Дослідження параметрів і направлених властивостей планарних Wi-Fi антен

Тарасюк, Анатолій Олександрович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8250
Full metadata record
DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	Гавриш, Олександр Степанович	-
dc.contributor.author	Тарасюк, Анатолій Олександрович	-
dc.date.accessioned	2026-03-13T14:02:33Z	-
dc.date.available	2026-03-13T14:02:33Z	-
dc.date.issued	2023	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8250	-
dc.description.abstract	В даній роботі проведено моделювання напівхвильових квазі-планарних антен, які представляють собою систему з двох синфазних напівхвильових диполів, розташованих в безпосередній близькості від металевої поверхні. Підсилення таких антен достатньо високе і дорівнюватиме 10,9 дВі, а вхідний опір – достатньо низький (8 Ом). Досліджено вплив форми, розміру пластини і розміщення точки живлення планарної антени на її параметри та направлені властивості. Показано, що зміна форми пластини змінює опір антени, але не впливає на підсилення антени і форму діаграми направленості. При збільшенні ширини сторони, в яку йде живлення, опір антени зростає. Зі збільшенням висоти над екраном, збільшується паразитна індуктивність і відповідно знижується опір.	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	планарна антена	uk_UA
dc.subject	програма gal-ana	uk_UA
dc.subject	смуга частот	uk_UA
dc.subject	діаграма направленості	uk_UA
dc.subject	коефіцієнт підсилення	uk_UA
dc.subject	ксх	uk_UA
dc.title	Дослідження параметрів і направлених властивостей планарних Wi-Fi антен	uk_UA
dc.type	Bachelor Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Б_172_ТК_Тарасюк_Гавриш_2023.pdf Restricted Access		2.55 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show simple item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА 
МАШИНОБУДУВАННЯ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА 
КІБЕРБЕЗПЕКИ 
 
До захисту допущено  
завідувач кафедри РТСК 
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін  
"_____" червня 2023 року 
 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
на тему: «Дослідження параметрів і направлених властивостей  
планарних Wi-Fi антен» 
 
 Виконав студент 2(4) курсу, групи СКТК-18 
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та 
 радіотехніка» 
 Освітня програма – «Телекомунікації» 
 Тарасюк Анатолій Олександрович 
 Керівник роботи Гавриш О.С. 
 Рецензент Протасов С.Ю. 
 
 
 
 
Черкаси 2023 
Форма № Н-9.01 
Черкаський державний технологічний університет 
(назва вузу) 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки 
Освітній ступінь бакалавр 
Спеціальність 172 -  Телекомунікації та радіотехніка 
Освітня програма Телекомунікації 
 ЗАТВЕРДЖУЮ 
 Завідувач кафедри РТРСК 
 д.т.н., професор Палагін В.В. 
   
 « 16 » січня  2023 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на дипломний проект (роботу) студенту 
Тарасюку Анатолію Олександровичу 
(прізвище, ім'я, по батькові) 
1. Тема проекту (роботи) Дослідження параметрів і направлених властивостей планарних  
Wi-Fi антен 
керівник проекту (роботи) Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент 
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджена наказом по університету від « 28 »  лютого       2023 р.  № 45/04 
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 1 червня 2023 р. 
3. Вихідні дані до проекту (роботи) робоча частот 2,44 ГГц, вхідний опір антени 50 Ом, 
КСХ<2, підсилення Ga>7 дБі (Ga>3 дБі – для чвертьхвильових антен) 
 
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______ 
Вступ. 1. Конструкція та принцип дії планарних антен. 2. Системи автоматизовного  
проектування НВЧ- та антенних пристроїв. 3. Розрахунок параметрів і дослідження  
направлених властивостей планарних Wi-Fi антен в середовищі GAL-ANA. 4. Охорона праці.  
Висновки. Список використаної літератури 
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)  
13 слайдів в PowerPoint 
 
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються 
  Підпис, дата 
Розділ Прізвище, ініціали та посада  завдання         завдання 
консультанта видав прийняв 
Охорона праці Кожем’якін О.С., ст. викладач   
 кафедри геодезії, землеустрою,   
 будівельних конструкцій та   
 безпеки життєдіяльності   
    
    
 
7. Дата видачі завдання 28 лютого 2023 р. 
 
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 
№ Назва етапів дипломного                               С   т р  о  к   виконання етапів      П   р имітка 
з/п проекту (роботи) проекту (роботи) 
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 16.01.2023  
2. Ознайомлення з принципом дії планарних антен  02.02.2023  
3. Огляд систем автоматизовного проектування    
 НВЧ- та антенних пристроїв 24.02.2023  
4. Дослідження впливу форми, розміру пластини і    
 розміщення точки живлення планарної антени на її   
 параметри та направлені властивості 25.03.2023  
5. Аналіз планарних антен кругової поляризації і    
 чверть-хвильових антен 18.04.2023  
6. Розробка розділу з охорони праці 03.05.2023  
7. Оформлення пояснювальної записки та презентації 21.05.2023  
    
    
    
   
 
 Студент   Тарасюк А.О. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
Керівник проекту (роботи)   Гавриш О.С. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
 
Зміст 
Стор.   
Вступ 4 
1. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ ПЛАНАРНИХ АНТЕН 6 
1.1 Конструкція планарної антени 6 
1.2 Чвертьхвильова планарна антена 11 
1.3 Плоска інвертована F-антена (PIFA) 13 
1.4 Використання PIFA у реальному світі 17 
2. СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВНОГО ПРОЕКТУВАННЯ НВЧ- ТА  
АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ 19 
2.1 Середовище MicroWave Office 19 
2.2 Програма моделювання HFSS ANSOFT 24 
2.3 Моделювання планарної антени в САПР Momentum компанії Agilent 27 
2.4 Моделювання дротових антен в програмі 4nec2 33 
3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРАВЛЕНИХ  
ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЛАНАРНИХ WI-FI АНТЕН В СЕРЕДОВИЩІ GAL-ANA 37 
3.1 Постановка задачі 37 
3.2 Напівхвильові квазі-планарні антени 38 
3.3 Вплив форми пластини, її розміру та положення точки живлення  
планарної антени на її параметри та направлені властивості 43 
3.4 Дослідження планарної антени кругової поляризації 50 
3.5 Чвертьхвильові планарні антени 55 
4. ОХОРОНА ПРАЦІ  59 
4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника  
дослідницької лабораторії 59 
4.2 Модернізація системи загального штучного освітлення 66 
Висновки 72 
Список використаної літератури 74 
 
 
Вступ 
 
При конструюванні мобільних засобів зв'язку для різних видів транспорту 
особливо ефективні планарні, або низькопрофільні, антени. Вони легко 
інтегруються в корпус літака, дахи автомобілів і вагонів. Висота профілю таких 
антенних систем не перевищує 20 мм. Не менш ефективні планарні антенні 
системи в переносних засобах зв'язку, зважаючи на те, що дозволяють досягти 
дуже високого ступеня інтеграції елементів і компактності.  
Домогтися мінімальної висоти профілю дозволяє технологія виробництва 
антенних систем на основі багатошарових друкованих плат (БДП). При цьому 
підході ефективно вирішуються проблеми зниження габаритів і маси 
радіоелектронних засобів та одночасно досягаються досить високі для мобільних 
засобів зв'язку електродинамічні характеристики.  
Планарна антена першого покоління розроблена у вісімдесяті роки і була 
виконана за хвилеводно-щілинною технологією і для свого часу володіла 
достатньо високими електродинамічними характеристиками, але була 
надзвичайно трудомістка і матеріалоємна при виготовленні. На наступному етапі 
розвитку була застосована мікрострічкова технологія на основі двосторонніх 
друкованих НВЧ-плат з фольгованого діелектрика.  
В одному шарі виконуються опромінювачі і комутаційні лінії, в іншому 
шарі – «земля». Ця суттєва зміна підходу до конструкції і технології планарних 
антен дозволила докорінно переглянути базову технологію і виключити 
трудомісткі і дорогі технологічні операції механічної обробки з поетапною 
термостабілізацією, монтажу і пайки перегородок і штирів в спеціальних 
технологічних умовах, гальванічного сріблення. Планарні антени за цією 
технологією були розроблені та впроваджені у серійне виробництво в 2002 році. 
Цей період розвитку технології слід розглядати як друге покоління планарних 
антен на основі двосторонніх друкованих плат. В даний час йде розвиток 
технологій третього покоління. Головна відмінність нової технології – це 
тривимірна структура НВЧ-пристроїв на основі БДП.  
Для якісного проектування та аналізу властивостей планарних антен 
необхідно застосовувати імітаційне моделювання, оскільки аналітичні методи 
розрахунку надзвичайно громіздкі.  
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.  
Бакалаврська робота виконана в рамках наукових досліджень по 
комп’ютерному моделюванню антен, що проводяться співробітниками кафедри 
РТСК Черкаського державного технологічного університету.  
Метою роботи є чисельний розрахунок параметрів та дослідження 
направлених властивостей планарних антен діапазону Wi-Fi 2440 МГц засобами 
програми GAL-ANA. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
• провести огляд конструкцій мікрополоскових антен НВЧ діапазону і 
проаналізувати їх параметри та характеристики; 
• проаналізувати функціональні можливості програми GAL-ANA і 
можливість її використання для дослідження планарних антен; 
• дослідити вплив форми, розміру пластини і розміщення точки живлення 
планарної антени на її параметри та направлені властивості; 
• дослідити параметри і направлені властивості чвертьхвильової планарної 
антени. 
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що за 
допомогою оптимізації віртуальних моделей можна досягти заданих параметрів 
антени. 
1. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ ПЛАНАРНИХ АНТЕН 
 
1.1 Конструкція планарної антени 
 
Мікрополоскові або планарні антени стають все більш корисними, оскільки 
їх можна друкувати безпосередньо на друкованій платі. Мікрополоскові антени 
стають дуже поширеними на ринку мобільних телефонів. Планарні антени мають 
низьку вартість, низький профіль і легко виготовляються. 
Розглянемо мікросмугову антену, зображену на рис.1.1, що живиться 
мікрополосковою лінією передачі. Планарна антена, мікрополоскова лінія 
передачі та заземлювач виготовлені з металу з високою провідністю (зазвичай 
міді).  
 
а)  
 
б)  
Рисунок 1.1 – Геометрія планарної антени: а) вид зверху; б) вид збоку 
Антена має довжину L , ширину W і розташована на поверхні деякою 
діелектричної плати товщиною h з діелектричною проникністю  . Товщина 
мікрополоски не є критично важливою. Зазвичай висота h набагато менша, ніж 
довжина робочої хвилі, але вона не повинна бути набагато меншою, ніж 0,025 
довжини хвилі (1/40 довжини хвилі), інакше ефективність антени буде погіршена. 
Частота роботи планарної антени визначається довжиною L. Центральна 
частота буде приблизно задана: 
 
 
 
Вищезазначене рівняння говорить, що планарна антена повинна мати 
довжину, рівну половині довжини хвилі в діелектричному середовищі. 
Ширина W  планарної антени контролює вхідний опір. Більша ширина 
також може збільшити пропускну здатність. Для прямокутної антени вхідний 
опір буде близько 300 Ом. Збільшуючи ширину, імпеданс можна зменшити. 
Однак для зменшення вхідного опору до 50 Ом часто потрібна дуже широка 
планарна антена, яка займає багато цінного місця. Ширина додатково контролює 
діаграму випромінювання. Нормована діаграма випромінювання приблизно 
описується виразом: 
 
У наведених вище виразах k - хвильове число, задане 2 /  . Величина полів, 
задана: 
 
Поля планарної антени зображено на рис.1.2 для W = L = 0,5 . 
Спрямованість планарної антени становить приблизно 5-7 дБ. Поля лінійно 
поляризовані. 
 
 
Рисунок 1.2 – Нормалізована діаграма випромінювання для планарної антени 
 
Розглянемо розподіл полів квадратної планарної антени. Припустимо, що 
підкладкою є повітря (або пінопласт, з діелектричною проникністю, рівною 1), і 
що L = W = 1,5 метра, так що антена повинна резонувати на 100 МГц. Висота h 
приймається 3 см. Мікрополоски зазвичай виготовляються для більш високих 
частот, так що на практиці вони набагато менші. При підключенні до 
навантаження 200 Ом величина S11 показана на рис.1.3. 
 
Рисунок 1.3 – Залежність коефіцієнту відбиття S11 від частоти  
Деякі варті уваги спостереження видно з рис.1.3. По-перше, смуга 
пропускання планарної антени дуже мала. Прямокутні  планарні антени, як 
відомо, вузькосмугові; ширина смуги прямокутних мікросмугових антен зазвичай 
становить 3%. По-друге, мікросмугова антена була розроблена для роботи на 
частоті 100 МГц, але вона резонансна приблизно на 96 МГц. Цей зсув 
обумовлений розподілом полів навколо антени, що робить ділянку уявно 
довшою. Отже, при проектуванні планарної антени її зазвичай обрізають на 2-4% 
для досягнення резонансу на бажаній частоті. 
Розподіл поля навколо антени може допомогти пояснити, чому 
мікрполоскова антена випромінює. Розглянемо вигляд збоку планарної антени, 
показаної на рис.1.4. Оскільки сила струму на кінці планарної антени дорівнює 
нулю (розімкнутий кінець ланцюга), сила струму максимальна в центрі 
напівхвильової ділянки і (теоретично) нуль на початку. Це низьке значення 
струму на вході частково пояснює, чому імпеданс високий. 
 
Рисунок 1.4 – Вид збоку планарної антени з Е-полями 
 
Оскільки планарну антену можна розглядати як розімкнуту ланцюг 
передачі, коефіцієнт відбиття напруги буде дорівнювати 1. Коли це відбувається, 
напруга та струм не співпадають по фазі. Отже, в кінці планарної антени напруга 
знаходиться в максимумі. На вході планарної антени (на відстані півхвилі) 
напруга повинна бути мінімальною. Отже, поля під планарною антеною будуть 
нагадувати поля на рис.1.4, де приблизно відображається розподіл полів по краях. 
Саме розподіл поля відповідає за випромінювання. Звернемо увагу, що 
поля окантовки біля поверхні планарної антени знаходяться в напрямку + y. 
Отже, Е-поля , що розподілені на краю мікрополоскової антени, складаються у 
фазі і випромінюють. Струм також збільшується по фазі на планарній антені; 
однак рівний струм, але з протилежним напрямком, знаходиться на площині 
землі, що унеможливлює випромінювання. Це також пояснює, чому 
мікрополоскова антена випромінює, а мікрополоскова лінія передачі - ні. 
Випромінювання  мікрополоскової антени виникає від полів, які зумовлені 
вигідним розподілом напруги; отже випромінювання виникає внаслідок напруги, 
а не струму. Отже, планарна антена є «випромінювачем напруги», на відміну від 
дротяних антен , які випромінюють, оскільки струми складаються у фазі і, отже, є 
«випромінювачами струму». 
Зазначимо, чим менша  , тим більше «похиленими» стають поля з 
окантовкою; вони поширюються далі від комірки. Тому використання меншої 
діелектричної проникності для підкладки дає краще випромінювання. Навпаки, 
при створенні  мікрополоскової лінії передачі (там, де не потрібно 
випромінювати потужність), для   бажане високе значення, щоб поля були 
щільніше утримувані (менше окантовки), що призводить до меншого 
випромінювання. Це один із компромісів у дизайні антени з накладними 
антенами. Роблять так, щоб окремі діелектрики (різні діелектричні властивості) 
використовувались під ділянкою антени та лініями електропередачі, щоб обійти 
цю проблему. 
Дизайнери антен завжди шукають креативні шляхи підвищення 
продуктивності. Одним із методів, що застосовується при проектуванні антени, є 
введення коротких контактів (від планарної антени до площини землі) в різних 
місцях. Щоб проілюструвати, як це може допомогти, буде розглянуто два 
варіанти конструктивної реалізації планарної антени з довжиною чверть хвилі, 
яка приводить до конструкції плоскої інвертованої F-антени (PIFA). 
 
1.2 Чвертьхвильова планарна антена 
 
Планарна антена довжиною чверть хвилі, закорочена на дальньому кінці, 
показана на рис.1.5. 
 
Рисунок 1.5 – Чвертьхвильова планарна антена із короткою перемичкою на кінці 
 
Оскільки планарна антена замикається в кінці, сила струму в кінці антени 
не перестає бути рівною нулю. Як результат, ця антена насправді має такий 
самий розподіл струму і напруги, як і напівхвильова антена. Однак поля 
окантовки, які відповідають за випромінювання, закорочені на дальньому кінці, 
тому випромінюють лише поля, найближчі до лінії електропередачі. Отже, 
коефіцієнт підсилення антени зменшується, але планарна антена зберігає ті самі 
основні властивості, що і напівхвильова антена, але зменшується в розмірі на 
50%. 
Короткий штифт також може бути використаний при вході до планарної 
антени, як показано на рис.1.6. 
 
Рисунок 1.6 – Чвертьхвильова планарна антена  
із замикаючою перемичкою на вході 
 
Здається, що замикаючий штир зводить нанівець будь-яку потужність, що 
подається до антени. Однак, оскільки планарні антени є високочастотними 
пристроями (зазвичай використовуються на частоті > 1 ГГц), короткий штифт 
фактично вводить паралельну індуктивність до імпедансу антени. Еквівалентна 
схема вищезазначеної антени показана на рис.1.7. Опір антени задається ZA, а 
короткий штифт вводить реактивний опір, рівний jX. 
 
Рисунок 1.7 – Еквівалентна схема чвертьхвильової планарної антени  
із замикаючою перемичкою на вході 
 
Вплив паралельної індуктивності зміщує резонансну частоту антени. 
Зокрема, паралельно два компоненти призвели б до додавання їх провідностей 
(Y=1/Z). Отже, до провідності планарної антени додано 1/(jX). Таким чином, 
резонансна частота може бути змінена. 
Крім того, короткий штифт може стати ємнісним, якщо замість того, щоб 
продовжуватись аж до площини землі, він залишиться дещо вище. Це вводить ще 
один конструктивний параметр для оптимізації продуктивності. 
 
1.3 Плоска інвертована F-антена (PIFA) 
 
Антена Planar Inverted-F (PIFA) все частіше використовується на ринку 
мобільних телефонів. Антена є резонансною на довжині чверті хвилі (таким 
чином зменшуючи необхідний простір на телефоні), а також, як правило, має 
хороші властивості випромінювання. Ця антена нагадує перевернуту літеру F, що 
пояснює назву PIFA. Антена Planar Inverted-F популярна, оскільки вона має 
низький профіль і всеспрямовану діаграму направленості (ДН). Конструкція PIFA 
зображено збоку на рис.1.8. 
 
Рисунок 1.8 – Плоска інвертована F-антена (PIFA) 
 
PIFA є резонансною на довжині чверті хвилі завдяки короткому штифту на 
кінці. Подача сигналу розміщується між відкритим і замкнутим кінцем, і 
положення контролює вхідний опір. У PIFA короткий штифт може бути 
пластиною, як показано на рис.1.9: 
 
Рисунок 1.9 – Плоска інвертована F-антена (PIFA) з площиною, що замикає 
На рис.1.9 ми маємо PIFA довжиною L1, шириною L2. Короткий штифт  
має ширину W і починається з одного краю PIFA. Точка подачі знаходиться 
вздовж того ж краю. Точка подачі живлення розташована на відстані D від 
короткого штифта. PIFA і знаходиться на висоті h від земної площини. PIFA 
розміщується на діелектрику з діелектричною проникністю  , як на планарній 
антені. 
Опір PIFA можна регулювати за допомогою відстані подачі до короткого 
штифта (D). Чим ближче точка подачі живлення до короткого штифта тим 
менший опір; імпеданс можна збільшити, перемістивши його далі від короткого 
краю. В PIFA можна налаштувати вхідний імпеданс за цим параметром. 
Резонансна частота PIFA залежить від W . Якщо W = L2, тоді короткий 
штифт проходить по всій ширині комірки. У цьому випадку PIFA є резонансною 
(має максимальну ефективність випромінювання), коли: 
 
 
 
Припустимо, що W = 0, тобто перемичка перетворюється в тонкий дріт (або 
припустимо W << L2). Тоді PIFA є резонансною на: 
 
 
 
Розберемося чому резонансна довжина PIFA залежить від довжини штифта 
W. Інтуїтивно представимо як випромінює антена з довжиною чверть хвилі. Їй 
потрібна довжина чверті хвилі простору між краєм і зоною короткого замикання. 
Якщо W = L2, то відстань від одного ребра до короткого замикання просто L1 , 
що описується першим рівнянням. 
У випадку коли W=0 саме окантовувальні поля вздовж кромки породжують 
випромінювання в мікросмугових антенах, ми бачимо, що довжина від 
розімкнутого випромінюючого краю (дальнього краю на рис.1.9) до короткого 
замикання в середньому дорівнює L1+L2. Можна переконатися в цьому, 
вимірявши відстань від будь-якої точки на дальньому краю PIFA до короткого 
штифта. Шлях за годинниковою стрілкою та проти годинникової стрілки завжди 
складає 2(L1+L2), тому в середньому резонанс буде виникати, коли довжина 
шляху (L1+L2) дорівнює чверті хвилі. 
Загалом, ми можемо наблизити резонансну довжину PIFA як функцію її 
параметрів як: 
 
 
 
Припустимо, що L1 = 10 см, L2 = 5 см, W = 2 см, і відносна діелектрична 
проникність  = 4. Резонансну частоту можна знайти з рівняння: 
 
 
 
У останньому рівнянні використовувалося одне з основних рівнянь антени, 
що стосується довжини хвилі, швидкості світла та діелектричної проникності: 
 
 
 
Ємнісне завантаження в антенах PIFA. Припустимо, ми хочемо ще більше 
зменшити довжину досліджуваної PIFA. Зазвичай для цього прийнято 
використовувати ємнісне навантаження в антенах PIFA. У цій конструкції ми 
додаємо ємність до антени PIFA, між точкою подачі та відкритим краєм. Це 
проілюстровано на рис.1.10: 
 
 
Рисунок 1.10 – Ємнісне навантаження в PIFA 
 
Праворуч від точки подачі живлення на рис.1.10 маємо коротке замикання 
на землю. Коротке замикання з малою часткою довжини хвилі можна розглядати 
як паралельну індуктивність до землі, що впливає на вхідний імпеданс антени. 
Аналогічно, розімкнутий ланцюг і плече ліворуч від точки подачі живлення на 
рис.1.10 можна розглядати як конденсатор. Відстані від входу до короткого 
штифта або входу до відкритого краю PIFA визначають індуктивність та ємність 
відповідно. У певному сенсі підбираються відстані, щоб можна було 
збалансувати індуктивність та ємність. 
Отже, якщо скоротити довжину PIFA, ми втрачаємо частину ємності 
ліворуч від точки подачі живлення на рис.1.10. Щоб компенсувати це, додаємо 
паралельну ємність, і все залишається збалансованим (з точки зору імпедансу) і 
PIFA випромінює. 
Цей прийом працює, але треба бути обережним, оскільки втрачається 
ефективність випромінювання і пропускна здатність PIFA також зменшиться. Не 
можна просто зменшити розмір PIFA, замінити його ємністю і очікувати, що все 
буде однаково: не можливо отримати щось даремно; антенна інженерія полягає в 
компромісах. 
 
1.4 Використання PIFA у реальному світі 
 
Планарні антени, зокрема і конструкція PIFA, широко використовуються в 
сучасних пристроях: комп’ютерній техніці, побутових приладах, мобільному 
зв’язку, комп’ютерних мережах тощо. 
Як приклад, розглянемо Samsung Galaxy S - це андроїд-смартфон, який 
працює в мережах GSM і CDMA. Це означає, що частота становитиме 850 та 1900 
МГц, для чого потрібна одна передавальна / приймальна антена та одна 
приймальна антена (відома як антена рознесення). Антени телефону показані у 
звіті FCC, наведеному нижче: 
 
Рисунок 1.11 – Типи та розташування антен на Samsung Galaxy S. 
 
Телефон має 6 антен, як показано на рис.1.11. Стільникова антена Tx / Rx - 
це синій квадрат знизу, а широкосмугова стільникова антена - у верхній лівій 
області. Антена GPS (1,575 ГГц) знаходиться зверху, а антена WIFI (яка є 
двосмуговою відповідно до звіту FCC, що працює на частоті 2,4 ГГц і 5 ГГц) - 
зелений квадрат внизу праворуч. Цей телефон також має антени WiMax 
(працюють на частоті 2,6 ГГц), одну для Tx / Rx, а іншу як широкосмугову антену 
(лише Rx). 
Всі ці антени є PIFA. Існує одна велика площина заземлення, яка підтримує 
друковану плату та сенсорний екран, і це є площиною заземлення для всіх антен. 
Важливо зазначити, що навіть незважаючи на те, що звіт FCC позначає конкретні 
регіони як антени, вся антена складає землю (тобто весь телефон). Тобто - якщо 
відрізати землю, телефон не буде добре випромінювати на низькій частоті 850 
МГц (де довжина напівхвилі становить 17 см). 
Крім того, звіт про питомий коефіцієнт поглинання (SAR) для цього 
телефону дає дуже низьке значення пікового коефіцієнта питомого поглинання, 
рівне 0,402 Вт/кг, усереднене на 1 г тканини (обмеження FCC для продажу 
телефону в США становить 1,6 Вт/кг). Це вигідна властивість PIFA: оскільки 
випромінювання знаходиться далеко від заземлення (у напрямку до задньої 
частини телефону), енергія спрямовується в сторону від голови, що дає низьке 
значення для SAR. 
2. СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВНОГО ПРОЕКТУВАННЯ НВЧ- ТА 
АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ 
  
2.1 Середовище MicroWave Office  
 
Програма Microwave Office (Applied Wave Research)зараз є сучасним 
пакетом проектування планарних НВЧ-пристроїв, що включає засоби розробки та 
моделювання лінійних та нелінійних схем, 2.5D-електромагнітного аналізу 
планарних структур, топологічний редактор, великі набори бібліотек елементів із 
зосередженими та розподіленими параметрами (рис.2.1). 
Рахункове ядро програми може працювати як у частотній, так і часовій 
областях, і дозволяє виконувати такі види аналізу схем: 
• одночастотний та багаточастотний методи гармонічного балансу для 
аналізу нелінійних схем; 
• аналіз на основі рядів Вольтерра; 
• аналіз змішувачів (також званий конверсійно-матричним аналізом); 
• високошвидкісний метод лінійного аналізу; 
• високошвидкісний метод аналізу шумів; 
• аналіз перехідних процесів. 
У той час, як існуючі реалізації методу гармонічного балансу, побудовані 
на базі коду, розробленого для схемотехнічного аналізу низькочастотних 
аналогових схем, пакет Microwave Office був розроблений виключно для ВЧ- та 
НВЧ-додатків. Це робить його значно швидше за всі існуючі продукти. 
Наприклад, стало можливим, використовуючи метод гармонійного балансу, 
налаштовувати нескладні нелінійні схеми в реальному часі. 
Багато можливостей пакета Microwave Office просто недоступні в існуючих 
системах моделювання. Наприклад, застосування методу аналізу на основі рядів 
Вольтерра, що є найшвидшим методом аналізу інтермодуляційних спотворень у 
наближено-лінійних схемах, дозволяє збільшити швидкість аналізу в 10...100 
разів у порівнянні з методом гармонічного балансу. Більш того, аналіз на основі 
рядів Вольтерра легко інтегрується з методом лінійного аналізу, що дозволяє 
оптимізувати коефіцієнт шуму і такі лінійні характеристики, як коефіцієнт 
передачі, коефіцієнт стоячої хвилі входів, одночасно з рівнем інтермодуляційних 
складових. 
Для аналізу інтермодуляційних спотворень у змішувачах пакет Microwave 
Office використовує ряди Вольтера, що змінюються в часі, на думку розробників 
програми, єдиний точний і реальний спосіб вирішити це завдання. 
 
Рисунок 2.1 – Вікно програми Microwave Office 
  
Однак багаточастотний метод гармонійного балансу не здає своїх позицій, і 
Microwave Office підтримує його, але, на відміну від інших продуктів, пропонує 
більш швидке рішення за рахунок використання найсучаснішої технології 
моделювання. 
Лінійний, нелінійний та шумовий методи аналізу реалізуються в пакеті 
Microwave Office надзвичайно ефективно. Висока швидкість тут є наслідком 
об'єктно-орієнтованого підходу, а також те, що система рівнянь формується 
безпосередньо зі схематичного уявлення без додаткового перетворення списку 
з'єднань схеми у файл. В результаті користувачі мають можливість 
налаштовувати та оптимізувати параметри схем у режимі реального часу. 
Простим клацанням миші можна змінити, наприклад, довжину шлейфу, а потім 
спостерігати за зміною характеристик схеми на діаграмі Сміта або на графіках 
залежно від руху миші (рис.2.2). 
У Microwave Office компанія AWR реалізувала обчислювальне ядро, що 
інтегрує власну математику та алгоритми HSpice компанії Synopsys. В результаті 
взаємодії двох компаній стала можливою розробка нових моделей, бібліотек 
елементів та вимірювань, що використовують аналіз у часовій області. Доступні 
раніше лише для аналізу в частотній області EM-моделі мікросмужкових та 
щілинних ліній тепер можна використовувати як стандартні Spice-елементи. 
Аналогічно підтримуються елементи, описані матрицями S-параметрів. 
Бібліотеки елементів містять понад 500 моделей зосереджених та 
розподілених елементів, а також понад 150 000 компонентів різних фірм-
виробників. Сюди входять смужкові, мікросмужкові та копланарні, активні та 
пасивні, різні стандартні підкладки (наприклад, компанії Rogers), а також багато 
інших поширених елементів, що використовуються для побудови ВЧ-схем. 
У випадках, коли правильна модель пристрою відсутня або ефект близького 
розташування елементів підриває точність моделі, користувачі можуть 
звернутися до модуля 2.5D-електро-магнітного моделювання, що використовує 
метод моментів Гальоркіна. Якщо необхідно виконати повне тривимірне 
моделювання мікросмужкового елемента, це може бути зроблено за допомогою 
зовнішньої програми 3D-електродинамічного аналізу, обмін даними з якою 
здійснюється через спеціальний інтерфейс EM Socket, що використовує COM-
технологію для інтеграції з системами моделювання інших фірм. Поточна версія 
Microwave Office підтримує спільний аналіз із системами Sonnet Suite, Zealand 
IE3D, Analyst та CST Microwave Studio. 
 
Рисунок 2.2 –  Результати роботи програми Microwave Office 
  
Потужні графічні можливості Microwave Office дозволяють користувачеві 
спостерігати кольорове тривимірне анімаційне зображення струмів високої 
частоти, на якому відображається не тільки амплітуда, а й напрямок цих струмів, 
що дає нове уявлення про поведінку НВЧ-структур. Крім того, є широкий набір 
«традиційного» подання розрахункових даних: діаграми Сміта, графіки в 
декартовій та полярній системах координат, таблиці даних. 
Засоби електромагнітного моделювання Microwave Office дозволяють 
виконувати аналіз антен у дальній зоні, зокрема побудова діаграм спрямованості 
RHCP, LHCP, EPHi та ETheta. Є можливість екстракції еквівалентної схеми 
заміщення антени на зосереджених елементах (вивід у вигляді списку з'єднань у 
форматі Spice). 
Одним із найпотужніших модулів програми є редактор топологій, що 
працює в режимі гарячого зв'язку з редактором схем. Кожному елементу на схемі 
бібліотеці відповідає його топологічний еквівалент. Більшість таких елементів 
вже розроблені компанією AWR, але редактор має багаті можливості для 
створення нових, запозичення та зміни вже наявних елементів. Таким чином, 
топологія створюється автоматично в міру створення схеми. Зміна параметрів 
елементів схеми спричиняє відповідну зміну топології. І навпаки, зміна малюнка 
у редакторі топологій змінює параметри планарних елементів на схемі. 
У редакторі топологій присутній модуль контролю топологічних норм 
Design Rule Checking (DRC), що дозволяє відстежувати мінімальну ширину 
мікросмужкових ліній, зазори між двома міжшаровими з'єднаннями на різних 
шарах, перекриття елементів, розташованих на різних шарах, видалення 
елементів, розташованих в різних шарах; наявність невеликих проміжків між 
торцями елементів, не виявлених візуально (рис.2.3). Зручна система перегляду 
та усунення виявлених порушень дозволяє значно підвищити ефективність праці 
розробників монолітних НВЧ-мікросхем (MMIC). 
 
Рисунок 2.3 – Моделювання смужкової антени в Microvave Office 
 
2.2 Програма моделювання HFSS ANSOFT  
 
Корпорація Ansoft, що входить до складу компанії Ansys, займаєся 
розробками ПЗ для автоматизації проектування електронних приладів та 
пристроїв. Одним із продуктів компанії є САПР HFSS (рис.2.4). 
 
Рисунок 2.4 – Вікно програми HFSS 
 
HFSS – це стандартизований у промисловості інструмент для моделювання 
тривимірних електромагнітних полів. Технологія HFSS дозволяє виконувати 
розрахунок електричних та магнітних полів, струмів, S-параметрів, 
випромінювань полів у ближній та дальній зоні. Процес виконання розрахунку 
повністю автоматизований, користувачеві необхідно лише визначити геометричні 
параметри, властивості матеріалів і бажаний результат. HFSS автоматично 
побудує точну сіточну модель, що відповідає конкретному випадку, для 
вирішення задачі за допомогою методу кінцевих елементів. У технології HFSS 
фізика визначає параметри сіткової моделі, а не навпаки. Модуль HFSS може 
бути пов'язаний з Ansys Mechanical та Ansys DesignXplorer для виконання 
міждисциплінарного аналізу та вивчення можливостей оптимізації виробу. 
Технологія HFSS є надійним інструментом, який використовується при розробці 
високошвидкісних компонентів, у тому числі розташованих на кристалі пасивних 
компонентів, корпусів інтегральних схем, сполучних елементів друкованих плат 
та ВЧ-компонентів, таких як антени, НВЧ/ВЧ-компоненти, біомедичні пристрої 
(рис.2.5). 
HFSS дозволяє розраховувати S, Y, Z-параметри, візуалізувати тривимірні 
електромагнітні поля та випромінювання, створювати Spice-сумісні моделі для 
розрахунку якості сигналу. 
 
Рисунок 2.5 – Вікно результатів роботи програми HFSS 
  
Використання HFSS дозволяє вирішувати завдання розрахунку 
радіочастотних та мікрохвильових пристроїв, наприклад, при розробці ВЧ-
компонентів, що застосовуються в приймаючих та передаючих частинах 
комунікаційних систем, радіолокаційних системах, супутниках та стільникових 
телефонах (рис.2.6). Крім того, HFSS використовується для розрахунку 
електромагнітної взаємодії між сполучними елементами, лініями 
електропередачі, перехідними отворами друкованих плат, а також для розрахунку 
високошвидкісних компонентів, які застосовуються в комп'ютерних серверах, 
пристрої зберігання даних, мультимедійних ПК, розважальних і 
телекомунікаційних системах. 
 
Рисунок 2.6 – Модель антени із частотою 350 МГц, встановленої на винищувач-
бомбардувальник F-35: діаграма спрямованості випромінювання 
 
HFSS може вирішувати такі завдання: 
• моделювання тривимірного електромагнітного поля; 
• кінцеві елементи, що описуються тангенціальними векторами; 
• автоматичне адаптивне створення та згущення сітки; 
• розрахунок S, Y, Z-параметрів через трансфінітні елементи; 
• відновлення моделі, автоматичне визначення властивостей, керування 
роздільною здатністю сіткової моделі, відмовостійкі алгоритми побудови 
сітки при імпорті моделі з CAD-системи; 
• базисні функції нижчого, середнього та вищого порядків; 
• прямі та ітераційні вирішувачі матриць (можливість для 64-бітних систем); 
• узагальнені багаторежимні описи портів, у тому числі портів з великими 
втратами та портів Флоке; 
• автоматичне призначення керованих портів; 
• різні випадкові джерела електромагнітних полів, у тому числі диполі та 
довільні плоскі хвилі. 
 
2.3 Моделювання планарної антени в САПР Momentum компанії 
Agilent 
 
Розглянемо спільне ЕМ-схемотехнічне моделювання, що дозволяє 
врахувати вплив низькочастотних елементів, відповідальних за перемикання 
поляризації WLAN антени. Такий метод дозволяє збуджувати WLAN антени 
безпосередньо від лінійного або нелінійного симулятора ланцюга і обійтися без 
ручного перенесення даних. 
Антени побутових бездротових пристроїв повинні бути невеликими і мати 
хороші характеристики при досить низькій ціні. Розглянемо приклад конструкції 
такої антени, що складається з двох ортогональних дипольних WLAN антен на 
друкованій платі зі склотекстоліту FR4, які працюють на частоті 2,4 ГГц 
пристроїв WLAN. При вертикальній орієнтації друкованої плати вертикальний та 
горизонтальний диполі передають та приймають сигнали вертикальної чи 
горизонтальної поляризації відповідно. 
Створивши схему, яка виявляє і включає WLAN антену з найбільш сильним 
сигналом, ми можемо використовувати принцип рознесення поляризації для 
зниження впливу багатопроменевих відбитків і перешкод у бездротових мережах 
WLAN. Геометрична конфігурація та розміри дипольної антени показані на 
рис.2.7. 
 
Рисунок 2.7 – Трьохвимірна модель і розміри планарної антени з частотою 2,4 ГГц 
 
Конструкція антени моделювалася за допомогою САПР Momentum 
компанії Agilent - рішення для планарного тривимірного ЕМ-моделювання. 
Висока швидкість моделювання дозволяє глибше аналізувати поведінку WLAN 
антени за зміни її геометрії чи властивостей матеріалів, з яких вона виготовлена. 
На рис.2.8 показано вплив діелектричної проникності матеріалу FR4 (при 
зміні в діапазоні від 4,2 до 5,0) на резонансну частоту диполя. Видно, що 
підвищення діелектричної проникності призводить до зниження резонансної 
частоти, чого слід очікувати, оскільки електрична довжина диполя перевищує 
зменшену довжину хвилі в підкладці з високою діелектричною проникністю. 
Такий аналіз особливо важливий під час проектування недорогих пристроїв, що 
допускають розкид електричних параметрів. 
 
Рисунок 2.8 – Вплив діелектричної проникності матеріалу  
на резонансну частоту планарної антени 
 
Додаткову інформацію можна отримати, розглянувши вплив змін геометрії 
на перебіг поверхневих струмів WLAN антени, як показано на рис.2.9. Діаграма 
поверхневих струмів корисна для діагностики причин неузгодженості або 
небажаного взаємовпливу, оскільки розподіл щільності струму відображається 
різними відтінками кольору і може анімуватися шляхом свипування фази в межах 
більше 360 градусів. Анімація поверхневих струмів дипольної WLAN антени 
корисна для виявлення і усунення точок, у яких виникає паразитний зв'язок із 
сусідніми структурами, відбиття чи резонанс. Це дозволяє побачити та 
скоригувати струми, що наводяться у сусідніх структурах, або непередбачені 
резонанси, що виникають через особливості геометрії. Такий метод значно 
точніший і ефективніший, ніж багаторазові повороти плати та налаштування із 
застосуванням традиційних методів підрізування та перевірки. 
 
Рисунок 2.9 – Діаграма поверхневих струмів планарної антени 
 
Технологія моделювання із застосуванням методу моментів (MOM), що 
використовується у рішенні Momentum, ґрунтується на припущенні про 
нескінченну діелектричну площину. У ситуаціях, коли потрібно враховувати 
вплив кінцевих розмірів діелектрика (наприклад, якщо друкований диполь 
розташований дуже близько до країв друкованої плати), можна застосовувати 
повне тривимірне моделювання ЕМ за методом кінцевих елементів (FEM). На 
рис.2.10 показано процес моделювання в системі електромагнітного 
проектування EMDS компанії Agilent. При переміщенні диполя з 5 до 2 мм від 
краю друкованої плати спостерігається зміщення резонансної частоти майже на 
100 МГц. 
 
Рисунок 2.10 – Результати моделювання в середовищі EMDS 
 
Розраховані діаграми випромінювання диполя у дальній зоні, отримані в 
САПР Momentum та EMDS відповідно, представлені на рис.2.11. 
 
Рисунок 2.11 – Діаграми випромінювання диполя у дальній зоні,  
отримані в Momentum  (а) та EMDS (б) 
 
Поле диполя в дальній зоні, отримане за методом моментів (MOM), не 
показує випромінювання в площині друкованої плати через властиве методу 
MOM припущення про її нескінченні розміри. Оскільки EMDS не потребує 
припущення про нескінченний розмір діелектрика, діаграма випромінювання в 
дальній зоні виходить точніше, ніж методом моментів, який не показує 
випромінювання в площині гіпотетичної нескінченної друкованої плати. Більш 
точний розрахунок поля в дальній зоні забезпечує метод кінцевих елементів 
(FEM), який демонструє більш рівномірний тороїдальний розподіл 
випромінюваної потужності, що видно при зміні кольорових відтінків. 
Для максимально ефективного застосування методу рознесення поляризації 
диполі селективно включаються і відключаються комутатором на PIN-діоді. При 
цьому необхідно враховувати: 
• вплив комутатора на загальні характеристики WLAN антени; 
• вплив одного диполя на інший; 
• узгодження комутатора з антеною та трансівером. 
 
Рисунок 2.12 – Схема спільного моделювання двох диполів і ланцюга комутації 
 
Ці ефекти можна проаналізувати шляхом спільного ЕМ-схемотехнічного 
моделювання за допомогою рішення Momentum, що працює у складі системи 
автоматизованого проектування ADS, що дозволяє спільно аналізувати та 
оптимізувати дві антени та ланцюг комутації. Таке моделювання можна 
застосовувати для адаптивного узгодження WLAN антени та формування 
діаграми спрямованості під керуванням DSP. На рис.2.12 показана схема 
спільного моделювання двох диполів і ланцюга комутації, в якій вибір 
поляризації виконується шляхом подачі керуючого напруги +5 або -5 на PIN-діод, 
розташований в основі кожного диполя. Коефіцієнт відбиття S11, отриманий із 
загального сигналу двох диполів, показано на рис.2.13.  
Тепер, якщо потрібно оптимізувати резонансну частоту диполя або 
узгодження S11 шляхом зміни геометрії або параметрів ланцюга комутації, 
можна виконати спільну оптимізацію ЕМ-схемотехнічної в ADS. Аналогічні 
методи можна використовувати для розрахунку адаптивного узгодження WLAN 
антен або систем формування діаграми спрямованості під керуванням DSP у 
програмних радіосистемах, де одна антена має працювати на різних частотах із 
різними смугами пропускання. Також цей метод корисний при адаптивному 
перемиканні конденсаторних матриць для узгодження змін WLAN антени в 
стільниковому телефоні, що працює на різних відстанях від абонента. 
 
Рисунок 2.13 – Коефіцієнт відбиття S11, отриманий із сигналу двох диполів 
 
 
 
2.4 Моделювання дротових антен в програмі 4nec2 
 
Зупинимося докладніше на програмі 4nec2, яка поширюється безкоштовно і 
за своїми функціональними можливостями близька до програми GAL-ANA, що 
використовується даній роботі. 
Після запуску програми можна почати редагувати новий файл або відкрити 
вже створений (з програмою поставляється база з кількох десятків моделей 
антен). Вони знаходяться в папці \4nec2\models. Почати роботу можна з 
редактора геометрії, який запускається натисканням клавіші F6 або відповідної 
іконки верхнього меню. 
В редакторі є кілька вкладок. Почнемо з вкладки "Symbols". У цьому 
редакторі можна вставляти формули і робити моделі антен масштабованими, 
проставляючи розміри не в міліметрах, а частках довжини хвилі. Змінюючи один 
рядок, можна миттєво змінити всі розміри антени пропорційно до нової частоти. 
На рис.2.14 наведено  розрахунки антени «потрійний квадрат»: 
 
Рисунок 2.14 – Розрахунок антени в програмі 4nec2 
 
На рис.2.15 показано побудова ліній елементів антени за допомогою 
координат. Коли редагування закінчене, можна переглянути геометрію (клавіша 
F3), або набагато красивіший об'ємний вигляд – клавіша F9 (рис.2.16). 
 
 
Рисунок 2.15 – Побудова елементів антени за допомогою координат 
 
 
Рисунок 2.16 – Побудована модель антени 
 
Щоб програма на об'ємному рисунку відображала діаграму спрямованості 
антени із зазначенням максимального та мінімального підсилення, необхідно 
натиснути клавішу F7, у меню вибрати пункт «Far Field pattern», потім натиснути 
на кнопку «Generate», після цього вибрати в правому меню посередині замість 
«Hide patt.» "Multi color". У наведеному на рис.2.17 прикладі вийшло підсилення 
7.31 дБ у напрямку телецентру і ослаблення на -22 дБ. з протилежного боку. 
 
Рисунок 2.17 – Діаграма спрямованості антени 
 
Рисунок 2.18 – Налаштування графіків залежності параметрів антени від частоти 
Програма дозволяє переглянути графіки залежності підсилення, вхідного 
опору (і деякі інші) від частоти. Для цього необхідно закрити вікно 3D-перегляду, 
натиснути F7 і вибрати пункт Frequency sweep, потім встановити мінімальну і 
максимальну частоту і крок перерахунку (рис.2.18) і побудувати графіки 
(рис.2.19).  
 
Рисунок 2.19 –Побудова графіків залежності параметрів антени від частоти 
 
3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРАВЛЕНИХ 
ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЛАНАРНИХ WI-FI АНТЕН В СЕРЕДОВИЩІ GAL-ANA  
 
3.1 Постановка задачі 
 
В даній роботі розглянемо збудження струмів в плоских прямокутних 
металевих поверхонях резонансних ( /2 і  /4) розмірів, розташованих 
паралельно великому металевому екрану. Такі антени називаються планарними 
або патч (від англійського patch — латка) антенами [3, с.99]. 
Вони є одним з різновидів великого класу мікрополоскових антен (МПА), 
які виконуються у вигляді різної форми поверхонь і провідників, розташованих 
дуже низько над провідною землею. 
МПА дуже цікавий клас антен, широко застосовуваний в гігагерцовій 
техніці. Цьому сприяє зручність виконання МПА методами друкованих плат і 
низький профіль антени (товщина всього кілька мм). Проте ми не будемо 
розглядати МПА, оскільки основна область їх застосування — частоти вище 3 
ГГц (патч-антена — одна з найбільш низькочастотних МПА, вона застосовується 
починаючи від 1,5...2 ГГц, тому представляє інтерес для Bluetooth, Wi-Fi, UMTS). 
Інша відмінність МПА від щілинних антен, що робить не дуже цікавим їх 
застосування нижче 3 ГГц, це вимога точних розмірів збуджуваної металевої 
поверхні. Тут не вийде, як у щілинної антени, взяти яку-небудь наявну поверхню 
і збудити її. 
В даній роботі розглянемо антени, налаштовані на середню частоту 
діапазону Wi-Fi 2440 МГц стандартів 802.11b (Wi-Fi 1), 802.11g (WiFi 3), 802.11n 
(Wi-Fi 4), 802.11 ax (Wi-Fi 6). 
 
3.2 Напівхвильові квазі-планарні антени 
 
Почнемо не з металевій площини, а з системи з двох синфазних  /2 
диполів, низько розташованих (2…10%  ) над дуже великим металевим 
рефлектором. Така антена діапазону Wi-Fi (2440 МГц) показана на рис.3.1 [4]. 
Геометричні розміри диполів становлять 59 мм, відстань між ними також складає 
59 мм. Висота підйому диполів над металевим листом дорівнює 7 мм, що 
становить близько 6% від довжини хвилі  . 
 
Рисунок 3.1 – Система з двох синфазних  /2 диполів,  
низько розташованих  над металевим рефлектором 
 
Оцінимо підсилення такої антени. Фактично це стек з двох антен Уда-Ягі з 
дуже малою відстанню до рефлектора в кожній. Оскільки диполі збуджуються 
синфазно, величина підсилення зростатиме і дорівнюватиме 10,9 дВі. Вхідний 
опір такої антени достатньо низький. Відповідно при 50 омному навантаженні 
КСХ буде дуже великий – 6,07, що потребує додаткового узгодження. 
 
а) 
 
б)  
Рисунок 3.2 – Результати чисельного розрахунку антени, що складається з двох 
синфазних  /2 диполів, низько розташованих над металевим рефлектором 
Замінимо два синфазних джерела, на одне зі стандартних схем живлення 
синфазних диполів, а саме будемо живити кожен  /2 диполь з кінця 
чвертьхвильовою лінією (рис.3.3). Результат моделювання такої антени 
показаний на рис.3.4. Основні параметри антени залишилися незмінними. 
Антена, наведена на рис.3.3, зовні мало нагадує планарну антену, проте 
володіє її властивостями.  Якщо в конструкції рис.3.3 замінити верхні три дроти 
суцільною металевою пластиною зі стороною близько  /2, то це не призведе до 
помітної зміни характеристик, але буде вже називатися півхвильовою планарною 
антеною. 
 
Рисунок 3.3 – Система з двох синфазних  /2 диполів, що живляться 
з кінця чвертьхвильовою лінією 
 
Антени випромінють в один бік, перпендикулярно екрану, тобто вгору по 
рис.3.2,б і 3.4,б. Звичайно, на практиці антену повертають основним пелюсткою у 
будь-яку потрібну сторону. Але в даній роботі ми будемо направляти антени в 
зеніт.  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.4 – Результати чисельного розрахунку антени, що складається з двох 
синфазних  /2 диполів, які живляться з кінця чвертьхвильовою лінією 
Зроблено це для того, щоб у моделі замість дротяного сітчастого 
рефлектора, що утруднює моделювання і уповільнює розрахунки, 
використовувати ідеальну землю. Властивості великого плоского металевого 
рефлектора на УКХ близькі до ідеальної землі.  
Таким чином, у більшості наступних моделей розділу великий рефлектор 
відсутній на рисунку. Замість нього використовується ідеальна земля. Це 
спрощує і моделювання, і розуміння. Але в реальній антені рефлектор має бути 
обов'язково. Його розміри повинні як мінімум на 20...40% (а краще більше, для 
придушення заднього пелюстки) перевищувати розмір збуджуваної антени [3, 
с.101]. 
3.3 Вплив форми пластини, її розміру та положення точки живлення 
планарної антени на її параметри та направлені властивості  
 
Повноцінна (з екраном-рефлектором) планарна антена наведена на рис.3.5 
[4]. Це планарна  /2 антена діапазону Wi-Fi (2440 МГц). Квадратна пластина має 
сторону дещо менше  /2 (приблизно на величину подвоєної висоти 
прямокутника над екраном) (53x53 мм2). 
 
Рисунок 3.5 – Модель планарної  /2 антени діапазону Wi-Fi (2440 МГц) 
 
Розмір сторони квадрата планарної антени рис.3.5 дещо менше напівхвилі і 
становить близько 0,43 . Це наслідок укорочення із-за великої ємності на землю. 
Із-за цього зменшення розмірів підсилення антени рис.3.5 трохи нижче, ніж 
початкових  /2 диполів рис.3.1 (9,64 дБі проти 10,9 дБі). Вхідний опір антени 
підвищився майже співпадає з опором лінії, тому КСХ близький до 1 і дорівнює 
1,06 (рис.3.6). 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.6 – Результати чисельного розрахунку (а) і тривимірна ДН (б)  
планарної  /2 антени діапазону Wi-Fi (2440 МГц) 
Оскільки живлення подається на пластину не прямо, а через дротяну 
перемичку довжиною, рівній висоті пластини над екраном, то ця перемичка 
вносить послідовну індуктивність в ланцюг живлення. Вона представляє собою 
високоомну лінію (навколо неї немає заземленого обплетення як в коаксіальному 
кабелі). Реактивна складова jX a  лінії такої довжини становить 50...200 Ом.  
Вхідний опір планарної антени рис.3.5 на резонансі залежить від декількох 
факторів [3, с.105]: 
1. Висоти пластини над екраном. 
2. І ще раз від висоти пластини над екраном (це тільки при живленні через 
перемичку). Ця висота визначає додатковий індуктивний опір живлячої 
перемички, який потрібно компенсувати. Чим більше висота над екраном, тим 
більше паразитна індуктивність і тим сильніше знизиться Ra . 
3. Форми пластини. При збільшенні ширини сторони, в яку йде живлення, 
опір Ra  зростає. Так, наприклад, якщо в антені рис.3.5 зробити пластину 
прямокутною з розмірами 61 мм і 49 мм і живити її в широку сторону, то Ra =167 
Ом (рис.3.7 і 3.8). Приклад живлення прямокутної пластини у вузьку сторону 
показаний на рис.3.9 [3, с.105] При розмірах сторін 45 мм і 55 мм вхідний опір 
падає до 35 Ом (рис.3.10). 
4. Положення точки живлення щодо краю пластини. Коли ця точка 
розташована на самому краю, як на рис.3.5, то опір Ra  максимальний. Якщо цю 
точку почати рухати в напрямку центру пластини, то Ra  буде зменшуватися. Цим 
методом користуються для точного налаштування антени, оскільки при цьому, 
крім Ra , змінюється ще й реактивна складова jX a . 
Як видно з рис.3.6, 3.8 і 3.10 зміна форми пластини змінює опір антени, але 
не впливає на підсилення антени і форму діаграми направленості 
Якщо в антені рис.3.5 підняти пластину з 6,7 до 8,5 мм, то опір Ra  стане 90 
Ом, а резонанс знизиться до 2360 МГц. У тієї ж антени при висоті 5 мм Ra  
зменшиться до 30 Ом, а частота збільшиться до 2500 МГц [3, с.106]. 
 
Рисунок 3.7 – Прямокутна  планарна антена з живленням в широкій стороні 
 
Рисунок 3.8 – Результати чисельних розрахунків прямокутної   
планарної антени з живленням в широкій стороні 
 
Рисунок 3.9 – Прямокутна  планарна антена з живленням у вузькій стороні 
 
Рисунок 3.10 – Результати чисельного розрахунку прямокутної   
планарної антени з живленням у вузькій стороні 
Із-за наявності рефлектора діаграма направленості (ДН) планарної антени 
має виражену спрямованість. Головна пелюстка перпендикулярна рефлектору.  
Великий (зі стороною декілька  ) рефлектор майже повністю виключає 
випромінювання назад. До такого випадку відносяться ДН на рис.3.6, 3.8 і 3.10, 
оскільки на всіх цих рисунках екраном є нескінченна ідеальна земля. 
На практиці застосовуються невеликі екрани, лише трохи більше самої 
пластини. Тому в ДН з'являються задні і бічні пелюстки. Вони відбирають 
частину потужності, тому підсилення при невеликих екранах падає на 1 ...2 дБ. 
На рис.3.11 [4] показана планарна антена з розмірами рис.3.5 (53x53 мм) з 
дуже маленьким екраном, всього 67x67 мм (тобто лише трохи більше  /2).  
 
Рисунок 3.11 – Планарна антена з маленьким екраном 
 
ДН цієї антени показана на рис.3.12. Із-за великої кількості елементів 
антени (1 385 дротів) не вдається побудувати тривимірну ДН. Антена стоїть 
вертикально, максимум випромінювання спрямований уздовж осі Ох. Із-за 
маленького розміру екрану підсилення знижується до 8,66 dBi (частина енергії 
марно витрачається на випромінювання назад). 
 
Рисунок 3.12 – Результати чисельного розрахунку  
планарної антени з маленьким екраном  
 
Антена рис.3.11 живиться в середину вертикальної сторони, тому 
випромінює з горизонтальною поляризацією. Основне випромінювання дають 
синфазні струми вздовж сторін пластини, сусідніх зі стороною, на яку подається 
живлення (по аналогії з рис.3.3). Інакше кажучи, антена рис.3.11 близька до стеку 
з двох горизонтальних двохелементних антен Уда-Ягі з рефлекторами [5]. 
Якщо антену рис.3.11 повернути на 900 відносно осі Ох (тобто перемістити 
живлячу перемичку в середину горизонтальної сторони пластини), то антена буде 
випромінювати з вертикальною поляризацією. 
3.4 Дослідження планарної антени кругової поляризації 
 
Півхвильову квадратну планарну антену можна живити так, щоб вона 
випромінювала з круговою поляризацією. Найбільш очевидним представляється 
варіант способу живлення, який полягає в наступному. Дві точки живлення зі 
зсувом фаз між ними 900 з боків квадрата. Для цього потрібні дільник потужності 
і фазозсувний ланцюг. Це рішення використовується при мікрополосковій 
технології, де і пластина, і фазообертач, і дільник виконуються у вигляді 
друкованих провідників. 
Інший варіант отримання кругової поляризації заснований на методі, згідно 
якому потрібно взяти дві вузькосмугові антени і налаштувати одну з них нижче 
робочої частоти, а другу вище. Так, щоб фазовий зсув струму на ненульових і 
різних за знаком реактивних частинах вхідних імпедансів давав би необхідні 900.  
 
 
Рисунок 3.13 – Планарна антена з випроміненням хвилі кругової поляризації 
Антена має протяжність по двох осях, тому по ній можуть одночасно текти 
і поздовжні і поперечні струми. У цьому сенсі пластина представляє собою як би 
дві паралельно з'єднані антени. Для налаштування цих двох антен на різні 
частоти необхідно одну (по якій течуть поздовжні струми) подовжити, а другу 
(по якій течуть поперечні струми) – укоротити. Іншими словами, ввести 
асиметрію поздовжньої і поперечної сторін, наприклад, замість квадрата, зробити 
прямокутник. Така пластина має дві резонансні частоти (на довгій і на короткій 
сторонах), що і потрібно для антени кругової поляризації. 
Дві точки живлення найпростіше звести разом, зсунувши їх назустріч одна 
одній, в кут прямокутника. Така антена з круговою поляризацією показана на 
рис.3.13 [4]. Розміри пластини 51 х 48 мм. 
На рис.3.14, а наведені результати моделювання планарної антени з 
круговою поляризацією. Підсилення антени не падає і складає 9,5 дБі, вхідний 
опір помітно збільшується до 391 Ом, що погано позначається на узгоджені з 50-
омною лінією живлення. КСХ дорівнює 7,87, що є неприпустимим для 
практичних задач. Діаграма направленості має максимально симетричну форму 
кулі, що вказує на випромінювання хвилі з круговою поляризацією. 
Очевидно, що пластина антени збуджена одночасно за двома напрямками 
(на осі X, і Y однакові, але взаємно перпендикулярні синусоїдальні розподіли 
струмів), що і потрібно для кругової поляризації. Щоб отримати такий розподіл 
відносна різниця довжин сторін прямокутника повинна бути приблизно в 1,5 рази 
більше відносної висоти пластини над екраном [5].  
Антенна на рис.3.13 має висоту пластини 5,5 мм, тобто 4,3% довжини 
хвилі. Множачи 4,5 % на 1,5 отримуємо 6,7%. Отже, відносна різниця сторін 
прямокутника повинна бути 6,7%. Перевіряємо: (51 – 48)/48 = 6,3% – гарний збіг. 
Для узгодження опору антени зсувають живлячу перемичку з кута в 
напрямку центру пластини. Отже, щоб зробити пластину кругової поляризації 
треба ввести асиметрію – зробити шлях поздовжніх і поперечних струмів різної 
електричної довжини.  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.14 – Результати чисельного розрахунку (а) і тривимірна ДН (б)  
планарної антени з круговою поляризацією 
Вище розглянуто найбільш очевидний спосіб – прямокутна пластина. Але 
крім нього придумано немало інших форм, що реалізують цей принцип. 
Наприклад, у квадратних пластинах прорізаються щілини, або відрізаються кути. 
На рис.3.15 показана квадратна планарна антена кругової поляризації. 
Зрізання двох кутів квадрата дозволяє порушити його у поздовжньому і 
поперечному напрямках і забезпечити необхідний для кругової поляризації 
фазовий зсув між струмами цих напрямків. Погодження досягнуто зсувом точки 
живлення на 16 мм углиб пластини. 
 
Рисунок 3.15 – Квадратна планарна антена кругової поляризації 
 
Слід зауважити, що заміна суцільної поверхні металевою сіткою в моделі 
на вузькосмугових антенах (а смуга пластини мала, одиниці %) дає відчутну 
(декілька %) похибку визначення резонансної частоти. 
На широкосмугових антенах (наприклад, дзеркальних) такої проблеми 
немає. А для вузькосмугових різна ємність на землю суцільної поверхні і сітки 
дає різну реактивність, і відповідно, іншу резонансну частоту [3, с.111]. 
Тому застосовуючи движки MININEC, NEC2 методу моментів для 
моделювання планарних антен треба мати на увазі невисоку точність визначення 
резонансу (інші параметри будуть в порядку). Для більш точних обчислень 
поверхонь слід застосовувати FEM (абревіатура від англ. Finite element method – 
метод кінцевих елементів), і програми на його основі, наприклад, HFSS [6]. 
На рис.3.16 наведено результати моделювання квадратної планарної антени 
кругової поляризації. Помітно збільшилося підсилення антени, яке складає 14,27 
дБі, і зменшився вхідний опір (67 Ом), що позитивно позначилося на якості 
узгодження з 50-омною лінією (КСХ дорівнює 1,74). 
 
Рисунок 3.16 – Результати чисельного розрахунку  
квадратної планарної антени кругової поляризації 
 
3.5 Чвертьхвильові планарні антени 
 
Конструкція чверть хвильової планарної антени показана на рис.3.17 [4]. 
Точка живлення трохи зсунута вглиб пластини для погодження на 50 Ом. Як і в 
звичайній заземленої  /4 антени, максимальний струм протікає в місцях 
з'єднання із землею. Тому і екран, і заземляюча перемичка пластини повинні бути 
добре провідними. 
 
Рисунок 3.17 – Конструкція  /4 планарної антени 
 
У  /4 планарної антени багато спільного з напівхвильовою (рис.3.5). Але є 
і відмінності: 
1. Менша підсилення, близько 3,65 дБі (рис.3.18,а). Але це зрозуміло, 
площа антени зменшилася вдвічі. А зменшення розмірів у всіх антенах 
призводить до зниження підсилення. 
2.  /4 планарна антена випромінює одночасно і з горизонтальною 
поляризацією (випромінювання самої пластини), і вертикальну  (випромінювання    
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.18 – Результати чисельного розрахунку (а) і тривимірна ДН (б)  
 /4 планарної антени 
широкої перемички на землю). Незважаючи на менші розміри, ця широка 
перемичка випромінює приблизно стільки ж, скільки пластина патча [3, с.113]. 
3. ДН, відповідно, складається з двох частин: випромінювання пластини (Н-
поляризація), і випромінювання заземлювальної перемички (V-поляризація). ДН 
першої має таку ж форму, як і у напівхвильової планарної антени, ДН другого — 
як у звичайної GP антени. 
Смуга пропускання  /4 планарної антени не менше, а навіть більше, ніж у 
півхвильової. Так, наприклад, смуга антени рис.3.17 за рівнем КСХ<2 становить 
260 МГц, тобто вдвічі більше, ніж у антени рис.3.5 [3, с.113].  
Із-за наявності рефлектора ДН  /4 планарної антени має спрямованість. 
Головний пелюстка перпендикулярний рефлектору (рис.3.18,б). 
 
Рисунок 3.19 – Конструкція  /4 планарної антени,  
розміщена над маленьким екраном 
 
Великий (зі стороною кілька довжин хвиль  ) рефлектор майже виключає 
випромінювання назад. Але на практиці звичайно застосовуються невеликі 
екрани, лише трохи більше самої пластини. Тому в ДН з'являється відчутне 
випромінювання назад. 
На рис.3.19 показана планарна антена з розмірами рис.3.17 (48x27 мм), 
розміщена над маленьким екраном 66x45 мм [4]. 
На рис.3.20 показані результати чисельного розрахунку антени рис.3.19. 
Підсилення антени залишається низьким і становить 3,42 дБі. Із-за 
конструктивної складності моделі антени, яка складається з 1 061 дротів, нажаль, 
не вдалося побудувати тривимірну ДН. Проте і на двовимірній ДН (рис.3.20) 
видно наявність заднього випромінення. 
 
Рисунок 3.20 – Результати чисельного розрахунку  /4 планарної антени,  
розміщеної над маленьким екраном 
4. ОХОРОНА ПРАЦІ  
 
4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на  
       співробітника дослідницької лабораторії 
 
В процесі дослідження параметрів і властивостей антен на працівника 
лабораторії впливають різноманітні параметри робочої обстановки, в якій 
протікає його плідна праця. До таких можна віднести зокрема наступні: 
температура, вологість і швидкість руху повітря, шум, вібрація, шкідливі 
речовини, різноманітні випромінювання тощо. Проаналізуємо фактори, що 
впливають на здоров'я і працездатність співробітника, який працює у 
дослідницькій лабораторії. 
Робоче місце співробітника являє собою простору аудиторію, яка 
мебльована столами та шафами, укомплектована комп’ютерною технікою та 
периферійним обладнанням. Монітори розташовані таким чином, що відстань від 
екрану монітору до користувача складає не менше 70 cм, при цьому кут зору 
становить близько 30о. 
Щодо розташування предметів на робочому місці, то всі вони знаходяться в 
робочій зоні в межах прямої видимості та розміщені на відстані не більше 80 см 
від працівника. Розміри столу становлять: довжина – 1,2 м, ширина – 0,9 м, 
висота – 0,745 м. Висота стільця становить 0,45 м. З врахуванням середнього 
росту людини, який складає 160–180 см, можна сказати, що положення, яке 
співробітник лабораторії займає при роботі відповідає нормативним інструкціям і 
рекомендаціям ДСТУ 8604:2015. При цьому потрібно відмітити, що положення 
моніторів вибрано найкращим чином, так як світло, що потрапляє через вікно, 
падає з лівого чи правого боку від працюючого в залежності від розташування 
робочого місця і, таким чином, не засліплює йому очі. Задля кращого уникнення 
негативного ефекту, пов’язаного з надмірною освітленістю приміщення, вікна 
обладнані жалюзі. 
Розміри лабораторії становлять: довжина – 8 м, ширина – 4,5 м, висота – 3 
м. Відповідно її площа дорівнює 36 м2. Найбільша кількість одночасно 
працюючих становить 6 чоловік. Звідси площа, що припадає на одного робітника, 
дорівнює 6 м2, що відповідає ДБН В.2.2.28-2010. Об’єм  приміщення  складає 108 
м3. Звідси визначаємо, що об'єм, який припадає на одну людину дорівнює 18 м3. 
Нормативне значення складає 15 м3. З наведених даних можна зробити висновок, 
що дане приміщення задовольняє вимогам ДБН В.2.2.28-2010 з розрахунку на 
одну людину. 
Згідно ДСН 3.3.6.042-99 окремо для двох періодів року, визначаємо 
оптимальні і допустимі значення температури, відносної вологості та швидкості 
руху повітря. 
Враховуючи характеристику трудової діяльності людини, яка визначає 
ступінь залучення до роботи м'язів і відображає фізіологічні витрати внаслідок 
фізичного навантаження, потрібно відмітити, що дана робота є сидячою і при 
цьому не спостерігається фізична напруга працівника. Людина на такій посаді 
працює з витратами до 120 ккал/год, а отже дана робота відноситься до легкої 
фізичної (категорія Iа). Оскільки на даному робочому місці робітник безперервно 
знаходиться більшу частину свого робочого часу, при цьому не змінюючи 
оточення, то дане робоче місце можна віднести до постійного. 
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху 
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний період року: 
− оптимальне значення температури 22-24°С; 
− допустиме значення температури 21-25°С; 
− оптимальне значення відносної вологості 40-60%; 
− оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1м/с; 
− допустиме значення швидкості руху повітря ≤0,1 м/с. 
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху 
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в теплий період року: 
− оптимальне значення температури 23-25°С; 
− допустиме значення температури 22-28°С; 
− оптимальне значення відносної вологості 40-60%; 
− оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1 м/с; 
− допустиме значення швидкості руху повітря 0,1-0,2 м/с. 
В лабораторії фактичне значення температури в холодний період року 
становить 18-20°С, що нижче від відповідної нижньої межі допустимого 
значення. Таким чином, дані умови праці відносяться до першого ступеня 
шкідливості. Це в свою чергу може призвести до легких форм застуди. 
Рекомендується в даному приміщенні модернізувати систему опалення. 
Фактичне значення температури в теплий період року становить 26-27 °С, 
що в свою чергу перевищує оптимальне значення, але знаходиться в допустимих 
межах. Проте, як відомо, висока температура негативно впливає на самопочуття 
робітника і, як наслідок, веде за собою зниження працездатності. В такому 
випадку рекомендується в даному приміщенні встановити додатковий 
кондиціонер, що сприятиме більш комфортній роботі. 
Фактичне значення швидкості руху повітря становить 0,2 м/с, що 
перевищує максимально допустиме значення лише в холодну пору року. Це може 
негативно вплинути на здоров’я робітника, так як з протягом пов’язані такі 
хвороби, як запалення м’язів, гострі респіраторні захворювання і ін.  
Фактичне значення відносної вологості повітря в приміщенні становить 62-
7%. Це відповідає першому ступеню шкідливості умов праці. Перевищення 
вологості в теплий період року призводить до збільшення температури тіла. 
Особливо дане явище має місце при відхиленні температури від оптимальних 
меж в сторону збільшення. При пониженні температури підвищена вологість 
може призвести до переохолодження тіла. Як підвищення, так і зниження 
температури тіла може призвести до застуди. 
Можливість людини орієнтуватися у просторі, здійснювати фізіологічні 
функції, виконувати різні види робіт залежить від виду і якості освітлення 
навколишнього середовища. 
До освітлення ставляться певні гігієнічні вимоги. Освітлення повинно бути 
рівномірним і достатнім для швидкого й легкого розрізнення об’єктів, 
забезпечувати деяку контрастність між об’єктом і фоном. Джерело світла не 
повинно засліплювати людину і створювати бліків на об’єкті, що розглядається. 
Раціональне освітлення робочих місць і приміщень створює у працівників 
певний психологічний тонус, попереджує зорову і загальну втому, сприяє 
високопродуктивній праці. Недостатня освітленість робочих місць може бути 
непрямою причиною нещасних випадків на виробництві. 
Освітлення здійснюється через віконні отвори (природне однобічне 
освітлення), за допомогою світильників на стелі (штучне верхнє освітлення) або 
одночасно - світильники і вікна (сполучене освітлення). В приміщенні вздовж 
однієї зі стін розташовано 2 вікна, розміри кожного з яких становлять 2 м на 1,3 
м. 
Величина необхідного освітлення на робочому місці приміщення 
нормується з ДБН В.2.5-28-2018. При штучному освітленні нормується величина 
освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від характеристики 
зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта розрізнення, фону, 
контрасту об'єкта розрізнення з фоном. 
За найменший об’єкт розрізнення приймемо крапку в тексті книги чи на 
екрані монітору, розмір якого визначимо на рівні 0,15-0,3 мм. Користуючись ДБН 
В.2.5-28-2018, визначаємо, що за розміром обраного нами найменшого об’єкта 
розрізнення, ступінь точності зорової праці відноситься до високого і становить ІІ 
розряд. Нормативне значення КПО для визначеного розряду зорової роботи 
відповідає – ен=1,8%. Фактичне значення КПО становить 32-35%. Отже, рівень 
природного освітлення в даному приміщенні знаходиться в нормі. 
Нормативне значення штучного загального освітлення становить  
400 лк. Фактичне значення цього параметра становить 320-340 лк, що нижче 
зазначеної норми, відповідно ДБН В.2.5-28-2018. 
В якості джерел світла при штучному освітленні використовуються 
люмінесцентні лампи, в чотирьох світильниках типу ЛСП 02В - 1×40. Таким 
чином, в даному приміщенні рекомендується модернізувати систему штучного 
освітлення. 
Приміщення лабораторії відноситься до 3 типу: приміщення без підвищеної 
небезпеки ураження працівників електричним струмом. Обладнання, встановлене 
в ньому живиться від мережі змінного струму напругою 220 В. Деяке 
обладнання, зокрема ПК, має металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82-
2016 в аудиторії передбачена магістраль захисного заземлення.  
Під час роботи з обладнанням необхідно: 
1. При раптовому припиненні подачі електроструму потрібно негайно 
вимкнути електрообладнання. 
2. Категорично забороняється ремонтувати електрообладнання,  вмикати  та 
вимикати його, якщо це не передбачено в ході роботи. 
3. Категорично забороняється проводити будь-які перемикання на 
головному розподільному щиті. 
4. Не знімати запобіжні кожухи. 
5. У випадку виявлення неполагодженого електрообладнання, 
вимірювальних приладів і дротів, терміново вимкнути напругу і звернутись до 
керівника лабораторії. 
6. У випадку ураження електричним струмом слід терміново звільнити 
потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої допомоги, при 
необхідності викликати лікаря. 
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією пожежовибухо- 
небезпеки типу В, оскільки в лабораторії в наявності деревяні меблі, плакати, 
підлога, які є твердими важкогорючими матеріалами (Правил експлуатації та 
типових норм належності вогнегасників). Для попередження пожеж в лабораторії 
використовується електрична пожежна сигналізація  променевого типу та теплові 
датчики типу (ИП-105-2) у кількості 6 шт. Також дана лабораторія обладнана 
двома ручними вуглекислотними вогнегасниками типу ВВК-7. 
При виникненні пожежі в приміщенні лабораторії працівники зобов'язані: 
1. Сповістити про пожежу за телефоном 101. Назвати своє прізвище та 
прізвище керівника установи; 
2. Повідомити про пожежу керівника установи; 
3. Негайно організувати евакуацію людей, використовуючи наявні засоби; 
4. Відключити електроенергію, вентиляцію та провести інші заходи, що 
запобігають поширенню пожежі та задимленості у приміщенні; 
5. Приступити до гасіння пожежі наявними засобами пожежогасіння, а  при 
неможливості   виконання   даних  дій  вийти  з приміщення, зачинивши за собою 
двері, та діяти згідно з розпорядженнями свого керівника або команди, яка 
організовує гасіння пожежі; 
6. Одночасно з гасінням пожежі організувати евакуацію та захист майна, 
матеріальних цінностей; 
7. Забезпечити дотримання техніки безпеки працівниками, які беруть 
участь у гасінні пожежі; 
8. Після прибуття на пожежу пожежних підрозділів забезпечити їм вільний 
доступ на території об'єкта. 
В лабораторії рівень шуму в основному зумовлений одночасною роботою 
системних блоків комп’ютерів та не перевищує 45 дБА. Інколи, при роботі 
принтера це значення досягає 48 дБА. Але відповідно ДСН 3.3.6.037-99 
нормативне значення допустимого рівню звукового тиску, рівню звуку та 
еквівалентного рівню звуку на робочому місці в лабораторії становить 60 дБА. 
Таким чином, фактичні рівні шуму в приміщенні лабораторії не перевищують 
нормативні значенні цього параметру. 
На робочих місцях співробітників лабораторії вплив електромагнітного 
випромінювання на людину відбувається на частоті мережі змінного струму 50 
Гц. Фактичний рівень напруженості електромагнітного випромінювання не 
перевищує нормативного значення. Клас умов праці за даним параметром 
відноситься до допустимих. 
Рівень напруженості електростатичного поля на робочих місцях 
працівників не перевищує гранично допустиме значення відповідно до 
нормативної документації і тому дані умови праці відносяться до допустимих. 
На основі вищенаведених даних можна сказати, що технічний рівень 
робочого місця не відповідає нормативним вимогам. Це проявляється внаслідок 
недостатньої кількості джерел світла. Потрібно відмітити, що раціонально 
виконане освітлення виробничих приміщень надає позитивного 
психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню продуктивності 
праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і травматизм на виробництві, 
зберігає високу працездатність в процесі праці. Таким чином, в даному 
приміщенні рекомендується модернізувати систему загального штучного 
освітлення. 
 
 
4.2 Модернізація системи загального штучного освітлення 
 
Світлодіодні світильники різної форми широко використовуються у 
створенні освітлювальних систем житлових будинків, квартир, офісних та 
адміністративних будівель. Вони успішно замінили собою і традиційні лампочки, 
люстри та енергозберігаючі лампи. Істотне розширення області застосування 
LED світильників стало можливим відносно недавно – після появи потужних 
світлодіодів. Прилад освітлення на таких елементах по багатьом технічним і 
експлуатаційним параметрам перевершив традиційні джерела освітлення 
(люстри, лампи розжарювання, галогенні лампи тощо). 
Порівняно з лампами розжарювання, вбудовані світлодіодні лампочки 
володіють тривалим терміном служби. За номінальним параметром він становить 
близько 50 тисяч годин. Від ламп розжарювання світлодіодний світильник 
стельового виду відрізняє також направлене випромінювання. Порівняно з 
розрядними і люмінесцентними лампами світлодіоди повністю безпечні, не 
вимагають складної утилізації, так як у них відсутня ртуть. 
Після включення світлодіодного стельового світильника, максимальна 
потужність світлового потоку буде досягнуто буквально за частку секунди, чого 
не можна сказати про звичайні світильники. Світлодіодні лампи відрізняються 
великою різноманітністю колірного відтінку освітлення починаючи від теплого, 
характерного для ламп розжарювання, і закінчуючи білим холодним. 
Порівнюючи світлодіодний прилад освітлення з лампами розжарювання 
або люмінесцентними лампами, можна відзначити суттєву економію 
електроенергії - 95% і 50% відповідно. На сьогодні світлодіодний світильник – це 
саме потужне і економічне джерело світла. 
Світильники стельові на світлодіодних елементах і LED-лампи є 
освітлювальними приладами нового покоління. Вони мають більш високу 
вартість у порівнянні з традиційними лампочками, але їх довговічність і низьке 
енергоспоживання повністю компенсує дорожнечу. 
 
Таблиця 4.1 - Порівняльна таблиця показників якості світлодіодної лампи 
Якісна світлодіодна Неякісна світлодіодна 
Компоненти 
лампа лампа 
Блок живлення в світлодіодній лампі має Блок з високими Низькоякісний блок з 
розміри набагато менше стандартних технічними посередніми 
блоків для стельових або вуличних характеристиками, характеристиками, 
світильників, і це здорожує його, як і будь- який витримує висока ймовірність 
яке рішення щодо мінімізації розмірів в умови експлуатації. перегріву і короткий 
області електроніки.  ресурс роботи. 
Здорожує Здешевлює 
собівартість собівартість 
Світлорозсіювач в світлодіодній лампі - Молочний Прозорий 
компонент, який повинен володіти не (матовий) пластиковий 
тільки міцністю, але і захищати очі від світлорозсіювач з світлорозсіювач. 
яскравих світлодіодних точок світу. полікарбонату. Такий підхід дозволяє 
Світлодіод повинен бути накритий Молочний і матовий заощадити насамперед 
призматичним або молочним (матовим) світлорозсіювач на діодах, оскільки 
світлорозсіювачем, оскільки є дуже поглинає до 15% 15% світлового 
яскравим джерелом світла. світлового потоку, потоку – це 
тому не вигідний можливість 
там, де стоять якісні застосування 
або «не розігнані» низькоякісних 
світлодіоди. дешевих діодів. 
Здорожує Здешевлює 
собівартість собівартість 
Світлодіоди, які використовуються в Високоякісні Низькоякісні 
світлодіодній лампі, за рахунок маленької європейські або світлодіоди, з низьким 
площі для їх розміщення мають такі американські показником 
характеристики розміру, кроку і світлодіоди з ефективності 
потужності, які призводять до нагрівання, в ефективністю понад «розігнані» - це 
разі відсутності якісного радіатора. 100 Лм/Вт, що призводить до 
встановлені на зменшення ресурсу 
платі, працюють в роботи в 5 і більше 
економному режимі разів. 
Здорожує Здешевлює 
собівартість собівартість 
Радіатор в лампі відіграє важливу роль і Якісний Псевдо-радіатор, 
необхідний для відводу тепла, оскільки екструзійний збірний чи порожній. 
діоди і блок живлення опиняються у радіатор з Не охолоджує діоди і 
замкнутому, слабо вентильованому лопастями, для блок. 
просторі. Радіатор повинен бути ефективного  
розроблений, виходячи з типу світлодіодів тепловідводу. Здешевлює 
і тепла, що ними виділяється.  Здорожує собівартість 
собівартість 
 
Після розробки діодів, що володіють силою випромінювання в кілька 
десятків кандел, світлодіодні світильники для стелі стали використовуватися для 
освітлення приміщень. Сучасний вбудований стельовий світлодіодний LED-
світильник за силою світла легко здатний конкурувати з лампами розжарювання. 
Досягти таких показників дозволило спільне застосування дуже яскравих 
світлодіодів з напівпровідниковим перетворювачем. 
Принцип роботи, який має вбудований стельовий світлодіодний LED-
світильник, дуже простий. Перетворювач підключається до електромережі, 
забезпечуючи на виході напруга струму 5 В. Випрямляч, через який здійснюється 
підключення, виконується або за мостовою схемою, або на діоді і конденсаторі. 
Для усунення імпульсних перешкод використовуються резистор і конденсатор. 
Конденсатор згладжує пульсації напруги на виході. 
Розрахунок системи загального штучного освітлення в приміщенні 
лабораторії виконується методом коефіцієнту використання світлового потоку. 
Основною задачею розрахунку штучного освітлення є визначення необхідної 
кількості світильників для забезпечення нормативного рівня штучного освітлення 
за формулою: 
 
Eн S  z КN = з
n F 
                                               л                 (4.1) 
де: 
Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2018); 
Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі експлуатації 
(для заданого приміщення Кз = 1,4); 
S = А·В – освітлюєма площа приміщення, (А – довжина приміщення, В – ширина 
приміщення); 
z – коефіцієнт мінімального освітлення; z = 1,05 (для світлодіодних ламп); 
Fл – світловий потік світильника; 
 – коефіцієнт використання, відн. од. 
Для визначення нормованого освітлення – Ен, визначаємо: 
- перелік основних предметів, які повинна розглядати людина у процесі 
роботи на заданому робочому місці: надписи на екрані монітору, шрифт у книзі; 
- самі дрібні деталі зображення (найменші об’єкти розрізнення), які 
містяться на перелічених предметах: розділові знаки в книжках. Орієнтовно 
оцінюємо їх розмір у 0,15-0,3 мм; 
- характеристику фона – поверхні, на якій розглядається найменший об’єкт 
розрізнення, в залежності від коефіцієнта відбиття поверхні ρ. Фон є  світлим (ρ > 
0,4), оскільки в основному маємо справу з написами на білому фоні, як в книзі 
так і на екрані монітору. Для вказаного фону коефіцієнт відбиття поверхні ρ = 
0,9; 
- контраст об’єкта розрізнення з фоном, тобто наскільки чітко 
сприймається найменший об’єкт розрізнення на вищерозглянутому фоні. 
Контраст є великим (між білим і чорним). 
Користуючись ДБН В.2.5-28-2018 визначаємо, що розмір обраного 
найменшого об’єкта розрізнення відноситься до діапазону розмірів в межах 0,15-
0,3 мм, що відповідає IІг розряду зорової праці. 
Нормативне значення штучного загального освітлення Ен з врахуванням 
характеристики фону та контрасту складає: Ен = 400 лк. 
Відповідно типу приміщення  приймаємо тип світильника в залежності від 
умов середовища і типу приміщення. Обираємо світлодіодний світильник 
«Optima +». Цей світильник призначений для використання в офісних, 
адміністративних і торгових приміщеннях. Встановлюється в стандартну 
клітинку підвісної стелі типу «Армстронг», в накладному виконанні монтується 
за допомогою спеціальних кріплень, а також в підвісній виконанні за допомогою 
тросових підвісів. Конструкція світильника містить в собі: профіль ПВХ + 
алюмінієва задня панель, світлодіодні світильники Optima +, матовий розсіювач 
та виносне джерело живлення. 
Світильник дозволяє економити електроенергії в 2,5 рази в порівнянні з 
люмінесцентними світильниками; не вимагає додаткового обслуговування; не 
потребує спеціальної утилізації; в ньому відсутня шкідлива для очей пульсація 
світлового потоку; має високий індекс кольоропередачі, робочий ресурс понад 50 
000 годин та оптимальне співвідношення ціна/якість. 
Визначаємо коефіцієнт використання в залежності від групи світильника 
(третя група), коефіцієнтів відбиття стелі (70%), стін (50%) і підлоги (10%) та 
індексу приміщення і: 
 
A B
i =
 h  (A+ B)                    (4.2) 
де: 
А – довжина приміщення, м; 
В – ширина приміщення, м; 
h = Н – 0,8 = 3 – 0,8 = 2,2 м – висота підвісу світильників. 
Згідно виразу (4.2) знаходимо:  
 
8  4,5
i = =1,3
2,2  (8+ 4,5) . 
 
За формулою (4.1) розраховуємо кількість світильників N: 
 
Eн  S  z К з 400 36 1,05 1,4
N = = =14,79 =15
Fл  2700 0,53
 
 
Таким чином приймаємо п’ятнадцять світильників. 
Необхідно розташувати  світильники рівномірно на усій площі стелі 
заданого приміщення з врахуванням габаритних розмірів приміщення та 
світильників.  
Для живлення освітлювальної мережі використовується напруга 220 В. Перетин дроту 
повинен задовольняти таким вимогам: 
- дроти повинні допускати протікання по ним розрахункового струму 
освітлювального навантаження, не нагріваючись вище допустимої температури; 
- напруга на джерелах світла повинна бути не нижче мінімальних значень; 
- механічна міцність дротів повинна бути достатньою для даного типу 
електропроводки.  
 
Рисунок 4.1 – Зовнішній вигляд світлодіодного світильника «Optima+» 
 
Таблиця 4.2 - Технічні характеристики світлодіодного світильника «Optima+» 
 
Тип світильника Optima + 
Колір світіння теплий білий днівний білий холодний білий 
Кольорова температура 3000 К 4000 К 6000 К 
Світловий потік 2600 Лм 2700 Лм 2800 Лм 
Аналог ЛВО 4х18 
Енергоспоживання 40 Вт 
Вхідна напруга 176-265 В 
Ступінь захисту IP40 
Індекс кольоропередачі ≥ 80,3 
Коефіцієнт потужності Cos ϕ ≥ 0,92 
Рівень пульсації світлового < 1% 
потоку 
Кліматичне виконання УХЛ4 
Тип монтажу вбудований, накладний 
Габаритні розміри 595х595х48 мм 
Вага 3 кг 
Термін придатності 50 000 годин 
 
ВИСНОВКИ 
 
У практиці проектування НВЧ-пристроїв широко використовуються 
сучасні програмні системи –  MicroWave Office, HFSS, FEKO, GAL-ANA та ін В 
даний час обчислювальний експеримент є одним з важливих етапів науковихта 
інженерних досліджень. Інформація, отримана за допомогою чисельних 
розрахунків, дозволяє не тільки правильно зрозуміти фізичні явища, що 
спостерігаються в експерименті, але і в деяких випадках замінити натурний 
експеримент комп'ютерним. 
Планарні антени широко застосовуються в сучасній радіоапаратурі, 
мобільних комп'ютерах, стільникових телефонах і супутникових приймачах 
систем визначення координат GPS (Global Position System) завдяки компактності, 
низькій вартості і зручному погодженню з іншими друкованими пристроями. 
Сучасні планарні антени є резонансними пристроями, електричні розміри 
яких співмірні з довжиною хвилі. Реальна антена має складну структуру, 
відмінну від прямокутної, оскільки включає елементи налаштування для 
погодження. Форма планарної антени може мати скошені краї і щілини.  
Широке впровадження в практику проектування електродинамічних 
програм універсального призначення можна вважати природним процесом 
розвитку сучасного підходу до проектування антен та НВЧ пристроїв. Аналітичні 
методи, навіть укладені в оболонку сучасної програми, сприймаються як чисельні 
комп'ютерні розрахунки. 
На практиці важливими є і точність та швидкість розрахунку. 
Проектування НВЧ структур довільної форми акцентує увагу розробника на 
задачі опису, вибору і підтвердження достовірності моделі. 
В даній роботі проведено моделювання так званих напівхвильових квазі-
планарних антен, які представляють собою систему з двох синфазних 
напівхвильових диполів, розташованих в безпосередній близькості від металевої 
поверхні. Підсилення таких антен достатньо високе і дорівнюватиме 10,9 дВі, а 
вхідний опір – достатньо низький (8 Ом). 
Досліджено вплив форми, розміру пластини і розміщення точки живлення 
планарної антени на її параметри та направлені властивості. Показано, що зміна 
форми пластини змінює опір антени, але не впливає на підсилення антени і 
форму діаграми направленості. При збільшенні ширини сторони, в яку йде 
живлення, опір Ra  зростає. Зі збільшенням висоти над екраном, збільшується 
паразитна індуктивність і відповідно знижується опір Ra . Виявлено, що коли 
точка живлення розташована на самому краю, то опір Ra  максимальний. Якщо 
цю точку почати рухати в напрямку центру пластини, то опір зменшується. 
Досліджено планарні антени кругової поляризації. Підсилення антени не 
падає і складає 9,5 дБі, вхідний опір помітно збільшується до 391 Ом. Діаграма 
направленості має максимально симетричну форму кулі, що вказує на 
випромінювання ЕМХ з круговою поляризацією. 
Показано, що у  /4 планарної антени багато спільного з напівхвильовим, 
але є і відмінності, а саме: менше підсилення (близько 3,65 дБі) за рахунок 
зменшення площі антени;  /4 планарна антена випромінює одночасно і з 
горизонтальною поляризацією (випромінювання самої пластини), і вертикальну 
(випромінювання широкої перемички на землю). 
Список використаної літератури 
 
1. Microstrip (Patch) Antennas. Режим доступу: https://www.antenna-
theory.com/antennas/patches/antenna.php 
2. Проектування РЧ/НВЧ компонентів. – Режим доступу: 
https://softprom.com/ua/vendor/cadence/product/microwave-office 
3. Гончаренко І.В. Антени КХ і УКХ. Частина VI. УКХ антени. – Режим 
доступу: http://dl2kq.de/ant/kniga/12413.htm 
4. Бібліотека УКХ планарних антенн – Режим доступу: http://dl2kq.de/mmana/4-
3-55.htm 
5. Опис програми GAL-ANA. – Режим доступу: http://gal-ana.de/Help/
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
