smerni diagram (E-ravnina) Figure 8. Radiation pattern (E-plane) Slika 9: Smerni diagram (H-ravnina) Figure 9. Radiation pattern (H-plane) Slika 10 prikazuje smernost antene med 2,2 in 2,7 GHz. Za primerjavo rezultatov je prikazana tudi smernost, ki je bila izračunana z uporabo 3D simulacijskih orodij. Rezultat praktično izmerjene smernosti antene je bil izračunan prek integracije obeh ravnin (E- in H- ravnina) smernih diagramov. Smernost je bila izmerjena brez uporabe uglaševalnega vijaka. Na frekvenci 2,64 GHz je bila praktično izmerjena največja smernost, ki je znašala 10,2 dBi. Slika 10: Simulirana in izmerjena smernost antene Figure 10. Simulated and measured directivity of the antenna Krožni valovod z zelo veliko smernostjo in izkoristkom osvetlitve odprtine 135 Izkoristek osvetlitve odprtine antene je prikazan na sliki 11. Izračunan je bil iz praktično izmerjene smernosti, ki je prikazana na sliki 6. Antena doseže največji izkoristek osvetlitve odprtine na frekvenci 2.34 GHz z 210 %. Slika 11: Izkoristek osvetlitve odprtine antene Figure 11. Aperture efficiency of the antenna Prilagoditveno slabljenje (S11 [dB]) je prikazano na sliki 12. Izmerjeno je bilo s pomočjo analizatorja vezij. Prilagoditveno slabljenje, ki je prikazano na sliki 8 je prilagoditveno slabljenje same antene, brez uporabe uglaševalnega vijaka. Z uporabo uglaševalnega vijaka je mogoče točko najboljše prilagoditve premikati na druge frekvence v območju med 2,2 in 2,7 GHz. Tipična pasovna širina antene je med 30 in 50 MHz, čeprav je bila na nekaterih frekvencah dosežena tudi pasovna širina med 70 in 100 MHz. Slika 12: Prilagoditveno slabljenje antene Figure 12. Return loss of the antenna Na prilagoditveno slabljenje antene vpliva tudi fizična dolžina antene (l1+l2). Z daljšo anteno se resonančna frekvenca antene zniža. Slika 13 prikazuje vpliv dolžine (l1+l2) antene na smernost antene. Rezultati so bili dobljeni z uporabo 3D simulacijskih orodij. Spreminjal se je samo parameter l2, ker je bilo v praksi izmerjeno, da spreminjanje parametra li ne vpliva bistveno na prilagoditveno slabljenje antene. Glede na rezultate, dobljene iz simulacij, lahko sklepamo, da ima daljša antena večjo smernost na nižjih frekvencah in nekoliko manjšo na višjih. Slika 13: Simulirani vpliv dolžine antene na smernost Figure 13. Simulated variations in directivity due to the length the antenna 4 Sklep V članku je bil predstavljen nov način za povečanje smernosti krožnega valovoda. Bistveni prednosti tega načina sta njegova preprostost in nizki stroški izdelave. Čeprav, da je metoda preprosta, daje primerljive rezultate z drugimi, bolj zapletenimi metodami. Izmerjeni rezultati so potrdili pričakovane rezultate iz 3D simulacijskih orodij. Anteno je mogoče uporabiti kot samostojno, za dodatno povečanje smernosti lahko sestavimo polje takšnih anten, ali pa jo uporabimo kakor reflektor za parabolično zrcalo. Dalo bi se jo še naprej izboljšati s hibridno uporabo te metode s še katero od predlaganih metod iz drugih člankov. Na primer, lahko bi uporabili zamisel iz tega članka za povečanje smernosti z obroči in ji dodali metamateriale. Tako bi bilo mogoče še naprej povečati smernost same antene. 5 Literatura [1] E. Conforti, A. J. Giarola and R. F. Souza, “Radiation from open-ended circular waveguide”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 22, June, 1984, pp. 78-81 [2] Le-Wei Li, Mook-Seng Leong, Pang-Shyan Kooi, Tat- Soon Yeo, You-Lin Qiu, “Radiation of an aperture antenna covered by a spherical-shell chiral radome and fed by a circular waveguide” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 46, May, 1998 pp. 664-671 [3] A.V. Shishkova, S.N. Pivnenko, N.N. Gorobets, “Polarization characteristics of an open-ended circular waveguide”, IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques, Vol. 2, September, 2003, pp. 465–467 [4] J.M. Reiter, F. Arndt, “Analysis of circular waveguide antennas including the outer wall geometry with a spherical- wave formulation of the boundary contour-mode-matching method”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 2, June, 1994 pp. 1070–1073 136 Raspor, Vidmar [5] S. Piedra, J. Basterrechea, M.F. Catedra, “Extension of a CG-FFT BOR formulation to model slots in circular waveguide antennas”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,Vol. 3, June, 1998 pp. 1514– 1517 [6] J. L. Volakis, R. C. Johnson, H. Jasik, “Antenna engineering handbook”, McGraw-Hill Professional, 2007 [7] M. Hakkak, H. Ameri, “Gain enhancement of dielectric resonator loaded waveguide antennas with dielectric overlays”, Electronics Letters, Volume 28, March, 1992 pp. 541-542 [8] Guo-Hua Zhang, Yun-Qi Fu, Chang Zhu, Dun-Bao Yan, Nai-Chang Yuan, “A circular waveguide antenna using high- impedance ground plane”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 2, 2003, pp. 86-88 [9] Li Bin, Wu Bian, Liang Chang-hong,“High gain circular waveguide array antenna using electromagnetic band-gap structure”, APMC - Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings Conference Proceedings, Vol. 3, December, 2005 pp. 4–8 [10] S.P. Skobelev, “On improvement of the radiation performance of the open-ended circular waveguide”, IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques, Vol. 2, September, 2003, pp. 477 - 480 [11] S.K. Katenev, H. Shi, “Stop bandwidth extremums of a periodic iris-loaded circular waveguide”, IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques, September, 2007, pp. 471-473 [12] M. Vidmar, “Na sneg in led odporni lonci za 23cm in 13cm”, RTV klub Murska Sobota, 1999 [13] Jože Mlakar, “Elektromagnetno valovanje”, Založba FE in FRI, 2002 [14] Li B., Wu B., and Liang C.H.: “Study on high-gain circular waveguide array antenna with metamaterial Structure”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 60, 207–219, 2006 Adam Raspor je diplomiral leta 2007 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Trenutno je študent podiplomskega študija na isti fakulteti. Matjaž Vidmar je diplomiral leta 1980, magistriral leta 1983 in doktoriral leta 1992 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Zaposlen je na Fakulteti za elektrotehniko, Katedra za telekomunikacije, kjer je predstojnik laboratorija za sevanje in optiko. Sodeluje pri številnih domačih in tujih projektih s področja optičnih in radijskih komunikacij. Spekter njegovega raziskovalnega dela je zelo širok in se giblje od letalstva do optičnih komunikacij.