Hallo allerseits ich habe ein Problem. Und zwar möchte ich eine Patchantenne entwerfen, simulieren und dann auch bauen. Es soll eine Microstrip-Patchantenne mit einem Inset Feed sein, also so etwas: http://mwrf.com/site-files/mwrf.com/files/archive/mwrf.com/Files/30/6993/Figure_01.gif Ich habe also nun in einem Antennenbuch die Gleichungen heraus gesucht, um die optimalen Abmessungen zu berechnen, damit ich bei meiner gewünschten Frequenz von 3.5 GHz eine möglichst gute Anpassung (S11) bekomme. Danach habe ich die Antenne simuliert und so herausgefunden, dass die Abmessungen natürlich nicht ganz optimal sind und die Resonanzfrequenz leicht verschoben war. Also habe ich in der Simulation die Antennenabmessungen optimiert, bis S11 bei 3.5 GHz auf -30 dB gesunken ist, es hatte also einen sehr scharfen Resonanz"peak". Soweit so gut. Die Antenne habe ich dann fertigen lassen. Die Fertigungstoleranzen sollten sehr klein sein, die sind eigentlich besser als 0.05 mm. Also werden meine vorgegebenen Abmessungen recht genau eingehalten. Trotzdem habe ich festgestellt, dass die gefertigte Antenne nicht mit der Simulation übereingestimmt hat, sondern die tatsächlich gemessene Resonanzfrequenz lag 70 MHz über der von der Simulation prognostizierten von 3.5 GHz. Diese Abweichung ist mir zu gross. Ich will eine möglichst realitätsnahe Simulation. Warum ist die Realität so abweichend? In meiner Simulation habe ich berücksichtigt: - endliche Abmessung der Groundplane - Verlustfaktor des Dielektrikums - Abmessungen auf 0.05 mm gerundet Was ich nicht berücksichtigt habe: - den exakten Leitwert von Kupfer; die Leiter habe ich als "perfect electric Conductor" modelliert - die Dicke des Kupfers, welche ca. 18 um beträgt Kann die Vernachlässigung dieser beiden Grössen eine so signifikante Verschiebung der Resonanzfrequenz zur Folge haben?
Vermutlich ist das epsilon_R von dem genutzen Substrat nicht genau genug in die Simulation eingegangen. Und bei 3.5GHz sind 70MHz doch nur 2%, fuer nen ersten Versuch doch nicht schlecht.
Ein Entwurf von Patchantennen ist sehr praxisnah beschrieben im Artikel von Gunthard Kraus http://www.gunthard-kraus.de/inhalt_de.htm "EM-Simulation mit Sonnet Lite 12.53 / Teil 1: Design von Patchantennen (Um den Entwurf einer zirkular polarisierten Patchantenne für 2,45GHz erweiterte Tutorial"
Hier einige Hinweise, wo die Simulation von Patchantennen schief gehen kann: Berücksichtigt werden müssen: - epsr - tan(delta) - Leitfähigkeit des Kupfers - Rauheit des Kupfers (!) - evtl. Substratdicke Das er ist in der Regel nur ein Schätzwert, tatsächlich gibt es auf Nachfrage lange Tabellen von den Substratherstellern, bei denen epsr abhängig von Substratdicke und Frequenz angegeben sind. Diese sind aber auch nur als Schätzwert zu verstehen, da das effektive er unter Berücksichtigung der Feldverteilung für jede Struktur anders ist. Beim Simulieren der Antenne spielt außerdem das Meshing eine große Rolle, die ebenfalls solche Probleme Abweichungen verursachen kann. Selbiges gilt für die Speisung, Wave Ports liefern i.d.R. bessere Ergebnisse als Lumped Ports. Die Waveports müssen ausreichend groß gestaltet sein, um die gesamte Mode der Mikrostreifenleitung zu erfassen. Typische Werte finden sich in den Manuals der Softwarehersteller. Weiterhin können Probleme von der korrekten Dimensionierung der Airbox (der absorbierenden Randbedingung) um die Antenne entstehen. Die Airbox muss eine gewisse Mindestgröße haben. Z.T. gibt es mehrere absorbierende Rbd, die verschieden gut funktionieren, abhängig vom Einfallswinkel der Welle). Abschließend lohnt sich noch ein Blick auf den Steckerübergang. Sitzt dieser direkt am Substrat? Ist die Masse ordentlich angelötet? Ist der Innenleiter ohne großen Lötzinn-Pfropfen angelötet (zusätzliche Kapazität gegen Stecker)? Viele Fragen - viel Glück :-) Abhängig von der Frequenz sind einige MHz Abweichung nicht unüblich; man designt die Struktur dann in Simulation bei der entsprechend höheren Resonanzfrequenz; meistens passt der zweite Schuss dann.
Als naechste Schritte wuerde ich nun eine Simulation der Empfinlichkeiten durchfuehren, im Sinne, mit welcher Abmessung man wie die Frequenz tunen kann. Da gibts dann eine oder mehrere Dimensionen, mit zB 12MHz/0.1mm. Und eine solche veraendert man dann und laesst nochmals fertigen.
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