Simulation von Patchantennen

Gast #4392147
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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?
Gast #4434955
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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.

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