Ivars Driíis, Leo Seïâvo · 2019. 7. 26. · Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array for wireless communications. IEEE Trans. Antennas Propag., 53:2437 2443, 2005. G

Motivacija Antenas Teorija Modelis Noslēgums Literatūra

IEGULRĪJUMS TAVĀ NĀKOTNĒ

DE-SPIDA antena sensoru tīkliemIvars Driķis, Leo Seļāvo

SAntArray grupa

Ivars Driķis, Leo Seļāvo EDIDE-SPIDA antena sensoru tīkliem


Parastās antenas sensoru tīklos

Parasti sensoru mezgliem lieto antenas,kuras visos virzienos izstaro vienādujaudu. Attiecīgi arī ir vienādi jūtīgas visosvirzienos

Vienkārša gan izgatavošanā ganekspluatācijā



Virziendarbības antenu priekšrocības

Informācijas pārraidei starp diviemsensoru mezgliem būtunepieciešams mazāks enerģijaspatēriņšSensoru mezgls varētu raidīt, tikaitajos laika momentos, kad pret viņu“vērsta” uztverošā antenaIespējams, ka vairaki sensorumezglu pāri vienlaikus varētu lietotvienu un to pašu sakaru kanālu



Virziendarbības antenu tipi

Aktīvo elementu masīvi

Ilustrācija nowww.radartutorial.eu/06.antennas/an14.en.html

Parazītisko elementu antenas

Ilustrācija nowww.jpo.go.jp/seido_e/rekishi_e/hidetsugu_yagi.htm


www.radartutorial.eu/06.antennas/an14.en.html

www.jpo.go.jp/seido_e/rekishi_e/hidetsugu_yagi.htm


Elektroniski vadāmās parazītiskās antenas

SPIDA, [1]

+ vienkārša vadība

- viegli deformējama

- ierobežots virziendarbībasvariantu skaits

ESPAR, [2]

+ neierobežots virziendarbībasvariantu skaits

- sarežģīta vadība

- masīva, lieli izmēri



Dielektriķī ieslēgta antena, [3]

+ ievērojami samazinās antenas izmēri+ antenas elementi mehaniski aizsargāti? dielektriskais materiāls ar lielu ε un maziem zudumiem



Uzdevums

Apvienot ESPAR un SPIDA antenu labākās īpašības un izveidot savuantenu:

ESAPR antenas konstrukcija: monolīta pamatneSPIDA vadība - pasīvos elementus vada izmantojot elektroniskivadāmu slēdziAntenas elementi ievietoti dielektriskajā materiālā ar lielu ε. Tasgan samazina antenas izmērus par ∼

√ε gan arī aizsargā

antenas elementus no nevēlamām deformācijām.



Materiāli

Orgstikls, ε = 3.4 Metālisks silīcijs ε = 11.9



DE-SPIDA antenas modelis



Antenas darbības principi

X4 X5

X6

X1

hp

rpha

Zin

X2

X3

signālu pievada centrālajamelementamparazītiskie elementi signāluuztver un novada uz ķēdi, koveido vadības rezistori Xisignāls atstarojas nonoslēgtās vadības ķēdes unatgriežās atpakaļparazītiskajā elementāparazītiskie elementi izstarosignālu ar fāzes nobīdiizstarotie lauki summējas



Antenas darbības matematiskais apraksts

Strāvu parazītisko elementu ieejā atrod izmantot antenasimpedances matricu Z

i0i1. . .i6

=

Z00 Z01 . . . Z06Z10 Z11 + jX1 . . . Z16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Z60 Z61 . . . Z66 + jX6

−1

u00. . .0

Antenas virziendarbības diagrammu elektiskajam laukam veidotās aktīvā elementa starojuma E0(θ, ϕ) un parazītisko elementustarojumu En(θ, ϕ) summa, ņemot vērā strāvu katrā noelementiem im un viļņu gājiena starpību dm attiecībā pret antenascentrālo elementu:

E(θ, ϕ) = c0E0(θ, ϕ) +6∑n=1

cne−jkdnEn(θ, ϕ)



Antenas impedances matrica Z

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

rp /λ

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

|Z/Z

0|

|Z00/Z0|

|Z10/Z0|

|Z11/Z0|

|Z12/Z0|

|Z13/Z0|

|Z14/Z0|

Antenas impedances matricas Z elementu skaitliskās vērtības atkarībā noattāluma starp aktīvo un pasīvajiem elementiem rp. Šeit ha = hp = h0, kur h0ir izolēta ceturtdaļviļņa monopola rezonanses garums un attiecīgi Z0 ir tāieejas pretestība. Aprēķini veikti ar NEC2 programmatūru [4]



Vienkāršas divu elementu antenas modelis

Xi maina virziendarbībasdiagrammuMainot ha var noskaņotantenu rezonansēMainot hp var noskaņot Ximaiņas robežasMainot rp mainās viss

X1

hp

rpha

Zin



Divu elementu antena, SPIDA ģeometrija

GND

ANT1

S1

231

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

hp /ha =0.924

ha =0.238 λ

rp =0.28 λ

X0 =open

X1 =short



Divu elementu antena, v1

GND

ANT1

S1

231

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

hp /ha =0.850

ha =0.225 λ

rp =0.25 λ

X0 =open

X1 =short




GND

ANT1

LX

S1

231

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

hp /ha =0.850

ha =0.225 λ

rp =0.25 λ

X0 =open

X1 =(0.0+30.0j) Ω




GND

ANT1

LX

S1

231

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

hp /ha =0.850

ha =0.225 λ

rp =0.25 λ

X0 =short

X1 =(0.0+30.0j) Ω




GND

ANT1

LX

S1

231

CX

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

hp /ha =0.850

ha =0.225 λ

rp =0.25 λ

X0 =(0.0-30.0j) Ω

X1 =(0.0+30.0j) Ω



Elektroniskās komutācijas shēma

100pF

1000pF

1000pF

100pF 100pF

Lx

GND GND GND GNDGND

GND

VC24

IN5

OUT2 3

UPG2214TB

VC16

OUT1 1

GND 2

ANT1

123

SL1

C1

C2

C3

C4 C5

L1



Starojuma diagrammas 7 elementu antenai, v2

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB



Starojuma diagrammas 7 elementu antenai, v3

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB

0°

60°120°

180°

240° 300°

0 dB

4 dB



Mērījumu rezultāti



Noslēgums

Rezultāti

Izstrādāta antenas koncepcijaNotiek optimālu tās parametru noteikšana gan ar skaitliskāsmodelēšanas gan arī ar mērījumu palīdzību.Pagaidām neatrisināta problēma - antenas salāgošana

Pateicības

EDI par iespeju piedalīties projektā un ESF par finansējumuK. Priedītim par sadarbību mērījumu veikšanā



Literatūra I

M. Nilsson.Directional antennas for wireless sensor networks.In Proceedings of 9th Scandinavian Workshop on WirelessAdhoc Networks (Adhoc’09), page 4, Uppsala, Sweden, 2009.

K. Prieditis, I. Drikis, and L. Selavo.Passive elements array antena for wireless sensor networks.In ACM SenSys 2010, Zurich, 2010.

J. Lu, D. Ireland, and R. Schlub.Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array forwireless communications.IEEE Trans. Antennas Propag., 53:2437–2443, 2005.

G. J. Burke and A. J. Poggio.Numerical Electromagnetic Code (NEC) - Method of Moments.Technical report, Lawrence Livermore Laboratory, 1981.


Documents

Ivars Driíis, Leo Seïâvo · 2019. 7. 26. · Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array for wireless communications. IEEE Trans. Antennas Propag., 53:2437 2443, 2005. G