Politechnika Warszawska
Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych
Instytut Systemów Elektronicznych
Michał Bandzul
Numer albumu: 217711
Praca dyplomowa magisterska
Badanie wpływu deformacji kształtu anteny
na jej charakterystyki kierunkowe.
Praca wykonana pod kierunkiem
dr hab. inż. Adama Abramowicza
Warszawa, 2015
S t r o n a | 2
Badanie wpływu deformacji kształtu anteny na jej charakterystyki kierunkowe.
Celem niniejszej pracy jest zbadanie wpływu deformacji kształtu anteny na jej
charakterystyki kierunkowe. Antena wykorzystana w tej pracy pracuje na częstotliwości
868MHz, jest to zakres, który został dopuszczony do wykorzystania przez systemy RFID
w europie. W czasie realizacji pracy zostały wykorzystane następujące programy:
AutoCad, Altium Designer, QuickWave Simulator & Editor. W pierwszym rozdziale
została opisana krótko historia powstania anten. Drugi rozdział zawiera podstawowe
informacje na temat rodzajów anten i ich kluczowych parametrów. W rozdziale trzecim
zostały opisane przeprowadzone symulacje oraz przedstawione zostały ich wyniki.
Rozdział czwarty zawiera wyniki pomiarów rzeczywistej anteny, oraz porównanie ich z
symulacją. W piątym rozdziale praca została podsumowana.
Słowa kluczowe: RFID, antena, QuickWave, charakterystyki kierunkowe, pomiary
Analysis of impact of antenna shape deformation on its directional characteristics.
The main aim of this thesis is to analyze the impact of an antenna shape deformation
on its directional characteristics. Antenna used for this thesis works at 868MHz, UHF
frequency that is free to use for RFID systems in Europe. The following applications were
used while working out the thesis: AutoCad, Altium Designer, QuickWave Simulator &
Editor. In the first chapter a history of antennas has been shortly introduced. The second
chapter introduces basic types of antennas and its key parameters. In the third chapter
simulations were described and their results were presented. The fourth chapter contains
results of measurements of a real antenna and a comparison with electromagnetic
simulations. In the fifth chapter conclusions of the whole thesis have been given.
Key words: RFID, antenna, QuickWave, directional characteristics, measurements
S t r o n a | 3
Spis treści:
1. Wstęp 4
2. Anteny i ich parametry 7
2.1 Parametry anten 7
2.2 Rodzaje anten 12
3. Przygotowanie i symulacja badanej anteny 18
3.1 Projekt w Autocad 20
3.2 Projekt w QW 22
3.3 Symulacja i analiza deformacji kształtu 29
3.4 Obecność powierzchni metalicznej 52
3.5 Wpływ wody na działanie anteny 58
4. Doświadczalna weryfikacja rezultatów symulacji 62
4.1. Przygotowanie transpondera 62
4.2. Pomiar 63
5. Podsumowanie i wnioski 77
6. Bibliografia 79
S t r o n a | 4
1. Wstęp
Zagadnieniem fal elektromagnetycznych interesowano się już od bardzo dawna.
Już w 1820 roku, duński fizyk Hans Christian Orsted odkrył, iż pole magnetyczne jest
generowane przez prąd elektryczny. W trakcie prostego eksperymentu wykazał, że igła
kompasu odchyla się pod wpływem prądu w przewodzie. Kolejnym krokiem milowym dla
ludzkości, były badania angielskiego fizyka, Michaela Faradaya. W 1831 roku, odkrył on
zjawisko indukcji elektromagnetycznej, dzięki czemu stworzył pierwszą na świecie
prądnicę. Zjawisko to do tej pory jest podstawą konstrukcji generatorów elektrycznych [1].
Rys. 1.1 Prądnica skonstruowana przez Faradaya [2]
Przełomem w dziedzinie fal elektromagnetycznych było zebranie przez Jamesa
Clerka Maxwella praw elektrodynamiki w cztery równania zwanymi Równaniami
Maxwella. Pierwsze prawo mówi o tym, że pole elektryczne jest polem źródłowym. Drugie
prawo dotyczy faktu, że pole magnetyczne jest polem bezźródłowym. Z trzeciego prawa
można się dowiedzieć, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne.
Natomiast czwarte prawo mówi o tym, że wirowe pole elektromagnetyczne jest
wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i zmienne pole elektryczne.
Odkrycia poczynione przez Maxwella pozwoliły na wytworzenie fali
elektromagnetycznej przez Heinrichta Hertza w 1887 roku. Hertz w swoim eksperymencie
wykazał, że jest możliwość wytworzenia fal elektromagnetycznych za pomocą oscylatora
S t r o n a | 5
elektrycznego. Rysunek 1.2 przedstawia szczegółowy schemat układu wykorzystanego w
eksperymencie. W czasie eksperymentu, przeskok iskry elektrycznej wytworzonej w
oscylatorze wywołał zaburzenie elektromagnetyczne. Fala elektromagnetyczna została
odebrana za pomocą prostej anteny pętlowej oddalonej od układu. Dalsze badania Hertza
w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju radiokomunikacji.
Rys 1.2 Szczegółowy schemat układu wykorzystanego w eksperymencie [3]
Obecnie anteny są wykorzystywane w praktycznie każdej dziedzinie życia.
Współczesna komunikacja nie istniała by bez wszelakiego typu anten- od radiolinii
wykorzystywanych jako łącza telekomunikacyjne zaczynając, na stacjach bazowych
pracujących w sieciach komórkowych kończąc. Logistyka stała się o wiele łatwiejsza w
momencie, gdy wykorzystano w niej anteny do oznaczania towarów. W sporcie
uproszczono metodę wykonywania pomiarów dzięki antenom. Większość ludzi nawet nie
jest świadoma, że w życiu codziennym na każdym kroku spotykają się z pracą anten: w
pracy w postaci kart zbliżeniowych, w sklepach w postaci zabezpieczeń
antykradzieżowych, czy też przy kasie gdzie dzięki antenie mogą dokonać płatności
zbliżeniowych.
Celem niniejszej pracy jest analiza charakterystyki kierunkowej anteny
wykorzystywanej w systemach antykradzieżowych RFID. Zostanie zbadany wpływ
deformacji kształtu tej anteny na zmiany w jej charakterystyce kierunkowej. W tym celu
S t r o n a | 6
zostały wykorzystane takie programy jak: AutoCad, Altium Designer oraz QuickWave.
Dodatkowo w celu weryfikacji wyników otrzymanych w trakcie symulacji, wykonano
pomiary w laboratorium wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki
Warszawskiej.
Rozdział drugi przedstawia podstawowe informacje związane z antenami.
Przedstawione są w nim podstawowe typy anten oraz omówione zostaną ich podstawowe
parametry. Dzięki tym informacjom, będzie możliwa dokładniejsza analiza wyników
symulacji i pomiarów.
W rozdziale trzecim przedstawiony zostanie proces przygotowania do symulacji
oraz jej wyniki. Na początku opisana jest metoda przeniesienia anteny do środowiska
wirtualnego, a następnie zostały przedstawione zostały parametry symulacji. Na koniec
zostały szczegółowo omówione wyniki symulacji.
Czwarty rozdział dotyczy pomiarów wykonanych w laboratorium uczelni. Omawia
on metodę projektowania rzeczywistej anteny oraz proces jej dostosowania do pomiarów.
W rozdziale tym znajduje się także porównanie wyników symulacji z otrzymanymi w
czasie pomiarów.
W rozdziale piątym, znajduje się podsumowanie pracy dyplomowej.
S t r o n a | 7
2. Anteny i ich parametry
Antena, jest to urządzenie, które zamienia fale elektromagnetyczne na sygnał
elektryczny i vice versa. Anteny są głównie wykorzystywane w połączeniu z nadajnikiem
i odbiornikiem radiowym. Nadajnik służy do wytworzenia sygnału elektromagnetycznego,
natomiast odbiornik jest wykorzystywany do zamiany informacji przesyłanych w falach
elektromagnetycznych na napięcie elektryczne. Anteny mogą mieć różne kształty i
wymiary. Anteny są kluczowym elementem, jeżeli rozmawiamy o bezprzewodowym
przekazywaniu informacji. Obecnie anteny są wykorzystywane we wszystkich dziedzinach
życia. Od odbioru telewizji zaczynając, na płatnościach zbliżeniowych kończąc.
2.1 Parametry anten
W celu lepszego dopasowania anteny do konkretnego celu wykorzystania,
zdefiniowano szereg kluczowych parametrów opisujących anteny. Z ich pomocą jesteśmy
w stanie dowiedzieć się, czy dana antena nadaje się do naszych celów czy też nie.
Parametry te, pozwalają na dokładne zbadanie właściwości anteny oraz pozwalają
przewidzieć, jak dana antena zachowa się w danym środowisku. Do kluczowych
parametrów anten należą:
Charakterystyka promieniowania
Polaryzacja
Zysk i kierunkowość
Sprawność
Impedancja anteny
Charakterystyka promieniowania informuje nas o tym, jak dana antena promieniuje
energię w zależności od kierunku. Inaczej mówiąc, charakterystyka kierunkowa określa
przestrzenny rozkład promieniowanej energii. Charakterystykę promieniowania
S t r o n a | 8
definiujemy jako rozkład natężenia pola elektrycznego na powierzchni kuli o promieniu
dostatecznie dużym w porównaniu z długością fali i rozmiarami anteny, której środek
pokrywa się ze środkiem anteny[4]. Na rysunku 2.1.1 znajduje się przykład przestrzennej
charakterystyki promieniowania anteny.
Rys 2.1.1 Przestrzenna charakterystyka promieniowania anteny[5]
Posługiwanie się przestrzenną charakterystyką może być skomplikowane i mało
przejrzyste, dlatego zdecydowano posługiwać się dwoma, wzajemnie prostopadłymi
przekrojami. Najczęściej stosowane są wykresy składowych Phi i Theta amplitudowej
charakterystyki kierunkowej. Wykresy te pozwalają skutecznie określić zależność
natężenia pola od współrzędnych kątowych Phi i Theta. Na rysunku 2.1.2 przedstawiony
jest sposób wyznaczania współrzędnych kątowych Phi i Theta. W celu porównania
wyników kilku anten, dla każdej z anten wartości natężenia dzielimy przez wartość
maksymalną, dzięki czemu otrzymujemy unormowanie do jedności.
S t r o n a | 9
Rys 2.1.2 Składowe Phi i Theta
Analizując charakterystyki anteny, nie można zapomnieć o polaryzacji. Polaryzację
dzielimy na liniową, kołową oraz eliptyczną[6]. W przypadku polaryzacji liniowej fala
oscyluje w jednej płaszczyźnie np. w pionie lub w poziomie. W systemie transmisyjnym
istotne jest dopasowanie polaryzacji anten uczestniczących w procesie komunikacji. Brak
dopasowania polaryzacji anten powoduje utratę dużej ilości mocy koniecznej do transmisji,
a co za tym idzie, pojawiają się liczne błędy w transmisji. Polaryzacja kołowa
charakteryzuje się oscylacjami po okręgu. Można rozłożyć oscylacje na dwie składowe o
jednakowych amplitudach ale o fazach przesuniętych o +/- 90o. W zależności od
przesunięcia, rozróżniamy polaryzację kołową lewoskrętną i prawoskrętną. Polaryzacja
eliptyczna może być reprezentowana przez złożenie polaryzacji liniowej z kołową. Ruch
wektora opisującego falę elektromagnetyczną odbywa się po elipsie i podobnie jak w
przypadku polaryzacji kołowej może być rozbity na dwie składowe. Jednak w odróżnieniu
od polaryzacji kołowej, składowe te mają różne amplitudy. Rysunek 2.1.3 przedstawia
wizualizację rodzajów polaryzacji.
S t r o n a | 10
2.1.3 Rodzaje polaryzacji [8]
Pole promieniowania można podzielić na trzy strefy[6]:
Strefa bliska
Strefa pośrednia
Strefa daleka
W strefie bliskiej składowe elektryczna i magnetyczna pola nie są w fazie-
przesunięcie między nimi jest bliskie 90o. Dodatkowo, powierzchniowa gęstość mocy jest
równa 0. Jest to strefa, która znajduje się w okręgu o promieniu krótszym niż długość fali.
Strefa pośrednia, zwana także strefą Fresnela jest kolejną strefą wokół anteny. Jest to strefa
w której są przeprowadzane wszystkie pomiary „w strefie bliskiej”. W strefie tej fala
promieniująca zaczyna przybierać kształt sferyczny. Strefa daleka jest największą ze stref
i zaczyna się w odległości (2*D2/λ)+λ od badanej anteny, gdzie λ to długość fali a D to
największy wymiar geometryczny anteny. Strefa daleka rozciąga się aż do
nieskończoności. W strefie dalekiej składowe elektryczna i magnetyczna pola są w fazie,
a charakterystyka promieniowania wykazuje wyraźny, sferyczny kształt.
Kierunkowością nazywamy zdolność anteny do koncentrowania energii w
określonym kierunku kosztem innych. Kierunkowość jest wyliczania bez uwzględniania
strat mocy w antenie. Kierunkowość oblicza się w polu dalekim i stanowi ona stosunek
maksymalnej gęstości promieniowania do średniej gęstości promieniowania w pełnym
kącie bryłowym(1). Zyskiem energetycznym nazywamy kwadrat stosunku maksymalnego
S t r o n a | 11
natężenia pola elektrycznego wytwarzanego przez badaną antenę, do maksymalnego
natężenia pola elektrycznego wytwarzanego przez antenę wzorcową zasilaną taką samą
mocą (2) [7]. Za antenę wzorcową przyjmuje się przeważnie dipol półfalowy, lub
bezstratne źródło izotropowe. Zysk energetyczny najczęściej podaje się w decybelach.
D=Smax/Sśr (1)
G=(Emax/Eref)2 (2)
Sprawność anteny jest to stosunek mocy wypromieniowanej przez antenę do całej
mocy do niej doprowadzonej (3). Za pomocą tego parametru można obliczyć straty
występujące w antenie wynikające przeważnie z niedopasowania anteny do linii
transmisyjnej, ze stratami w przewodniku oraz ze stratami w dielektryku.
μ=Pwy/Pwe (3)
Impedancja anteny jest miarą rzędu od kilku do kilkuset omów i jest istotna przy
dopasowaniu anteny do linii zasilającej. Impedancja zależy od wymiarów fizycznych
anteny, od jej kształtu, materiałów wykonania oraz od jej elementów. Impedancja anteny
bezpośrednio wiąże się z współczynnikiem fali stojącej WFS. WFS jest to miara
dopasowania impedancji anteny do impedancji kabla antenowego (4). Współczynnik fali
stojącej jest obliczany na podstawie współczynnika odbicia Γ (5). WFS równy 1 świadczy
o pełnym dopasowaniu, natomiast współczynnik bliski nieskończoności świadczy o
przerwie lub zwarciu.
WFS=(1+|Γ|)/(1-|Γ|) (4)
Γ=(ZL-Zf)/(ZL+Zf) (5)
S t r o n a | 12
2.2 Rodzaje anten
Ze względu na mechanizm promieniowania, przyjmuje się następujący podział
anten:
Anteny linearne i przewodowe
Anteny aperturowe
Szyki antenowe
Anteny linearne są to anteny mające postać przewodu o długości dużo większej od
wymiarów poprzecznych. Tego typu anteny mają bardzo szerokie zastosowanie,
zaczynając od najmniejszych częstotliwości, na częstotliwościach rzędu kilkunastu
gigaherców kończąc. Pole promieniowania anteny określa funkcja rozkładu prądu na
przewodzie. Przykładami anten linearnych są: antena pętlowa, anteny dipolowe, anteny
Uda-Yagi.
Antena pętlowa powstaje z połączenia dwóch równolegle połączonych dipoli
prostych zasilanych w połowie jednego z nich. Anteny pętlowe mają niską efektywność i
są wykorzystywane do odbioru fal na niskich częstotliwościach. Anteny tego typu stosuje
się między innymi przy radionamierzaniu. Na rysunku 2.2.1 znajdują się przykładowe
charakterystyki kierunkowe anteny pętlowej.
S t r o n a | 13
Rys. 2.2.1 Przykładowe charakterystyki kierunkowe anteny pętlowej [9]
Anteny dipolowe należą do jednych z najpopularniejszych anten obecnie
stosowanych. Antena dipolowa składa się z dwóch symetrycznych ramion zasilanych
symetryczną linią transmisyjną. Anteny dipolowe należą do anten rezonansowych, w
których ramiona służą jako rezonatory. Długość fali, a co za tym idzie, częstotliwość
rezonansowa dipola jest uzależniona od jego wymiarów. Najczęściej w radiokomunikacji
wykorzystuje się dipole półfalowe zbudowane z metalowego pręta o długości połowy fali,
którą mamy zamiar odbierać. Jeżeli taki dipol zasili się prądem o częstotliwości
rezonansowej wytworzy się w nim fala stojąca, dzięki czemu dipol zacznie wytwarzać fale
elektromagnetyczne o częstotliwości prądu zasilającego. Charakterystyka kierunkowa
dipola półfalowego została przedstawiona na rysunku 2.2.2.
S t r o n a | 14
Rys. 2.2.2 Charakterystyka kierunkowa dipola półfalowego w przestrzeni
trójwymiarowej [10]
Antena Uda-Yagi jest anteną kierunkową złożoną z wielu równoległych dipoli. Jej
twórcami byli japońscy uczeni Hidetsugu Yagi i Shintarō Uda. Kształt charakterystyki
kierunkowej takiej anteny jest uzależniony od ilości elementów wykorzystanych do jej
budowy oraz od ich ustawienia. Anteny Uda-Yagi są budowane w celu osiągnięcia jak
najlepszego zysku energetycznego oraz odpowiednio wąskiej wiązki promieniowania.
Rysunek 2.2.3 przedstawia zestaw 6 anten Uda-Yagi wykorzystywanych do łączności
satelitarnych. Obecnie takie anteny są stosowane głównie przy odbiorze telewizji,
radiowych sieciach lokalnych oraz do wzmacniania sygnałów sieci GSM.
S t r o n a | 15
Rys. 2.2.3 Zestaw 6 anten Uda-Yagi do łączności satelitarnej [11]
Anteny aperturowe są antenami, wyróżniają się ze względu na powierzchnię, w
obrębie której następuje przepływ energii elektromagnetycznej. Anteny tego typu mają
przeważnie dużo większe wymiary w porównaniu do długości fali. Anteny aperturowe są
charakteryzowane za pomocą współczynnika wykorzystania powierzchni, który
przeważnie zawiera się w przedziale od 0,35 do 1. Współczynnik ten jest stosunkiem
fizycznej powierzchni anteny do jej powierzchni skutecznej. Typowe anteny aperturowe
to: anteny tubowe, anteny paskowe, anteny reflektorowe oraz anteny soczewkowe.
Rysunek 2.2.4 przedstawia charakterystykę kierunkową anteny reflektorowej z reflektorem
kątowym.
S t r o n a | 16
Rys. 2.2.4 Charakterystyka kierunkowa anteny reflektorowej z reflektorem
kątowym [12]
Ostatnim typem anten są szyki antenowe. Jak sama nazwa wskazuje, szyki anten to
nic innego jak szereg anten połączonych w jeden system. Przykładami szyków antenowych
są anteny Uda-Yagi, czy też szyki promienników paskowych. Elementy szyków
antenowych są dobierane tak, aby uzyskać konkretną, złożoną charakterystykę
promieniowania całego układu. Duże znaczenie w tym procesie mają amplitudy i fazy
prądów zasilających poszczególne elementy szyku. Szyki antenowe w porównaniu do
anten linearnych mają dużo lepsze właściwości kierunkowe, oraz zysk energetyczny.
Uzyskuje się to przez ustawienie elementów w odległości mniejszej niż długość
generowanej fali, przez co uwydatnia się listek główny charakterystyki. Dodatkowo
uzyskuje się możliwość zaawansowanego kształtowania kąta nachylenia i kształtu wiązki
przez zastosowanie wielu różnych punktów zasilania. Rysunek 2.2.5 pokazuje zależność
S t r o n a | 17
charakterystyki kierunkowej w zależności od rozkładu amplitud poszczególnych
promienników w przypadku 5-elementowego szyku antenowego.
Rys. 2.2.5 Wpływ rozkładu amplitud na charakterystykę grupową [13]
S t r o n a | 18
3. Przygotowanie i symulacja badanej anteny
Badana antena jest częścią transpondera, który został wytworzony za pomocą
techniki Smart Label. Innym określeniem przyjętym dla transpondera jest tag. Typowy
transponder składa się z:
mikroukładu odpowiadającego za komunikację z czytnikiem,
anteny,
opcjonalnie baterii,
Technika Smart Label pozwala na wytworzenie transpondera na cienkiej warstwie
materiału. Przeważnie w tym celu wykorzystywana jest cienka folia lub papier. W
przypadku anteny wykorzystanej w pracy dyplomowej, jako podstawa została
wykorzystana cienka warstwa papieru połączona spoiwem z tagiem. Aby ograniczyć
możliwość uszkodzenia fizycznego, tak przygotowany produkt został ofoliowany.
Jednym z największych atutów wspomnianej techniki jest fakt, że produkt końcowy
jest bardzo cienki, jego grubość zamyka się w przedziale od 0.1mm do 0.3mm. Nie bez
znaczenia jest fakt, że tagi są też bardzo plastyczne. Tak skonstruowane anteny można
umieścić prawie wszędzie, bez względu na panujące warunki środowiskowe. Transpondery
tego typu są często wykorzystywane między innymi do inwentaryzacji produktów, oraz do
zabezpieczania ich przed kradzieżą. Dodatkowo tagi są wykorzystywane wszędzie tam,
gdzie potrzebna jest identyfikacja oraz szybki dostęp do informacji. Transpondery
wykorzystuje się miedzy innymi: przy oznakowaniu zwierząt, w bibliotekach do
inwentaryzacji zbiorów, w dokumentach osobistych i kartach magnetycznych oraz w
sporcie. Szeroka gamma zastosowań oraz wysokie zapotrzebowanie na towar
spowodowało, że obecnie tagi są zamawiane masowo.
Producenci transponderów dążą do zminimalizowania kosztów produkcji, przez co
często jakoś wykonanych elementów pozostawia dużo do życzenia. Wszelkie
niedokładności w parametrach anteny są w pierwszej kolejności kompensowane przez
mikroukład, który jest zainstalowany jako integralna część transpondera. Mikroukład ten
odpowiada dodatkowo za komunikację z systemem oraz za przechowywanie prostych
S t r o n a | 19
danych, takich jak numer seryjny czy kod produktu. Jednak wbudowany chip nie jest w
stanie zagwarantować jednolitych parametrów radiowych wszystkich anten z danej linii
produkcyjnej. Z tego powodu, system odpowiadający za komunikację z transponderem
powinien charakteryzować się pewną dozą tolerancji błędu. Należy także uwzględnić fakt,
że anteny często muszą pracować w trudnych warunkach:
naklejane są na powierzchnie różnego typu (np. puszki, butelki z wodą,
ubrania itp.)
poddawane są fizycznym zniekształceniom
muszą pracować w zmiennych warunkach atmosferycznych (w magazynie,
w trakcie transportu, czy na półkach sklepowych)
Z tych powodów niezawodność anten jest dodatkowo zapewniana przez
opracowanie jej odpowiedniego kształtu. Kształt ścieżek anteny jest dobierany tak, aby jej
charakterystyki kierunkowe były w miarę niezmienne, nawet pomimo zniekształceń i
zmiennych warunków środowiskowych. Badanie deformacji kształtu przykładowej anteny
jest przedmiotem niniejszej pracy magisterskiej. Rysunek 3.1 przedstawia wykorzystaną w
pracy antenę. Na zdjęciu widać wyraźnie zamontowany mikroukład, należy także zwrócić
większą uwagę na kształt ścieżek anteny. W pracy dyplomowej będą badane jedynie
właściwości samej anteny, wpływ mikroukładu został pominięty.
S t r o n a | 20
Rys 3.1 Antena wykorzystana w pracy dyplomowej
3.1 Projekt w Autocad
Pierwszym krokiem było przeniesienie badanej anteny do środowiska wirtualnego.
W tym celu posłużyłem się programem AUTOCAD 2015 dystrybuowanym przez firmę
AUTODESK [14]. AUTODESK jest zaawansowanym narzędziem wykorzystywanym do
tworzenia dokumentacji i projektowania. Program ten, głównie jest wykorzystywany do
projektowania grafik 2D i 3D w branżach takich jak budownictwo, mechanika i
elektronika. Prostota interfejsu oraz intuicyjna obsługa powodują, że AUTOCAD
doskonale się sprawdza przy tworzeniu nowych struktur anten. Aplikacja ta, pierwszy raz
została zaprezentowana na targach COMDEX w Las Vegas w 1982 roku [15].
Aby wiernie odwzorować antenę w programie AUTOCAD, należało najpierw
dokładnie zmierzyć jej wszystkie wymiary. Pomiar odbył się w laboratorium uczelni i
został wykonany przy okazji prac nad pracą inżynierską [19]. Jednak nie można było w
pełni wykorzystać przygotowanego w pracy inżynierskiej projektu anteny. Należało
wprowadzić pewne modyfikacje polegające na uproszczeniu kształtu anteny. Modyfikacje
S t r o n a | 21
były konieczne, aby umożliwić dalsze prace nad kształtem anteny w programie
QuickWave. Przygotowany projekt anteny w AUTOCAD jest zaprezentowany na rysunku
3.1.1.
Rys. 3.1.1 Projekt anteny w AUTOCAD
Tak przygotowany projekt, został zapisany w formacie DXF i przeniesiony do
programu QuickWave. Główną różnicą między anteną zaprojektowaną w aplikacji a anteną
rzeczywistą jest brak większości zaokrągleń w miejscu zgięcia anteny. Specyfika pracy
dyplomowej wymagała modelowania kształtu anteny w przestrzeni trójwymiarowej.
Modelowanie niestety nie mogło się odbyć za pomocą programu AUTOCAD. Wbudowany
program odpowiadający za konwersję plików DXF na język UDO, obsługiwany przez
QuickWave nie obsługuje bardziej zaawansowanych obiektów trójwymiarowych. Można
jedynie zaimportować dwuwymiarową strukturę do programu, a następnie zasymulować
jej trzeci wymiar przez zdefiniowanie odpowiedniej wysokości. Proces ten nie należał do
najdokładniejszych, jednak skutecznie pozwalał na import struktury do środowiska
wirtualnego. Posiadanie anteny opisanej w języku UDO pozwoliło na podział jej na
poszczególne segmenty w celu modyfikacji jej kształtu.
S t r o n a | 22
3.2 Projekt w QW
QuickWave
W dalszej części pracy dyplomowej, głównie został wykorzystany program
QuickWave stworzony przez grupę naukowców- specjalistów w swoich dziedzinach z
Politechniki Warszawskiej pod przewodnictwem profesora Wojciecha Gwarka [16].
Program ten, zdobył wiele nagród, między innymi:
1999 - The Prime Minister of Poland Award
2000 - The Master of Technology Award from Polish Federation of
Engineering Associations
2006 - Leader in Software Export 2005 from Polish Software Market
Association
2007 - The Certificate from Military Center for Standardization, Quality
Assurance and Codification
QuickWave jest programem wykorzystywanym do profesjonalnego projektowania
i analizy układów elektromagnetycznych. Można go wykorzystywać między innymi do
wyznaczania i analizy charakterystyk kierunkowych anten, parametrów macierzy
rozproszenia s, oraz do wyznaczania promieniowania elektromagnetycznego i cieplnego
układów elektronicznych. W pracy dyplomowej głównie zostały wykorzystane funkcje
obliczające charakterystykę promieniowania anteny oraz parametr s11. Aplikacja składa
się z dwóch głównych modułów: QuickWave Editor, Quickwave Simulator, oraz wielu
modułów opcjonalnych ułatwiających pracę projektową. W przeciwieństwie do
konkurencyjnych produktów, symulacje w programie bazują na metodzie finite-difference
time-domain.
Elementy symulacji: antena
W celu przeniesienia gotowego projektu z programu AUTOCAD do QuickWave’a,
wykorzystano zaimplementowany moduł DXF converter. Moduł ten wykorzystuje
wejściowy plik w formacje DXF i tłumaczy go na wewnętrzy język programowania UDO.
S t r o n a | 23
UDO jest językiem programowania stworzonym przez twórców QuickWave do szybkiego
i prostego defniowania badanych obiektów. Wszystkie struktury wykorzystywane w
programie mogą być definiowane w języku UDO. Dzięki takiemu rozwiązaniu, po
przeniesieniu anteny do QuickWave, można było w miarę szybko modyfikować wymiary
anteny, a co za tym idzie, można było modelować jej kształt w przestrzeni trójwymiarowej.
Skonwertowana antena została przedstawiona na rysunkach 3.2.1 i 3.2.2.
Konwersja struktury odbyła się z następującymi parametrami:
Circle/Arc tolerance: 16
Default height: 0
Default level: 0
Default medium name: metal
Create elements: Electric
Rys. 3.2.1 Antena skonwertowana w DXF Converter (widok w płaszczyźnie X-Y)
S t r o n a | 24
Rys. 3.2.2 Antena skonwertowana w DXF Converter (widok w płaszczyźnie X-Z)
Antena o grubości ścieżek równej 0.1mm została osadzona na podłożu o grubości
0.1mm. Jako materiał został wybrany dielektryk o przenikalności dielektrycznej Eps=2.2.
Podłoże zostało zdefiniowane jako prostopadłościan o wymiarach:
X=44.3mm
Y=19.3mm
Z=0.1mm.
Elementy symulacji: pobudzenie
Chcąc zbadać charakterystyki promieniowania anteny, należało dostarczyć jakiś
sygnał na jej wejście. Zdecydowano się na pobudzenie przez port typu Lumped
source/probe, który jest dostępny w repozytorium modeli QuickWave. Pobudzenie zostało
zrealizowane przez wstawienie odpowiedniego portu pomiędzy dwoma elementami
anteny, łącząc w ten sposób do tej pory odosobnione ścieżki na podłożu.
Jako źródło pobudzające zostało wybrane pole elektryczne o składowej pola
zorientowanej wzdłuż osi Y. W celu zasymulowania rzeczywistych warunków, ustawiono
impedancję źródła na 50 Ohm. Sygnałem pobudzającym był impuls o szerokości pasma od
0.2 do 3GHz, o czasie trwania 3 i amplitudzie równej 1.
S t r o n a | 25
Elementy symulacji: ścianki absorpcyjne
W celu zebrania wyników, wykorzystano predefiniowany w QuickWave obiekt
zwany skrzynią absorpcyjną (ntf box). Obiekt ten, składa się z dwóch elementów:
Prostopadłościan o ścianach mających właściwości absorpcyjne
Płaszczyzny odpowiadające za zebranie wyników elektromagnetycznych
wypromieniowanej fali.
Ściany odpowiadające za pochłanianie sygnałów są konieczne aby wyeliminować
niechciane odbicia i przesłuchy w symulacji. Umieszczenie ich zbyt blisko anteny
spowoduje ryzyko wystąpienia błędów w symulacji, spowodowanych przez generację
energii w ściankach absorpcyjnych z powodu numerycznej implementacji algorytmu.
Natomiast zbyt duży rozmiar skrzyni absorpcyjnej wpłynie na znaczne wydłużenie czasu
symulacji, z racji zwiększenia obszaru, który należy uwzględnić w obliczeniach. Przyjmuje
się, że w celu otrzymania wiarygodnych wyników, ścianki absorpcyjne powinny
znajdować się co najmniej w odległości połowy fali od badanego obiektu. Długość fali
rozchodzącej się w powietrzu, jest obliczana według wzoru (6). Częstotliwość pracy anteny
wyznaczono na podstawie symulacji z dopasowaniem obciążenia źródła i wynosi ona
1.193 GHz. Długość fali wynosi nieco ponad 25 cm (25.15 cm). Częstotliwość pracy
anteny różni się od częstotliwości taga, która wynosi 868MHz, ponieważ w skład taga
wchodzi także mikroukład aktywny dopasowujący parametry anteny do docelowego
systemu pracy.
𝜆 =𝑐
𝑓 (6)
Dodatkowo, płaszczyzny odpowiedzialne za pomiar near-to-far powinny być
oddalone od badanego obiektu o co najmniej jedną długość fali. Mając na uwadze
powyższe, została stworzona skrzynia absorpcyjna o wymiarach:
Długość: d=866.9 mm
Szerokość: s=841.9 mm
Wysokość: w=805.9 mm
S t r o n a | 26
Wymiary płaszczyzn near-to-far:
długość dntf=603.9 mm
szerokość sntf=578.9 mm
wysokość wntf: 542.9 mm
Skrzynia absorpcyjna jest przedstawiona na rysunku 3.2.3. Jest to rysunek
poglądowy opisujący parametryzację wymiarów skrzyni. Antena została umieszczona w
układzie współrzędnych tak, że jej lewy dolny róg pokrywał się z punktem (0,0) na osi
współrzędnych. W związku z tym, należało odpowiednio ustawić skrzynię tak, aby antena
znajdowała się w jej centrum. Osiągnięto to przez umieszczenie centrum skrzyni w punkcie
o współrzędnych (x,y,z)=( -413.3, -413.3, -403).
Rys. 3.2.3 NTF Box
Deformacja kształtu
Największym problemem, na jaki natrafiono w trakcie przygotowywania symulacji
anteny, było wymodelowanie jej deformacji. Pierwsze pomysły zakładały, że
zmodyfikowany w AUTOCAD’dzie projekt będzie można bez problemów
przekonwertować do QuickWave za pomocą modułu dxf converter. Niestety przykrą
niespodzianką był fakt, że aplikacja nie dała rady poradzić sobie z bardziej złożoną
konstrukcją. Wniosek jest jeden: do QuickWave można jedynie przekonwertować proste
S t r o n a | 27
struktury, złożone z prostopadłościanów. Wszelkie modyfikacje położenia i nachylenia
obiektu w przestrzeni trójwymiarowej kończyły się fiaskiem.
Druga opcja, choć dużo bardziej pracochłonna okazała się niezawodna.
Wykorzystano fakt, że każdy zbiór konwertowany przez moduł dxf converter jest
zapisywany w języku UDO. W języku tym, za pomocą edytora tekstowego, można
modyfikować istniejące struktury, bądź też tworzyć zupełnie nowe. Jako bazę badanej
anteny, wykorzystano plik wyjściowy otrzymany z konwersji anteny, która była bez
żadnych modyfikacji. Następnie korzystając z zapisanych wymiarów poszczególnych
krawędzi ścieżek anteny, zmodyfikowano je, tworząc w ten sposób pożądane w symulacji
deformacje.
W trakcie pisania kodu, wykorzystano następujące funkcje [17]:
ELEMENT(<level>,<height>,<type>,<medium <name>,<name>,<spin/wire>)
Gdzie:
<level> - poziom umieszczenia obiektu (współrzędna z)
<height> - wysokość obiektu
<type> - typ obiektu: 0 – prosty element, 5 – podstawa obiektu połączonego, 6 –
sufit elementu połączonego
<medium name> - materiał wykonania elementu zdefiniowany w bibliotece
QuickWave
<name> - nazwa elementu
<spin/wire> - orientacja obiektu
NEWLINE (<x1>,<y1>,<x2>,<y2>) – rysuje linię z punktu (x1,y1) do punktu
(x2,y2)
ADDLINE (<x3>,<y3>) – rysuje linię z punktu poprzedniego do punktu (x3,y3)
CLOSELINE () – rysuje linię z ostatniego zdefiniowanego punktu do punktu
(x1,y1) z funkcji NEWLINE
Antena była definiowana za pomocą tak zwanych elementów połączonych. Metoda
ta polega na zdefiniowaniu osobno podstawy elementu oraz jego sufitu, następnie program
automatycznie łączył obie części przez wypełnienie obszaru między nimi. Współrzędne
S t r o n a | 28
kolejnych punktów tworzących poszczególne elementy anteny, były wyliczane za pomocą
funkcji trygonometrycznych według wzorów (7) i (8).
𝑆𝑖𝑛(α) =b
r (7)
𝐶𝑜𝑠(α) =a
r (8)
Przykładowy kod jednego z elementów anteny znajduje się poniżej:
ELEMENT(z+(3.897), 0, 5, metal, Elem10, IN);
NEWLINE(x+(16.45),y+(5.9),x+(16.55),y+(5.9));
ADDLINE(x+(16.55),y+(14.3));
ADDLINE(x+(16.45),y+(14.3));
CLOSELINE();
ENDELEM;
ELEMENT(z+(4.763), 0, 6, metal, Elem10, IN);
NEWLINE(x+(16.05),y+(5.9),x+(16.15),y+(5.9));
ADDLINE(x+(16.15),y+(14.3));
ADDLINE(x+(16.05),y+(14.3));
CLOSELINE();
ENDELEM;
Parametry symulacji
Po zakończeniu prac nad anteną w Edytorze, należy zdefiniować parametry
symulacji. Parametry powinny być dostosowane do badanego obiektu. Od zadanych
parametrów zależy czas trwania symulacji. W przypadku symulacji przewidzianej w pracy
dyplomowej wykonano dwa rodzaje pomiarów:
Pomiar parametrów macierzy rozproszenia S
Pomiar charakterystyki kierunkowej anteny
Pomiar musiał być wykonany w zakresie częstotliwości, zawierającym zakres
pracy wprowadzonego źródła pobudzenia. Po wielu próbach zdecydowano się na zakres
częstotliwości od 0.2 GHz do 3 GHz z krokiem obliczeń charakterystyki
częstotliwościowej równym 1MHz. Zakres symulacji powinien być zdefiniowany tak,
żeby zawierał w sobie częstotliwość rezonansową badanego układu. Antena pracuje na
S t r o n a | 29
częstotliwości 0.849 GHz, jednak wszystkie pomiary zostały przeprowadzone dla
częstotliwości 0.806 GHz. Częstotliwość 0.806 GHz została wyznaczona na podstawie
pomiarów wytworzonej już anteny. Im mniejszy krok symulacji, tym dokładniejsze
przesunięcie częstotliwości można zaobserwować. Dokładność 1MHz jest
satysfakcjonująca dla badanej anteny. Charakterystyki kierunkowe były wyliczane dla
częstotliwości 0.806 GHz.
Czas trwania symulacji zależy bezpośrednio od zakresu częstotliwości,
osiatkowania oraz od zdefiniowanego kroku. Najnowsza wersja oprogramowania
QuickWave zoptymalizowała proces symulacji, co pozwoliło skrócić jej czas do około 12
godzin dla anteny w położeniu podstawowym oraz do około 36 godzin przy bardziej
skomplikowanych układach. Nie bez znaczenia też był wpływ nowoczesnego procesora
(Intel Pentium Core i7-3630QM 2.4GHz).
3.3 Symulacja i analiza deformacji kształtu
Praca dyplomowa zakładała zbadanie wpływu deformacji anteny na jej
charakterystyki kierunkowe. W tym celu, zbadano trzy różne warianty zmiany kształtu
anteny:
a) Antena zgięta w połowie pod kątem 90o
b) Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o
c) Antena zgięta w połowie pod kątem 60o
d) Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o w kształt podkowy
Analiza uwzględniała zbadanie przesunięcia się częstotliwości rezonansowej, oraz
zmian w charakterystyce kierunkowej.
Antena bez zniekształceń
Jako punkt odniesienia przyjęto wyniki otrzymane w symulacji anteny sprzed
deformacji kształtu. Rysunek 3.3.1 przedstawia wykres parametru S macierzy rozproszenia
z zaznaczoną częstotliwością rezonansową oraz pierwszą częstotliwością harmoniczną.
S t r o n a | 30
Wykres jest przedstawiony w zakresie od 0.2 GHz do 3 GHz w skali decybelowej. Na
wykresie można zauważyć rezonansowe zachowanie anteny. Pierwszy rezonans jest na 849
MHz. Obliczony poziom s11 wynosi -0.477 dB, a drugiego rezonansu -1.305 dB. Nie są to
wzorowe wyniki, w rzeczywistej antenie dla częstotliwości rezonansowej powinno być
możliwe dużo lepsze dopasowanie do toru transmisyjnego, nawet poniżej 20 dB. Jednak
należy pamiętać, że w skład całego transpondera wchodzi także mikroukład, który przez
odpowiednią budowę odpowiada za poprawę parametrów pracy anteny.
Rys. 3.3.1 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
Charakterystyki kierunkowe anteny zostały przedstawione na rysunkach 3.3.2-6.
Rysunek 3.3.2 przestawia trójwymiarowy widok charakterystyki kierunkowej anteny. Na
rysunkach 3.3.3 i 3.3.4 są przedstawione wykresy charakterystyk dla kąta Phi kolejno przy
Theta=0o oraz Theta=90o. Analogicznie wykresy 3.3.5 i 3.3.6 przedstawiają
charakterystyki kąta Theta przy Phi=0o i Phi=90o.
S t r o n a | 31
Rys. 3.3.2 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
Rys. 3.3.3 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
S t r o n a | 32
Rys. 3.3.4 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
Rys. 3.3.5 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
S t r o n a | 33
Rys. 3.3.6 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Przedstawione charakterystyki kierunkowe są wykresami składowych pól
elektromagnetycznych w funkcji kąta nachylenia wobec badanej anteny. Charakterystyka
kąta Phi jest przedstawiona w zakresie 360o, a kąta Theta w zakresie 180o. Wynika to
bezpośrednio z przyjętego modelu pomiarów charakterystyki.
Na rysunku 3.3.2 widać, że antena najlepiej promieniuje w płaszczyźnie XZ,
natomiast spłaszczenie wzdłuż osi Z sugeruje spadek wydajności anteny. Dodatkowo
można zaobserwować mocny spadek energii wypromieniowanej wzdłuż osi X. Kolejne,
bardziej szczegółowe wykresy potwierdzają jedynie to, co zaobserwowaliśmy na
podstawie widoku w przestrzeni trójwymiarowej. Spadki wydajności anteny około 109o i
289o na rysunku 3.3.3 przedstawiają „spłaszczenie” charakterystyki wzdłuż osi Z,
natomiast rysunek 3.3.4 przedstawia pogorszenie się wydajności w okolicy osi X.
Podobnie też rysunki 3.3.5 i 3.3.6 pokazują, że w okolicy 90o następuje pogorszenie się
charakterystyk, co utwierdza nas w przekonaniu, że najciężej będzie nawiązać
komunikację z transponderem w momencie, gdy odbiornik będzie nadawał w kierunku
krawędzi taga (z boku).
S t r o n a | 34
Antena zgięta w połowie pod kątem 90o
Pierwszą modyfikacją, jakiej została poddana badana antena, było zgięcie jej w
połowie pod kątem prostym. Rysunek 3.3.7 przedstawia widok wygiętej anteny. Wykres
parametru s11 macierzy rozproszenia został przedstawiony na rysunku 3.3.8, natomiast
kolejny, 3.3.9 widok charakterystyki kierunkowej w przestrzeni trójwymiarowej. Rysunki
3.3.10 i 3.3.11 przedstawiają charakterystyki kierunkowe w funkcji kąta Phi, a rysunki
3.3.12 i 3.3.132 dla kąta Theta.
Rys. 3.3.7 Antena zgięta w połowie pod kątem prostym
S t r o n a | 35
Rys. 3.3.8 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
Rys. 3.3.9 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
S t r o n a | 36
Rys. 3.3.10 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
Rys. 3.3.11 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
S t r o n a | 37
Rys. 3.3.12 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
Rys. 3.3.13 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
S t r o n a | 38
Zmiana kształtu anteny spowodowała przesunięcie się częstotliwości rezonansowej
o 6 MHz. Przesunięciu natomiast nie uległa częstotliwość pierwszej harmonicznej.
Zdolność anteny do wypromieniowania energii nieznacznie się pogorszyła. Biorąc pod
uwagę jedynie wykres parametru s11 anteny, pomimo tych zmian, nadal zachowała ona
swoje oryginalne właściwości. Dobrze skalibrowany system nie powinien mieć problemów
z komunikacją między nadajnikiem a transponderem.
Dużej zmianie poddała się za to charakterystyka kierunkowa anteny. Najwyraźniej
widać to na wizualizacji w przestrzeni trójwymiarowej. Miejsce najgorszego odbioru
sygnału przesunęło się w okolicy osi Z, dodatkowo charakterystyka uległa mocnemu
„rozciągnięciu”. Kształt badanej anteny sugeruje dużą odporność na deformację jej
kształtu. Fakt ten potwierdza analiza kolejnych wykresów, już bardziej szczegółowo
przedstawiających charakterystykę kierunkową taga. Charakterystyka promieniowania w
funkcji kąta Phi spada zaledwie do poziomu -15.89 dB, gdzie analogiczne wykresy w
przypadku anteny bez modyfikacji kształtu wykazywały spadki nawet do -71.22 dB.
Podobnie ma się sprawa z charakterystykami w funkcji kąta Theta- maksymalny spadek
odnotowany w przypadku zgięcia anteny wynosi -19.92 dB, gdy w przypadku anteny bez
modyfikacji wartość ta wynosiła -67.51 dB.
Modyfikacja kształtu anteny spowodowała, że komunikacja z nią jest możliwa w
każdej kombinacji ułożenia anteny i nadajnika.
Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o
Kolejną modyfikacją kształtu przewidzianą w pracy dyplomowej było podwójne
wygięcie anteny pod kątem prostym. Wykonano to, przez dodanie kolejnego zgięcia do
wariantu poprzedniego, rysunek 3.3.14 przedstawia widok badanej anteny po deformacji
kształtu. Rysunek 3.3.15 przedstawia wykres parametru s11 anten. Kolejne rysunki 3.3.16-
20 analogicznie jak w poprzednim przypadku, prezentują charakterystyki kierunkowe w
funkcji Phi i Theta.
S t r o n a | 39
Rys. 3.3.14 Antena zgięta dwukrotnie pod kątem prostym
Rys. 3.3.15 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
S t r o n a | 40
Rys. 3.3.16 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
Rys. 3.3.17 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
S t r o n a | 41
Rys. 3.3.18 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
Rys. 3.3.19 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
S t r o n a | 42
Rys. 3.3.20 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
W przypadku podwójnego zgięcia anteny, można zauważyć kolejne pogorszenie
jakości pracy anteny. Częstotliwość rezonansowa została przesunięta o 17 MHz względem
oryginalnej, jednocześnie wartość parametru s11 spadła nieznacznie na -0.349 dB.
Częstotliwość pierwszej składowej harmonicznej przesunęła się o 40 MHz. Ponownie
można zauważyć wysoką odporność anteny na zmianę kształtu. Dość duże odkształcenie
nie spowodowało większych zmian w parametrach działania anteny.
Podobnie jak w przypadku poprzednim, przy dwukrotnym wygięciu anteny
obserwujemy zniekształcenie i przesunięcie oryginalnej charakterystyki kierunkowej.
Zarówno w przypadku kąta Phi jak i Theta, każde możliwe położenie anteny wobec
czytnika daje możliwość skutecznej komunikacji. Fluktuacje mocy wysyłanej przez
transponder są dużo niższe niż w przypadku anteny oryginalnej.
Antena zgięta w połowie pod kątem 60o
Kolejną zbadaną deformacją kształtu anteny, było wygięcie jej pod kątem ostrym
równym 60o. Antena została wygięta w tym samym miejscu, jak w wariancie pierwszym i
jej kształt został zaprezentowany na rysunku 3.3.21. Rysunek kolejny (3.3.22), przedstawia
wykres parametru s11 macierzy rozproszenia. Prezentacja charakterystyki kierunkowej w
S t r o n a | 43
przestrzeni trójwymiarowej została umieszczona w rysunku 3.3.23. Rysunki 3.3.24-27
przedstawiają wykresy charakterystyki kierunkowej dla kąta Phi w wariancie przy
Theta=0o i Theta=90o, oraz dla kąta Theta w wariancie przy Phi=0o i Phi=90o.
Rys. 3.3.21 Antena zgięta pod kątem 60o
S t r o n a | 44
Rys. 3.3.22 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
Rys. 3.3.23 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
S t r o n a | 45
Rys. 3.3.24 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
Rys. 3.3.25 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
S t r o n a | 46
Rys. 3.3.26 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
Rys. 3.3.27 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
S t r o n a | 47
Zgięcie anteny pod kątem 60o wprowadziło mocne zakłócenia do układu.
Częstotliwość rezonansowa anteny nie jest możliwa do namierzenia, a częstotliwość
pierwszej harmonicznej przesunęła się o 16 MHz. Antena nie jest w stanie skutecznie
pracować w warunkach zaprezentowanych w symulacji. Zanik częstotliwości
rezonansowej wynika z tego, że wygięta antena wypromieniowując energię, sama siebie
mocno zakłóca. Prawdopodobnie występują silne sprzężenia między zagiętymi
fragmentami anteny.
Można zaobserwować mocny wpływ deformacji anteny na jej charakterystykę
kierunkową. O ile do tej pory charakterystyka kierunkowa anteny była w miarę
symetryczna, o tyle na rysunku 3.3.23 widzimy mocną jej deformację z jednej strony.
Jednak analizując jedynie efektywność anteny, można dojść do wniosku, że antena nadal
ma lepsze właściwości niż antena bez deformacji. Analizując poszczególne wykresy dla
składowych Phi i Theta widać, że antena jest w stanie pracować w dużo większym zakresie
położenia niż antena oryginalna.
Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o w kształt podkowy
Ostatnią modyfikacją kształtu było wygięcie anteny w kształt podkowy. Rysunki
od 3.3.28 do 3.3.34 prezentują kolejno: kształt anteny, wykres parametru s11 macierzy
rozproszenia, charakterystyka kierunkowa w przestrzeni trójwymiarowej, charakterystyki
kierunkowe kąta Phi oraz kąta Theta.
S t r o n a | 48
Rys. 3.3.28 Antena zgięta pod kątem 60o
Rys. 3.3.29 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
S t r o n a | 49
Rys. 3.3.30 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
Rys. 3.3.31 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
S t r o n a | 50
Rys. 3.3.32 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
Rys. 3.3.33 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
S t r o n a | 51
Rys. 3.3.34 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Analizując wykres parametru s11 macierzy rozproszenia widać, iż ta modyfikacja
kształtu nie wpłynęła istotnie na zdolność anteny do komunikacji. Częstotliwość
rezonansowa, która odgrywa kluczową rolę w komunikacji między tagiem a czytnikiem,
w tym przypadku pozostała bez zmian. Zmniejszyła się jednak wartość parametru s11
macierzy rozproszenia.
W przypadku charakterystyki kierunkowej, można zauważyć spadek wydajności
dla kąta Phi=144o i Phi=324o przy Theta=0, oraz dla kąta Phi=0o i Phi=179o dla Theta=90o.
Odpowiada to nagłemu spadkowi wypromieniowanej mocy, widocznemu na rysunku
3.3.30 charakterystyki kierunkowej w przestrzeni trójwymiarowej. Ten sam efekt
zaobserwowano na wykresie kąta Theta=31o przy Phi=0o, oraz Theta=39o przy Phi=90o. W
tym przypadku, można zaobserwować także wyróżniające się spłaszczenie charakterystyki
kierunkowej. Komunikacja systemu może być utrudniona w momencie, gdy tag znajduje
się pod kątem nachylenia odpowiadającemu wymienionym wyżej parametrom.
S t r o n a | 52
3.4 Obecność powierzchni metalicznej
Anteny tego typu, często są naklejane na różnego rodzaju powierzchnie, od plastiku
i szkła zaczynając, na puszkach kończąc. Nie można też wykluczyć wpływu osób trzecich,
które chciałyby zakłócić działanie systemu. Z tego powodu, zdecydowano się na zbadanie
wpływu powierzchni metalicznej w bezpośrednim sąsiedztwie anteny na jej
charakterystykę kierunkową. W tym celu umieszczono cienką metalową płytkę wykonaną
z predefiniowanego w QuickWave materiału metloss, w dwóch wariantach:
a) Płytka o wymiarach 80x30x1 mm w odległości 10 mm od anteny (rys 3.4.1)
Rys 3.4.1 Antena w sąsiedztwie płytki metalowej o wymiarach 80x30x1 mm
S t r o n a | 53
b) Płytka o wymiarach 160x160x1 mm w odległości 5 mm od anteny (rys 3.4.2)
Rys 3.4.2 Antena w sąsiedztwie płytki metalowej o wymiarach 160x160x1 mm
W przypadku anteny w sąsiedztwie pojedynczej metalowej płytki, o
rozmiarze 80x30x1 mm, nie odnotowano większych zmian w wykresie parametru s11
macierzy rozproszenia. Częstotliwość rezonansowa uległa przesunięciu o 5MHz,
obliczono zmianę s11 o 0.423 dB. Charakterystyki kierunkowe były prawie takie same jak
przykładnie w ułożeniu podstawowym. Na więcej uwagi zasługuje przypadek „b”, którego
wykres parametru s11 znajduje się na rysunku 3.4.3. Na rysunkach 3.4.4-8 znajdują się
poszczególne charakterystyki kierunkowe.
S t r o n a | 54
3.4.4 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
Rys 3.4.5 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
S t r o n a | 55
Rys. 3.4.6 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
Rys. 3.4.7 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
S t r o n a | 56
Rys. 3.4.8 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
Rys. 3.4.9 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
S t r o n a | 57
3.4.4 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
Z wykresu parametru s11 macierzy rozproszenia można wyczytać, że częstotliwość
rezonansowa przesunęła się o 17 MHz, przy jednoczesnym spadku wartość parametru s11
o 0.29 dB. Wpływ powierzchni metalicznej widać wyraźniej w trakcie obserwacji
charakterystyk kierunkowych taga. Na rysunku 3.4.5 widać „wąskie gardło”, które jest
spowodowane obecnością płytki metalicznej. Zjawisko te jest także wyraźnie widoczne na
charakterystyce kierunkowej kąta Phi, gdzie dla Theta od 65o do 105o widać nagły spadek
mocy. Dzieje się tak, ponieważ po zbliżeniu transpondera do przewodnika, w przewodniku
indukują się prądy wirowe, które powodują indukcję prądu magnetycznego znoszącego
pole magnetyczne z taga. Dzięki temu, powstaje efekt ekranowania. Można zapobiegać
temu zjawisku przez umieszczenie pomiędzy przewodnikiem a tagiem podkładki o dużej
przenikalności magnetycznej, dzięki czemu linie pola magnetycznego koncentrują się przy
tej podkładce a w przewodniku nie indukują się prądy wirowe [20].
S t r o n a | 58
3.5 Wpływ wody na działanie anteny
Transpondery często muszą pracować w ciężkich warunkach atmosferycznych.
Warunki też uwzględniają także wysoką wilgotność powietrza. Czasem także zachodzi
konieczność oznakowania opakowań zawierających ciecze. W związku z tym,
zdecydowano się zbadać wpływ wody na działanie anteny.
Symulację przeprowadzono poprzez zawieszenie badanej anteny w pojemniku
wypełnionym wodą. Według badań przeprowadzonych przez Politechnikę Warszawską
[18], przenikalność dielektryczna wody morskiej dla częstotliwości 1.193 GHz wynosi
około 70 i taką wartość przyjęto w symulacji. Wszystkie parametry wejściowe symulacji
pozostały bez zmian. Rysunek 3.5.1 przedstawia wykres parametru s11 macierzy
rozproszenia. Na rysunku 3.5.2 zaprezentowano charakterystykę kierunkową anteny w
przestrzeni trójwymiarowej. Kolejne Rysunki 3.5.3-6 przedstawiają charakterystykę
kierunkową dla kąta Phi i Theta.
3.5.1 Wykres parametru s11 macierzy rozproszenia
S t r o n a | 59
Rys 3.4.5 Widok charakterystyki kierunkowej anteny w przestrzeni 3D
Rys. 3.4.6 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XZ (Theta=0o)
S t r o n a | 60
Rys. 3.4.7 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
Rys. 3.4.8 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
S t r o n a | 61
Rys. 3.4.9 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Na zaprezentowanych wynikach wyraźnie widać, że nie jest możliwe
zagwarantowanie pracy anteny w otoczeniu wody. Nie jesteśmy w stanie wskazać
częstotliwości rezonansowej. Jednak sam brak możliwości namierzenia częstotliwości
rezonansowej nie wyklucza działania anteny. Dużo bardziej istotny wpływ na działanie
taga ma jego charakterystyka kierunkowa.
Najwyraźniej wpływ wody na charakterystykę kierunkową jest widoczny na jej
reprezentacji w przestrzeni trójwymiarowej, której kształt jest daleki od regularnego
wzoru. Liczne „ślepe” punkty w charakterystyce kierunkowej powodują, że nawet jeżeli
udałoby się transponderowi zsynchronizować na pewnej częstotliwości z czytnikiem, to
nadal stabilna komunikacja nie była by możliwa. Każda zmiana położenia taga
powodowałaby zerwanie łączności z czytnikiem. Wynika to z faktu, że woda bardzo dobrze
pochłania sygnały o wysokiej częstotliwości. Dużo lepiej w zadanym środowisku
sprawowała by się antena o niższej częstotliwości, na przykład 13.56 MHz.
S t r o n a | 62
4. Doświadczalna weryfikacja rezultatów symulacji
W celu weryfikacji wyników otrzymanych w trakcie symulacji, zdecydowano się
na przeprowadzenie doświadczenia w laboratorium uczelni. W trakcie doświadczenia
zmierzono parametr s11 dla anteny bez modyfikacji kształtu, oraz zmierzono
charakterystykę kierunkową dla wszystkich wariantów odkształceń. Pomiar
charakterystyki kierunkowej zostały wykonane dla kąta Phi równego: 0o, 45o, 90o, 135o,
180o, 225o, 270o i 315o, oraz kąta Theta równego: 0o, 45o, 90o, 135o, 180o. Do pomiarów,
oprócz badanego układu, wykorzystano Wektorowy Analizator Sieci firmy Agilent 8722D,
oraz antenę HX 70/m firmy PROCOM.
4.1 Przygotowanie transpondera
Badany transponder został zaprojektowany w programie AUTOCAD, a następnie
przeniesiony do programu Altium Designer. Program Altium Designer jest
zaawansowanym narzędziem do projektowania i wytrawiania PCB (Printed Circuit
Boards)[21]. Przetworzona w tym programie płytka została następnie wysłana do firmy
Technosystem z Piaseczna w celu jej produkcji. Na rysunku 4.1.1 została przedstawiona
soldermaska zaprojektowanej anteny.
S t r o n a | 63
Rys. 4.1.1 Soldermaska anteny zaprojektowana w programie Altium Designer
Antena została wykonana na FLEXie, czyli na giętkim laminacie FR4. Grubość
laminatu wynosi 0.1 mm, natomiast grubość miedzi wynosi 35 μm. Przy produkcji
zachowano także 2 mm odstępu między miedzią a krawędzią płytki. Na całość została
nałożona soldermaska, która zabezpiecza druk przed zwarciami i uszkodzeniami
mechanicznymi. Po wyprodukowaniu anteny, w miejscu do tego przeznaczonym, został do
niej przylutowany kabel współosiowy umożliwiający podłączenie do wektorowego
analizatora sieci.
4.2 Pomiar
Pomiary zostały wykonane w laboratorium uczelni. Stanowisko pomiarowe
znajdowało się na drewnianym biurku stojącym przy ścianie oddzielającej od siebie dwa
sąsiednie pomieszczenia. Pomiary były wykonywane w odległości około 1 metra od
ściany, oraz 3 metrów od okna. W przypadku pomiaru parametru s11 macierzy
rozproszenia, antena została podłączona do wyjścia analizatora wektorowego sieci za
pomocą przewodu współosiowego, a następnie została umocowana na metalowej
podstawce, w taki sposób, aby antena nie stykała się z podstawką. Udało się to osiągnąć
S t r o n a | 64
przez usztywnienie kabla współosiowego wzdłuż podstawki za pomocą gumek recepturek.
Antena wraz z podstawką zostały ustawione na skraju biurka. Schemat podłączenia
ukazany został na rysunku 4.2.1.
Rys 4.2.1 Schemat układu pomiarowego parametru s11
Do anteny doprowadzono sygnał sinusoidalny, w skład którego wchodzi 401
próbek równomiernie rozłożonych z zakresu od 0.2 do 3GHz. Pomiar parametrów
macierzy rozproszenia został przeprowadzony jedynie dla anteny w położeniu
standardowym. Istotny jest pomiar parametru s11, czyli współczynnika odbicia fali.
Parametr ten, jest wyrażany jako stosunek mocy odbitej na wrotach pierwszych do mocy
padającej na te wrota [22]. Wynik pomiaru parametru s11 znajduje się na wykresie 4.2.2.
S t r o n a | 65
Rys 4.2.2 Pomiar parametru s11 macierzy rozproszenia
Dużo więcej można wyczytać z wykresu parametru s11. Widać wyraźnie różnicę
między symulacją a pomiarami wykonanymi na rzeczywistym modelu. Częstotliwość
rezonansowa anteny wynosi 806Mhz, natomiast w przypadku symulacji było to 849Mhz.
Znacząco różni się też wartość parametru s11 dla częstotliwości rezonansowej. Dodatkowo
pasmo częstotliwości, dla którego wartość parametru s11 zaczyna spadać jest dużo większe
niż w przypadku symulacji. W przypadku pomiaru rzeczywistego obiektu, wartość
parametru s11 jest dużo niższa, do anteny wchodzi dużo więcej energii niż w przypadku
symulacji. W obu przypadkach, obiekty powstały na podstawie tego samego pierwowzoru,
którym był projekt stworzony w programie AutoCad. Główna różnica w wynikach wynika
ze sposobu przygotowania anteny do pomiaru. Przykładowy obwód dopasowujący antenę
w rzeczywistym układzie transpondera jest zaprezentowany na rysunku 4.2.3.
Częstotliwość rezonansowa takiego obwodu jest wyznaczana za pomocą wzoru (9):
(9)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
50
0,0
05
18
,00
53
6,0
05
54
,00
57
2,0
05
90
,00
60
8,0
06
26
,00
64
4,0
06
62
,00
68
0,0
06
98
,00
71
6,0
07
34
,00
75
2,0
07
70
,00
78
8,0
08
06
,00
82
4,0
08
42
,00
86
0,0
08
78
,00
89
6,0
09
14
,00
93
2,0
09
50
,00
96
8,0
09
86
,00
10
04
,00
10
22
,00
10
40
,00
10
58
,00
10
76
,00
10
94
,00
11
12
,00
11
30
,00
11
48
,00
11
66
,00
11
84
,00
12
02
,00
12
20
,00
12
38
,00
12
56
,00
12
74
,00
12
92
,00
13
10
,00
13
28
,00
13
46
,00
13
64
,00
13
82
,00
14
00
,00
[dB
]
F [MHz]
s11
S t r o n a | 66
Rys. 4.2.3 Przykładowy obwód dopasowujący antenę w rzeczywistym układzie
transpondera [19]
Aby podłączyć antenę do wektorowego analizatora sieci należało zapewnić
odpowiednią złączkę. Przygotowana złączka wraz z kablem współosiowym o impedancji
charakterystycznej Z0=50Ω, została przylutowana do anteny. Kabel współosiowy
przylutowano w wcześniej do tego przygotowanym miejscu, na styku dolnej i górnej części
anteny. Wyjście z przewodu współosiowego do anteny, wprowadziło dodatkową
indukcyjność, która wpłynęła na częstotliwość rezonansową. Zgodnie ze wzorem (7), im
większą indukcyjność wprowadzimy do układu, tym mniejszą częstotliwość rezonansową
uzyskamy. Biorąc pod uwagę różnicę częstotliwości między pomiarem a symulacją, można
obliczyć, że wprowadzono do układu indukcyjność o wartości 1,2nH. Nie bez znaczenia
S t r o n a | 67
jest także okablowanie wykorzystane przy pomiarach. Jakość oraz wymiary kabli
współosiowych także wpływają na wynik otrzymany w czasie pomiaru.
Przy pomiarze charakterystyki kierunkowej anteny została dodatkowo
wykorzystana antena HX 70/m firmy PROCOM podłączona do wejścia wektorowego
analizatora sieci. Wartości poszczególnych składowych odczytywano na częstotliwości
rezonansowej anteny równej 806MHz. Sygnał nadawany przez antenę badaną był
odbierany na antenie HX 70/m firmy PROCOM i odczytywany na analizatorze sieci.
Antenę wykorzystywaną do odczytu pomiaru przymocowano za pomocą gumek recepturek
do długiej, plastikowej linijki, za pomocą której zachowywano stałą odległość pomiędzy
antenami równą 40cm. Zachowywano również stałe ustawienie anten wobec siebie, aby
wyeliminować wpływ charakterystyki kierunkowej anteny pomiarowej na odczyt. Do
anteny doprowadzono sygnał sinusoidalny, w skład którego wchodzi 401 próbek
równomiernie rozłożonych z zakresu od 0.2 do 3GHz Schemat układu pomiarowego
znajduje się na rysunku 4.2.4.
Rys. 4.2.4 Schemat układu pomiarowego do pomiaru charakterystyki kierunkowej
Pomiar charakterystyk kierunkowych został wykonany dla wszystkich wariantów
zniekształceń kształtu, które zostały uwzględnione w symulatorze. Dla każdego z
wcześniej wymienionych wariantów wykonano po trzy pomiary:
a) Pomiar charakterystyki kierunkowej składowej Phi przy Theta=90o
S t r o n a | 68
b) Pomiar charakterystyki kierunkowej składowej Theta przy Phi=0o
c) Pomiar charakterystyki kierunkowej składowej Theta przy Phi=90o
Rysunki 4.2.5-4.2.19 przedstawiają kolejno wszystkie uzyskane wyniki.
Antena bez zniekształceń kształtu:
4.2.5 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
-41,6
-41,4
-41,2
-41
-40,8
-40,6
-40,4
-40,2
0 45 90 135 180 225 270 315
Phi (THETA=90)
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=0)
S t r o n a | 69
4.2.6 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
4.2.7 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Antena zgięta w połowie pod kątem 90o:
4.2.8 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=90)
-27
-26
-25
-24
-23
-22
-21
-20
0 45 90 135 180 225 270 315
Phi (THETA=90)
S t r o n a | 70
4.2.9 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
4.2.10 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
-36
-34
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=0)
-36
-34
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=90)
S t r o n a | 71
Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o:
4.2.11 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
4.2.12 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180 225 270 315
Phi (THETA=90)
-40
-38
-36
-34
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=0)
S t r o n a | 72
4.2.13 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Antena zgięta w połowie pod kątem 60o:
4.2.14 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
-36
-34
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=90)
-48
-46
-44
-42
-40
-38
-36
-34
-32
-30
0 45 90 135 180 225 270 315
Phi (THETA=90)
S t r o n a | 73
4.2.15 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
4.2.16 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=0)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=90)
S t r o n a | 74
Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o w kształt podkowy:
4.2.17 Charakterystyka dookólna składowej Phi w płaszczyźnie XY (Theta=90o)
4.2.18 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZX (Phi=0o)
-26
-25,5
-25
-24,5
-24
-23,5
-23
-22,5
-22
-21,5
-21
0 45 90 135 180 225 270 315
Phi (THETA=90)
-40
-38
-36
-34
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=0)
S t r o n a | 75
4.2.19 Charakterystyka dookólna składowej Theta w płaszczyźnie ZY (Phi=90o)
Na podstawie otrzymanych wyników, można zaobserwować, że kształt
charakterystyk wykonanej anteny nie odbiega zbyt daleko od wyliczonych w czasie
symulacji. Różnice w kształcie charakterystyk wynikają przede wszystkim z dokładności
pomiaru. W trakcie symulacji, charakterystyki były rysowane z dokładnością do 1o,
niestety w przypadku badania w laboratorium, taka dokładność była nie możliwa do
uzyskania. Nie bez znaczenia było także środowisko pomiaru, które było dalekie od
idealnego. Pomiar powinien być wykonany w komorze bezechowej, w której żadne
czynniki zewnętrzne nie wpływałyby na jego wynik, a jednocześnie w trakcie pomiaru
żadne odbicia sygnału nie zakłócały by pomiaru. W naszym przypadku otrzymanie takich
warunków było nie możliwe. Dodatkowe zakłamania do wyników wprowadzał czynnik
ludzki- specyfika wykonanego pomiaru nie zawsze pozwalała na zachowanie stałej
odległości między antenami.
Biorąc pod uwagę powyższe czynniki, udało się jednak uzyskać pomiary dość
dobrze opisujące badaną antenę i zgodne z wynikiem symulacji. W przypadku anteny bez
modyfikacji kształtu, zarówno symulacja jak i pomiar wykazały pogorszenie
charakterystyki w płaszczyźnie XY. Zgadza się to z wynikiem symulacji, która wykazała
takie same zależności. W przypadku symulacji pozostałych wariantów, także nie
zanotowano większych różnic w stosunku do pomiaru. Jedynie różnice między
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0 45 90 135 180
THETA (PHI=90)
S t r o n a | 76
odchyleniem maksymalnym a minimalnym poszczególnych składowych charakterystyk
kierunkowych mogą budzić wątpliwości. Wynikają one bezpośrednio ze specyfiki
wykonania pomiarów oraz z czynników wymienionych w poprzednim akapicie.
Najważniejsze jest to, że charakterystyki otrzymane w wyniku pomiarów są zgodne co do
kształtu z charakterystykami otrzymanymi w czasie symulacji.
S t r o n a | 77
5. Podsumowanie i wnioski
Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu deformacji kształtu anteny na jej
charakterystykę kierunkową. Przeprowadzono analizę charakterystyk promieniowania
anteny, oraz parametru s11 macierzy rozproszenia w czterech wariantach deformacji
kształtu:
a) Antena zgięta w połowie pod kątem 90o
b) Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o
c) Antena zgięta w połowie pod kątem 60o
d) Antena zgięta dwukrotnie pod kątem 90o w kształt podkowy
Dodatkowo przeanalizowano wpływ metalicznej powierzchni w otoczeniu taga na
jego charakterystykę kierunkową. Zbadano także wpływ wody na pracę anteny. Na koniec
porównano symulacje zdeformowanej anteny z wynikami otrzymanymi w laboratorium
uczelni.
Największym problemem było przeniesienie zdeformowanej struktury anteny do
środowiska wirtualnego. Poradzono sobie z tym problemem za pomocą języka UDO, który
jest częścią specjalistycznego programu QuickWave. Nie mniejszym problemem było
przebadanie rzeczywistej anteny w laboratorium uczelni. Należało przystosować antenę do
podłączenia do wektorowego analizatora sieci, oraz opracować odpowiednią metodykę
pomiarów. Dodatkowym wyzwaniem dla mnie była nauka lutowania tak małych
elementów.
Z przeprowadzonych symulacji oraz badań, jednoznacznie wynika, że antena jest
w dużym stopniu odporna na deformację jej kształtu. Jedynie w przypadku anteny zgiętej
pod kątem 60o można stwierdzić, że deformacja znacząco wpłynęła na jej działanie w
systemie. Deformacja kształtu miała bardzo duży wpływ na promieniowanie anteny,
jednak zmiany kształtu charakterystyki kierunkowej nie wpływały na jej funkcjonalność.
Inaczej ma się sprawa z wpływem deformacji kształtu anteny na jej częstotliwość
rezonansową. Pod wpływem deformacji nie jesteśmy w stanie wskazać częstotliwości
rezonansowej, dodatkowo wartość parametru s11 w paśmie wokół częstotliwości
S t r o n a | 78
rezonansowej jest dodatnia. Oznacza to, że nie może żadna energia wejść do anteny-
uniemożliwia to pracę transpondera w systemie.
Wykonane pomiary w laboratorium potwierdziły wnioski wyciągnięte na
podstawie symulacji. Różnice w otrzymanych wartościach wynikały ze sposobu
przygotowania anteny oraz z metodyki przeprowadzonych badań. Tabela 5.1 przedstawia
jak zmieniała się częstotliwość rezonansowa i wartość parametru s11 macierzy
rozproszenia dla poszczególnych wariantów badanych w pracy dyplomowej.
Tabela 5.1 Zestawienie wyników otrzymanych w trakcie pomiarów i symulacji
Nie było to głównym celem pracy, jednak postanowiono zbadać wpływ obecności
powierzchni metalicznej oraz wody na działanie anteny. W czasie analizy wpływu
powierzchni metalicznej w otoczeniu taga udało się zaobserwować efekt indukcji prądów
wirowych na charakterystykę kierunkową anteny. Efekt ten objawiał się „wąskim gardłem”
widocznym na reprezentacji charakterystyki kierunkowej w przestrzeni trójwymiarowej.
W rezultacie transponder nie mógł skutecznie działać, jeżeli powierzchnia metaliczna
występowała między nim a nadajnikiem. W trakcie badania wpływu wody na działanie
anteny wykazano, że badany transponder nie został stworzony z myślą pracy na towarach
zawierających płyny. Zarówno charakterystyka kierunkowa, jak i wykres parametru s11
otrzymane w czasie symulacji wykluczały skuteczną komunikację z tagiem w zadanym
środowisku. Każda zmiana położenia taga powodowałaby zerwanie łączności z
czytnikiem. W otoczeniu wody, dużo lepiej działają anteny przystosowane do pracy na
niższych częstotliwościach, np. 13,56MHz.
Pomiar w laboratorium Brak deformacji Wariant a) Wariant b) Wariant c) Wariant d)
f1 0,806 0,849 0,843 0,866 - 0,849
s11 [db] -40,85 -0,477 -0,292 -0,349 - -0,128
f2 nie zmierzono 1,734 1,734 1,774 1,718 1,743
s11 [db] nie zmierzono -1,305 -1,545 -1,02 -3,496 -1,521
f3 nie zmierzono 2,276 2,278 2,345 - 2,314
s11 [db] nie zmierzono -8,874 -36,833 -23,332 - -9,387
f1
f2
f3
Częstotliwość rezonansowa
Pierwsza częstotliwość harmoniczna
Druga częstotliwość harmoniczna
S t r o n a | 79
6. Bibliografia
[1] http://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/faraday_michael.shtml
[2] http://www.juliantrubin.com/bigten/electric_motor_generator.html
[3] http://people.seas.harvard.edu
[4] Prof. nzw. dr hab. Yevhen Yashchyshyn- Wyklady z przedmiotu „AIPF” rozdział 2
[5] http://www.anex.pl
[6] J. Modzelewski, E. Jaszczyszyn, H. Chaciński, P. Majchrzak- „Pomiary parametrów
anten”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004
[7] http://www.anex.pl/anteny/rozdzial_c2.htm
[8] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
[9] http://www.kyes.com
[10] http://www.maximintegrated.com
[11] http://pl.wikipedia.org
[12] Prof. nzw. dr hab. Yevhen Yashchyshyn- Wyklady z przedmiotu „AIPF” rozdział 9
[13] Prof. nzw. dr hab. Yevhen Yashchyshyn- Wyklady z przedmiotu „AIPF” rozdział 10
[14] www.autodesk.pl/autocad
[15] http://autodesk.blogs.com/between_the_lines/autocad-release-history.html
[16] http://www.qwed.com.pl
[17] QuickWave Editor Reference Guide (version 2014)
[18] Setup arrangement for measuring electrical parameters of seawater, Warsaw
University of Technology, 16th October 2013
[19] Michał Bandzul, praca inżynierska- „Analiza działania anteny taga RFID na
868 MHz”
[20] Dr inż. Paweł Bajurko- Wykłady z przedmiotu „RADS”
[21] http://www.altium.com
[22] Prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski Wykład „TWCZ” rozdział 4