PPS Antennas Mobilfunkantenne für Basisstation Sommer 2008 1
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Einführungsveranstaltung Antennengrundlagen Versuchsaufbau Simulation Ablauf des Seminars Allgemeine Informationen 2
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Antennas Grundlagen Antenne: Komponente die elektromagnetische Energie aus dem freien Raum aufnimmt und in eine Leitung abgibt - oder andersrum (Reziprozität) Leitung Antenne Freiraum E-feld Amplitude in der E-Ebene: Quelle E-plane 3
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Grundlagen - Antenne Fernfeldabstand Richtfaktor (Directivity) Eingangsimpedanz, Reflexionsfaktor Gewinn (Gain) 4
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Verschiedene Antennentypen 1) Drahtantennen Dipole Schleifen Helix Elektrisch klein: Resonant: Breitband: <<λ <<λ λ/2 - Geringe Direktivität - Geringer Wirkungsgrad - Kleiner Eingangswiderstand - Hohe Eingangsreaktanz -Reelle Eingangsimpedanz -Schmalbandig - Bandbreite >2:1 -Beispiel: Log periodic dipole Array Einsatzgebiet: niedrige Frequenzen 5
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos 2) Aperture Antennen - Mikrowellen und Millimeterwellenfrequenzbereich - Gute Richtcharakteristik - Grösse: einige Wellenlängen - Mittlere Bandbreite - Kompatibel mit Hohlleitertechnik Rectangular waveguide Pyramidal horn Conical horn 3) Microstrip Antennen - Seit den 70ern - Mikrowellen und Millimeterwellenfrequenzbereich - Billig, flach - Kompatibel mit PCB Technik - Sehr praktisch - Resonierend (kleine Bandbreite) - Schlechter Wirkungsgrad Rectangular Patch Circular Patch 6
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Basisstation für Mobilfunk GSM 880-960 MHz 1710-1880 MHz max. Leistung: 2 W UMTS 1920 1980 MHz uplink 2110 2165 MHz downlink max. Leistung: 0.25 W Wlan 2412 2484 MHz max. Leistung: 0.1 W 7
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Simulationssoftware HFSS Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) Finite Elemente (FEM) im Frequenzbereich CAD Oberfläche zur Eingabe der Geometrie Automatische Volumendiskretisierung mit Tetraedern Frequenzbereichssolver berechnet Felder im ganzen Raum Postprozessor stellt Felder, Klemmengrössen und Richtdiagramme dar. 8
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Simulationssoftware CST Microwave Studio Finite Integration Time Domain Finite Integration Frequency Domain Eigenmode solver Unterstützt verschiedene Meshtypen CAD Oberfläche zur Eingabe der Geometrie Automatische Diskretisierung des Volumens 9
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Yagi Antenne Oberflächenströme 10
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Yagi Antenne Elektrisches Feld 11
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Fernfeldberechnung Anpassung 12
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Richtdiagramm Darstellung 3D Darstellung Kartesische Darstellung 13
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Simulationssoftware FEKO FEKO (Feldberechnung für Körper mit beliebiger Oberfläche) Method Of Moments (MoM) Eingabe mit Hilfe eines Cadprogramms (CadFeko) Automatische Diskretisierung der Oberfläche mit Hilfe von Segmenten und Dreiecken Solver berechnet Ströme auf diesen Elementen aus denen dann die Felder im gesamten Raum berechnet werden 14
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Versuchsaufbau Absorber Drehtisch mit Antenne Empfangsantenne mit Leistungsmessgerät Generator f = 820 MHz 15
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Funktionsweise 16
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Ziele Einarbeiten in Grundlagen der Antennenkunde Simulationssoftware Hochfrequenzmesstechnik Erfolgreicher Vergleich von Simulation und Messung Optimierung der Antennengeometrie 17
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Ablauf des Seminars Grundlagen erarbeiten Theorie Simulation Messung Optimierung Praxis Präsentation und Bericht Nachbearbeitung 18
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Zeitplan 10. KW Grundlagen der Antennentechnik - EMF 1 Praktikum - Besuch der Messkammer 11. KW Kennenlernen von Simulationsoftware - Einführung in FEKO - Präsentation der Aufgabenstellung 12. / 13. KW Erste eigene Simulationen 15. KW Einführung in Antennenmesstechnik - Analyse des Messaufbau Fehlerquellen - Messung der ersten Konfigurationen 16. 20. KW Optimierung und Verifizierung des Antennendesigns 21. KW Präsentation der Ergebnisse - Präsentation der Ergebnisse - Abgabe des Berichts 19
Antennas Simulation Versuchsaufbau Ablauf Infos Allgemeine Informationen Homepage: http://www.ifh.ee.ethz.ch/~fieldcom/pps-antenna/ Simulationssofware Feko: http://www.feko.info Literatur: Antenna Theory, Analysis and Design, Constantin A. Balanis, 1997 Antennenbuch, Karl Rothammel, 1984 Versuchsanleitung Fachpraktikum Antennen und Wellenausbreitung (AW, EMF1) Skript Felder und Komponenten II Kontakt: Christian Beyer, (cbeyer@ifh.ee.ethz.ch), x27625, ETZ-K87 Oliver Lauer, (lauero@ifh.ee.ethz.ch), x23128, ETZ-K87 20