VASA UNIVERSITET
TEKNISKA FAKULTETEN
ELTEKNIK
Niklas Wiik, N85745
SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria
MONOCONICAL RF ANTENNA
Sidantal: 9
Lämnat för bedömning: 8.1.2009
Arbetets granskare
Maarit Vesapuisto
2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
SYMBOLER OCH FÖRKORTNINGAR.........................................................................3
1.INLEDNING..................................................................................................................4
2.SIMULERINGAR..........................................................................................................5
SYMBOLER OCH FÖRKORTNINGAR
3G
Third Generation, (Tredje Generation)
GSM
Global System for Mobile communication, (Globalt System
för Mobil kommunikation)
SINR
Signal to Noise and Interference Ratio, Signal (Signalstyrka
jämfört med Störning och Interferens)
WLAN
Wireless Local Area Network, (Lokalt trådlöst nätverk)
1. INLEDNING
Övningsarbetets
syfte
var
att
bekanta
sig
med
COMSOL
mjukvarans
simuleringsmöjligheter. I detta arbete har en konisk RF antenn granskats för olika
frekvensband.
Dagens datakommunikations produkter innehåller ofta flera än ett system för långväga
kommunikation. Till exempel en mobiltelefon kan innehålla GSM, 3G och Bluetooth.
Därför är det viktigt att samma antenn har god prestationsförmåga på flera frekvensband. Antennen kommer därför att granskas på tre frekvensband, 900 MHz (GSM),
1800 MHz (GSM dual-band) och 2,1GHz (3G).
2. SIMULERINGAR
En konisk antenn som den simulerade har den fördelen att dess bandbredds karakteristik
är jämn över ett stort spektrum. Detta innebär att den kan användas för flera olika frekvensband utan större förluster I effektiviteten. Dess enkla uppbyggnad gör att den också
är en kostnadseffektiv antenn rent ekonomiskt sett.
Antennen är uppbyggd som en halv kon, ansluten med en 50 Ω koaxial kabel. Den inre
ledaren av koaxial kabeln är kopplad till konen och yttre ledaren till det jordade planet.
På grund av symmetrin av antennen kan en två dimensionell modell användas med
cylindriska koordinater.
Antennens uppbyggnad kan ses från figur 1, där konens höjd är 0,2 m, jordningsplanets
radie 0,282 m.
Figur 1. Simulerad antenn.
Genom att uttgå från Maxwells ekvationer:
∇× E=−
∂B
∂t
∇× H= J
∂D
∂t
(1)
(2)
Där strömtätheten J kan ses som källan som bygger upp det elektromagnetiska fältet
som sedan färdas i luften. I luften kan det bevisas att J ej längre behövs utan det
magnetiska- och elektriskafältet matar varandra med energi i färdriktningen.
I simuleringarna granskas magnetiska fältet, på grund av att det elektriska fältet har en
komponent i färdriktningen blir vågekvationen för magnetiska fältet som en skalär:
1
∇× ∇ ×H − 2 H =0
Figur 2. Simulering för 900 MHz.
(3)
Figur 3. Simulering för 1800 MHz.
Figur 4. Simulering för 2,1 GHz.
Från simuleringarna kan ses att antennen fungerar väl för 1,8 och 2,1 GHz när vi endast
beaktar fältet långt från antennen. För 900 MHz fås ett mycket svagare fält, därför
granskas även impedansen för antennen i figur 5 för att se de reflekterande vågorna och
om matchning av antennen är nödvändig.
Figur 5. Antenn impedans som funktion av frekvensen.
I figur 5 är impedansen för antennen för de tre olika frekvenserna utritade, från figuren
kan ses att för 900 MHz och 2,1 GHz är impedansen rätt långt från 50 Ω som är det
ideala för att matcha koaxial kabeln. Därför kan det ses som en nödvändighet att ha en
krets för att matcha koaxial kabeln till antennen, utan matchning skulle så pass mycket
reflektioner uppstå att vid mottagningen av signalen skulle ett lågt SINR värde uppnås
på grund av att reflekterade vågor skulle överlappa den egentliga vågen.
