Artikeln visar hur finska företaget Pulse Electronics har lyckats skapa en effektiv och kompakt lösning till en ortogonalt matad patch-antenn, framtagen med programvarorna AWR Microwave office och Optenni Lab.
När man konstruerar antenner för basstationer och mobilapparater är det ett viktigt konstruktionssteg att se till att antennerna har resonans på korrekt arbetsfrekvens. Den här artikeln, visar hur företaget Pulse Electronics (Pulse) har utvecklat en unik programvarubaserad process för att konstruera, stämma av och optimera sitt antennsystem genom att använda en kombination av konstruktionsprogramvaran AWR Microwave Office och programvaran Optenni Lab, från Optenni, för impedansanpassning och antennanalys.
Resultatet av denna kombination av konstruktionsflöde är en produkt med högre prestanda, en kostnadseffektivare konstruktion och snabbare ”time-to-market”.
Även om tankarna med impedansanpassning låter enkla och ganska uppenbara finns det några råd som måste följas.
* För det första är det viktigt att optimera för verkningsgrad snarare än för bästa impedansmatchning.
* För det andra bör man använda realistiska komponentmodeller för induktorer och kondensatorer vid konstruktionsarbetet med att åstadkomma impedansanpassning eftersom skillnaderna mellan ideala och verkliga komponenter ofta är stora.
* För det tredje är det viktigt att ta hänsyn till hur känslig impedansanpassningen är för komponenttoleranserna och att verifiera detta.

Ny antennkonstruktion
Den antennkonstruktion som lyfts fram i denna artikel bygger på arbetet hos Pulse med en antenn för en liten basstation som använder patch-radiatorer med två matningspunkter för vertikal, respektive horisontell polarisation. Arbetsfrekvensen för antennsystemet är 880 – 960 MHz, LTE band 8.

Antennprototyp
En av de första utmaningar som Pulse mötte var hur man skulle integrera matningsstrukturen i konstruktionsrymden. Till en början valdes en struktur för aperturkoppling eftersom dess traditionellt goda karakteristik för port-till-port-isolation som är följden av den ortogonala portdrivningen i resonansmod. Men på grund av det låga frekvensområdet, 880 – 960 MHz, bedömdes den fysiska storleken för matningsaperturen vara alltför stor (den översteg det givna utrymmet) om den skulle utföras symmetriskt. Därför valdes en asymmetrisk konfigurering: Matningsaperturen för port 1 hade optimal längd, medan matningsaperturen för port 2 var kort, men frekvensen avstämdes genom att bredda armarna i änden av aperturen. Fig 1 visar ett fotografi av antennprototypen.

Fig 1. Den första prototypen byggdes och testades av Puls för att kunna samla in grunddata för simuleringsarbetet.

I stället för att använda en process enligt principen ”trial-and-error” förlitade sig Puls i stället på att göra en virtuell prototyp, vilket innebär att man använder programvara för simulering (syntes och analys). Under simuleringen åstadkoms anpassningen av port 2 genom att lägga till en LC-krets. Originalantennen och konstruktionen av matningselementen påverkades inte och ändrades inte alls. Med andra ord sparade detta mycket tid!

Antennsimulering
Själva antennen simulerades med målet att nå bandbredden 880-960 genom att använda AWRs 3D-elektromagnetiska simulator Analyst i Microwave Office. För denna konstruktion var det nödvändigt att använda en fullt ut tredimensionell EM-simulator eftersom matningsledningarna åstadkoms av ett tunt mönsterkortsubstrat med sådant dielektrikum att man måste ta hänsyn till koppling mellan hörnen.
Det första resultaten gör det uppenbart att medan port 1 hade god impedansanpassning krävde port 2 en anpassningskrets för att stämma av till resonans. isolationen mellan portarna var mycket god och låg i storleksordningen 40 dB. I fig 2 visar Analyst layouten och strålningsmönstret.

Fig 2. AWR Analyst visar här layouten och strålningsmönstret.

Konstruktion av anpassning
Nästa steg var att använda programvaran Optenni Lab för att konstruera anpassningskretsarna för port 2. Antennimpedansen avlästes ur en Touchstone-fil. Frekvensområdet matades in och det önskade antalet komponenter och önskade komponentserier matades in.
Inom bara några sekunder gav Optenni Lab flera alternativa topologier för optimala anpassningskretsar. Den resulterade anpassningskretsen syntetiserades för att ge maximal effektivitet över frekvensbandet. De återstående stegen för finavstämning som behövdes inkluderade layoutdetaljer för att placera ut diskreta komponenter.
Parallellseriens layout, nära port 2, jordades genom att vika en mikro-strip runt hörnet av mönsterkortet och löda det till jordplanet. Men detta ändrade anpassningen eftersom jordningen av shuntkondensatorn även innehöll induktanser och det blev en fördröjning av några grader mellan fösta och sista elementet.
Eftersom skillnaden mellan ideal och verklig koppling visade sig vara ganska liten kom den effekt som levererades till antennen att sjunka med 0,2 dB över frekvensbandet. Ytterligare finavstämning av konstruktionen identifierade ett lämpligare och mera korrekt val av komponenter vilket minskade förlusterna till 0,1 dB. Anpassningskomponenterna efter denna finavstämning bestämdes till 5,6 nH i serie, 2,2 pF parallellt och 2,7 pF i serie från samma serie komponenter från Murata som tidigare.

Mätningar
Slutligen mättes antennprototypen med dess komponenter för anpassning hos Pulse. Smith-diagrammet (fig 3) visar den simulerade och den uppmätta impedansen hos anpassningskretsen. Överensstämmelsen mellan simuleringar och mätningar var god.

Fig 3. Simulerade (streckad linje) och uppmätta (heldragen linje) portimpedanser med anpassningskrets.

Rätt första gången
Den metod för virtuell programvarubaserad konstruktionsmetod som beskrivs i denna applikationsrapport ger ett konstruktionsflöde för antennanpassning som ger rätt resultat första gången. Det är mera ändamålsenligt och kostnadseffektivt än med traditionella metoder. Antennkonstruktören får kvantitativa riktlinjer för antennavstämning mot rät frekvens vilket ger en produkt med högre kvalitet. Detta var uppenbart för Pulses nya dubbelmatade enelements aperturkopplade patch-antenn för små LTE-basstationer.

Om författarna:
Kimmo Honkanen, RF Engineer, Pulse Electronics – http://www.pulseelectronics.com/
Kimmo Honkanen tog examen inom informationsteknologi 2006 inom Kajaani polytekniska program för kommunikation och transport. Han har arbetat som RF-ingenjör under 5 år hos Pulse Electronics Kempele, Finland.

Jussi Rahola, Managing Director, Optenni Ltd – http://www.optenni.com
Jussi Rahola fick sin examen (D.Sc , Tech) inom numerisk matematik vid Aaltouniversitetet i Finland 1996. Han har tidigare arbetat vid CSC-IT Center for Science, Finland och vid Nokia Research Center, Finland. Since 2009 är han vd för Optenni Ltd, med specialisering på utveckling av antennanpassningskretsar med programvaran Optenni Lab.

Dr Jaakko Juntunen, Head of EM Applications, AWR Europe – http://www.awrcorp.com/
Jaakko Juntunen fick sin civilingenjörsexamen i matematik and tillämpad fysik vid Helsingfors tekniska universitet 1995 och han kompletterade sin doktorsgrad 2001 med en avhandling som fokuserade på metoden för ”finite-difference time-domain”, (FDTD).

Filed under: Mikrovag