ANSYS HFSS. Опыт минимизации антенны для WBAN.

Беспроводная телесная локальная сеть (WBAN - wireless body area network) состоит из целого ряда всевозможных датчиков, носимых на теле, которые осуществляют связь с сервером по беспроводной сети. Сеть WBAN может состоять из датчиков, которые контролируют медицинский статус владельца и обеспечить раннее предупреждение проблем со здоровьем (и это только одно применение технологии).

Традиционно в WBAN устройствах, используются микрополосковые патч антенны с круговой поляризацией (circularly polarized - CP), так как они могут поддерживать работоспособность сети, несмотря на движение пользователя. Тем не менее, CP антенны, как правило, имеют относительно узкую полосу частот. Особенно трудно получить широкую полосу в компактном исполнении CP антенны.

Исследователи из Университета Ханьян (Hanyang University) задались целью создать компактную CP антенну с широкой полосой пропускания достаточной для того, чтобы иметь возможность работать со всеми научно-измерительными приборами (ISM - instrument, scientific and measurement) рабочая полоса которых находится в диапазоне от 2,4 ГГц до 2,485 ГГц. Конструкция антенны была задумана в виде квадратного выреза в нижнем слое диэлектрической подложки (FR-4) с парой линий Y-формы, соединенных с землей. На верхнем слое подложки располагается микрополосковая линия L-образной формы с точкой питания антенны. Квадратный вырез вытравливается размером 36 х 36 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость подложки 4,4. Для того чтобы уменьшить размеры антенны, микрополосковую L-образную линию изгибают (способы изгиба могут быть разными) таким образом, чтобы обеспечить требуемую резонансную длину волны в пределах меньшей площади.

Причем, при таком стремлении уменьшить размеры антенны, необходимо брать во внимание такие конструкционные параметры как толщина микрополосковой линии питания и ширины каждой щелевой секции этой линии (образованных ее изгибом, например, в виде меандра). Исследовательская группа оценивала влияние заземлённых металлизированных полос на нижнем слое подложки на ширину полосы пропускания по уровню коэффициента эллиптичности 3 дБ. Также они анализировали I-образную форму, Т-образную форму и Y-образную форму линии на нижнем слое подложки.

При разработке антенны исследователи столкнулись с задачей настройки геометрических параметров для получения идеальных обратных потерь и оптимальной ширины полосы пропускания определяемой по коэффициенту эллиптичности. По обратным потерям в диапазоне частот можно судить о согласовании/рассогласовании передатчика с нагрузкой.   Ширина полосы пропускания, определяемая по коэффициенту эллиптичности, является мерой качества круговой поляризации антенны. Поле с круговой поляризацией состоит из двух ортогональных Е-компонент равной амплитуды, которые сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов по фазе. Коэффициент эллиптичности представляет собой отношение этих компонент. Идеальное значение - 0 дБ. В качестве ширины полосы пропускания, определяемой по коэффициенту эллиптичности обычно используется ширины полосы частот, для которой ортогональные компоненты E-поля отличаются не более чем на 3 дБ.

Оптимизация конструкции антенны с помощью физических измерений, когда при измерении очередного прототипа принимаются решения о необходимости коррекции той или оной части геометрии конструкции, занимает очень много времени и дорого из-за высокой стоимости всех работ. Поэтому инженеры Университета Ханьян решили использовать для этих целей ANSYS HFSS - программное обеспечения для моделирования электромагнитного поля. Они создали параметризованную базовую геометрию, нарисовав её непосредственно в HFSS, а также присвоили соответствующей части антенны материал с определёнными свойствами. Далее были назначены граничные условия и порт возбуждения, установлена частота вычислений, а также диапазон свиппирования по частоте. Заключительным шагом был запуск на анализ и после окончания вычислений, просмотр результатов моделирования. Основные параметры, которые изменялись при параметрических вычислениях были следующими: Ith (длинна питающей линии по оси Х), W2 (толщина питающей линии), W3 (ширина каждой щелевой секции питающей линии) и Ws (расстояние между двумя “рогами” Y-образной линии). На основании проведённых параметризированных вычислений бил получен целы ряд результатов. Так, например, из графика зависимости обратных потерь от частоты для различных значений I можно увидеть, что резонансная частота антенны уменьшается при увеличении Ith.

На основании полученных результатов, выбор пал на модель антенны с линиями Y-образной формы, так как она имеет самую широкую полосу пропускания, измеренную при коэффициенте эллиптичности (ARBW) равным 3 дБ. При увеличении параметра WS от 3 мм до 4 мм, ARBW по уровню 3 дБ становится шире. Однако, дальнейшее увеличение WS приводит к уменьшению полосы пропускания (при КЭ = 3 дБ). Предлагаемая антенна была изготовлена ​​с использованием оптимизированных проектных параметров, определенных с помощью моделирования.

Оптимальные размеры антенны получились следующими: L = 24 мм, G = 36 мм, Ltv = 19 мм, W2 = 0.5mm, W3 = 0,5 мм, и Ws = 4 мм. Измеренные возвратные потери оказались очень близки к аналогичной зависимости полученной на этапе моделирования.

Полоса пропускания (график возвратных потерь) по уровню 10 дБ составила не менее 1120 МГц (от 2170 МГц до 3290 МГц), ARBW (при КЭ=3 дБ) составила около 29 процентов по отношению к центральной частоте (Fц = 2450 МГц). Таким образом, антенна получилась достаточно широкополосной, чтобы охватить весь диапазон ISM и это при достаточно малом размере антенны 36 х 36 х 1,6 мм.

Заключение

Новая антенна является более компактной, чем аналогичные антенны, и с более широкополосной. Эти особенности делают эту её хорошим кандидатом для современных систем WBAN, требующих высокой производительности, малых габаритов, малых весов и низкую себестоимость производства. Эта оптимизированная конструкция вполне может выступать катализатором для самых разнообразных безопасных, удобных в ношении на теле устройств для будущих медицинских приложений и потребительских товаров.