Ontwerp van een planaire antenne uit dashboardschuimen voor Intra-Vehicle communicatie

Freek Boeykens, Quinten Doolaege

dashboardschuimen voor Intra-Vehicle communicatieOntwerp van een planaire antenne uit

Academiejaar 2008-2009Faculteit Ingenieurswetenschappen

Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van CampenhoutVakgroep Elektronica en informatiesystemen

Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De ZutterVakgroep Informatietechnologie

Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniekMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleider: Frederick DeclercqPromotoren: prof. dr. ir. Hendrik Rogier, prof. dr. ir. Jan Vanfleteren

Voorwoord

Deze thesis vindt zijn oorsprong in ons Hardware-ontwerpproject van vorig jaar. Daar weaan het einde van dit project zo geboeid waren door de materie, hebben we professor Rogiergevraagd naar de mogelijkheid om het onderwerp verder uit te diepen in onze thesis. Nu, eenjaar later, mogen we tevreden terugblikken op de behaalde resultaten en in dit voorwoordwillen we dan ook de mensen bedanken die ons hebben geholpen om deze thesis tot een goedeinde te brengen.

Vooreerst wensen we Recticel en in het bijzonder Jan Geeraert, Yvan Vanluchene en MarioGenetello te bedanken. Door hun duidelijke uitleg betreffende de opbouw van het dashboardin een wagen en het aanleveren van de verschillende materialen zijn we er in geslaagd deinvloeden van het dashboard in kaart te brengen en hebben we een concrete wending kunnengeven aan deze thesis.

Verder willen we graag de mensen van de onderzoeksgroep elektromagnetisme en het CMSTbedanken voor hun hulp bij de realisatie van deze thesis. In het bijzonder zijn we onze begelei-der Frederick Declercq zeer dankbaar voor zijn inbreng bij diverse vragen en onduidelijkheden.Daarnaast verdienen Fabrice Axisa, Kristof Dhaenens en Steven Van Put een woord van dankvoor hun hulp en uitleg bij de nauwkeurige productiemethode van de antenne.

Natuurlijk zijn we ook onze promotoren Hendrik Rogier en Jan Vanfleteren zeer dankbaar.Dankzij hun inzet en contacten in de industriele wereld zijn we erin geslaagd een eindwerk terealiseren dat mee richting kan geven aan de toekomstige evolutie op het gebied van intra-vehicle communicatie.

Ook wensen we Bart Michiels te bedanken voor de leuke momenten in het thesislokaal.

Last but not least gaat onze erkenning uit naar onze ouders voor hun vele geduld en onvoor-waardelijke steun. Ook de bijdrage van Evelyne Doolaege, de hoogzwangere zus van Quinten,en Stefanie Monsaert in het nalezingsproces van deze thesis wordt ten zeerste geapprecieerd.De zetduivels zijn bij deze gewaarschuwd.

1 juni 2009,

Freek Boeykens en Quinten Doolaege

i

Toelating tot bruikleen

“De auteus geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delenvan de scriptie te kopieren voor persoonlijk gebruik.Elk ander gebruik ervan valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzondermet betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen vanresultaten uit deze scriptie.”

Gent, 1 juni 2009

ii

Ontwerp van een planaire antenne uit

dashboardschuimen voor Intra-Vehicle

communicatie

door Freek Boeykens en Quinten Doolaege

Promotoren: prof. dr. ir. Hendrik Rogier, prof. dr. ir. Jan VanfleterenBegeleider: ing. Frederick Declercq

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad vanMaster in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep InformatietechnologieVoorzitter: prof. dr. ir. Daniel De Zutter

Vakgroep Elektronica en informatiesystemenVoorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout

Faculteit IngenieurswetenschappenUniversiteit Gent

Academiejaar 2008–2009

SamenvattingIn de automobielsector is er een groeiende interesse naar integratie van draadloze netwerkenin voertuigen. Dit voor zowel intra-vehicle communicatie als voor communicatie tussen voer-tuigen onderling (vehicle to vehicle (V2V)) en tussen voertuigen en de omgeving (vehicle toroadside (V2R)). In deze thesis ligt de nadruk op de draadloze netwerken gevormd binnen eenauto (intra-vehicle). Er wordt onderzoek gedaan naar een planaire antenne die bij voorkeuronzichtbaar geıntegreerd wordt in het dashboard van de wagen. Deze antenne dient quasi-circulair gepolariseerd te zijn binnen de niet gelicentieerde 2.45 GHz ISM-band (2.4 GHz -2.485 GHz).

In een eerste fase wordt vertrokken van een apertuurgekoppelde patchantenne, ontworpenuit dashboardschuimen. Aangezien de meetresultaten niet overeenkomen met de simulaties,wordt eerst een sensitiviteitsanalyse verricht om de invloed van productiefouten op verschil-lende parameters te bepalen. Daarna wordt er onderzoek gedaan naar enerzijds robuustereontwerpstructuren en anderzijds naar een nauwkeurige fabricatiemethode. Met behulp vande nauwkeurig gefabriceerde antenne wordt vervolgens de optimale positie van de antenne inhet dashboard bepaald. Tot slot wordt de mogelijkheid onderzocht om een dual band stackedpatch GPS-antenne te ontwerpen.

Trefwoordenapertuurgekoppelde microstrip patchantenne, dashboard, circulaire polarisatie,2,45 GHz ISM-band, dual band stacked patchantenne

iii

Design of a planar antenna using dashboard foamsfor Intra-Vehicle communication

Freek Boeykens, Quinten Doolaege

Supervisor(s): prof. dr. ir. Hendrik Rogier, prof. dr. ir. Jan Vanfleteren, ing. Frederick Declercq

Abstract—This paper describes the design of an aperture coupled quasi-circularly polarized patch antenna for intra-vehicle communication in theunlicensed 2.45 GHz ISM band (2.4 GHz - 2.485 GHz). The patch antennawas realized on flexible materials allowing easy integration into the dash-board of the vehicle. A measured gain of 6.437 dBi was obtained with theantenna covered with the different dashboard layers.

Keywords—aperture coupled microstrip patch antenna, dashboard, cir-cular polarization, 2.45 GHz ISM band

I. INTRODUCTION

THERE is a growing interest towards integration of wirelessnetworks in vehicles for ’intra-vehicle’, ’vehicle to vehi-

cle’ and ’vehicle to roadside’ communication. In this paper wefocus on the design of a quasi-circularly polarized antenna usedfor intra-vehicle communication. In this scenario wireless com-munication networks use protocols such as Bluetooth, Wifi andZigbee which require an antenna that operates in the unlicensed2.45 GHz ISM band (2.4 GHz - 2.485 GHz).

An unobtrusive integration of these antennas into the vehi-cle is a requirement of the automotive industry. Therefore, wepresent the design of a patch antenna using flexible materials,suitable for integration into dashboards. Such antennas have athin profile, are easy to produce in mass production, have a lowcost and are relatively compact. Since the patch antenna has tobe shock resistant, an aperture coupled feed structure is used.

Section II describes the antenna geometry and design andSection III presents the measured antenna characteristics and theinfluence of the dashboard.

II. ANTENNA GEOMETRY AND DESIGN

A. Antenna geometry

The realized antenna geometry consists of a nearly squarepatch, a crossed slot and a feed line placed on the diagonal ofthe cross, as shown in Figure 1. The crossed slot allows excita-tion of two orthogonal linearly polarized modes on the patch andthe two pair of radiating edges of the patch represent two pair or-thogonal linearly polarized dipoles, each excited by one mode.When increasing the length of one pair of edges, the correspond-ing dipoles become more inductive. A decrease in length of theother pair of edges gives rise to a capacitive effect. This leads toa shift of the phase diagrams of the two pair radiating edges, ascan be seen in Figure 2. When the parameters are optimized, aphase difference of 90 can be obtained at the center frequencyand circular polarization is achieved [1].

B. Material selection

As depicted on Figure 3, the aperture coupled patch antennahas an antenna substrate and a feed substrate. The characteris-

Fig. 1. Geometry of the intra-vehicle antenna.

Fig. 2. Phase diagram for the two excited modes.

tics of the substrates are shown in Table I. Microstrip feed lineradiation was minimized by using a thin substrate with a highpermittivity εr [2]. The antenna patch, feed line and groundplane are etched copper layers on a polyimide carrier.

C. Antenna Design

The design has been carried out by imposing two design cri-teria for the return loss |S11| and the axial ratio AR:

|S11| < −10 dB, (1)AR < 3 dB. (2)

The axial ratio is defined as the ratio between the amplitudesof the orthogonal components of the circularly polarized field.The optimization has been carried out by means of the 2.5D field

Fig. 3. Side view of the intra-vehicle antenna.

TABLE IPROPERTIES OF FEED AND ANTENNA SUBSTRATE.

Substrate Feed Antenna

Type PUR Mousse BSPPThickness 1 mm 5.1 mm

εr 2.53 1.12tanδ 0.065 0.01

simulator Momentum in Advanced Design System (ADS). Theoptimized parameters are shown in Table II [3].

TABLE IIOPTIMIZED PARAMETERS OF THE INTRA-VEHICLE ANTENNA.

Parameter Size [mm]

Patch (L × W) 50.1 × 45.2Slot (L × W) 21.8 × 2.2

Stub 6.17Feed 2.8

III. ANTENNA MEASUREMENTS

A. S-parameter and axial ratio measurement

After fabrication, a measurement of the reflection coefficientwas performed by means of a vector network analyzer. Thecomparison between the simulated and measured return loss isshown in Figure 4. The simulated bandwidth is 385 MHz andthe measured bandwidth is 435MHz. One can see that the entire2.45 GHz ISM band is covered.

Fig. 4. Measured and simulated return loss of the intra-vehicle antenna.

The axial ratio as a function of the frequency has been ob-tained by means of a transmission measurement in an ane-

choic chamber. The resulting curve, for the broadside direc-tion, is shown in Figure 5. One observes a shift of the curvetowards lower frequencies. The center frequency of the curveis 2.41 GHz and the bandwidth is about 85 MHz. As can beseen on Figure 5, the antenna is not circularly polarized in theentire 2.45 GHz ISM band, but this is not an absolute require-ment as quasi-circular polarization is only needed to minimizethe polarization mismatch between sender and receiver.

Fig. 5. Measured and simulated axial ratio of the intra-vehicle antenna.

The fabricated antenna has an efficiency of 64.3% and themaximal gain is 6.714 dBi. The 3 dB beam width is 62 in boththe XZ and YZ plane and the F/B ratio is 14 dB [3].

B. Influence of a dashboard

For measuring the influence of a dashboard, different layersare placed on top of the antenna. Figure 4 and Figure 5 alsoshow the return loss and the axial ratio for the antenna when itis optimally positioned in the dashboard.

The integrated antenna has a return loss bandwidth of425 MHz and an axial ratio bandwidth of 95 MHz. The an-tenna efficiency is 63.7% and the gain in broadside direction is6.437 dBi. The 3 dB beam width is 68 in both the XZ and YZplane and the F/B ratio is 13 dB. When comparing these resultswith the results obtained from the antenna without top layers,only a small deterioration in antenna characteristics is observed[3].

IV. CONCLUSION

The proposed antenna is capable of covering the entire 2.45GHz ISM band (2.4 GHz - 2.485 GHz). Also the requirementfor quasi-circular polarization has been fulfilled.

When integrating the antenna into a dashboard, there is onlya small deterioration in antenna characteristics. This demon-strates the feasibility of invisibly integrating the antenna in thedashboard of a vehicle.

REFERENCES

[1] F. Boeykens, Q. Doolaege, “Ontwerp van een apertuurgekoppelde patch-antenne op schuimen voor integratie in dashboards”, Ghent University,2008.

[2] D. Pozar, “A Review of Aperture Coupled Microstrip Antennas: History,Operation, Development and Applications”, University of Massachusetts atAmherst, May 1996.

[3] F. Boeykens, Q. Doolaege, “Ontwerp van een planaire antenne uit dash-boardschuimen voor Intra-Vehicle communicatie”, Master Thesis, GhentUniversity, 2009.

Inhoudsopgave

1 Inleiding 21.1 Cable Free Car concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Apertuurgekoppelde patchantenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Werking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Belangrijkste parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Materialen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.1 Dashboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.2 Lijmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Begrippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4.1 S-parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4.2 Polarisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Een eerste ontwerp 132.1 De voedingsstructuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Meetresultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Sensitiviteitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.1 Plaatsing van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.2 Grootte van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4.3 Asymmetrisch slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Robuustere structuren 243.1 H-shaped slots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1 Plaatsing van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.2 Grootte van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.3 Asymmetrisch slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Patch met inkepingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.1 Plaatsing van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

vi

Inhoudsopgave

3.2.2 Grootte van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.3 Asymmetrisch slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3 Kwart-golflengte voedingsstructuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.1 Plaatsing van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.2 Grootte van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.3 Asymmetrisch slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Hybride koppelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4.1 Ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.4.2 Plaatsing van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.3 Grootte van het slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4.4 Asymmetrisch slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4 De intra-vehicle antenne 534.1 Ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2 Productie van de antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2.1 Productie van de kopervlakken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3 Assemblage van de volledige antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.4 Meetresultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.4.1 Antenne zonder toplagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.4.2 Antenne met toplagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5 GPS-antenne 685.1 Global Positioning System (GPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.2 Dual band stacked patchantenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2.1 Antennesubstraat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.2.2 Antennepatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.2.3 Apertuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3 Lineair gepolariseerde antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3.1 Ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3.2 Meetresultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.4 Circulair gepolariseerde antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.4.1 Voedingsstructuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.4.2 Invloed onderlinge positie antennepatches . . . . . . . . . . . . . . . . 765.4.3 Volledige topologie van de GPS-antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6 Besluit 83

vii

Inhoudsopgave

Bibliografie 86

Lijst van figuren 88

Lijst van tabellen 91

viii

Lijst met afkortingen

ADS Advanced Design SystemAR Axial RatioCMST Centre for Microsystems TechnologyDoD Department of DefenseF/B Front-to-BackGNSS Global Navigation Satellite SystemGPS Global Positioning SystemGSM Global System for Mobile communicationsHOP Hardware-OntwerpProjectISM Industrial, Scientific and MedicalLHCP Left-Handed Circularly PolarizedMP3 Moving Picture experts group-1 audio layer 3PDA Personal Digital AssistantRHCP Right-Handed Circularly PolarizedSMA SubMiniature version AUSB Universal Serial BusV2V Vehicle to VehicleV2R Vehicle to RoadsideYAG Yttrium Aluminium Garnet

1

Hoofdstuk 1

Inleiding

1.1 Cable Free Car concept

In de automobielsector is er een groeiende interesse naar integratie van draadloze netwerkenin voertuigen. Dit voor zowel intra-vehicle communicatie als voor communicatie tussen voer-tuigen onderling (vehicle to vehicle (V2V)) en tussen voertuigen en de omgeving (vehicle toroadside (V2R)). Het doel van deze nieuwe technologieen is de veiligheid op de wegen en deverkeersefficientie te verhogen alsook belangrijke informatie mee te delen aan de gebruiker.Toepassingen zijn bijvoorbeeld Forward Collision Warning, Green Light Optimal Speed Ad-visory en Remote Diagnostics [1]. In deze thesis ligt de nadruk op de draadloze netwerkengevormd binnen een auto (intra-vehicle). In deze context wordt het Cable Free Car conceptgeıntroduceerd waarbij het mogelijk wordt om meerdere draadloze toestellen zoals PDA’s,MP3-spelers en GPS toestellen te verbinden met de centrale infotainmentconsole van de auto(Figuur 1.1). Zo wordt het bijvoorbeeld mogelijk om via de infotainmentconsole van de autode agenda te raadplegen die zich op een PDA bevindt. Verder kunnen eveneens verschillendeautodiagnosesensoren zoals bijvoorbeeld voor het meten van de bandendruk en olietempera-tuur draadloos hun informatie naar de centrale console verzenden.

Dergelijke draadloze netwerken werken typisch via Bluetooth, Wifi, Zigbee of Wireless USBstandaarden die gebruik maken van de niet gelicentieerde 2.45 GHz ISM-band (2.4 GHz -2.485 GHz). De realisatie van deze netwerken kan verwezenlijkt worden door middel vaneen antenne die bij voorkeur onzichtbaar geıntegreerd wordt in het dashboard van de wagen.Voor een betrouwbare communicatielink is het nodig dat deze antenne beschikt over een zohoog mogelijke winst en quasicirculair gepolariseerd is. Daarnaast dient de gekozen anten-nestructuur ook nog aan enkele andere voorwaarden te voldoen. Zo is het gewenst dat deantenne in zekere mate schokbestendig is en dat het mogelijk is om de antennestructuur opeen eenvoudige manier mee te integreren in het fabricatieproces van een dashboard.

2

Hoofdstuk 1. Inleiding

Figuur 1.1: Cable Free Car Concept.

1.2 Apertuurgekoppelde patchantenne

Voor het vastleggen van de antennetopologie dient men, zoals vermeld in Sectie 1.1, rekeningte houden met enkele randvoorwaarden. In eerste instantie moet de antenne een planairestructuur hebben om gemakkelijk in het dashboard te kunnen worden geıntegreerd. Dit leidttot het gebruik van patchantennes. Deze antennes hebben een dun profiel, zijn licht, compacten eenvoudig te produceren in massaproductie. Enkele verschillende configuraties zijn te zienop Figuur 1.2. Hierbij wordt telkens een andere voedingstechniek gebruikt, namelijk edgefeed, probe feed en aperture coupled feed.

Figuur 1.2: Verschillende topologieen van patchantennes.

Een tweede randvoorwaarde is dat de antenne bestand moet zijn tegen schokken en trillingen.Daarom wordt er gekozen voor de apertuurgekoppelde patchantenne. Het grote verschil metde andere voedingstechnieken is dat er geen fysische verbinding aanwezig is tussen de patchen de voedingslijn. Deze worden immers van elkaar gescheiden door twee substraten en eengrondvlak waarin een slot is gemaakt. Hierdoor is deze structuur robuust tegen schokken

3


en dus uiterst geschikt voor de integratie in een wagen. Een bijkomend voordeel van dezetopologie is dat er onder het voedingssubstraat elektronica kan worden toegevoegd en dat dezevan de antennepatch wordt afgeschermd door het grondvlak. Deze structuur wordt samenmet de belangrijkste parameters weergegeven op Figuur 1.3.

Figuur 1.3: Parameters van een apertuurgekoppelde patchantenne.

1.2.1 Werking

Bij een apertuurkoppeling bevindt de voedingslijn zich onder het grondvlak van de antenneen is de apertuur centraal ten opzichte van de patch gekozen, omdat daar het magnetischveld van de patch maximaal is. Het vermogen in de voedingslijn kan dan via het slot worden

4


doorgekoppeld naar de antenne via magnetische koppeling tussen het magnetisch veld van depatch en de equivalente magnetische stroom bij het slot. Typisch heeft een patchantenne eengain tussen 5 en 6 dB en een 3-dB bundelbreedte tussen 70° en 90° [2].

Apertuurkoppeling biedt vele voordelen ten opzichte van de traditionele voedingstechnieken,aangezien de keuze van het substraat voor de voedingslijn en de antenne onafhankelijk vanelkaar gebeurt. Een ander voordeel is dat parasitaire straling afkomstig van de voedingslijnen eventuele actieve circuits door het grondvlak worden afgeschermd van de antenne.

1.2.2 Belangrijkste parameters

Gezien de opbouw van een apertuurgekoppelde patchantenne is het duidelijk dat er verschil-lende ontwerpparameters zijn die een invloed kunnen hebben op de werking van de antenne.In dit deel worden de belangrijkste parameters aangehaald, die zijn aangeduid op Figuur 1.3.

Substraat

Een apertuurgekoppelde patchantenne bestaat uit twee substraten, namelijk een voedings-en een antennesubstraat, elk gekenmerkt door hun dielektrische constante (εr), verliestan-gens (tan δ) en hoogte (h). Het voedingssubstraat scheidt de voedingslijn van het grondvlaken het antennesubstraat scheidt het grondvlak van de patch. Voor beide substraten is hetvanzelfsprekend dat de verliestangens best zo klein mogelijk is.

Een goed voedingssubstraat dient bij voorkeur te beschikken over een hoge εr en is bestdun. Een materiaal met een hoge εr houdt immers de veldlijnen meer geconcentreerd in hetsubstraat, waardoor de koppeling van de voedingslijn naar het slot verhoogt. Verder geefteen hogere εr aanleiding tot een dunnere voedingslijn, wat de parasitaire straling beperkt.Deze voedingslijn kan immers gezien worden als een monopool die ook in de achterwaartserichting gaat stralen. De dikte van het voedingssubstraat beınvloedt eveneens de breedte vande voedingslijn. Voor een zelfde impedantie zal een dunner substraat aanleiding geven toteen dunnere voedingslijn. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat een dunner substraat ookzal resulteren in meer verliezen [3].

Voor het antennesubstraat zal bij voorkeur een materiaal gebruikt worden met een lage εr.De dielektrische constante beınvloedt de bandbreedte, efficientie en resonantiefrequentie vooreen gegeven patchgeometrie. Voor het kiezen van de dikte van het substraat dient ook hiereen compromis gemaakt te worden. Zo resulteert een dikker substraat in een bredere im-pedantiebandbreedte maar zal, voor een gegeven apertuurgrootte, de koppeling verminderen[3].

5


Patch

De breedte van de patch beınvloedt de impedantieaanpassing van de antenne, terwijl de lengtede resonantiefrequentie bepaalt. De frequentie is omgekeerd evenredig met de lengte van destralende randen, net zoals de lengte van een dipool de frequentie beınvloedt.

Voedingslijn

De breedte van de voedingslijn bepaalt de impedantie ervan. Hoe hoger de impedantie,hoe dunner de voedingslijn. Voor onze ontwerpen is ervoor gekozen de voedingslijnen tedimensioneren op de standaardwaarde van 50 Ω.

De ingangsimpedantie van de antenne in het centrum van het slot is gegeven door:

Zin = Re[Zin]− j Z0 cot (βeff Lstub) .

In deze formule is Z0 gelijk aan 50 Ω. Het is de bedoeling om het imaginaire deel van dezeuitdrukking op nul te brengen. Dit is mogelijk door de lengte van de stub gelijk te nemenaan een kwartgolflengte. βeff is immers een faseconstante en wordt gedefinieerd als

βeff =2πλeff

.

We krijgen dan

j Z0 cot (βeff Lstub) = j Z0 cot(βeff

λeff4

),

= j Z0 cot(π

2

),

= 0.

Slot

Bij het dimensioneren van de slotlengte dient er een afweging gemaakt te worden tussen dehoeveelheid doorkoppeling en de hoeveelheid backradiation. Een groter slot zal voor eenbetere doorkoppeling zorgen, maar zorgt er ook voor dat het grondvlak de antenne niet meervolledig kan afschermen langs de onderkant. Hierdoor zal de antenne beter beginnen stralennaar de onderkant toe, wat resulteert in een toenemende backradiation.

De breedte van het slot heeft ook een invloed op de koppeling maar in een veel minder sterkemate dan de lengte van het slot.

6


1.3 Materialen

1.3.1 Dashboard

Voor onze thesis werd contact opgenomen met Recticel [4], een bedrijf dat schuimen produ-ceert voor de automobielsector. Via hen kregen we meer inzicht in de precieze opbouw vaneen dashboard. Zoals te zien op Figuur 1.4 zijn er drie lagen te onderscheiden. De toplaagbestaat uit een samenstelling van twee types lagen, namelijk Colofast en een aromaat. Aan-gezien deze twee lagen chemisch gebonden worden en hun gezamenlijke dikte slechts 1 mmbedraagt, kunnen deze lagen niet gebruikt worden als antenneen voedingssubstraat. Ookhet gebruik van deze toplaag als antennesubstraat kan al snel worden uitgesloten aangezien deantennepatch dan zichtbaar op het dashboard komt te liggen, wat esthetisch niet verantwoordis. Rekening houdend met het feit dat het de bedoeling is om het huidige productieprocesvan een dashboard zo weinig mogelijk aan te passen, blijven er nog twee mogelijkheden overvoor de integratie van een antenne in het dashboard, namelijk:

• tussen het dragermateriaal en de backfoam,

• tussen de backfoam en de toplaag.

Het is dus de bedoeling om vooraf de antenne te fabriceren en deze dan als een afzonderlijkemodule in te werken in het huidige productieproces. Deze aanpak laat toe om gebruik temaken van flexibele substraten met lage verliezen.

Figuur 1.4: Verschillende lagen van een standaard dashboard.

1.3.2 Lijmen

Voor het verlijmen van de verschillende kopervlakken en substraten van de antenne, kunnendrie lijmen worden gebruikt: textiellijm, industriele lijm die ons werd aangeleverd door Rec-ticel en Platilon H van Epurex. Een afbeelding van deze lijmen is te zien op Figuur 1.5. Alledrie zijn het thermische lijmen die pas na opwarming beginnen te kleven. Zoals te zien opFiguur 1.5, hebben de drie lijmen elk een andere structuur. Links is de textiellijm te zien,die als voordeel heeft dat ze zeer dun is, maar niet goed hecht aan dashboardschuimen. Inhet midden is de industriele lijm te zien, deze heeft de beste hechting van de drie, maarde structuur bestaat uit fijne draadjes en deze beınvloeden mogelijks de goede werking van

7


Figuur 1.5: Textiellijm (links), industriele lijm (midden) en Platilon H lijm (rechts).

de antenne. Verder worden na verlijming op willekeurige plaatsen kleine luchtbelletjes in destructuur opgemerkt. Deze kunnen opnieuw de antennewerking negatief beınvloeden. Doorde willekeurige aard van de luchtbelletjes is het echter niet mogelijk om alle effecten van deindustriele lijm in de simulaties in rekening te brengen. De meest rechtse lijm op de figuur isde Platilon H, deze heeft een goede hechting aan dashboardschuimen en bestaat uit een effenfolie.

Doordat deze lijmen snel opdrogen, is het moeilijk om het antenneen voedingssubstraatstevig met elkaar te verlijmen. Dit probleem wordt verholpen door de antenne langs dezijkant te voorzien van kleefband.

1.4 Begrippen

In deze thesis zullen enkele typische begrippen regelmatig terugkeren. Dit deel heeft dan ookals doel deze voor de lezer te verduidelijken.

1.4.1 S-parameters

S-parameters worden gebruikt om het elektrisch gedrag van lineaire circuits te beschrijven.De apertuurgekoppelde patchantenne zoals beschreven in Sectie 1.2 is een voorbeeld van eeneenpoort netwerk. Aangezien verder nog over meerpoortnetwerken wordt gesproken, wordtde uitbreiding hier ook kort meegegeven [5].

Eenpoort

Op Figuur 1.6 is de apertuurgekoppelde patchantenne te zien die als eenpoort kan beschouwdworden. Ter hoogte van het poortvlak is een spanning aanwezig die geschreven kan wordenals de som van een invallende golf naar de antenne toe en een teruggekaatste golf:

8


V (z) = V +e−jβz + V −ejβz. (1.1)

De poortimpedantie stellen we voor door R en is standaard 50 Ω. Men definieert de strooi-parameters a1 en b1 dan als

a1 =V +

√R, (1.2)

b1 =V −√R. (1.3)

Figuur 1.6: De apertuurgekoppelde pachtantenne als een eenpoort.

Met behulp van deze definitie zijn dus |a1|2 en |b1|2 dan ook het invallend en het gereflecteerdvermogen aan de antenne. De S-parameter S11 wordt gedefinieerd als

S11 =b1a1. (1.4)

Om een goede antennewerking te bekomen, wordt er gestreefd de |S11| kleiner dan −10 dBte houden in de beoogde frequentieband. Indien dit het geval is, wordt er meer dan 90%van het ingangsvermogen (Pin) naar de antenne doorgekoppeld. Een deel van dit vermogenwordt vervolgens uitgestraald (Prad) en een deel wordt in de structuur gedissipeerd (Pdiss).Deze dissipatie is ondermeer het gevolg van de verliestangens van de gebruikte substratenen verliezen in het koper. Wanneer meer dan 90% van het ingangsvermogen doorkoppelt,noemt men de antenne aangepast aan de poortimpedantie. Perfecte aanpassing zou ontstaanwanneer de ingangsimpedantie van de antenne dezelfde is als de poortimpedantie, er wordtdan immers geen vermogen gereflecteerd aan de poort.

9


N-poort

Voor meerpoorten blijft de definitie van Sii dezelfde als die voor eenpoorten, waarbij Sii dereflectiecoefficient is aan poort i, indien alle andere poorten op hun karakteristieke impedantieworden afgesloten. De coefficient Sij beschrijft de transmissie van poort j naar poort i en isgedefinieerd als

Sij =biaj, (1.5)

waarbij opnieuw alle overige poorten worden afgesloten op hun karakteristieke impedantie.

Deze S-parameters worden ook weergegeven in een strooimatrix. Voor een tweepoort is dezegedefinieerd als (

b1

b2

)=

(S11 S12

S21 S22

)(a1

a2

). (1.6)

1.4.2 Polarisatie

Polarisatie is een eigenschap van vectoren die een sinusoıdale tijdsafhankelijkheid hebben.Hierdoor zullen dus ook de elektrische en magnetische velden in het frequentiedomein gepo-lariseerd zijn [6].

Een algemene vector a(t) die sinusoıdaal varieert in de tijd kan geschreven worden als

a(t) = Raejωt, (1.7)

waarbij a een complexe vector is die de fasor van a(t) voorstelt. Wanneer de fasor wordtontbonden in zijn reeel en imaginair deel, kan men a(t) schrijven als

a(t) = R(ar + jai)ejωt = ar cosωt− ai sinωt. (1.8)

Deze uitdrukking toont aan dat de vector a(t) zich als functie van de tijd beweegt in een vlakbepaald door de reele vectoren ar en ai. Dit vlak wordt het polarisatievlak genoemd en in ditvlak beschrijft a(t) een ellips. Wanneer de hoofdassen van de ellips even lang zijn, beschrijfta(t) een cirkel. Men spreekt dan van circulaire polarisatie.

Wanneer het xy-vlak als polarisatievlak wordt beschouwd, dan kunnen ar en ai geschrevenworden als

ar = Aux, (1.9)

ai = ±Auy. (1.10)

10


De vector a(t) is dan volgens 1.8

a(t) = AR(ux ± juy)ejωt = A(ux cosωt± uy sinωt). (1.11)

Voor ai = +Auy beschrijft a(t) een cirkel in wijzerzin, dit wordt linkshandige circulaire pola-risatie (LHCP) genoemd. Analoog beschrijft a(t) voor ai = −Auy een cirkel in tegenwijzerzin,wat rechtshandige circulaire polarisatie (RHCP) genoemd wordt. Hierbij is de propagatie-richting langs de positieve z-as. Dit is te zien op Figuur 1.7.

Figuur 1.7: Linkshandige circulaire polarisatie (a) en rechtshandige circulaire polarisatie (b).

In deze thesis is het de bedoeling een antenne te ontwerpen die circulair gepolariseerd is. Dereden hiervoor kan verklaard worden aan de hand van de Friis formule, die het verband weer-geeft tussen het ontvangen vermogen en het maximaal beschikbaar vermogen aan de zender.Figuur 1.8 geeft een zender-ontvanger structuur weer, waarbij een GSM via de Bluetoothapplicatie communiceert met de infotainmentconsole.

De Friis formule is gegeven door [7]

PrPt,max

= MrGr(−ui)L−10,rt(R)Qrt(ui)Gt(ui)Mt. (1.12)

In deze formule zijn Mt en Mr de mismatch factoren van de zender en ontvanger. Gt en Gr

stellen de vermogenswinst voor en L0,rt is het padverlies. De term Qrt wordt de polarisatiefactor genoemd. Deze wordt bepaald door de onderlinge ligging van de polarisatie ellipsenvan zender en ontvanger. Als de ellipsen beschouwd worden zoals in Figuur 1.9, dan stelt αde hoek tussen de hoofdas van de zender en die van de ontvanger voor. De verhouding tussende hoofd- en nevenassen worden respectievelijk als τ en τ ′ genoteerd.

11


Figuur 1.8: De antenne in een zender-ontvanger structuur.

Figuur 1.9: Onderlinge ligging van de polarisatie ellipsen van zender en ontvanger.

Qrt kan dan geschreven worden als

Qrt =(τ ′ − τ)2

(1 + τ ′2)(1 + τ2)+ cos2 α

(1− τ ′2)(1− τ2)(1 + τ ′2)(1 + τ2)

. (1.13)

Wanneer nu de ontworpen antenne circulair gepolariseerd is, is τ = 1. Qrt is dan onafhankelijkvan α en dit wil dus zeggen dat een gebruiker zijn apparaat niet speciaal hoeft te orienterenom een betere communicatielink te verkrijgen.

In de praktijk is perfecte circulaire polarisatie nagenoeg onmogelijk. Daarom wordt er eenvuistregel nagestreefd die zegt dat de axiale ratio kleiner moet zijn dan 3 dB om van circulairepolarisatie te mogen spreken. Deze axiale ratio is gedefinieerd als de verhouding van de lengtevan de hoofdas ten opzichte van de nevenas van de polarisatie ellips.

12

Hoofdstuk 2

Een eerste ontwerp

Een eerste ontwerp van de antenne werd reeds vorig jaar gerealiseerd tijdens het Hardware-ontwerpproject (HOP) [8]. Voor dit project diende een apertuurgekoppelde patchantenne teworden geconstrueerd uit dashboardschuimen. De antennestructuur werd gesimuleerd metbehulp van het softwarepakket Advanced Design System (ADS) van Agilent Technologies.Dit pakket bevat een elektromagnetische 2.5D-veldsimulator Momentum die gebruik maaktvan de momentenmethode om het elektrisch gedrag van planaire structuren te bepalen.

Tijdens het HOP werd gebruik gemaakt van een voedingsstructuur die op niet-evidente wijzeaanleiding geeft tot circulaire polarisatie van de antenne. Daarom wordt hier eerst dezestructuur in detail besproken alvorens de meetresultaten te beschouwen en de problemenerbij te vermelden.

2.1 De voedingsstructuur

De gebruikte voedingsstructuur is te zien op Figuur 2.1. Deze structuur maakt gebruik vaneen kruisvormig slot en de voedingslijn is op de diagonaal van het kruis geplaatst. Voorde redenering vertrekken we van het feit dat een circulair gepolariseerde antenne kan gezienworden als twee loodrecht op elkaar geplaatste dipoolantennes. Deze dipoolantennes kunnenin ons ontwerp gezien worden als twee paren loodrecht op elkaar staande stralende randen vande patch. Om nu een faseverschil van 90° te verkrijgen bij de resonantiefrequentie, bekijkenwe de fasekarakteristiek van een enkele dipool. Dit is te zien op Figuur 2.2. Men ziet dat defase bij de resonantiefrequentie gelijk is aan 0°. Door het korter maken van de dipool wordtde antenne capacitiever en verschuift de fasekarakteristiek naar rechts, hierdoor wordt de fasenegatief bij de centrale frequentie. Omgekeerd wordt door het langer maken van de dipooleen inductief effect verkregen waardoor de fase positief zal worden bij de centrale frequentie.Om circulaire polarisatie te krijgen, dienen dus de afmetingen van de stralende randen vande patch aangepast te worden zodat het faseverschil bij de resonantiefrequentie gelijk is aan90°.

13

Hoofdstuk 2. Een eerste ontwerp

Het grote voordeel van deze voedingsstructuur ten opzichte van andere structuren is dat erslechts een voedingslijn nodig is om de circulaire polarisatie te verkrijgen. De prijs die hiervoorwordt betaald, is dat de antenne over een kleinere bandbreedte circulair gepolariseerd is danbij gebruik van twee voedingslijnen. Daar circulaire polarisatie toch geen absolute vereiste is,is het gebruik van deze eenvoudige topologie dus gerechtvaardigd.

Figuur 2.1: Voedingsstructuur voor circulaire polarisatie.

Figuur 2.2: Fasekarakteristiek van een dipool antenne.

14


2.2 Ontwerp

De keuze voor deze relatief eenvoudige structuur wordt ondermeer ook gemotiveerd door hetfeit dat er geen complexe productiemiddelen voor handen zijn. De substraten en kopervlakkenworden immers gewoon uitgeknipt en vervolgens verlijmd via industriele thermische lijm dieopwarmt met behulp van een strijkijzer.

Voor het voedings- en antennesubstraat zijn er enkele schuimen van Recticel ter beschikking,waarvan de eigenschappen vermeld staan in Tabel 2.1 [9].

Types Beschrijving tan δ εr

NC224a Aromatisch, PUR niet geblazen 0.07 2.55NC224b Kleurstabiel alifatisch, PUR niet geblazen 0.08 2.59NC224c 2 lagen complex aromatisch + alifatisch, PUR niet geblazen 0.065 2.53NC213 Aromatisch, PUR geblazen 0.03 1.45

Tabel 2.1: Beschikbare schuimen voor fabricatie van de antenne.

Zoals reeds vermeld in Sectie 1.2.2, heeft een voedingssubstraat best een hoge εr en eenantennesubstraat een lage εr. Het NC213-schuim wordt dus gekozen als antennesubstraat enhet NC224c-schuim als voedingssubstraat. Voor het voedingssubstraat wordt immers ook noggekeken naar de verliezen van de verschillende schuimen, aangezien de εr van de drie NC224varianten ongeveer gelijk zijn. De dikte van het voedingssubstraat bedraagt 1 mm, dat vanhet antennesubstraat 2.01 mm. De afmetingen van de ontworpen antenne worden samengevatin Tabel 2.2.

Parameter Afmeting [mm]Patch (lengte x breedte) 44.5 x 41.9Slot (lengte x breedte) 18 x 2

Stub 8.27Breedte voedingslijn 2.8

Tabel 2.2: Afmetingen antennetopologie met kruisvormig slot en voedingslijn op diagonaal.

Een foto van de gerealiseerde antenne is te zien op Figuur 2.3. Rechts is de onderkant van deantenne met de voedingslijn te zien, hier is duidelijk een plooiing in de voedingslijn merkbaaralsook een dikke laag soldeersel. Door het dunne voedingssubstraat dient de voedingslijnimmers heel dun te zijn om de gewenste impedantie te bekomen. De kracht die de SMA-connector en de meetkabel tijdens de metingen op de voedingslijn uitoefenden, zorgde enkelekeren voor een gescheurde voedingslijn.

15


Figuur 2.3: De gefabriceerde antenne.

2.3 Meetresultaten

Op Figuur 2.4 zijn de gemeten en gesimuleerde |S11|-karakteristieken te zien. Voor de volledige2.45 GHz ISM-band is de reflectiecoefficient kleiner dan -10 dB en is er dus antennewerking.De gesimuleerde bandbreedte bedraagt 225 MHz en de gemeten bandbreedte is 175 MHz. Hetverschil tussen beide is te verklaren door onnauwkeurige productie en afwijkingen van dewerkelijke substraatparameters tegenover de gebruikte waarden in de simulaties.

Figuur 2.4: Vergelijking tussen de opgemeten en gesimuleerde reflectiecoefficient van de antenne.

Om de axiale ratio (AR) te bepalen, worden in de anechoısche kamer de S-parameters opge-meten. Hieruit kunnen de relatieve waarden voor de velden Eθ en Eφ worden gehaald. Aande hand van deze waarden bepalen we

16


Elhp =1√2

(Eθ − jEφ), (2.1)

Erhp =1√2

(Eθ + jEφ). (2.2)

De axiale ratio wordt bepaald volgens

AR =|Elhp|+ |Erhp||Elhp| − |Erhp|

. (2.3)

Op Figuur 2.5 zijn de gesimuleerde en de gemeten AR-curves te zien. De gesimuleerde AR-bandbreedte bedraagt 45 MHz, maar bij de gefabriceerde antenne blijkt er geen sprake te zijnvan circulaire polarisatie. Bij het nader bekijken van de meetresultaten, blijken de amplitudesvan de orthogonale componenten Eθ en Ephi wel ongeveer even groot te zijn, maar er is eenfaseverschil van 120° in plaats van 90° aanwezig.

Figuur 2.5: De gesimuleerde en gemeten axiale ratio.

De efficientie van de antenne wordt gegeven door

ecd =G(θ, ϕ)D(θ, ϕ)

,

waarbij G(θ, ϕ) en D(θ, ϕ) respectievelijk de winst en directiviteit van de antenne zijn.

Voor de gesimuleerde antenne zonder verliezen vinden we

G(90°, 0) = D(90°, 0) = 7.858 dB.

Uit de meting van de anechoısche kamer halen we

G(90°, 0) = 5.176 dB.

17


Wanneer nu de directiviteit zonder verliezen wordt beschouwd, bekomen we zo een efficientievan

ecd =100.5176

100.7858= 53.9%.

Dit is echter een ruwe schatting voor de efficientie van de antenne. Via het opgemeten 3D-stralingspatroon kan de exacte efficientie bepaald worden. Deze bedraagt 45.8%.

Het stralingspatroon in het XZ en het YZ-vlak is te zien op Figuur 2.6. Dit stralingspatroonwerd opgemeten bij 2.49GHz, omdat een paar dagen na de fabricatie van de antenne bleek datde |S11|-karakteristiek naar rechts verschoven was. Waarschijnlijk is dit het gevolg van hetopdrogen van de industriele lijm. De invloed van de lijm werd aan de hand van meetresultatenvan enkele prototypes in rekening gebracht door in de simulaties de εr van het antennesub-straat te wijzigen van 1.45 naar 1.55. De metingen van de prototypes werden echter altijddirect na de fabricatie verricht. De invloed van de opgedroogde lijm is dus anders dan dievan de lijm direct na fabricatie.

De maximale gain bedraagt 5.251 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 68° in het XZ-vlak en 71°in het YZ-vlak. De attenuatie van de achterwaartse straling is −8.633 dBi, waardoor eenverschil tussen voorwaartse en achterwaartse straling van 13.809 dB verkregen wordt. Ditverschil wordt ook nog de front-to-back ratio (F/B ratio) genoemd.

Figuur 2.6: Stralingspatroon in het XZ-vlak (links) en het YZ-vlak (rechts).

2.4 Sensitiviteitsanalyse

Omdat de gemeten resultaten niet overeen komen met de gesimuleerde, is het nuttig eensensitiviteitsanalyse te verrichten om zo de parameters te bepalen die hiervan de oorzaak zijn.Hiervoor wordt er telkens een parameter aangepast in ons ontwerp in Momentum en de nieuwegesimuleerde AR-curve wordt dan vergeleken met de originele. Vooral de afwijkingen van deslotdimensies worden in beschouwing genomen aangezien het slot zorgt voor de koppeling

18


tussen voedingslijn en antennepatch. Daarenboven was een precieze fabricatie van dit slotnagenoeg onmogelijk omdat, zoals eerder vermeld, ze uit de koperfolie werd geknipt.

In deze sensitiviteitsanalyse wordt de AR telkens om de 5 MHz gesimuleerd en omwille vande beperkte fabricatienauwkeurigheid worden de meeste parameters in stappen van 0.5 mmgewijzigd.

2.4.1 Plaatsing van het slot

Op Figuur 2.7 zijn de axiale ratio’s te zien voor verschuivingen van het slot naar rechts ennaar boven. Voor een verplaatsing van het slot naar boven is er een kleine verschuiving vande AR-curve naar lagere frequenties, maar de vorm van de curve blijft behouden. Bij eenverplaatsing naar rechts, verschuiven de AR-curves naar hogere frequenties en hier is wel eenkleine degradatie van de AR merkbaar. Bij het vergelijken van Figuur 2.5 met Figuur 2.7merkt men dat een verschuiving van het slot bijgevolg zeker geen oorzaak is van het groteverschil tussen de gesimuleerde en gemeten AR.

Figuur 2.7: AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en naar rechts (onder).

19


Voor de volledigheid zijn op Figuur 2.8 de AR-curves te zien voor slotverschuivingen van 1mm in alle richtingen. We zien dat de vorm ongeveer behouden blijft en er weinig tot geendegradatie is in de AR-bandbreedte.

Figuur 2.8: Verschuiving van het slot in alle richtingen voor 1 mm.

2.4.2 Grootte van het slot

Op Figuur 2.9 zijn de AR-curves te zien voor een verlenging en een verkorting van het slot.Hierbij wordt de lengte van het slot zoals weergegeven op Figuur 2.1 symmetrisch aangepast.Een verlenging van 1 mm wil zeggen dat de lengte van elk been van het kruis met 0.5 mm istoegenomen.

We zien dat de centrale frequentie voor de circulaire polarisatie veel meer verschuift danwanneer het slot verplaatst wordt, maar de vorm van de AR-curves blijft ongewijzigd. Ditwil zeggen dat de oorspronkelijke AR-bandbreedte ongeveer behouden blijft. Er is dus nogaltijd circulaire polarisatie aanwezig, alleen bij andere frequenties. Aangezien de meting vooralaangeeft dat er geen circulaire polarisatie meer is, kunnen we hieruit besluiten dat ook eenwijziging in de lengte van het slot niet de cruciale factor bij fabricatie is.

20


Figuur 2.9: AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder).

Figuur 2.10 geeft de AR-curves voor verbredingen en versmallingen van het slot. Opnieuwbetekent een verbreding van 1 mm dat de breedte van het slot met 1 mm is toegenomen, meerbepaald 0.5 mm aan elke kant.

Ook hier verschuift enkel de centrale frequentie van de circulaire polarisatie. Bij het versmallenvan het slot is dit veel duidelijker te zien omdat de relatieve breedte van het slot daar veelsterker verandert. De breedte van het slot is bijgevolg ook niet de bepalende factor die ervoorzorgt dat de circulaire polarisatie niet meer aanwezig is.

21


Figuur 2.10: AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder).

2.4.3 Asymmetrisch slot

In de vorige analyses werden de parameters van het slot steeds uniform veranderd. Aangeziendit door de onnauwkeurige fabricatie van de antenne waarschijnlijk niet het geval is, wordthier het slot asymmetrisch aangepast. Op Figuur 2.11 zijn de AR-curves te zien voor eenhorizontale en een verticale aanpassing van het slot. Een horizontale verlenging van 1 mm wilzeggen dat enkel het horizontale been van het kruis 1 mm langer is geworden. De lengte vanhet verticale been blijft daarbij ongewijzigd. Hier zien we nu wel dat de curves naar boventoe beginnen te verplaatsen en dat soms de circulaire polarisatie volledig weg is. Dit zou dusde oorzaak kunnen zijn van het verschil tussen de gesimuleerde en gemeten AR-curve.

22


Figuur 2.11: AR voor een horizontale (boven) en een verticale aanpassing van het slot (onder).

2.4.4 Besluit

Uit de sensitiviteitsanalyse blijkt dat vooral een asymmetrische aanpassing van het slot aanlei-ding geeft tot verlies van circulaire polarisatie. Aangezien slechts een geometrische tolerantievan ± 1 mm op de antennedimensies toelaatbaar is, zijn we genoodzaakt een andere oplossingte zoeken. Dit resulteert enerzijds in een zoektocht naar structuren die robuuster zijn voorvariaties van het slot. Anderzijds kan er ook worden gezocht naar preciezere productiemetho-den.

23

Hoofdstuk 3

Robuustere structuren

Aangezien uit de sensitiviteitsanalyse blijkt dat een kleine asymmetrie in het slot al aanleidinggeeft tot het verdwijnen van de circulaire polarisatie, zijn we in de literatuur op zoek gegaannaar andere structuren. In dit deel stellen we een aantal structuren voor die we onderzochthebben aan de hand van simulaties in Momentum. Door middel van een sensitiviteitsanalyseop deze structuren kunnen we bepalen of ze al dan niet robuuster zijn dan de antenne be-sproken in Hoofdstuk 2. Om de resultaten te kunnen vergelijken met deze antenne wordentelkens dezelfde substraten gebruikt.

3.1 H-shaped slots

Een mogelijke verbetering aan het initiele ontwerp is het gebruik van zogenaamde H-shapedslots of dogbones. Zoals te zien op Figuur 3.1 geven deze slots aanleiding tot een meer uniformeveldverdeling over het slot en verbeteren ze zo de koppeling naar de antennepatch. Dezebetere koppeling kan intuıtief verklaard worden aan de hand van de equivalente magnetischestroom (of het transversaal elektrisch veld) over het slot. Voor een rechthoekig slot moet hettransversaal elektrisch veld verdwijnen aan de uiteinden. Omdat de slotlengte kleiner is daneen halve golflengte, moet het veld een verdeling hebben die lijkt op een halve sinus. Vooreen H-shaped slot moet dit transversaal elektrisch veld eveneens verdwijnen aan de uiteinden,maar de dogbones zorgen voor een meer uniforme verdeling over het volledige slot [11].

Figuur 3.1: De equivalente magnetische stroomverdeling over een rechthoekig slot (links) en eenH-shaped slot (rechts).

24

Hoofdstuk 3. Robuustere structuren

De parameters die meespelen bij het ontwerp van deze structuur zijn aangeduid op Figuur3.2. De geoptimaliseerde parameterwaarden worden samengevat in Tabel 3.1 en de |S11|-karakteristiek en de AR-curve van de ontworpen structuur zijn te zien op Figuur 3.3. De band-breedte waarin er antennewerking is, bedraagt 227 MHz en de AR-bandbreedte is 45 MHz.

De gesimuleerde efficientie van de antenne bedraagt 38.7% bij een frequentie van 2.45 GHz.De maximale gain is 4.005 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 80° in het XZ-vlak en 76° in hetYZ-vlak. Wanneer we dit vergelijken met de resultaten bekomen in Sectie 2.3, dan merkenwe op dat de antenne met dogbones minder directief is geworden. De attenuatie van deachterwaartse straling is -14.829 dBi, waardoor een F/B ratio van 18.834 dB verkregen wordt.

Figuur 3.2: Parameters van de antenne met H-shaped slots.

25


Parameter Afmeting [mm]Patch (lengte x breedte) 46.4 x 43.7Slot (lengte x breedte) 14.2 x 1.4

Dogbone (lengte x breedte) 5 x 1.4Stub 8.57

Breedte voedingslijn 2.8

Tabel 3.1: Parameterwaarden van de antenne met H-shaped slots.

Figuur 3.3: |S11|-karakteristiek (boven) en AR van de antenne met H-shaped slots (onder).


Figuur 3.4 geeft de invloed weer van het naar rechts en naar boven verschuiven van het slot.Men ziet dat deze structuur minder gevoelig is aan deze verschuivingen dan de antenne uit

26


Hoofdstuk 2. Dit komt door de uniforme verdeling van het transversaal elektrisch veld overhet slot. Opnieuw zijn ook hier verschuivingen naar links en naar onder gelijkaardig aanverschuivingen naar boven en naar rechts.

Figuur 3.4: AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en een verschuiving naarrechts (onder).


Op Figuur 3.5 wordt de invloed van het verlengen en het verkorten van het slot weergegeven.Er is ervoor gekozen om bij deze variaties van het slot de afmetingen van de dogbones gelijkte houden. Een verlenging van 1 mm betekent dat de totale lengte van het slot met 1 mm istoegenomen.

Voor beide veranderingen verschuift de AR-curve enkel in frequentie, maar de circulaire pola-risatie en AR-bandbreedte blijven behouden. In vergelijking met de antenne zonder dogbones

27


is deze verschuiving iets minder uitgesproken, maar er is geen significant verschil.


De invloed van een verbreding of versmalling van het slot op de axiale ratio is weergegeven opFiguur 3.6. Een verbreding van 1 mm betekent dat de totale breedte van het slot met 1 mmis toegenomen, 0.5 mm aan elke kant dus. Ook hier kan men vaststellen dat enkel de centralefrequentie wijzigt, maar niet de vorm van de curve. Een versmalling van het slot met 1 mmresulteert in een |S11| groter dan -10 dB, waardoor er dus geen sprake meer is van aanpassing.Bij de antenne zonder dogbones is er voor deze versmalling wel nog aanpassing, dit komt ookmede doordat het slot nu smaller is ten gevolge van de dogbones. De verschuivingen van decurves zijn hier meer uitgesproken en dus is deze structuur gevoeliger aan variaties van deslotbreedte.

28




Figuur 3.7 toont de invloed van een asymmetrisch slot op de axiale ratio van de antenne. Eenhorizontale verlenging van 1 mm betekent dat enkel het horizontale been van het kruis 1 mmlanger is geworden. De lengte van het verticale been blijft daarbij ongewijzigd. Er is eenverbetering merkbaar in vergelijking met de antenne zonder dogbones, de curves verschuivenimmers minder in frequentie en ook de circulaire polarisatie blijft beter behouden. Merkop dat voor een verschil in slotlengte van 2 mm, waarbij de verticale arm langer is dan dehorizontale, de circulaire polarisatie volledig verdwijnt.

29



3.1.4 Besluit

De H-shaped slots zorgen voor een betere doorkoppeling van de velden naar de antennepatch.Men kan zien dat de uniformere verdeling van de equivalente magnetische stroom over het slotten gevolge van de dogbones resulteert in een robuuster ontwerp. Enkel voor een variatie in deslotbreedte is deze topologie gevoeliger dan de oorspronkelijke antenne, omdat de slotbreedtehier kleiner is.

In vergelijking met de antenne zonder dogbones heeft deze topologie een lagere antenne-efficientie. De 3 dB-bundelbreedte is groter geworden wat deze antennestructuur minder di-rectief maakt.

30


3.2 Patch met inkepingen

Een volgende structuur is gelijkaardig aan de antenne uit Hoofdstuk 2, met dit verschil datde patch nu inkepingen bevat. De inkepingen beınvloeden de circulaire polarisatie en brengenook een schaalverkleining teweeg [13]. Op Figuur 3.8 is een schematische voorstelling vande antenne te zien. De parameterwaarden bekomen na optimalisatie zijn te vinden in Tabel3.2. De grootte van de patch is gereduceerd tot 41 mm en de patch is vierkant. Figuur 3.9toont bovenaan de |S11|-karakteristiek. Er is duidelijk goede antennewerking voor de volledige2.45 GHz ISM-band en de bandbreedte bedraagt 190 MHz.

Figuur 3.8: Schematische voorstelling van de antenne met inkepingen.

Onderaan op Figuur 3.9 wordt de gesimuleerde axiale ratio weergegeven. De AR-bandbreedtebedraagt 40 MHz en is iets minder dan de oorspronkelijke antenne. Hier is bijgevolg geenverbetering merkbaar.

De gesimuleerde efficientie van de antenne bedraagt 35.3% bij een frequentie van 2.45 GHz.De maximale gain is 3.376 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 66° in het XZ-vlak en 67° in hetYZ-vlak. De attenuatie van de achterwaartse straling is -15.483 dBi, waardoor de F/B ratio18.859 dB is.

31


Parameter Afmeting [mm]Patchlengte 41

Slot (lengte x breedte) 17.2 x 1.5Stub 10

Dikte voedingslijn 2.8Horizontale inkeping (lengte x breedte) 6.25 x 1.5

Verticale inkeping (lengte x breedte) 8.25 x 1.5

Tabel 3.2: Parameterwaarden van de geoptimaliseerde antenne met inkepingen.

Figuur 3.9: |S11|-karakteristiek (boven) en AR (onder) van de antenne met inkepingen.

32



Figuur 3.10 toont de invloed van het verplaatsen van het slot op de axiale ratio. In vergelijkingmet dezelfde veranderingen bij de oorspronkelijke antenne is er amper verschil merkbaar. Decurves schuiven op naar hogere frequenties voor een verplaatsing van het slot naar bovenen naar lagere frequenties voor een verplaatsing naar rechts, waarbij de AR-bandbreedte welbehouden blijft. In tegenstelling tot de oorspronkelijke antenne is er zowel voor de verplaatsingvan het slot naar boven als naar rechts een degradatie van de AR merkbaar.

Figuur 3.10: AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en naar rechts (onder).


Op Figuur 3.11 zijn de AR-curves te zien voor verlengingen en verkortingen van het slot.We zien dat de verschuivingen in frequentie groter zijn dan bij dezelfde aanpassingen aande oorspronkelijke antenne. Ook is er voor een verkorting van het slot een degradatie in AR

33


merkbaar. Bij een verlenging van het slot met 1 mm is er trouwens geen antennewerking meervanaf 2.46 GHz. De antenne met inkepingen is bijgevolg niet robuuster voor variaties aan delengte van het slot.


Figuur 3.12 geeft de AR-curves voor verbredingen en versmallingen van het slot. De verschui-vingen van de curves zijn meer uitgesproken dan bij de oorspronkelijke antenne. Dit komtmede doordat de slotbreedte nu slechts initieel 1.5 mm bedraagt in plaats van 2 mm en dus derelatieve verbredingen of versmallingen groter zijn. In tegenstelling tot bij de veranderingenvan de breedte van het slot bij de oorspronkelijke antenne is hier wel een degradatie van deAR te zien. Ook is er voor een versmalling van het slot met 1 mm pas antennewerking vanaf2.41 GHz.

34




Op Figuur 3.13 zijn de AR-curves weergegeven voor asymmetrische aanpassingen aan delengte van het slot. We merken direct op dat het verschil in lengte tussen de twee benen vanhet kruis maximaal 1 mm mag bedragen, omdat er bij een groter verschil geen aanpassingmeer is. Wanneer de invloed van de variaties vergeleken wordt met dezelfde variaties op deoorspronkelijke antenne, ziet men een veel snellere degradatie van de axiale ratio. De antennemet inkepingen is bijgevolg veel gevoeliger voor veranderingen van deze parameter.

35


Figuur 3.13: AR voor een horizontale aanpassing (boven) en een verticale aanpassing van het slot(onder).

3.2.4 Besluit

De antenne met inkepingen vormt geen verbetering tegenover de antenne uit Hoofdstuk 2.Zowel de antenne-efficientie als de maximale gain zijn lager dan bij de oorspronkelijke antenne.Het enige voordeel is dat de totale structuur compacter is geworden.

Wanneer de sensitiviteitsanalyses van de antenne met inkepingen en de oorspronkelijke an-tenne met elkaar worden vergeleken, kan men besluiten dat de antenne met inkepingen voorgeen enkele van de onderzochte variaties van de structuur robuuster is.

36


3.3 Kwart-golflengte voedingsstructuur

Daar de AR-bandbreedte van de tot nu toe onderzochte structuren eerder beperkt is, isonderzoek verricht naar antennestructuren waarvan de axiale ratio onder de 3 dB blijft in devolledige 2.45 GHz ISM-band. Hiervoor zal zonder twijfel moeten afgestapt worden van deeenvoudige voedingsstructuur die tot nu toe gebruikt is. Een eerste topologie die een bredereAR-bandbreedte heeft [12], is weergegeven op Figuur 3.14. Men ziet dat tegenover de vorigeontwerpen enkel de schuine voedingslijn is veranderd in een lange voedingslijn die onder allebenen van het kruisvormig slot loopt. De lengte van de voedingslijn tussen twee opeenvolgendebenen van het kruis is gelijk genomen aan een kwart-golflengte bij 2.45 GHz (ongeveer hetcentrum van de 2.4-2.485 GHz ISM-band). Zo is het faseverschil tussen de verschillendedoorgekoppelde signalen 90°, wat aanleiding geeft tot een betere AR-bandbreedte.

Figuur 3.14: Antennetopologie met een kwart-golflengte voedingsstructuur.

De parameters die meespelen in het ontwerp van een dergelijke antenne met kwart-golflengtevoedingsstructuur zijn aangeduid op Figuur 3.14. De resultaten bekomen na optimalisatiezijn samengevat in Tabel 3.3. De |S11|-karakteristiek en de AR-curve van de ontworpenstructuur worden weergegeven op Figuur 3.15. De bandbreedte waarin de antenne aangepastis, bedraagt 256 MHz en de AR-bandbreedte is 65 MHz, wat 20 MHz meer is dan de initieleantenne uit Hoofdstuk 2.

De gesimuleerde efficientie van de antenne bedraagt 39.6% bij een frequentie van 2.45 GHz.De maximale gain is 3.153 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 84° zowel voor het XY-vlak alshet YZ-vlak. De attenuatie van de achterwaartse straling is -8.608 dBi, waardoor een F/Bratio van 11.761 dB verkregen wordt. De kwart-golflengte antenne is dus minder directief dan

37


de initiele antenne.

Parameter Afmeting [mm]Patch (lengte x breedte) 40.5 x 40Slot (lengte x breedte) 26 x 1

Stub 12.5Kwartgolf 18.2

Breedte voedingslijn 2.8

Tabel 3.3: Parameterwaarden van de ontworpen antenne.

Figuur 3.15: |S11|-karakteristiek (boven) en AR van de ontworpen antenne (onder).

38



Op Figuur 3.16 is de invloed te zien van het verschuiven van het slot naar rechts en naarboven. Zoals te zien heeft het verschuiven van het slot naar boven geen effect op de vorm vande AR-curve. Er treedt enkel een verschuiving op naar de lagere frequenties. Bij het bekijkenvan de invloed van een verschuiving naar rechts ziet men wel degelijk een sterke degradatievan de axiale ratio. Dit betekent dat deze structuur gevoeliger is aan een verschuiving vanhet slot dan de initiele antenne. Uit de simulaties blijkt dat de structuur minder gevoelig isvoor verschuivingen van het slot naar links of naar onder.


39



Op Figuur 3.17 wordt de invloed van het verlengen, respectievelijk het verkorten, van deslotafmetingen weergegeven. Men ziet onmiddellijk dat de invloed van een variatie van dezeparameter veel grotere gevolgen heeft dan wanneer het slot verplaatst wordt. In vergelijkingmet de initiele antenne is er nu een veel grotere degradatie van de axiale ratio merkbaar. Alslaatste merken we op dat bij de simulatie van een verkorting van de slotlengte met 1 mm isvastgesteld dat de |S11|-karakteristiek van de antenne slechts vanaf 2.42 GHz onder de -10 dBlag. De variatie op deze parameter mag bijgevolg niet al te groot zijn wil men nog een correctwerkende antenne hebben.


Figuur 3.18 geeft het verloop van de axiale ratio weer voor een verbreding en een versmallingvan het slot. We zien dat de vervorming van de AR-curve bij een dikker slot meer uitge-

40


sproken is. De frequentieverschuiving van de curves is voor beide variaties ongeveer gelijk.Aangezien de breedte van het slot reeds bij het ontwerp 1 mm bedroeg, kan men vanzelf-sprekend de breedte niet met 1 mm laten varieren. Dergelijk dun slot vereist dus reeds eenveel nauwkeuriger productieproces dan de oorspronkelijke antenne. Tot slot wordt opgemerktdat een versmalling van het slot met 0.3 mm ervoor zorgt dat de |S11|-karakteristiek van deantenne slechts vanaf 2.42 GHz onder de -10 dB ligt.



Figuur 3.19 toont de invloed van een asymmetrisch slot voor deze structuur. Kijkt men eerstnaar de invloed van een horizontale aanpassing, dan ziet men dat de AR-curve wat verschuiftmaar dat er voornamelijk een sterke degradatie is in de axiale ratio. Ook hier is de degradatiegroter dan voor eenzelfde variatie bij de initiele antenne. De axiale ratio bij een 1 mm korter

41


slot is niet weergegeven omdat de |S11|-karakteristiek slechts in een heel klein stuk van de2.45 GHz ISM-band (van 2.46 GHz tot 2.485 GHz) onder de -10 dB ligt. Ook bij een 0.5 mmkorter slot kan men pas vanaf 2.41 GHz spreken van antennewerking. Bekijkt men de invloedvan de verticale aanpassing, dan ziet men dat de degradatie in axiale ratio minder sterk isdan bij de horizontale aanpassing maar dat wel een verschuiving van de AR-curve optreedt.Deze antennetopologie is bijgevolg ook voor een asymmetrisch slot gevoeliger dan de initieelvoorgestelde antennestructuur.


3.3.4 Besluit

Het grote voordeel van deze antenne is, zoals reeds aangehaald, dat de AR-bandbreedtetoeneemt in vergelijking met het eerste ontwerp. Deze toename in bandbreedte heeft echtereen grote prijs op het gebied van vereiste productienauwkeurigheid. De antenne blijkt immers

42


in alle gevallen gevoeliger aan variaties van de verschillende parameters dan het eerste ontwerp.Er dient dus een afweging gemaakt te worden tussen een bredere AR-bandbreedte en denauwkeurigheid van het productieproces.

De efficientie van deze antennestructuur is iets minder dan de oorspronkelijke antenne en ookhet verschil tussen de voorwaartse en achterwaartse straling is kleiner. De 3 dB-bundelbreedteis echter significant toegenomen, wat positief is voor in het dashboard geıntegreerde antennes,omdat zo het uitgestraalde vermogen beter verdeeld wordt over de binnenruimte van de wagen.

3.4 Hybride koppelaar

Tot slot wordt de mogelijkheid onderzocht om een kwadratuur hybride koppelaar te gebruikenals voedingsstructuur. Zoals te zien op Figuur 3.20 is dit een 4-poort structuur. Indienpoort 2 wordt afgesloten op de karakteristieke impedantie Z0, kan men poort 1 zien als eeningangspoort waarvan het vermogen wordt overgebracht naar uitgangspoorten 3 en 4. Hetkenmerkende aan deze structuur is dat poorten 3 en 4 signalen afleveren die 90° in faseverschillen. Het ingangsvermogen wordt hierbij gelijk verdeeld over de beide uitgangspoorten[14, 15]. Indien men er dus in slaagt om het ene signaal op de verticale zijde van een vierkantepatch te laten resoneren en het andere signaal op de horizontale zijde, verkrijgt men eencirculair gepolariseerde antenne. De volledige antennetopologie die hiervoor gebruikt wordt,is te zien op Figuur 3.21. Men ziet dat er gebruik gemaakt wordt van twee afzonderlijke,rechthoekige slots voor de doorkoppeling naar de antennepatch.

Figuur 3.20: Standaard afmetingen van een 90° hybride koppelaar uitgevoerd in microstriplijn.

43


Figuur 3.21: Structuur van de antenne met hybride koppelaar.

3.4.1 Ontwerp

Door het gebruik van een hybride koppelaar als voedingsstructuur wordt het ontwerp vande antenne in verschillende fases opgesplitst. In een eerste fase wordt de hybride koppelaarafzonderlijk ontworpen. Hierbij wordt vertrokken van de structuur weergegeven op Figuur3.20, waarbij Z0 gelijk aan 50 Ω wordt genomen en λ de golflengte is bij een frequentie van2.45 GHz. Om het faseverschil van 90° zo goed mogelijk te benaderen, wordt op deze structuureen optimalisatie doorgevoerd. Na deze optimalisatie zijn de horizontale en verticale benenvan de koppelaar niet meer even lang. De horizontale lengte bedraagt 28.4 mm, terwijl deverticale lengte 24.2 mm is. De breedte van de horizontale microstriplijnen is 4.6 mm en dievan de verticale is 2.8 mm.

Op Figuur 3.22 is het faseverschil tussen de twee uitgangspoorten van de koppelaar te zien.Bij een frequentie van 2.45 GHz is het faseverschil bijna exact 90°. Figuur 3.23 toont dereflectiecoefficient |S11| en de transmissiecoefficient |S13|. De |S11|-karakteristiek is niet meeroptimaal voor 2.45 GHz, omdat anders geen faseverschil van 90° aan de twee uitgangspoortenbij deze frequentie verkregen wordt. De |S13| bedraagt ongeveer -5 dB binnen de 2.45 GHzISM-band. In het ideale geval verwacht men hier een waarde van -3 dB, omdat de helft van hetingangsvermogen doorgegeven wordt aan de andere poort. Maar hier zijn reeds de verliezenvan het voedingssubstraat in rekening gebracht.

44


Figuur 3.22: Faseverschil tussen de twee uitgangspoorten in functie van de frequentie.

Figuur 3.23: |S11|- en |S13|-karakteristiek van de hybride koppelaar.

In een volgende fase wordt het overige deel van de totale structuur ontworpen. De verschil-lende parameters van deze structuur zijn weergegeven op Figuur 3.24. Door de symmetrie inde structuur is er keuze om de |S11|- of de |S22|-karakteristiek te optimaliseren. De parame-terwaarden die bekomen zijn na optimalisatie worden samengevat in Tabel 3.4.

De |S11|-karakteristiek op Figuur 3.25 toont aan dat er aanpassing is voor de volledige2.45 GHz ISM-band. Bij het bekijken van de AR-curve op Figuur 3.26 kan men besluitendat de antenne circulair gepolariseerd is, wanneer de beide voedingslijnen van Figuur 3.24met 90° faseverschil worden aangestuurd.

45


Figuur 3.24: Parameters van de te ontwerpen antenne.

Parameter Afmeting [mm]Antennepatch (lengte x breedte) 46.3 x 46.3

Slot (lengte x breedte) 20 x 3Stublengte 10.135

Dikte voedingslijn 2.8

Tabel 3.4: Parameterwaarden van de antenne met als voedingsstructuur een hybride koppelaar.

Figuur 3.25: |S11|-karakteristiek van de antenne zonder hybride koppelaar.

46


Figuur 3.26: AR van de antenne zonder hybride koppelaar.

In de laatste stap worden beide delen samengebracht om zo de finale antenne te vormen.Hierna is geen verdere aanpassing van de parameters uit Tabel 3.4 meer gebeurd, aangezienoptimalisatie naar axiale ratio leidt tot een degradatie van de antenne-efficientie en de gainin loodrechte richting. De |S11|-karakteristiek van de volledige topologie wordt weergegevenop Figuur 3.27. Er is nog steeds aanpassing binnen de 2.45 GHz ISM-band. Figuur 3.28toont de AR-curve van de volledige structuur. Merk op dat de axiale ratio nog verbeterd isin vergelijking met Figuur 3.26.

Figuur 3.27: |S11|-karakteristiek van de antenne met hybride koppelaar.

47


Figuur 3.28: AR van de antenne met hybride koppelaar.

De gesimuleerde efficientie van de antenne bedraagt 29.7% bij een frequentie van 2.45 GHz.De maximale gain is 2.923 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 76° in het XZ-vlak en 77° in hetYZ-vlak. In vergelijking met de antenne uit Hoofdstuk 2 is de antenne met hybride koppelaarminder directief. De attenuatie van de achterwaartse straling is -14.961 dBi, waardoor de F/Bratio 17.884 dB is.


Figuur 3.29 toont de AR-curves voor verplaatsingen van de slots naar boven en naar rechts.Bij een verplaatsing naar rechts worden de twee slots tegelijk naar rechts verschoven omdat zode invloed van misalignatie tussen de verschillende lagen kan worden gesimuleerd. Men zietvoor beide verplaatsingen een degradatie van de axiale ratio, maar zelfs bij een verplaatsingvan 2 mm is er nog altijd circulaire polarisatie in de volledige 2.45 GHz ISM-band.

48




Op Figuur 3.30 wordt de invloed van het verlengen en het verkorten van de slots weergegeven.Voor het verlengen van de slots merken we een degradatie van de axiale ratio op, hoewel ernog altijd circulaire polarisatie aanwezig blijft. Bij het verkorten van de slots verbetert deAR, maar zoals in Sectie 3.4.1 vermeld, leidt dit niet tot een verbetering van de antenne,aangezien de efficientie en de maximale gain hierbij dalen.

49



De invloed van een verbreding of versmalling van de slots op de axiale ratio is weergegeven opFiguur 3.31. Men ziet een degradatie van de AR voor een verbreding van de slots. Voor eenversmalling van de slots verbetert de axiale ratio. Hier moet opnieuw de opmerking gemaaktworden dat door een versmalling van de slots de antenne-efficientie en de maximale gain dalen.

50




Figuur 3.32 toont de invloed van asymmetrie tussen de slots. Hierbij wordt voor een ho-rizontale aanpassing enkel de lengte van het horizontale slot aangepast, terwijl het anderslot ongewijzigd blijft. In vergelijking met dezelfde aanpassingen bij alle andere onderzochtestructuren blijft hier de circulaire polarisatie wel behouden.

51



3.4.5 Besluit

De antenne met hybride koppelaar is de enige onderzochte structuur die circulair gepolariseerdis in de volledige 2.45 GHz ISM-band. Uit de sensitiviteitsanalyse blijkt deze structuur heelrobuust te zijn tegen mogelijke onnauwkeurigheden in het fabricatieproces. Een nadeel vandeze topologie is een lage antenne-efficientie en maximale gain.

Deze structuur is zonder twijfel de meest robuuste structuur van de onderzochte topologieen.Voor integratie in een dashboard is circulaire polarisatie echter niet noodzakelijk. Het heeftenkel als doel de polarisatiemismatch tussen zender en ontvanger deels te beperken. Voor dezetoepassing is het bijgevolg aan te raden om gebruik te maken van een eenvoudigere topologiemet een hogere gain en efficientie.

52

Hoofdstuk 4

De intra-vehicle antenne

Een tweede oplossing voor het verbeteren van de antenne is een nauwkeuriger productieproces.Uit de sensitiviteitsanalyse kan immers worden vastgesteld dat zelfs een kleine afwijking in desymmetrie van het slot aanleiding geeft tot een grote degradatie van de axiale ratio. Om degewenste fabricatienauwkeurigheid te behalen, hebben we contact opgenomen met het Centrefor Microsystems Technology (CMST). Deze vakgroep heeft immers de mogelijkheid om dekopervlakken van onze antenne, door het gebruik van etstechnieken, op een zeer nauwkeurigemanier te fabriceren.

We hebben ondertussen ook een beter antennesubstraat voorhanden, wat de antenne-efficientiezeker ten goede zal komen. Het beschikbare schuim heet Mousse BSPP en heeft een diktevan 5.1 mm. De εr bedraagt 1.12 en de tan δ is 0.01.

In dit hoofdstuk bespreken we eerst het ontwerp in Momentum en geven we de simulatiere-sultaten weer. Vervolgens doorlopen we het volledige productieproces van de antenne. Totslot bespreken we de meetresultaten en bootsen we de integratie in een dashboard na doorhet plaatsen van toplagen op de antenne.

4.1 Ontwerp

De structuur van de intra-vehicle antenne is dezelfde als die van de antenne besproken inHoofdstuk 2. Bij het onderzoek naar robuustere structuren kwam enkel het gebruik vande hybride koppelaar als een verbetering naar voor, maar er is toch gekozen deze niet tefabriceren. Een eerste reden is dat de maximale afmetingen van de antenne die gemakkelijkin CMST kunnen geproduceerd worden van de orde 10 cm x 10 cm moeten zijn en dat devolledige antenne met de koppelaar deze afmetingen overschrijdt. Een tweede argument isdat het de bedoeling is een eenvoudig fabriceerbare antenne te maken, die gemakkelijk in tepassen is in een dashboard.

53

Hoofdstuk 4. De intra-vehicle antenne

In Tabel 4.1 worden de afmetingen van de ontworpen antenne samengevat, waarbij de ver-schillende parameters zijn aangeduid op Figuur 2.1. De |S11|-karakteristiek van de geopti-maliseerde antenne is weergegeven op Figuur 4.1. Er is duidelijk antennewerking te zien inde volledige 2.45 GHz ISM-band en de bandbreedte bedraagt 385 MHz. Figuur 4.2 toont degesimuleerde axiale ratio. De AR-bandbreedte bedraagt 70 MHz, wat betekent dat men inbijna de volledige ISM-band kan spreken over circulaire polarisatie. We merken een groteverbetering ten opzichte van de antenne besproken in Hoofdstuk 2. Dit is te wijten aan hetbetere antennesubstraat.

Parameter Afmeting [mm]Patch (lengte x breedte) 50.1 x 45.2Slot (lengte x breedte) 21.8 x 2.2

Lengte stub 6.17Breedte voedingslijn 2.8

Tabel 4.1: Afmetingen van de intra-vehicle antenne.

Figuur 4.1: De |S11|-karakteristiek van de intra-vehicle antenne.

54


Figuur 4.2: De gesimuleerde AR van de intra-vehicle antenne.

4.2 Productie van de antenne

4.2.1 Productie van de kopervlakken

Aanmaken van de maskers

Voor het produceren van de maskers voor de verschillende kopervlakken van de intra-vehicleantenne moet het ontwerp uit Momentum omgezet worden in Gerber files. Met behulp vandeze bestanden worden de verschillende maskers vervolgens met een hoge resolutie op eenplastic folie afgeprint.

De lagen die in Momentum gebruikt worden voor het definieren van de antennepatch ende voedingslijn dienen nauwelijks veranderd te worden. Men dient enkel de positie van dealignatiepinnen die zich op het alignatiebord bevinden aan te duiden door middel van hetdefinieren van vier via’s. De laag die in Momentum gedefinieerd werd als grondvlak moetechter geınverteerd worden. Voor het etsproces wordt immers gebruik gemaakt van een po-sitieve fotoresist. Dit wil zeggen dat de belichte delen van de fotolak zullen oplossen in deontwikkelaar. Eenmaal deze laag geınverteerd is en de alignatievia’s zijn aangebracht, kunnende lagen uitgevoerd worden als Gerber bestanden en opgestuurd worden naar de maskshop.Het alignatiebord en de maskers voor de verschillende lagen zijn te zien op Figuur 4.3.

Fabricatie van de verschillende lagen

Voor de fabricatie van de verschillende kopervlakken wordt gebruik gemaakt van een enkel-voudige flex die bestaat uit polyimide (25 µm) met daarop een laag van 9 µm koper gecoat.De werkwijze voor de drie verschillende kopervlakken is identiek. In een eerste stap wordt

55


Figuur 4.3: Alignatiebord met vier alignatiepinnen (linksboven), masker voedingslijn met positiesalignatiepinnen (rechtsboven), masker grondvlak (linksonder) en masker antennepatch(rechtsonder).

de flex bevestigd op een keramische carrier van 10 cm x 10 cm. Dit gebeurt met behulp vaneen dubbelzijdige adhesive. Deze adhesive heeft een sterkere en minder sterk klevende zij-de. De meest klevende kant wordt naar de drager gericht. Dit om op het einde van hetproductieproces de flex gemakkelijk te kunnen losmaken van de drager.

De eigenlijke processing begint met een micro-etch. Hierbij wordt 1 µm van het koper weg-geetst om het kopervlak op te ruwen. Zo wordt de hechting van de fotolak verbeterd. In devolgende stap wordt een 8 µm dikke, positieve fotolak gesponnen met behulp van de spinnerdie te zien is op Figuur 4.4. Dit gebeurt aan een snelheid van 2500 toeren per minuut. Ver-volgens wordt het geheel samen met het geprinte masker in de aligner geplaatst en wordt defotolak doorheen het masker met UV belicht. De aligner en de belichter zijn rechts op Figuur4.4 weergegeven. Na belichting kan de fotolak ontwikkeld worden. Dit gebeurt in een basischbad waarbij, zoals eerder vermeld, de belichte fotolak zal oplossen en de niet belichte fotolak

56


overblijft. De laatste stap is de litho. Hier wordt de fotolak uitgebakken om de hechting aanhet koper te verbeteren.

Figuur 4.4: Spinner (links), belichter en aligner (rechts).

Nu de fotolak ontwikkeld en uitgehard is, kan men overgaan tot het wegetsen van het bloot-liggende koper om zo de gewenste patronen te verkrijgen. Voor deze processtap wordt gebruikgemaakt van spray etching. Bij dit proces wordt de flex met fotolak op een transportbandgeplaatst en wordt het etsen verwezenlijkt door het etsmiddel doorheen verschillende nozzelsop het geheel te verstuiven. Door de snelheid van de transportband in te stellen en de tem-peratuur te regelen, kan de gewenste etssnelheid bekomen worden. Op Figuur 4.5 is een fotote zien van een spray-etcher.

Een volgende stap in het proces is het aanbrengen van de alignatiegaten door middel van eenlaser. Omwille van de grote afmetingen van de alignatiegaten wordt gebruik gemaakt van eenYAG-laser. De gaten hebben een diameter van 900 µm, dit is de grootste doorsnede die delaser aankan.

Eenmaal de gewenste structuren zijn geetst en de alignatiegaten zijn aangebracht, kan defotolak verwijderd worden. Hiervoor wordt het geheel ondergedompeld in een bad met aceton.In de laatste stap wordt de carrier met flex gedurende 5 minuten in een oven op 150 °Cgeplaatst. Op die manier komt de flex gemakkelijk los van de keramische drager. Op Figuur4.6 worden de drie afgewerkte flexen getoond.

57


Figuur 4.5: Spray-etcher.

Figuur 4.6: Foto van de voedingsbaan (linksboven), het grondvlak (rechtsboven) en de antennepatch(onder).

58


4.3 Assemblage van de volledige antenne

Nu de afzonderlijke delen van de antenne afgewerkt zijn, kan men beginnen met de finaleassemblage. In eerste instantie worden voedingslijn en grondvlak op het voedingssubstraatgekleefd. Daarna wordt de patch op het antennesubstraat bevestigd en tot slot worden beidedelen aaneengekleefd. Het bevestigen van een flex op een substraat is voor alle flexen gelijk-aardig. Daarom wordt enkel deze stap voor het bevestigen van het voedingssubstraat grondiguitgelegd. De werkwijze voor de andere twee flexen verloopt analoog.

De verschillende stappen voor het bevestigen van de voedingslijn worden weergegeven opFiguur 4.7. In eerste instantie wordt het voedingssubstraat op het alignatiebordje bevestigd.Vervolgens wordt de Platilon H lijm over het substraat gelegd. Zoals te zien op Figuur 4.7is de beschermfolie van de lijm reeds verwijderd. Zo kan men de flex met de voedingslijner onmiddellijk bovenop leggen en de lijmfolie doorheen deze flex thermisch activeren. Dethermische activatie gebeurt door het opwarmen van het geheel met behulp van een strijkijzer.Aangezien de alignatiepinnen verhinderen dat we gemakkelijk de volledige oppervlakte kunnenverlijmen, wordt, nadat een deel van de flex vastgelijmd is, de module van het alignatiebordjegehaald en kan vervolgens de volledige flex vastgelijmd worden.

Vervolgens wordt het voedingssubstraat omgekeerd op het bordje geplaatst om zo het grond-vlak te bevestigen op de achterzijde van het voedingssubstraat. Het resultaat na het verlijmenwordt weergegeven op Figuur 4.8. Nu zowel grondvlak als voedingslijn vastgeplakt zijn aanhet antennesubstraat wordt de connector bevestigd. Dit is te zien op Figuur 4.8. Omdat eenvan de alignatiegaatjes door de voedingslijn loopt, is ervoor gekozen op die plaats de moduleschuin af te snijden en daar de connector te plaatsen. Dit gaatje dicht solderen is ook eenmogelijkheid maar dit zou aanleiding kunnen geven tot ongewilde reflecties. In een voorlaat-ste stap wordt het alignatiebordje gebruikt om de antennepatch op het antennesubstraat tebevestigen. Het resultaat hiervan is te zien op Figuur 4.8. Hierbij merken we op dat we naastde Platilon H ook gebruik hadden kunnen maken van de textiellijm. Deze zorgt immers ookvoor een goede hechting tussen de flex en het antennesubstraat.

Eenmaal de patch bevestigd is op het antennesubstraat kan men overgaan tot het aan elkaarkleven van de twee afzonderlijke gehelen. Dit samenkleven gebeurt eveneens met de PlatilonH lijm. Eerst wordt het voedingssubstraat met grondvlak en voedingslijn op het bordje ge-plaatst. Zoals te zien op Figuur 4.9 is een van de alignatiepinnen verwijderd uit het bordje omplaats te maken voor de connector. Vervolgens brengen we de lijmlaag aan. In tegenstellingtot de vorige stappen is het nu echter niet meer mogelijk om reeds bij voorbaat de bescher-mende folie van de lijmlaag te verwijderen. Het is immers onmogelijk om de lijm doorheenhet antennesubstraat thermisch te activeren. We moeten dus eerst de lijm thermisch acti-veren, dan snel de beschermende folie verwijderen en tot slot het antennesubstraat over het

59


Figuur 4.7: Voedingssubstraat met Platilon H lijm (linksboven), flex met voedingsbaan over het ge-heel bevestigen (rechtsboven), thermisch activeren met behulp van een strijkijzer (links-onder) en afgewerkt geheel (rechtsonder).

alignatiebordje schuiven en tegen het voedingssubstraat drukken. Daar dit toch enige tijdduurt, is het zo dat sommige delen van de lijmlaag reeds terug beginnen opdrogen waardoorde hechting van de twee lagen niet optimaal is. Daarom wordt voor alle zekerheid de antenneaan de randen nog eens goed met kleefband afgeplakt. Dit wordt getoond op Figuur 4.9.

60


Figuur 4.8: Afgewerkt grondvlak (linksboven), plaatsing van de connector (rechtsboven) en afge-werkt geheel (onder).

Figuur 4.9: Verlijmen van antenne en voedingssubstraat (links) en vooraanzicht afgewerkte antenne,die is verstevigd met kleefband (rechts).

61


Een laatste opmerking die we willen maken is het positief effect dat het gebruik van flexenheeft op de stevigheid van onze voedingslijn. Zoals uit Figuur 2.3 blijkt, is het koperbaantjeheel gevoelig aan krachten uitgeoefend door de meetkabels in de anechoısche kamer. Doordatwe nu een volledige laag polyimide gebruiken om ons koperbaantje op te leggen, wordt hetgeheel veel steviger.

4.4 Meetresultaten

4.4.1 Antenne zonder toplagen

Nadat de antenne volledig gefabriceerd is, wordt eerst de |S11|-karakteristiek opgemeten.Figuur 4.10 toont de gemeten en de gesimuleerde |S11|. De gemaakte antenne toont goedeantennewerking in de volledige 2.45 GHz ISM-band en de bandbreedte bedraagt 435 MHz.Het verschil tussen de gemeten en gesimuleerde bandbreedte is te wijten aan afwijkingen vande werkelijke substraatparameters tegenover de gebruikte waarden in de simulaties.

Figuur 4.10: De gemeten en gesimuleerde |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne.

Op Figuur 4.11 zijn de gemeten en gesimuleerde axiale ratio’s te zien. In tegenstelling tot deantenne uit Hoofdstuk 2 is de intra-vehicle antenne nu wel voor bepaalde frequenties circulairgepolariseerd. De bandbreedte waarin de antenne circulair gepolariseerd is, bedraagt 85 MHzen de centrale frequentie is 2.41 GHz.

Figuur 4.12 geeft het opgemeten stralingspatroon in het XZ en het YZ-vlak weer. We vindeneen maximale gain van 6.714 dBi en een bundelbreedte van 62° zowel in het XZ als het YZ-vlak. De attenuatie van de achterwaartse straling is -6.843 dBi, wat resulteert in een F/B ratiovan 13.584 dB. De gesimuleerde antenne-efficientie bedraagt 69.5% en de gemeten efficientieis 64.3%. Deze komen goed overeen en zijn beduidend groter dan die van de antenne uit

62


Figuur 4.11: Gemeten en gesimuleerde AR van de intra-vehicle antenne in de 2.45 GHz ISM-band.

Hoofdstuk 2 (deze was 45.8%). Dit is voornamelijk te wijten aan de lagere verliestangens ende lagere εr van het antennesubstraat.


4.4.2 Antenne met toplagen

Aangezien de intra-vehicle antenne in het dashboard geplaatst zal worden, is het nuttig omde effecten van het dashboard op de antenne te meten. Zoals reeds besproken in Sectie 1.3.1zijn er twee mogelijke plaatsen waar de antenne kan worden geıntegreerd, namelijk:

• tussen het dragermateriaal en de backfoam,

• tussen de backfoam en de toplaag.

Wanneer de antenne tussen het dragermateriaal en de backfoam wordt geplaatst, bevindt erzich zowel een backfoam als een toplaag bovenop de antenne. In het geval van integratie

63


tussen de backfoam en de toplaag is er enkel een toplaag aanwezig boven de antenne. Dezeconfiguraties worden getoond op Figuur 4.13.

Figuur 4.13: Foto van de module met enkel toplaag (links) en toplaag plus de dikke backfoam(rechts).

Aangezien de backfoam een licht schuim met veel lucht is, vermoeden we al bij voorbaat datintegratie tussen het dragermateriaal en de backfoam tot betere resultaten zal leiden. Dedensere toplaag bevindt zich dan iets verder van de antenne en heeft zo minder invloed ophet stralingspatroon van de antenne dan wanneer ze er direct tegen zou liggen.

Integratie tussen de backfoam en de toplaag

Om de effecten van de plaatsing van de antenne tussen de backfoam en de toplaag na tebootsen, wordt de Colosense plus aromaat toplaag bovenop de antenne geplaatst. Figuur4.14 toont de invloed van deze toplaag op de |S11|-karakteristiek van de intra-vehicle antenne.De bandbreedte bedraagt 480 MHz.

Figuur 4.14: De |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne met toplaag.

64


Op Figuur 4.15 is de axiale ratio te zien voor de antenne met enkel een toplaag er op. Eris duidelijk een verschuiving van de AR-curve naar lagere frequenties merkbaar en binnen de2.45 GHz ISM-band is er geen sprake meer van circulaire polarisatie. De bandbreedte waarinde antenne circulair gepolariseerd is, bedraagt nu slechts 60 MHz in plaats van 85 MHz.

Figuur 4.15: Gemeten axiale ratio voor de intra-vehicle antenne met toplaag.

Integratie tussen het dragermateriaal en de backfoam

Wanneer de antenne tussen het dragermateriaal en de backfoam wordt geıntegreerd, bevindter zich boven de antenne eerst een backfoam en daarna pas de toplaag. Wij hebben deantenne uitgemeten voor twee bepaalde diktes van backfoam, namelijk 9.12 en 4.37 mm.Figuur 4.16 geeft de invloed van een toplaag en backfoam op de |S11|-karakteristiek van deantenne weer. De bandbreedte voor de dunne backfoam bedraagt 505 MHz en voor de dikkebackfoam 425 MHz.

65


Figuur 4.16: De |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne met backfoam en toplaag.

Op Figuur 4.17 zijn de axiale ratio’s te zien voor de antenne met telkens een backfoam en detoplaag erop. Er is te zien dat de AR-curve voor de dikkere backfoam de beste resultaten geeft.Dit komt omdat vooral de toplaag zorgt voor het verschuiven van de AR-curve. Wanneer dedikkere backfoam tussen de antenne en de toplaag wordt geplaatst, is de toplaag dus het verstvan de antenne verwijderd en heeft die dus het minst invloed.

De bandbreedte waarvoor de antenne nu nog circulair gepolariseerd is, is voor de dunnebackfoam 70 MHz en voor de dikke backfoam 95 MHz. We zien dat hier de antenne nu welnog voor een deel van de ISM-band circulair gepolariseerd is.

Figuur 4.17: Gemeten axiale ratio voor de intra-vehicle antenne met backfoam en toplaag.

Het integreren van de antenne tussen het dragermateriaal en dikke backfoam lijkt ons dus de

66


beste oplossing. Op Figuur 4.18 is het stralingspatroon van deze volledige module weergegevenin het XZ en het YZ-vlak. De antenne-efficientie is 63.7% en de gain in de loodrechte richtingbedraagt 6.437 dBi. Opnieuw is de bundelbreedte in het XZ en YZ-vlak dezelfde, deze is 68°.De attenuatie in de achterwaartse richting is -6.639 dBi, wat een resulteert in een F/B ratiovan 13.076 dB.


67

Hoofdstuk 5

GPS-antenne

Een ander luik in deze thesis bestaat uit het nagaan of het al dan niet mogelijk is een GPS-antenne te integreren in een dashboard. We beginnen dit hoofdstuk met een korte inleidingomtrent het Global Positioning System (GPS). Hierbij worden specifiek de verschillende ver-eisten bekeken waaraan de te ontwerpen antenne zal moeten voldoen. De informatie voordeze paragraaf werd uit verschillende referenties verzameld [16, 17, 18, 19, 20]. Vervolgensworden de kenmerken van de gebruikte antennetopologie overlopen. Tot slot worden de si-mulatieresultaten besproken, gevolgd door enkele randopmerkingen.

5.1 Global Positioning System (GPS)

Het Global Positioning System is een Global Navigation Satellite System (GNSS) ontwikkeldin de jaren ’70 onder impuls van het Amerikaanse Departement of Defense (DoD). Het iseen satellietsysteem bestaande uit 31 satellieten op een hoogte van ongeveer 20 200 km datgebruikt wordt voor driedimensionale positiebepaling. Oorspronkelijk was het GPS-systeemenkel bedoeld voor militaire doeleinden. In het midden van de jaren ’90 echter realiseerdemen zich dat deze technologie ook een nuttige toepassing kon vormen voor de gewone burger.

De GPS-radiogolven zijn rechtshandig circulair gepolariseerd (RHCP). Deze circulaire pola-risatie zorgt ervoor dat de alignatie van de zend- en ontvangstantenne niet kritisch is. Hetnavigatiesysteem wordt immers meestal gebruikt in een dynamische omgeving waar de on-derlinge positie van zend- en ontvangstantenne continu wijzigt. Om dus steeds een signaalte ontvangen met een zo groot mogelijk vermogen is het aangewezen dat de ontvangstanten-ne circulair gepolariseerd is, zoals besproken in Sectie 1.4.2. Verder worden op deze manierook enkelvoudige reflecties door regen geelimineerd. Wanneer de circulair gepolariseerde golfeenmaal reflecteert op een regendruppel, wijzigt de zin van de polarisatie van rechtshandignaar linkshandig en deze wordt niet meer gedetecteerd door de rechtshandig gepolariseerdeantenne.

68

Hoofdstuk 5. GPS-antenne

Het volledige GPS-systeem is werkzaam in vijf verschillende frequentiebanden. Voor burgerlij-ke toepassingen wordt gebruik gemaakt van slechts twee van deze frequentiebanden, namelijkde L1-band (1575.42 MHz) en de L2-band (1227.60 MHz).

Samengevat kan men stellen dat de te ontwerpen antenne aan volgende specificaties zal moetenvoldoen:

• werking in de L1-band (1575.42 MHz),

• werking in de L2-band (1227.60 MHz),

• rechtshandig circulaire polarisatie in de twee banden.

5.2 Dual band stacked patchantenne

Voor het ontwerp van de GPS-antenne is gekozen om gebruik te maken van de dual band stack-ed patch structuur. De opbouw van deze structuur is te zien op Figuur 5.1 en Figuur 5.2. Menziet dat de topologie grotendeels overeenkomt met die van een gewone apertuurgekoppeldepatchantenne, met dit verschil dat nu gebruik gemaakt wordt van twee antennepatches. Hetontwerp van dergelijk type antenne is een stuk complexer dan het ontwerp van een gewoneapertuurgekoppelde antenne. Dit komt onder andere doordat de twee patches niet onafhan-kelijk van elkaar zullen resoneren. In wat volgt worden de belangrijkste ontwerpparametersen de invloed die ze hebben op het antenneontwerp overlopen [17].

Figuur 5.1: Dwarsdoorsnede van de dual band stacked patchantenne.

69


Figuur 5.2: Bovenaanzicht van de dual band stacked patchantenne.

5.2.1 Antennesubstraat

Onderste substraat

Zoals uit de bespreking van de belangrijkste parameters van een apertuurgekoppelde patchan-tenne in Sectie 1.2.2 blijkt, is voor een antennesubstraat in het algemeen een lage dielektrischeconstante gewenst. Voor de dikte van het substraat dient er een afweging gemaakt te worden.Een dikker substraat geeft aanleiding tot een bredere bandbreedte maar zorgt eveneens vooreen minder goede koppeling. Hierdoor moet de apertuur vergroot worden wat een toenamein achterwaartse straling met zich meebrengt.

Bovenste substraat

Voor de keuze van dit substraat moet gelet worden op het feit dat zowel de dikte als dedielektrische constante bepalend zijn voor zowel de resonantiebandbreedte van de bovenstepatch als voor de koppeling tussen de twee patches.

70


5.2.2 Antennepatch

Hier zit de grote moeilijkheid bij het ontwerp van een dual band stacked patchantenne. Ophet eerste zicht zou men kunnen denken dat beide patches onafhankelijk van elkaar resoneren.Door de sterke koppeling tussen de patches is dit echter niet het geval en dienen de afmetingenvan de patches simultaan geoptimaliseerd te worden.

Onderste patch

Net zoals het ontwerp van de antenne met hybride koppelaar in Sectie 3.4, wordt ook hiergekozen om via de voeding signalen door te koppelen die 90° in fase verschillen. Bijgevolgdient de patch vierkant te zijn.

Bovenste patch

Deze patch moet voor circulaire polarisatie eveneens een vierkant zijn. Omdat de patch enkelgeexciteerd wordt door koppeling met de onderliggende patch, wordt zijn koppelingsniveausterk afhankelijk van de spatiering tussen de twee resonantiefrequenties. De koppeling is ookafhankelijk van het feit of de onderste patch al dan niet groter is dan de bovenste.

5.2.3 Apertuur

Net als bij de apertuurgekoppelde patchantenne speelt de breedte van de apertuur een veelminder belangrijke rol bij de koppeling dan de lengte van de apertuur. Een langere apertuurzal in het algemeen een betere koppeling geven, maar geeft ook aanleiding tot ongewensteachterwaartse straling. Hierbij komt ook nog dat de apertuur een verschuiving in de resonan-tiefrequentie van de onderste patch teweeg brengt.

5.3 Lineair gepolariseerde antenne

Vooraleer het ontwerp van de beoogde circulair gepolariseerde dual band stacked patchantenneaan te vatten, wordt begonnen met het ontwerp van een eenvoudige lineair gepolariseerdeantenne. Zo komen we al eens in aanraking met de moeilijkheden die het ontwerp van dittype antenne met zich meebrengt en krijgen we reeds een eerste inzicht in de waarden van deverschillende parameters.

5.3.1 Ontwerp

Als voedingsstructuur wordt, net als bij de enkelvoudige apertuurgekoppelde antenne, gebruikgemaakt van een rechte voedingslijn met stub voor de aanpassing en een rechthoekig slotgecentreerd ten opzichte van beide patches. De breedte van de voedingslijn werd met behulp

71


van de LineCalc tool in ADS op 50 Ω gedimensioneerd. De stublengte werd ongeveer eenkwart-golflengte genomen bij een frequentie van 1400 MHz. Deze frequentie ligt in het middentussen de L1- en de L2-band. Voor het bepalen van de beginafmetingen van de patches werdervoor gekozen om de afmetingen dicht bij een halve golflengte van de gewenste frequentieste nemen. We merken op dat de grootste patch als bovenste patch gekozen is.

Tabel 5.1 toont de geoptimaliseerde parameters voor de lineair gepolariseerde dual bandstacked patchantenne. Zoals verwacht komen de uiteindelijke afmetingen van de patches doorhun mutuele koppeling niet overeen met de afmetingen van een halve golflengte. Wat ookonmiddellijk opvalt, is de grootte van het slot. Dergelijk groot slot zal ongetwijfeld voor veelbackradiation zorgen, maar aangezien het hier eerder om een kennismaking met een nieuweantennestructuur gaat, wordt hier geen verdere aandacht aan besteed. Voor het ontwerp vande circulair gepolariseerde dual band antenne moeten we hier echter wel rekening mee houden.

Parameter Afmeting [mm]Antennepatch1 78.8Antennepatch2 93.4

Slot (lengte x breedte) 53.8 x 42.6Stublengte 29.5


Tabel 5.1: Finale parameterwaarden voor de lineair gepolariseerde GPS-antenne.

De gebruikte substraten en hun eigenschappen zijn te vinden in Tabel 5.2. Het Mousse BSPPwordt gebruikt als antennesubstraat en het NC224 materiaal doet dienst als het voedingssub-straat.

Types tan δ εr

Mousse BSPP 0.01 1.12NC224 0.065 2.53

Tabel 5.2: Gebruikte materialen voor het ontwerp van de dual band stacked patchantenne.

Aangezien ten tijde van dit ontwerp de Platilon H lijm nog niet ter beschikking was, is voor hetverlijmen gebruik gemaakt van de textiellijm en de lijm geleverd door Recticel. De textiellijmwordt gebruikt voor het bevestigen van de antennepatches op het antennesubstraat en voor hetaan elkaar kleven van de twee antennesubstraten. Daar deze textiellijm geen goede hechtingvertoont met het voedingssubstraat, wordt de industriele lijm gebruikt om het grondvlakmet de voedingslijn te bevestigen. Voor de bevestiging van grondvlak en antennesubstraat iseveneens de textiellijm gebruikt.

72


Een afbeelding van de gefabriceerde antenne is te zien op Figuur 5.3.

Figuur 5.3: De gefabriceerde antenne.

5.3.2 Meetresultaten

Op Figuur 5.4 worden de gesimuleerde en de gemeten |S11|-karakteristiek weergegeven en zijnde L1- en de L2-band aangeduid. Zoals te zien is de antenne in beide banden aangepast en iser een zeer goede overeenkomst tussen meting en simulatie.

Figuur 5.4: Vergelijking gemeten en gesimuleerde |S11|-karakteristiek.

73


5.4 Circulair gepolariseerde antenne

Nu we een beter zicht hebben op de invloed van de verschillende parameters bij het ontwerpvan een dual band stacked patchantenne, wordt overgegaan tot het ontwerp van een circulairgepolariseerde antenne. In een eerste fase kiezen we een geschikte voedingsstructuur en in eentweede fase onderzoeken we de invloed van het al dan niet bovenaan plaatsen van de grootstepatch.

De gebruikte substraten voor de circulair gepolariseerde antenne zijn dezelfde als die voor delineair gepolariseerde antenne. Deze zijn te vinden in Tabel 5.2.

5.4.1 Voedingsstructuur

Door de strenge eis van rechtshandig circulaire polarisatie lijkt de eenvoudige voedingstech-niek die gebruikt werd in Hoofdstuk 4 niet meer toereikend. De behaalde AR-bandbreedtebedroeg voor die bepaalde voedingsstructuur slechts 85 MHz, terwijl de twee L-banden onge-veer 350 MHz uit elkaar liggen. In de literatuur zijn er wel ontwerpen te vinden die gebruikmaken van een kruisvormig slot, maar zoals te zien op Figuur 5.5 is hier een uitermatecomplexe voedingsstructuur voor nodig [17]. Zo wordt gebruik gemaakt van drie Wilkinsondividers. Een Wilkinson divider is een 3-poort die het vermogen van de ingangspoort evenre-dig splitst naar de twee uitgangspoorten. De uitgangspoorten van de vermogensplitser gevensignalen af die in fase zijn met elkaar [21]. Zoals te zien op de figuur voedt men de verschil-lende armen van het kruis telkens met een signaal dat 90° in fase verschoven is ten opzichtevan een naburige arm. Op deze manier wordt het slot voorzien van signalen die heel stabielzijn in amplitude en fase. Het faseverschil van de verschillende signalen wordt bekomen doorde lengte van de voedingslijnen telkens een kwart-golflengte te laten verschillen. Aangeziener antennewerking is in twee banden, wordt de kwart-golflengte bij 1400 MHz (het middentussen L1- en L2-band) gebruikt.

74


Figuur 5.5: Voedingsnetwerk bij het gebruiken van een kruisvormig slot.

Voor ons ontwerp wordt ervoor gekozen om gebruik te maken van een minder ingewikkeldevoedingsstructuur, namelijk een hybride koppelaar waarvan de uitgangssignalen door middelvan twee rechthoekige slots doorkoppelen naar de antennepatches. Deze structuur is dezelfdeals diegene op Figuur 3.21. De hybride koppelaar, zoals op Figuur 3.20 weergegeven, heeftnu een horizontale lengte van 37.4 mm en een verticale lengte van 38.9 mm. De breedte vande horizontale benen bedraagt 4.6 mm en die van de verticale is 2.8 mm.

Figuur 5.6 toont het faseverschil tussen de twee uitgangspoorten van de hybride koppelaar.Er wordt gestreefd om het faseverschil bij zowel de L1- als L2-band zo dicht mogelijk bij 90°te houden. De |S11|- en |S13|-karakteristiek worden weergegeven op Figuur 5.7. We merkenhierbij op dat de verliezen bij de centrale frequentie groter zijn dan 3 dB, omdat de verliezenvan het substraat reeds in rekening zijn gebracht.

75


Figuur 5.6: Faseverschil van de twee uitgangssignalen van de hybride koppelaar.

Figuur 5.7: |S11|- en |S13|-karakteristiek van de hybride koppelaar.

5.4.2 Invloed onderlinge positie antennepatches

Aangezien met twee antennepatches wordt gewerkt, kan men zich de vraag stellen wat deinvloed is op de antennewerking van het bovenaan of onderaan plaatsen van de grootstepatch. In [17] is ervoor gekozen om de grootste patch onderaan te plaatsen. Dit zou eencapacitieve verschuiving teweeg brengen die de toegevoegde inductantie van de bovenste patchten opzichte van de onderste patch compenseert. Omdat in dit artikel aangehaald wordt datdeze werkwijze meer uitzondering dan regel is en omdat in de literatuur geen sluitende uitleg isgevonden omtrent de onderlinge ligging van de twee antennepatches, worden in deze paragraafbeide mogelijkheden onderzocht.

76


Grootste patch onderaan

In eerste instantie wordt er net als in [17] voor gekozen om de grootste patch onderaan teplaatsen. Er wordt vertrokken van de parameterwaarden die bekomen zijn bij het ontwerpvan de lineair gepolariseerde GPS-antenne. In Tabel 5.3 zijn de parameterwaarden van degeoptimaliseerde antenne te vinden.

Parameter Afmeting [mm]Antennepatch1 80.5Antennepatch2 87



Tabel 5.3: Parameterwaarden voor de circulair gepolariseerde GPS-antenne met grootste patch on-deraan.

Op Figuur 5.8 is de |S11|-karakteristiek weergegeven van de GPS-antenne zonder hybridekoppelaar. Er is duidelijk aanpassing te zien voor zowel de L1- als de L2-band. De axialeratio van de antenne in functie van de elevatiehoek θ wordt voor beide banden getoondop Figuur 5.9. Hierbij worden de twee ingangspoorten gevoed met signalen die 90° in faseverschillen. De axiale ratio in de hoofdrichting bedraagt voor de L1-band 2.324 dB en voorde L2-band 6.466 dB. We merken op dat we nu nog maar enkel voor de L1-band circulairepolarisatie hebben verkregen.

Tijdens het ontwerp is opgemerkt dat men de axiale ratio kan verbeteren door de stublengtete vergroten. Helaas heeft het vergroten van de stublengte ook tot gevolg dat de twee reso-nantiepieken dichter bij elkaar komen te liggen. Er is getracht om door middel van de andereparameters te pieken opnieuw uit elkaar te halen, maar zonder succes.

77


Figuur 5.8: |S11|-karakteristiek van antenne zonder koppelaar.

Figuur 5.9: Axiale ratio voor de L1-band (links) en de L2-band (rechts) in functie van de hoek θ.

Grootste patch bovenaan

Vervolgens wordt nu de grootste patch bovenaan geplaatst. In Tabel 5.4 zijn de parameter-waarden van de geoptimaliseerde antenne te vinden. Wat in de tabel onmiddellijk opvalt, isde lengte van de stub. Tijdens het ontwerp wordt opgemerkt dat de aanpassing in de L1-banderop vooruitgaat, wanneer de lengte van de stub vergroot. Dit heeft wel een degradatie vande aanpassing van de L2-band tot gevolg. Om dit op te lossen wordt de lengte van de slotsvergroot. Een breder slot heeft een positieve invloed op de aanpassing van de twee bandenmaar heeft geen invloed op de axiale ratio. Daarom worden de slots niet te breed gemaakt.In tegenstelling tot het vorige ontwerp slagen we er echter wel in om met behulp van depatchafmetingen de banden ver genoeg uit elkaar te krijgen.

Op Figuur 5.10 is de |S11|-karakteristiek weergegeven. We zien dat er aanpassing is voorde beide banden, maar met een veel kleinere marge dan het vorig ontwerp. Figuur 5.11toont de axiale ratio voor de L1- en L2-band in functie van de elevatiehoek θ. De AR in de

78





Tabel 5.4: Parameterwaarden voor de circulair gepolariseerde GPS-antenne met grootste patch bo-venaan.

hoofdrichting bedraagt voor de L1-band 6.671 dB en voor de L2-band 1.919 dB. In vergelijkingmet het vorig ontwerp is de situatie nu omgekeerd en hebben we enkel circulaire polarisatiein de L2-band. Daarnaast ziet men op Figuur 5.11 dat de vorm van de AR-curve voor deL1-band grillig is, wat duidt op een grotere polarisatiemismatch voor bepaalde hoeken.

Figuur 5.10: |S11|-karakteristiek van antenne zonder koppelaar.


79


5.4.3 Volledige topologie van de GPS-antenne

In dit deel wordt de volledige antennetopologie bestudeerd. Voor beide mogelijkheden uitSectie 5.4.2 wordt de volledige antenne gesimuleerd. Bij de antenne met de grootste patchbovenaan slagen we er niet in om de grillige vorm van de AR-curve in de L1-band weg tekrijgen. Voor de andere configuratie blijft de badkuipvorm van de axiale ratio in functie vande elevatiehoek θ behouden en slagen we er in om via aanpassingen aan de stub en het slotcirculaire polarisatie te verkrijgen in beide banden. In tegenstelling tot het ontwerp in Sectie3.4.1 hebben deze variaties geen al te groot effect op de antenne-efficientie en de maximalegain. De geoptimaliseerde parameterwaarden zijn te zien in Tabel 5.5.




Tabel 5.5: Parameterwaarden voor de volledige GPS-antenne.

Figuur 5.12 toont de |S11|-karakteristiek van de volledige GPS-antenne. Men ziet dat devolledige structuur is aangepast in beide banden. Voor de L1-band bedraagt de efficientievan de antenne 44.4%. De maximale gain is 5.656 dBi en de 3 dB-bundelbreedte is 67° in hetXZ-vlak en 68° in het YZ-vlak. De attenuatie van de achterwaartse straling is -10.636 dBi,waardoor een F/B ratio van 16.292 dB verkregen wordt. Bij de L2-band hebben we eenefficientie van 36.4%, een maximale gain van 3.104 dBi en een 3 dB-bundelbreedte van 78°voor zowel het XZ-vlak als het YZ-vlak. Met een attenuatie van de achterwaartse stralingvan -8.136 dBi, bedraagt de F/B ratio 11.24 dB.

80


Figuur 5.12: |S11|-karakteristiek van volledige GPS-antenne.

Op Figuur 5.13 zijn de AR-curves te zien voor beide banden in functie van de elevatiehoekθ. Voor de L1-band vinden we een axiale ratio van 0.831 dB in de loodrechte richting envoor de L2-band bedraagt die 2.667 dB. De volledige GPS-antenne is dus voor beide bandencirculair gepolariseerd. Men merkt dat de axiale ratio in de L1-band beter is dan die in deL2-band. Dit komt overeen met het antenneontwerp zonder koppelaar uit Sectie 5.4.2, waarbijde grootste patch onderaan is gekozen.


5.5 Besluit

In dit hoofdstuk is de mogelijkheid onderzocht om een flexibele dual band GPS-antenne temaken die geschikt is voor integratie in een dashboard. Door de strenge vereiste van circulairepolarisatie in beide GPS-banden, is ervoor gekozen de hybride koppelaar als voedingstechniekte gebruiken. De antenne zelf bestaat uit twee patches, daarom hebben we onderzocht watde invloed van de onderlinge positie is. Na onderzoek blijkt dat de beste configuratie diegene

81


is waarbij de grootste patch zich onderaan bevindt. In tegenstelling tot de intra-vehicleantenne uit Hoofdstuk 4 is hier echter geen sprake meer van een compacte module. Degrote afmetingen van de patches en de hybride koppelaar zorgen hierdoor voor een moeilijkeintegratie in een dashboard. Ook moet er rekening mee worden gehouden dat een GPS-antennenaar buiten gericht moet zijn en signalen met een vermogen van ongeveer -160 dBW moetkunnen ontvangen [16]. Hierdoor is het wenselijk dat de antenne niet meer afgedekt wordt.Dit leidt tot een groot kopervlak dat zichtbaar op het dashboard ligt, wat esthetisch nietverantwoord is. We hebben echter wel aangetoond dat het mogelijk is om een rechtshandigcirculair gepolariseerde antenne in schuimen te ontwerpen die werkt in de L1- en de L2-band.

82

Hoofdstuk 6

Besluit

In deze thesis werd een quasicirculair gepolariseerde antenne ontworpen in schuimen voorintra-vehicle communicatie in de 2.45 GHz ISM-band. Na het afwegen van verschillende ver-eisten, zoals robuustheid tegen schokken en een planaire antennetopologie, werd gekozen vooreen apertuurgekoppelde patchantenne.

In een eerste fase werd vertrokken van de resultaten van ons Hardware-ontwerpproject (HOP),waarin een apertuurgekoppelde patchantenne werd ontworpen uit dashboardschuimen. Uit demeetresultaten van de gefabriceerde antenne bleek dat er geen circulaire polarisatie aanwezigwas, in tegenstelling tot de uitgevoerde simulaties. Daarom werd in deze thesis onderzoekgedaan naar enerzijds robuustere structuren en anderzijds een nauwkeurige fabricatiemethode.

In het onderzoek naar structuren die robuuster zijn tegen productiefouten werden een viertalantennetopologieen onderzocht. Een eerste voorgestelde topologie maakt gebruik van dogbo-nes. Deze structuur zorgt voor een betere doorkoppeling van de velden naar de antennepatch.Uit de sensitiviteitsanalyse hierop blijkt dat de antenne globaal gezien robuuster is dan hetontwerp van het HOP. De antenne-efficientie is echter gedaald en ook de maximale gain iskleiner.

Bij het tweede onderzochte ontwerp, werden inkepingen in de patch voorzien. Dit resulteerdeniet in een robuuster ontwerp. Ook hier liggen de antenne-efficientie en de maximale gainlager dan bij het ontwerp uit het HOP. Het voordeel aan deze topologie is wel dat de totalestructuur compacter is geworden.

In het derde ontwerp werd gebruik gemaakt van een kwart-golflengte voedingsstructuur. Dezetopologie wijkt, in tegenstelling tot de twee vorige, af van de topologie uit het HOP. Er wordtimmers gebruik gemaakt van een voedingslijn die onder alle benen van het kruisvormig slotloopt. De lengte van de voedingslijn tussen twee opeenvolgende benen van het kruis is eenkwart-golflengte bij 2.45 GHz. Zo is het faseverschil tussen de verschillende doorgekoppeldesignalen gelijk aan 90°. Dit geeft aanleiding tot een betere AR-bandbreedte, wat ook bevestigd

83

Hoofdstuk 6. Besluit

werd door de simulaties. Deze toename in bandbreedte heeft echter een grote prijs op hetgebied van vereiste productienauwkeurigheid. Uit de sensitiviteitsanalyse blijkt dat dezestructuur voor alle geteste variaties gevoeliger is dan de topologie uit het HOP. Er is ook eendegradatie vastgesteld in de antenne-efficientie en de gain.

Bij het laatste onderzochte ontwerp werd een hybride koppelaar gebruikt als voedingsstruc-tuur. Het kruisvormig slot werd hierbij vervangen door twee rechthoekige slots die elk dooreen uitgang van de hybride koppelaar gevoed worden. Deze slots worden door signalen met90° faseverschil aangestuurd. Dit heeft als grote voordeel dat de antenne nu in de volledige2.45 GHz ISM-band circulair gepolariseerd is. Uit de sensitiviteitsanalyse blijkt deze struc-tuur heel robuust te zijn tegen onnauwkeurigheden in het productieproces. Een nadeel is datde maximale gain en de antenne-efficientie sterk gedaald zijn.

Naast het onderzoek van andere structuren, werd in deze thesis eveneens een nauwkeurigerefabricatiemethode voorgesteld. Hiervoor werd samengewerkt met het CMST. De verschillendekopervlakken werden geetst en met behulp van een alignatiebord werd de volledige structuurgeassembleerd. De gefabriceerde antenne heeft een efficientie van 64% en een maximale gainvan 6.714 dBi. De 3 dB-bundelbreedte bedraagt 62° in zowel het XZ-vlak als het YZ-vlak ende F/B ratio is ongeveer 14 dB.

Voor de integratie van de intra-vehicle antenne in een dashboard zijn er twee mogelijkheden.Enerzijds kan de antenne tussen de backfoam en de toplaag geplaatst worden. Anderzijdsis er integratie tussen het dragermateriaal en de backfoam mogelijk. Na metingen bleek debeste optie om de antenne tussen het dragermateriaal en de backfoam te plaatsen. In dit gevalbedraagt de antenne-efficientie 63% en de maximale gain 6.437 dBi. De 3 dB-bundelbreedteis 68° in het XZ-vlak en het YZ-vlak en de F/B ratio bedraagt ongeveer 13 dB.

Als extra werd de mogelijkheid onderzocht om een dual band GPS-antenne te ontwerpen inschuimen. We hebben hiervoor gekozen om een stacked patch antennetopologie te gebruiken.De voedingsstructuur die werd gebruikt is de hybride koppelaar, omdat circulaire polarisatiebij dit type antenne vereist is. De doorkoppeling naar de patches gebeurt dan via tweerechthoekige slots die worden aangestuurd door signalen met een faseverschil van 90°. Erwerd ook onderzoek gedaan naar de onderlinge positie van de twee patches. Hierbij werdvastgesteld dat het ontwerp waarbij de grootste patch onderaan ligt, de beste resultatengeeft. Voor de L1-band halen we een efficientie van 44% en een maximale gain van 5.656 dBi.De bundelbreedte is ongeveer 67° in het XZ-vlak en het YZ-vlak en de F/B ratio bedraagtongeveer 16 dB. Voor de L2-band bekomen we een efficientie van 36% en een maximale gainvan 3.104 dBi. De bundelbreedte is hier 78° voor het XZ-vlak en het YZ-vlak en de F/B ratiois 11 dB.

Als eindconclusie kunnen we stellen dat we er in geslaagd zijn het vooropgestelde doel te

84

Hoofdstuk 6. Besluit

halen. Er werd een intra-vehicle antenne ontworpen die quasicirculair gepolariseerd is in de2.45 GHz ISM-band. Door de invloed van de verschillende dashboardlagen te testen, werdook de optimale positie voor plaatsing van de antennemodule in het dashboard bepaald. Ditbrengt ons een stap dichter tot de realisatie van een Cable Free Car.

85

Bibliografie

[1] “Car 2 Car Communication Consortium Manifesto”,http://www.car-to-car.org/fileadmin/downloads/C2C-CC manifesto v1.1.pdf

[2] R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, A. Ittipiboon, “Microstrip antenna design handbook”,Artech House Publishers, 2001.

[3] D. Pozar, “A Review of Aperture Coupled Microstrip Antennas: History, Operation,Development and Applications”, University of Massachusetts at Amherst, mei 1996.

[4] Recticel, http://www.recticel.be

[5] H. Rogier, “Circuit- en EMC-concepten”, Universiteit Gent, 2007.

[6] D. De Zutter, “Applied Electromagnetics”, Universiteit Gent, 2005.

[7] H. Rogier, “Antennas and Propagation”, Universiteit Gent, 2007.

[8] F. Boeykens, Q. Doolaege, “Ontwerp van een apertuurgekoppelde patchantenne op schui-men voor integratie in dashboards”, Universiteit Gent, 2008.

[9] F. Declercq, H. Rogier, “Electrical characterisation of recticel foams at microwave fre-quencies”, 2007.

[10] B. Al-Jibouri, H. Evans, E. Korolkiewicz, E.G. Lim, A. Sambell, T. Viasits, “Cavitymodel of circularly polarised cross-aperture-coupled microstrip antenna”, IEE Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 148, No. 3, juni 2001.

[11] D. Pozar, S. Targonski, “Improved coupling for aperture coupled microstrip antennas”,Electronics Letters, Vol. 27, No. 13, juni 1991.

[12] H. Kim, B. M. Lee, Y. J. Yoon, “A Single-Feeding Circularly Polarized MicrostripAntenna With the Effect of Hybrid Feeding”, IEEE Antennas And Wireless PropagationLetters, Vol. 2, 2003.

[13] A. Kumar, M. Kartikeyan, “A Circularly Polarized Stacked Patch Aperture CoupledMicrostrip Antenna for 2.6 GHz Band”, Springer, januari 2007.

86

Bibliografie

[14] D. Pozar, “Microwave Engineering”, Addison Wesley, 1990.

[15] Branchline couplers,http://www.microwaves101.com/encyclopedia/Branchline couplers.cfm

[16] A. Franchois, “Avionica”, Universiteit Gent, 2008.

[17] D. M. Pozar, S. M. Duffy, “A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupled StackedMicrostrip Antenna for Global Positioning Satellite”, IEEE Transactions On AntennasAnd Propagation, Vol. 45, No. 11, november 1997.

[18] H. Norrman, “Development of a Microstrip Antenna for a Miniaturized Transponder”,Master’s Thesis, Lulea University of Technology, 2006.

[19] “Orban Microwave products”,http://www.orbanmicrowave.com/appnotes.htm

[20] W. Vandendriessche, “Ontwerp van een wearable GPS-antenne uit textielmaterialen”,Master’s Thesis, UGent, 2006-2007.

[21] Wilkinson Splitters,http://www.microwaves101.com/encyclopedia/Wilkinson splitters.cfm

87

Lijst van figuren

1.1 Cable Free Car Concept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Verschillende topologieen van patchantennes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Parameters van een apertuurgekoppelde patchantenne. . . . . . . . . . . . . . 41.4 Verschillende lagen van een standaard dashboard. . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Textiellijm (links), industriele lijm (midden) en Platilon H lijm (rechts). . . . 81.6 De apertuurgekoppelde pachtantenne als een eenpoort. . . . . . . . . . . . . . 91.7 Linkshandige circulaire polarisatie (a) en rechtshandige circulaire polarisatie (b). 111.8 De antenne in een zender-ontvanger structuur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.9 Onderlinge ligging van de polarisatie ellipsen van zender en ontvanger. . . . . 12

2.1 Voedingsstructuur voor circulaire polarisatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Fasekarakteristiek van een dipool antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 De gefabriceerde antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Vergelijking tussen de opgemeten en gesimuleerde reflectiecoefficient van de

antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 De gesimuleerde en gemeten axiale ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 Stralingspatroon in het XZ-vlak (links) en het YZ-vlak (rechts). . . . . . . . . 182.7 AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en naar rechts (onder). 192.8 Verschuiving van het slot in alle richtingen voor 1 mm. . . . . . . . . . . . . . 202.9 AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder). . . . . 212.10 AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder). . . . 222.11 AR voor een horizontale (boven) en een verticale aanpassing van het slot (onder). 23

3.1 De equivalente magnetische stroomverdeling over een rechthoekig slot (links)en een H-shaped slot (rechts). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Parameters van de antenne met H-shaped slots. . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3 |S11|-karakteristiek (boven) en AR van de antenne met H-shaped slots (onder). 263.4 AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en een verschuiving

naar rechts (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5 AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder). . . . . 28

88

Lijst van figuren

3.6 AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder). . . . 293.7 AR voor een horizontale (boven) en een verticale aanpassing van het slot (onder). 303.8 Schematische voorstelling van de antenne met inkepingen. . . . . . . . . . . . 313.9 |S11|-karakteristiek (boven) en AR (onder) van de antenne met inkepingen. . 323.10 AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en naar rechts (onder). 333.11 AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder). . . . . 343.12 AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder). . . . 353.13 AR voor een horizontale aanpassing (boven) en een verticale aanpassing van

het slot (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.14 Antennetopologie met een kwart-golflengte voedingsstructuur. . . . . . . . . . 373.15 |S11|-karakteristiek (boven) en AR van de ontworpen antenne (onder). . . . . 383.16 AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en een verschuiving

naar rechts (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.17 AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder). . . . . 403.18 AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder). . . . 413.19 AR voor een horizontale (boven) en een verticale aanpassing van het slot (onder). 423.20 Standaard afmetingen van een 90° hybride koppelaar uitgevoerd in microstriplijn. 433.21 Structuur van de antenne met hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . . . . . . 443.22 Faseverschil tussen de twee uitgangspoorten in functie van de frequentie. . . . 453.23 |S11|- en |S13|-karakteristiek van de hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . . . 453.24 Parameters van de te ontwerpen antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.25 |S11|-karakteristiek van de antenne zonder hybride koppelaar. . . . . . . . . . 463.26 AR van de antenne zonder hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.27 |S11|-karakteristiek van de antenne met hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . 473.28 AR van de antenne met hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.29 AR voor een verschuiving van het slot naar boven (boven) en een verschuiving

naar rechts (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.30 AR voor een verlenging (boven) en een verkorting van het slot (onder). . . . . 503.31 AR voor een verbreding (boven) en een versmalling van het slot (onder). . . . 513.32 AR voor een horizontale (boven) en een verticale aanpassing van het slot (onder). 52

4.1 De |S11|-karakteristiek van de intra-vehicle antenne. . . . . . . . . . . . . . . 544.2 De gesimuleerde AR van de intra-vehicle antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3 Alignatiebord met vier alignatiepinnen (linksboven), masker voedingslijn met

posities alignatiepinnen (rechtsboven), masker grondvlak (linksonder) en mas-ker antennepatch (rechtsonder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4 Spinner (links), belichter en aligner (rechts). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.5 Spray-etcher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

89

Lijst van figuren

4.6 Foto van de voedingsbaan (linksboven), het grondvlak (rechtsboven) en deantennepatch (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.7 Voedingssubstraat met Platilon H lijm (linksboven), flex met voedingsbaanover het geheel bevestigen (rechtsboven), thermisch activeren met behulp vaneen strijkijzer (linksonder) en afgewerkt geheel (rechtsonder). . . . . . . . . . 60

4.8 Afgewerkt grondvlak (linksboven), plaatsing van de connector (rechtsboven)en afgewerkt geheel (onder). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.9 Verlijmen van antenne en voedingssubstraat (links) en vooraanzicht afgewerkteantenne, die is verstevigd met kleefband (rechts). . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.10 De gemeten en gesimuleerde |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne. 624.11 Gemeten en gesimuleerde AR van de intra-vehicle antenne in de 2.45 GHz ISM-

band. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.12 Stralingspatroon in het XZ-vlak (links) en het YZ-vlak (rechts). . . . . . . . . 634.13 Foto van de module met enkel toplaag (links) en toplaag plus de dikke backfoam

(rechts). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.14 De |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne met toplaag. . . . . . . . 644.15 Gemeten axiale ratio voor de intra-vehicle antenne met toplaag. . . . . . . . . 654.16 De |S11|-karakteristiek voor de intra-vehicle antenne met backfoam en toplaag. 664.17 Gemeten axiale ratio voor de intra-vehicle antenne met backfoam en toplaag. 664.18 Stralingspatroon in het XZ-vlak (links) en het YZ-vlak (rechts). . . . . . . . . 67

5.1 Dwarsdoorsnede van de dual band stacked patchantenne. . . . . . . . . . . . 695.2 Bovenaanzicht van de dual band stacked patchantenne. . . . . . . . . . . . . . 705.3 De gefabriceerde antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.4 Vergelijking gemeten en gesimuleerde |S11|-karakteristiek. . . . . . . . . . . . 735.5 Voedingsnetwerk bij het gebruiken van een kruisvormig slot. . . . . . . . . . . 755.6 Faseverschil van de twee uitgangssignalen van de hybride koppelaar. . . . . . 765.7 |S11|- en |S13|-karakteristiek van de hybride koppelaar. . . . . . . . . . . . . . 765.8 |S11|-karakteristiek van antenne zonder koppelaar. . . . . . . . . . . . . . . . 785.9 Axiale ratio voor de L1-band (links) en de L2-band (rechts) in functie van de

hoek θ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.10 |S11|-karakteristiek van antenne zonder koppelaar. . . . . . . . . . . . . . . . 795.11 Axiale ratio voor de L1-band (links) en de L2-band (rechts) in functie van de

hoek θ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.12 |S11|-karakteristiek van volledige GPS-antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.13 Axiale ratio voor de L1-band (links) en de L2-band (rechts) in functie van de

hoek θ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

90

Lijst van tabellen

2.1 Beschikbare schuimen voor fabricatie van de antenne. . . . . . . . . . . . . . 152.2 Afmetingen antennetopologie met kruisvormig slot en voedingslijn op diagonaal. 15

3.1 Parameterwaarden van de antenne met H-shaped slots. . . . . . . . . . . . . . 263.2 Parameterwaarden van de geoptimaliseerde antenne met inkepingen. . . . . . 323.3 Parameterwaarden van de ontworpen antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4 Parameterwaarden van de antenne met als voedingsstructuur een hybride kop-

pelaar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1 Afmetingen van de intra-vehicle antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.1 Finale parameterwaarden voor de lineair gepolariseerde GPS-antenne. . . . . 725.2 Gebruikte materialen voor het ontwerp van de dual band stacked patchantenne. 725.3 Parameterwaarden voor de circulair gepolariseerde GPS-antenne met grootste

patch onderaan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.4 Parameterwaarden voor de circulair gepolariseerde GPS-antenne met grootste

patch bovenaan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5 Parameterwaarden voor de volledige GPS-antenne. . . . . . . . . . . . . . . . 80

91

Ontwerp van een planaire antenne uit dashboardschuimen voor Intra-Vehicle communicatie

Documents

Transcript of Ontwerp van een planaire antenne uit dashboardschuimen voor Intra-Vehicle communicatie