СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2012

В практике проектирования СВЧ устройств широко используются со временные программные системы – HFSS [1], CST [2], FEKO [3] и др. В насто ящее время вычислительный экспе римент является одним из важных этапов научных исследований. Ин формация, полученная с помощью численных расчётов, позволяет не только правильно понять физические явления, наблюдаемые в экспери менте, но и в некоторых случаях заме нить натурный эксперимент компью терным. Планарные антенны (ПА) широко применяются в современной радио аппаратуре, мобильных компьютерах, сотовых телефонах и спутниковых приёмниках систем определения ко ординат GPS (Global Position System) благодаря компактности, низкой сто имости и удобному согласованию с другими печатными устройствами. Современные ПА являются резонанс ными устройствами, электрические размеры которых соизмеримы с дли ной волны. Реальная антенна имеет сложную структуру, отличную от пря моугольной, поскольку включает эле менты подстройки для согласования. Форма ПА может иметь скошенные края и щели. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012 При проектировании ПА критичес кимфактором становятся диссипатив ные потери в элементах конструкции, которые могут быть сопоставимы с по лезными потерями на излучение в сво бодное пространство. В таком случае диссипативные потери влияют на КПД устройства и полосу рабочих частот. Поэтому модель малогабаритной ан тенны должна учитывать омические потери в проводящих элементах и теп ловые потери в диэлектриках. ОсобенностьюПА является наличие острых кромок металлических про водников, вблизи которых наблюда ется концентрация токов, увеличива ющая потери в металле. Это предъяв ляет жёсткие требования к точности компьютерной модели, которая долж на адекватно описать сложное распре деление поля в окрестности таких кромок. Потери внутри металла так же могут описываться разными спо собами. Поэтому правильный выбор способа учёта потерь и точная на стройка системы проектирования обеспечивают необходимую точность решения электродинамической зада чи для ПА. Целью данной статьи является со поставление – по совокупности пока зателей качества – различных систем электродинамического моделирова ния на примере расчёта ПА. Для этого с помощью программ HFSS Ansoft [1], CST MWS [2] и FEKO [3] (т.н. «большая тройка») были выполнены расчёты ПА и произведено их сравнение с ре зультатами эксперимента. Три вы бранные программы используют раз личные методы решения электроди намических задач – метод конечных элементов, метод FDTD и метод мо ментов. Для корректного сравнения расчёты выполнялись на одном и том же ком пьютере, оснащённом 2 Гб оператив ной памяти и двухъядерным процес сором с частотой 2,26 ГГц. Во всех слу чаях решение системы уравнений про исходило без обращения к жёсткому диску компьютера. Далее приводится расчёт следующих характеристик планарной антенны (см. рис. 1): ● резонансной частоты, на которой реальная часть входного импеданса имеет максимальное значение; ● рабочей полосы частот; ● диаграммы направленности (ДН) и КПД антенны. Планарные антенны имеют невысо куюнаправленность и устанавливают ся так, что принимают сигнал почти во всей верхней полусфере. Потери в ПА сосредоточены в диэлектрической подложке, где они оцениваются тан генсом угла диэлектрических потерь, а также в металле излучающей формы ПА и земляной плоскости. Полученные в ходе численного эксперимента данные о полосе рабо чих частот могут быть использованы для определения КПД антенны. По лоса рабочих частот пропорцио нальна суммарным потерям мощнос ти электромагнитной энергии антен ны. Эти потери складываются из полезных потерь на излучение α r , диссипативных потерь в металле α m и в диэлектрике α d [Ом]. Тогда КПД антенны можно определить как от ношение полезных потерь к общим потерям [4]: . (1) Учитывая пропорциональность по лосыпропускания потерям, можно вы разить КПД следующим образом: , (2) где Δ f p – полоса пропускания идеаль ной антенны без тепловых потерь, Δ f – полоса антенны с тепловыми поте рями. Кроме того, КПД антенны, получае мый в численном эксперименте, равен 80 мм 80 мм 32,8 мм 32,8 мм 21,8 мм 8 мм Флан Рис. 1. Внешний вид ПА на подложке с параметрами ε = 16, tg δ = 0,01, h = 8 мм и медной поверхностью Моделирование планарной антенны GPS с помощью современных программных комплексов Александр Курушин (Москва) В статье описаны особенности моделирования планарной антенны приёмника GPS с помощью различных методов. Сравниваются результаты расчёта, полученные с помощью основных коммерческих программ электродинамического моделирования. © СТА-ПРЕСС