Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Antennerne på Nexø II, del 2

Gæsteblog af Morten Hagensen

Intro

Advarsel: Nørdet blog!  

Som nævnt af Peter Bybjerg Mortensen i hans blog: “Antennerne på Nexø II, del 1”, så er der gang i udvikling af en ny antennetype, som i første omgang skal bruges til video downlink på 1280 MHz.  

Antennetypen kaldes ofte for en ”wrap-around patch antenna” og den udmærker sig ved at den – som en ring – strækker sig hele vejen rundt om raketten. Grunden til at denne antennetype er attraktiv skyldes dels at den er fuldstændig flad. Højden er nogle få mm. Den udgør derfor kun en meget lille luftmodstand. Derudover vil snore o. lign fra faldskærme, ikke kunne blive fanget af antennen, hvilket selvfølgelig også er et stort plus. Endelig har antennetypen ensartet god dækning hele vejen rundt om raketten.  

Illustration: CS

Billede: www.ubcorp.com

Patch antenner

Patch antenner består af tynde typisk rektangulære metalplader, som monteres over et jordplan. Oftest er de implementeret som mikrostrip – dvs på et substrat/PCB – og kan derved fremstilles ved almindelig printteknologi. Patch antennen vil ”udstråle” når dens dimension er en halv bølgelængde. En kvadratisk patch vil derfor kunne udstråle i to polarisationer på samme frekvens.  

”Wrap around patch antennas” har længe været anvendt til raketter (læs: missiler), og typisk består de af en enkelt sammenhængende patch, som strækker sig hele vejen rundt om raketten. Højden (dimensionen i rakettens længderetning) på denne patch bestemmer frekvensen hvor antennen vil virke. Den sammenhængende patch fødes i et antal punkter rundt langs periferien af antennen. Fødenetværket vil typisk være et forgrenet mikrostripkredsløb, som transformerer et enkelt tilslutningspunkt op til det antal fødepunkter, som antennen har behov for.  

Nogle grundlæggende specs

Ideelt set er vi ude efter et udstrålingsdiagram for antennen som er ”kugleformet”. Dvs. vi søger en antenne som har samme (høje) udstråling i alle retninger. Grunden til dette er selvfølgelig, at vi skal kunne modtage video - uanset rakettens orientering i rummet.  

Centerfrekvensen for antennen skal være 1280 MHz og båndbredden 20 MHz. Diameter: 300 mm.  

Polarisationen skulle ideelt set være cirkulær for at undgå tab pga. rakettens skiftende orienteringer, men for at forsimple opgaven har vi valgt at lave antennen lineært polariseret. Hvis modtageantennen til gengæld er cirkulært polariseret, vil vi kun opleve et polarisationstab på 3 dB.  

Først koncentrerer vi os om at lave en antenne, som har et rimeligt udstrålingsdiagram, dernæst laves et passende fødenetværk.

Design af den radierende del

Designet af udstrålingsdelen er lavet vha. et EM (Electro Magnetic) CAD tool, som undertegnede har adgang til via sin arbejdsplads. For en god orden skyld skal det nævnes at al arbejde på denne antenne er udført i fritiden. Programmet hedder HFSS og er en EM 3D finite element method (FEM) solver. I HFSS konstrueres en 3D model af antennen, som derefter kan analyseres mht. udstrålingsegenskaber og impedans.  

Først skal vælges et passende substrat, som antennen skal laves på. Oprindeligt tænkte vi på at lave antennen på et substrat fra Rogers (RT Duroid 5870), men denne løsning viste sig at blive meget dyr da det er ret store dimensioner der er tale om (ca. 200 x 950 mm^2). I stedet har vi valgt et substrat af polyethylene, som er billigt, let tilgængeligt og har gode RF egenskaber. Da polyethylene ikke leveres med pålagt kobber har vi brugt selve raketkroppen som jordplan. Patche og fødenetværk er blevet fremstillet på et almindeligt 0.1 mm tykt FR4 print, og det hele er holdt sammen med tyndt dobbeltklæbende tape. Ud over det hele trækkes en strømpe af krympeflex, som kommer til at virke som radome for antennen. I den endelige version vil substratet også blive holdt på plads vha. skruer. Før polyethylene substratet kan anvendes skal det valses i en passende cirkulær raketform.  

Der er i EM solveren blevet eksperimenteret en masse med forskellige parametre som substrattykkelse, antal fødepunkter, patch geometrier osv. – og resultatet er blevet en antenne med et 3 mm tykt substrat og 4 separate patche, som alle fødes i fase på patchkanten - midt på det brede stykke.  

Grunden til at der ikke er anvendt et sammenhængende patchbånd, er at denne geometri gav en uønsket resonans i antennens impedanskarakteristik - formenlig pga. en uheldig kombination af omkreds og bølgelængde ved den pågældende frekvens. Tilstedeværelsen af slidserne er også belejlig af en anden årsag, for så kan raketkroppens langsgående svejsesøm passere her.  

Højden af patchene (72 mm) svarer til en halv bølgelængde på det anvendte substrat. Længden af patchene påvirker ikke resonansfrekvensen af patchen, men derimod impedans og udstråling. Med de viste 4 patche var impedansen på kanten tæt på 50 ohm, hvilket er overraskende lavt, men skyldes den relativt store patchlængde.  

4 fødepunkter var det laveste antal som stadig gav en acceptabel udstrålingskarakteristik. Man skal tænke på at hvert fødepunkt skal samles i et fælles punkt, så for at holde kompleksiteten nede skal antallet af fødepunkter være så lavt som muligt.  

Resultatet af simuleringerne er vist nedenfor. Raketten er orienteret langs z-aksen.  

Det første plot viser udstrålingsdiagrammet i 3D og de to næste i udvalgte snit.  

 

  Pattern 1 viser et theta-sweep i to forskellige snit (rød kurve er worst case). Raketten er orienteret lodret i ”papirets” plan. Det ses at lige under (og over) raketten er udstrålingen nul. Man skal imidlertid kun ca. 7 grader ud fra rakettens akse før gainet er oppe på ca – 6 dB. De -6dB er det minimum gain vi er gået efter i designet og det ses at selvom karakteristikken rippler en del, så holder vi os pænt over denne grænse.  

 

Pattern 2 viser et phi-sweep i planet vinkelret på raketten. Dvs. raketten står her vinkelret på ”papirets” plan. Karakteristikken er ikke helt cirkulær, men holder sig pænt over de -6 dB som har været designmålet. Det sidste plot viser reflektionen (i dB) fra en enkelt patch i fødepunktet. Det ses at den laveste reflektion haves i et ca. 30 MHz bredt bånd rimeligt centreret omkring 1280 MHz. Her udstråles altså mest effekt. Vi definerer her båndbredden, som afstanden mellem de to -10 dB punkter på karakteristikken.  

Design af fødenetværk

Nu hvor den radierende del af antennen er fastlagt, skal der lave et netværk, som forbinder et fælles punkt med de 4 patche.  

Nu bliver det muligvis nok lidt nørdet.  

Som nævnt er patchimpedansen 50 ohm, så fødenetværket skal sørge for at det fælles forgreningspunkt, som også er 50 ohm, forbindes til de fire 50 ohms fødepunkter.  

En planar udgave af fødenetværk med patche er vist nedenfor.  

Ud fra hver patch føres en 50 ohm transmissionslinie. Længden af denne er ikke kritisk. To patche samles via to kvartbølgetransformere, som transformerer impedansen op til 200 ohm vha. en 100 ohms linie (det er 100 ohm linien, som er en kvart bølgelængde lang). Samlingspunktet mellem 2 patche får derved impedansen 100 ohm og udfra dette punkt føres derfor en 100 ohm transmissionslinie. De 2 + 2 patche samles endeligt i et fælles 50 ohms punkt hvortil vores sender vil blive forbundet. Kun kvartbølge liniernes længder er kritiske. Alle andre længder i fødenetværket kan vælges vilkårligt hvilket gør layoutet meget nemmere at udføre.  

  Fødenetværket er designet i en kredsløbssimulator (Microwave Office, som undertegnede har adgang til via sin arbejdsplads) i samspil med HFSS. Dette er gjort ved at 3D simulere de 4 patche - hver eksiteret med en lumped port i fødepunkterne. HFSS kan generere en fil, som beskriver kredsløbsfunktionen af de 4 patche med reference til fødepunkterne. Denne fil (en 4-port S-parameter matrix) siger kun noget om impedansforholdende vs. frekvensen og dermed ikke noget omkring udstrålingen. 4-port S-parameter filen kan eksporteres til kredsløbssimulatoren, hvor en kredsløbsmodel af fødenetværket kan tilsluttes til de 4 patches fødepunkter, repræsenteret ved S -parameter filen fra HFSS.  

Med dette setup er længder og bredder af mikrostriplinierne optimeret i kredsløbssimulatoren, indtil der er opnået tilpas lav reflektion omkring 1280 MHz i den ønskede båndbredde.  

Grunden til denne kombination af to forskellige simuleringsværktøjer er tid. 3D simulatorens finite element metode er uendelig langsom sammenlignet med kredsløbssimulatoren, så en optimering – i 3D – af fødenetværket ville være uoverkommeligt at gennemføre i praksis. Kredsløbssimulatoren klarer det på en times tid, når først topologien af fødenetværket er lagt fast.  

Omvendt, så kan kun en 3D simulator lave nøjagtige simuleringer af en kompleks krum patch struktur som den ovenstående.  

Målinger på prototypeantenne

For at teste ovenstående er der blevet fremstillet en antenne med en opbygning som beskrevet ovenfor. Antennen blev monteret på en kort sektion (500 mm) af raketkroppen (”tønden” i det følgende).  

Den første måling der blev foretaget på prototypen var en reflektionsmålingen, som viser om centerfrekvens og båndbredde er ok. Her viste det sig at båndbredden var ok (ca. 30 MHz), men at vi lå lidt for højt i frekvens (1312 MHz). Med lidt kobbertape blev højden af de 4 patche forøget lidt indtil centerfrekvensen kom på plads ved 1280 MHz.  

Grunden til denne lille afvigelse på centerfrekvensen skyldes formentlig usikkerhed på substratets relative permittivitet. Substratet er dels et mix af FR4 og polyethylene og dels er der ikke-ubetydelige tolerancer på begge disse substraters permittivitet.  

Næste måling er måling af antennens udstrålingskarakteristik. Til det brug er der blevet fremstillet et træstativ, som ”tønden” kan spændes fast i og som gør at antennen kan roteres passende ifbm. målingerne. Nedenfor er vist et par fotos af opstillingen i det radiodøde rum. Den orange genstand til venstre på første foto er måleantennen. Vores antenne er her vist i en stilling tæt på theta = 0 grader.  

 

  Med den viste opstilling blev der lavet theta-skan fra 0 til 90 grader i to forskellige phi snit (0 og 45 grader).  

De målte gains er vist nedenfor, hvor hvert målepunkt er angivet med en ”prik”. Til sammenligning er også vist de simulerede karakteristikker. Det skal nævnes at de simulerede karakteristikker ikke indeholder tabet fra fødenetværket. De simulerede gains anslås derfor at være ca. 1 dB lavere end det viste, hvilket gør forskellen mellem det målte og det simulerede mindre.  

Overordnet set er vi ret tilfredse med antennens virkemåde.  

Den ”blinde” vinkel under raketten ser ud til at være tæt på det forventede og gainforløbet er pænt uden grimme nulpunkter. Det ses at gainfaldet vinkelret på raketten i snittet 0 grader er lidt større end beregnet, selv når fødenetværkets tab indregnes. Den målte værdi er – 6.6 dB. Designmålet var -6 dB, men den lille overskridelse er uden betydning da linkbudgettet opererer med god margin.  

Det skal nævnes at ”tønden” på ingen måde var perfekt cirkulær, men tværtimod indeholdt adskillige ”lunker”, som uden tvivl har påvirket målingerne. Derudover vil længden af ”tønden” også påvirke målingerne. Specielt vil den frekvens, som gainripplen optræder med være afhængig af ”tøndens” længde, ligesom den blinde vinkel også vil være det.  

 

Der blev ikke foretaget et egentligt phi-skan, da karakteristikken dels er ret ensartet uden de store variationer og dels er det ret besværligt at lave den måling. Udover målingerne foretaget ved 0 og 45 grader ifbm. theta scan’ne, lavede vi også et tjek ved 22.5 grader hvor gainet blev målt til -2.0 dB.  

Dvs. - ved hhv. 0, 22.5 og 45 grader måltes gain på hhv. -6.6, -2 og -1.1 dB, hvilket passer fint med formen på karakteristikken: ”Radiation Pattern 2”, som er vist tidligere i artiklen.  

Konklusion

Målinger på prototypen viser, at den designede wrap-around patch antenne er god nok som video downlink antenne. Antennen vil derfor blive implementeret på Nexø II raketten, som er under opbygning i CS.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Nu hvor du selv nævner indflydelsen af materialet som antennen er pådampet, så kom jeg til at tænke på hvad kommer der til at være på indvendige side af "røret" altså inde i raketten?

  • 1
  • 0

Det vil ikke have nogen indflydelse på hvad der sker udenpå.
Så længe raket-cylinderen er af metal med tilstrækkelig ledningsevene vil den virke som et faradaybur og kunne lige så godt være en massiv metalcylinder for så hvidt hvad antennen udenpå angår.

(jeg ved ikke lige hvad indtrængningsdybden i aluminium er for den valgte frekvens, men næppe mere end 1 mm, nok snare mikrometer)

  • 2
  • 0

Hej Ruben

Jeg tror faktisk at den dobbelt klæbende tape vil kunne holde antennen på plads under launch.
Vi har dog valgt for en sikkerheds skyld at også at skrue antennen fast.

Uden om det hele kommer så en et stykke krympeFlex Ø300 til at beskytte det tynde FR4 print.

mvh
Peter Bybjerg Mortensen

  • 5
  • 0

Kan krympeflex'en ikke påvirke antennens resonansfrekvens/afstemning?
Jeg mindes jeg engang var med til at bygge nogle antenner i den lokale EDR afdeling - Det var absolut ikke ligegyldigt hvilken type plastrør de blev indkapslet i, i forhold til afstemning af antennen.

  • 2
  • 0

Hej Axel

Du har helt ret. Krympeflexen detuner patchelementerne lidt ned i frekvens (ca 8 MHz).
Indtrimningen af impedans og de efterfølgende målinger i det radiodøde rum blev derfor foretaget med krympefleks foran elementerne.

På billederne er krympeflexen blot fjernet for bedre at vise patchene.

I den endelige version af antennen er der kompenseret for krympeflexens indvirkning.

Mvh
Morten Hagensen

  • 6
  • 0

Det er længe siden at vi holdt op med at bruge træfixturer ved måling på antenner, træ har rigtig dårlige egenskaber ved høje frekvenser. Jeg kan ikke lige gennemskue på jeres radiation pattern om der er et sammenfald med notches i de hjørner hvor træstrukturen er?

  • 1
  • 0

Det er den slags indlæg der gør at man aldrig rigtig er i tvivl om at CS nok skal klare skærene på den lange bane. Spændende læsning, i er tydeligt en forening med mange skjulte talenter, og så spilder i heller ikke tiden på at køre i karrusel

  • 11
  • 2