Широкосмугові двополяризаційні смужкові антенні решітки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 621.396.67

Широкосмугові двополяризаційні смужкові антенні решітки

Спеціальність 05.12.07 - “Антени та пристрої мікрохвильової техніки”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мартинюк Сергій Євстафійович

Київ 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Науковий керівник

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Дубровка Федір Федорович, завідуючий кафедрою теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гряник Михайло Василійович, кафедра “Засобів телекомунікацій” (Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти і науки України, м. Киів)

доктор фізико-математичних наук, професор Фіалковський Олександр Терентійович, Київська державна академія водного транспорту, м Київ.

Провідна установа

Науково-виробниче підприємство “Сатурн” Міністерства промислової політики України, м. Київ

Захист відбудеться 18.09.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.14 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 256056, Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № , аудиторія .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 256056, Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 14.08.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Уривський Л.О.

антенна решітка двополяризаційна щілинний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із шляхів досягнення високих тактико-технічних характеристик телекомунікаційних та радарних систем нового покоління є використання широкосмугових двополяризаційних планарних антенних решіток (АР) із низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання. В залежності від призначення такі планарні антенні решітки повинні формувати діаграми випромінювання голчастого або секторного типу із заданими параметрами при низьких рівнях бічного, заднього та кросполяризаційного випромінювань. Одночасно системна реалізація поляризаційної обробки сигналів потребує високого ступеню розв'язки між ортогонально поляризованими каналами (не гірше 30 дБ). Крім того, при необхідності реалізації просторового розділення сигналів у широкому секторі кутів повинна бути забезпечена можливість компонування випромінюючих елементів з інтегральними НВЧ компонентами.

Аналіз останніх досягнень в області планарних антенних систем показує, що згадані вимоги можуть бути виконані шляхом використання антенних решіток, що побудовані на основі багатошарових металодіелектричних структур, в яких можливе радикальне зменшення випромінювання фідерних ліній. У дециметровому та сантиметровому діапазонах довжин хвиль найбільш раціональним є побудова планарних широкосмугових двополяризаційних антенних решіток на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням.

Актуальними задачами тут є розробка універсальної тривимірної математичної моделі на основі сучасних точних електродинамічних методів аналізу, розрахунок та оптимізація характеристик узгодження і випромінювання багатошарових смужкових антенних решіток з урахуванням крайових ефектів та взаємного впливу елементів. Значний практичний інтерес викликають також теоретичні та експериментальні дослідження, які спрямовані на вироблення рекомендацій щодо вибору діелектричних матеріалів та геометрії багатошарових смужкових випромінювачів з метою досягнення потрібних характеристик.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в рамках державного замовлення на науково-технічну продукцію “Розроблення та впровадження керованих поляризаційно-інваріантних приймально-передавальних антенних систем для багатофункційних терміналів супутникових інформаційних систем нового покоління” ( шифр 7.99.12 № ДР 0199U002835), а також науковими планами кафедри теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Метою роботи є створення тривимірної математичної моделі, розроблення принципів побудови і проведення досліджень широкосмугових двополяризаційних планарних антенних решіток на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням.

Досягнення цієї мети передбачає вирішення таких основних задач:

1. Методом скінченних різниць у часовій області розв'язати тривимірну задачу збудження, поширення та випромінювання електромагнітних хвиль багатошаровими металодіелектричними структурами скінченних розмірів з урахуванням втрат у діелектричних підкладках і довільної конфігурації провідних смужок.

2. На основі створених математичної моделі та програмного забезпечення провести дослідження впливу крайових ефектів на характеристики узгодження та випромінювання окремого багатошарового смужкового випромінювача із щілинним збудженням, взаємного впливу таких випромінювачів у складі двополяризаційної антенної решітки та можливостей сканування багатошарових смужкових антенних решіток.

3. Розробити ефективну методику синтезу широкосмугових двополяризаційних багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням.

4. Розробити принципи побудови та шляхи практичної реалізації високотехнологічних двополяризаційних планарних антенних решіток на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, які забезпечують робочу смугу частот не менше 25%, рівень кросполяризаційного випромінювання менший -30 дБ та розв'язку між каналами з ортогональними лінійними поляризаціями більшу 30 дБ.

5. Розробити діючі макети широкосмугових двополяризаційних антенних решіток сантиметрового та дециметрового діапазонів довжин хвиль на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням та експериментально підтвердити адекватність створеної математичної моделі і коректність запропонованих принципів побудови широкосмугових двополяризаційних смужкових антенних решіток з низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання та високою розв'язкою поляризаційно-ортогональних каналів.

Таким чином, об'єктом дослідження є широкосмугові двополяризаційні планарні антенні решітки. Предметом дослідження є принципи побудови і характеристики узгодження та випромінювання широкосмугових двополяризаційних скінченних антенних решіток на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, які можуть бути застосовані в телекомунікаційних та радарних системах нового покоління сантиметрового та дециметрового діапазонів довжин хвиль.

Методи дослідження. Для розрахунку електромагнітних полів в окремих та об'єднаних у складі антенної решітки широкосмугових двополяризаційних багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням застосований метод скінченних різниць у часовій області (СРЧО). З метою обчислення основних електродинамічних характеристик випромінювачів у частотній області отримані у часовій області чисельні результати обробляються із застосуванням методів дискретного перетворення Фур'є, чисельного інтегрування, теорії лінійних кіл, апарату матриць розсіювання. Діаграми випромінювання досліджуваних антен розраховуються за допомогою перетворення полів із ближньої зони у далеку на основі теореми еквівалентності.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. На основі методу СРЧО створено узагальнену тривимірну математичну модель скінченної багатошарової металодіелектричної структури з урахуванням втрат у діелектриках та довільної конфігурації провідних смужок і збуджуючих щілин.

2. Виявлено закономірності впливу крайових ефектів на характеристики узгодження багатошарових смужкових антен із щілинним збудженням. Встановлено, що ними можно знехтувати при віддаленні країв підкладок на відстань більш ніж 0,5 від випромінюючих країв смужкових резонаторів. Проведено оцінку впливу крайових ефектів на коефіцієнт підсилення, форму головного пелюстка діаграми спрямованості, рівні кросполяризаційного та заднього випромінювань. Показано, що цей вплив проявляється навіть при відстані між краями смужкових резонаторів та підкладок більше 1,5…2. Одержано залежності величини зв'язку багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням від відстані між ними. Доведено принципову можливість побудови скануючих двополяризаційних антенних решіток на основі таких випромінювачів із граничним сектором кутів 30.

3. Запропоновані ефективна методика синтезу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, яка базується на фізиці процесів у смужкових резонаторах і властивостях їх щілинного збудження, та принципи побудови широкосмугових двополяризаційних антенних решіток на основі таких випромінювачів.

4. Встановлено та експериментально підтверджено, що тільки при симетричному розташуванні збуджуючих щілин в двополяризаційній багатошаровій смужковій антені можливо отримати рівень кросполяризаційного випромінювання нижчий -30 дБ та розв'язки між ортогональними лінійно поляризованими каналами краще 30 дБ у смузі частот до 26%.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено універсальний комплекс програм на мові програмування високого рівня С++ для операційних систем Windows 9x/NT та Linux/Unix для строгого електродинамічного аналізу широкого класу багатошарових металодіелектричних структур, який охоплює багатошарові смужкові антени із щілинним збудженням та антенні решітки на їх основі, а також смужкові пристрої НВЧ.

2. Вироблено рекомендації щодо вибору діелектричних підкладок для створення високо-ефективних широкосмугових багатошарових смужкових випромінювачів. Розроблена ефективна з практичної точки зору методика синтезу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням.

3. Запропоновано та всебічно досліджено шляхи побудови високотехнологічних широкосмугових двополяризаційних антенних решіток на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, які мають низький рівень кросполяризаційного випромінювання та високий ступінь розв'язки каналів з ортогональними поляризаціями і тому можуть успішно застосовуватися у телекомунікаційних та радарних системах нового покоління з поляризаційним обробленням сигналів.

Особистий внесок здобувача. Наукові та експериментальні результати, які представлені в дисертаційній роботі, отримані автором особисто або при його визначальній участі. В опублікованих із співавторами наукових роботах автору належить: [1] - участь у розробленні теоретичного підходу до розв'язання задачі, розроблення математичної моделі та програмного комплексу, [2] - розроблення конструкції, теоретичне та експериментальне дослідження макету; [3] - розроблення та аналіз способів радикального зменшення кросполяризаційного випромінювання.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались та обговорювалися на: International Conference on Antenna Theory and Techniques 1999; міжнародних конференціях “Mathematical Methods in Electromagnetic Theory” 2000, 2002; URSI'2001 International Symposium on Electromagnetic Theory.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 наукових працях, із них 3 статті в спеціалізованих науково-технічних журналах [1-3] і 4 статті та тези у збірках праць міжнародних конференцій [4-7].

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів та висновків. Її обсяг складає 156 сторінок. Всього в дисертації 99 рисунків (20 окремих сторінок), 2 таблиці (1 окрема сторінка). Список використаних джерел нараховує 144 найменування (13 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено актуальність проблеми побудови широкосмугових двополяризаційних планарних антенних решіток із низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання, сформульовано мету і задачі дисертації, описано методи їх вирішення, визначено наукову новизну та практичну цінність проведених досліджень, наведено відомості про апробацію результатів дисертації та іх публікацію у фахових виданнях.

У розділі 1 проведено огляд розроблених за останні 30 років конфігурацій та способів живлення мікросмужкових антен з точки зору їх можливого застосування у якості випромінюючих елементів двополяризаційних планарних АР телекомунікаційних систем сантиметрового та дециметрового діапазонів довжин хвиль з низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання та робочою смугою частот більшою 20%. В результаті обгрунтовано доцільність всебічного дослідження електродинамічних характеристик широкосмугових двополяризаційних багатошарових смужкових випромінювачів(схематичні види збоку та зверху наведені на рис. 1, 2 відповідно). Антена цього типу складається з двох прямокутних смужкових резонаторів з розмірами та . Нижній резонатор цієї дворезонаторної випромінюючої системи збуджується щілиною, яка виконана в екрані інвертованої в просторі мікросмужкової лінії (МСЛ) шириною .

Доведено необхідність дослідження симетричного щілинного збудження двополяризаційних випромінювачів цього типу з метою покращення розв'язки між каналами з ортогональними поляризаціями та радикального зменшення паразитного випромінювання фідерних смужкових ліній. Показано, що досягнення високих електродинамічних характеристик багатошарових смужкових АР неможливе без урахування взаємного впливу випромінювачів та крайових ефектів, пов'язаних із скінченними розмірами діелектричних підкладок. Проведено порівняльний аналіз різних математичних моделей мікросмужкових антен та обгрунтовано вибір методу СРЧО як найбільш універсального та точного інструменту для аналізу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням.

Розділ 2 присвячений розробленню на основі методу СРЧО для нерегулярної дискретної координатної сітки узагальненої тривимірної електродинамічної моделі збудження, поширення та випромінювання електромагнітних хвиль багатошаровими металодіелектричними структурами, яка охоплює багатошарові смужкові випромінювачі із щілинним збудженням, мікросмужкові пристрої НВЧ відкритого і закритого типів та АР на їх основі. Модель передбачає смужкове живлення структури. В загальному вигляді такі структури (рис. 3) складаються з довільної кількості n плоско-паралельних ізотропних діелектричних шарів (з відносною діелектричною проникністю і провідністю ) скінченних розмірів з одно- чи двосторонньою металізацією, з якої виготовлені смужкові і щілинні елементи. Математично метод СРЧО базується на безпосередньому чисельному розв'язанні системи диференціальних рівнянь Максвелла у часовій області при заданих межових умовах та часовій залежності збудження смужкових ліній структури. Для цього досліджувана багатошарова металодіелектрична структура повинна бути представлена у

нерегулярній дискретній координатній сітці таким чином, щоб межі неоднорідностей співпадали з гранями елементів тривимірної сітки. Вироблено рекомендації щодо вибору оптимальних параметрів нерегулярної дискретної координатної сітки для ефективного аналізу багатошарових металодіелектричних випромінюючих структур. Дискретизація шести складових електромагнітного поля у часовій області та апроксимація скінченними різницями часткових похідних системи диференціальних рівнянь Максвелла для однорідного ізотропного простору із втратами дає можливість отримати математичні вирази для складових електромагнітного поля в однорідних областях багатошарової металодіелектричної структури. При цьому тангенціальні компоненти електричного поля на металічних поверхнях структури тотожньо дорівнюють нулю. Виходячи із закону Ампера в інтегральній формі, отримано математичні вирази із скінченними різницями для тангенціальних складових електричного поля на межі поділу чотирьох діелектриків із втратами у нерегулярній сітці як найбільш загальний випадок межових умов у багатошарових металодіелектричних структурах. Для обмеження розмірів дискретної сітки, і як наслідок, зменшення необхідних обчислювальних ресурсів, у розробленій математичній моделі використовується математичні вирази для ідеально узгодженого шару, які еквівалентні поглинаючим межовим умовам на межах дискретної нерегулярної сітки. Для моделювання збудження смужкової лініі отримано математичні співвідношення із скінченними різницями для складових електромагнітного поля стороннього джерела. Воно має певне значення внутрішнього опору і структуру поля, що відповідає структурі поля збуджуваної хвилі типу квазі-Т у смужковій лінії. Діаграму випромінювання багатошарової метало-діелектричної структури розраховано у спектральній області згідно з принципами теореми еквівалентності шляхом чисельного інтегрального перетворення тангенціальних складових електромагнітного поля на віртуальній замкненій поверхні, що охоплює структуру, із ближньої зони у далеку. Для цього чисельні результати для розподілу складових поля, отримані у часовій області, перетворено у спектральну область за допомогою дискретного перетворення Фур'є.

На основі одержаних математичних залежностей розроблено чисельний алгоритм електродинамічного аналізу багатошарових металодіелектричних структур методом СРЧО. Його реалізовано у вигляді програмного комплексу на мові програмування високого рівня С++ для ПЕОМ, керованих операційними системами WINDOWS 9х/NT та LINUX/UNIX. На прикладі однополяризаційної багатошарової антени із щілинним збудженням підтверджено адекватність розробленої математичної моделі шляхом поріняння отриманих за її допомогою чисельних результатів із відомими результаттами, які було отримано за допомогою методу інтегральних рівнянь.

У Розділі 3 проведено чисельні дослідження методом СРЧО характеристик узгодження та випромінювання одно- та двополяризаційних багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням. Знайдено розподіл складових електромагнітного поля та проаналізовано фізичні процеси у дворезонаторній смужковій випромінюючий системі. Визначено вплив зміни товщини та діелектричної проникності діелектричних підкладок, розмірів смужкових резонаторів (рис. 4, 5), збуджуючих щілин та параметрів смужкової лінії на характеристики узгодження випромінювачів цього типу. Запропоновано практичні рекомендації щодо вибору діелектричних

підкладок для побудови ефективних багатошарових смужкових антен із щілинним збудженням. Встановлено, що для отримання необхідної характеристики іх узгодження у заданій смузі частот необхідно з високою точністю підібрати резонансні частоти, значення добротностей випромінюючих резонаторів, а також величини електромагнітного зв'язку між ними та між нижнім резонатором і смужковою лінією, тобто здійснити багатопараметричну оптимізацію. Для розв'язання цієї проблеми запропонована методика синтезу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням. Вона базується на результатах дослідження фізичних процесів, що відбуваються у смужкових резонаторах та властивостях їх щілинного збудження.

Запропоновано різні типи симетричного щілинного збудження двополяризаційних багатошарових випромінювачів. Методом СРЧО розраховано характеристики двополяризаційних смужкових антен на основній поляризації та на кросполяризації при різному розташуванні ортогональних щілин, які збуджують дворезонаторну систему. Встановлено, що мінімум кросполяризаційного випромінювання може бути досягнуто лише у випадку ідеальної симетрії збудження смужкових резонаторів, а саме при протифазному збудженні резонаторів (рис. 6).

Запропоновано геометрію двополяризаційного багатошарового смужкового випромінювача, що збуджується двома симетрично розташованими ортогональними щілинами (Рис.7), який може бути об'єднаний у складі АР та має рівень кросполяризаційного випромінювання нижче -30 дБ. При цьому розв'язка між ортогонально поляризованими каналами перевищує 30 дБ.

Для експериментального підтвердження адекватності запропонованої математичної моделі і можливості практичної реалізації у Ku-діапазоні (10,9…14,5 ГГц) широкосмугових двополяризаційних багатошарових АР із низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання було розроблено та виготовлено діючий зразок багатошарової смужкової антенної підрешітки (конструкція показана на рис. 8,9). Результати вимірювань показали, що в робочій смузі частот 26% (при КСХН<2) двополяризаційна антена має рівень кросполяризаційного випромінювання менший -30 дБ та рівень розв'язки між ортогонально поляризованими каналами більше 30 дБ. Для прикладу на рис. 10 наведені розраховані та виміряні характеристики КСХН антени, а на рис. 11 - розраховані (штрихова лінія) та виміряні (суцільна лінія) діаграми випромінювання на основній поляризації та кросполяризації в площині XOZ у випадку збудження горизонтальної поляризації.

В результаті чисельних досліджень методом СРЧО виявлені закономірності впливу крайових ефектів, пов'язаних із скінченними розмірами діелектричних підкладок та екрану, на характеристики узгодження та випромінювання багатошарових випромінювачів із щілинним збудженням. Головну увагу приділено зміні цих характеристик при зміні відстані між краями випромінюючих резонаторів і краями діелектричних підкладок для випадків екранованих та неекранованих випромінювачів цього типу. Встановлено, що крайові ефекти сильніше впливають на характеристики випромінювання (особливо в Е-площині), аніж на характеристики узгодження. Впливом крайових ефектів на характеристики узгодження можно знехтувати при віддаленні країв смужкових випромінювачів на відстань більшу 0,5 від країв діелектричних підкладок. Показано, зокрема, що за рахунок цих ефектів: коефіціент підсилення багатошарової смужкової антени із щілинним збудженням може змінюватися від 7,5 до 9 дБ; форма головного пелюстка діаграми випромінювання може мати нерівномірності до 0,5 дБ; рівні кросполяризаційного та заднього випромінювань суттєво зменшуються при збільшенні відстані між краями смужкових випромінювачів і краями діелектричних підкладок.

У Розділі 4 запропоновано принципи побудови, проведено теоретичні та експериментальні дослідження ефективних широкосмугових двополяризаційних АР сантиметрового та дециметрового діапазонів довжин хвиль на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, що мають низький рівень кросполяризаційного випромінювання. Представлено та досліджено методом СРЧО технологічні багатоканальні смужкові подільники/суматори потужності, необхідні для об'єднання багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням у складі як лінійних, так і плоских АР. Показано, що у смузі частот, що не перевищує 25%, багатоканальні смужкові пристрої живлення АР цього типу раціонально будувати з односекційних двоканальних подільників/ суматорів потужності Вілкінсона та напівхвильових відрізків смужкової лінії (конструкція плоскої восьмиелементної АР наведена на рис. 12). Перевагою такого підходу є те, що багатоелементне антенне полотно, багатоканальні подільники/суматори потужності, елементи зв'язку фідерної схеми з випромінювачами можуть бути виготовлені по технології фотолітографії, що характеризується високою точністю та повторюваністю параметрів.

Розроблена математична модель багатошарових металодіелектричних структур використана для чисельного моделювання взаємного впливу у складі АР багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням. Методом СРЧО розраховано коефіцієнти матриці розсіювання двополяризаційної восьмиелементної еквідистантної лінійної АР з незалежним живленням багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням (рис. 13). Встановлено, що сильніше взаємодіють сусідні випромінювачі, величина іх взаємного впливу більша на 3…5 дБ при розташуванні елементів у Е-площині, ніж у Н-площині, причому ця величина різко спадає при збільшенні міжелементної відстані а. Так, при а=0,75 суттєвий міжелементний вплив (>-30 дБ) має місце тільки для сусідних випромінювачів, при а=0,5 необхідно враховувати крім сусідних, ще вплив двох-трьох наступних випромінювачів. Для лінійної восьмиелементної АР (рис. 13) розраховано діаграми випромінювання кожного окремого двополяризаційного багатошарового смужкового випромінювача у складі АР для а=0,75 та для а=0,5. Шляхом об'єднання цих чисельних результатів із відповідними фазовими коефіцієнтами отримано діаграми випромінювання скануючої фазованої восьмиелементної АР для випадку еквіамплітудного збудження випромінювачів. Доведена можливість побудови двополяризаційних скануючих фазованих АР на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням з граничним сектором кутів сканування 30. Показано, що при скануванні променя діаграми випромінювання коефіціент відбиття окремого випромінюючого елементу з урахуванням сигналів, наведених від інших елементів, може змінюватися в кілька разів. Ці результати мають велике практичне значення при проектуванні скануючих АР на основі багатошарових випромінювачів із щілинним збудженням та боротьбі із ефектами “засліплення” в них.

Розроблені математичну модель на основі методу СРЧО, методику синтезу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням та принципи побудови АР було використано для розробки оригінальних конструкцій чотирьохелементних двополяризаційних багатошарових смужкових АР, призначених для роботи у якості секторних антен базових станцій систем мобільного зв'язку GSM-900 (806 - 960 МГц) та GSM-1800 (1710 - 1900 МГц). Виготовлені діючі зразки цих АР мають коефіцієнти підсилення 14…15 дБ в робочих смугах частот. Ширина діаграми випромінювання (по рівню -3 дБ) складає 65 в горизонтальній і 12 у вертикальній площинах для обох поляризацій. Рівень кросполяризаційного випромінювання антен не перевищує -30 дБ. Досягнуто розв'язку між ортогонально поляризованими каналами не менше 33 дБ.

ВИСНОВКИ

1. На основі методу СРЧО розроблено тривимірну математичну модель багатошарової металодіелектричної структури скінченних розмірів загального виду з урахуванням втрат у діелектричних шарах. Модель охоплює широкий клас багатошарових смужкових випромінювачів, смужкових пристроїв НВЧ та багатошарових смужкових АР. В рамках цієї моделі метод СРЧО розвинуто для аналізу багатошарових структур із застосуванням нерегулярної дискретної координатної сітки. Модель реалізовано у вигляді універсального комплексу програм для ПЕОМ на мові високого рівня С++ для операційних систем WINDOWS 9х/NT та LINUX/UNIX. Адекватність розробленої моделі підтверджена шляхом порівняння отриманих за її допомогою чисельних даних із відомими даними, що були отримані за допомогою методу інтегральних рівнянь, а також експериментальними дослідженнями розроблених діючих зразків багатошарових смужкових АР.

2. Розроблену математичну модель використано для дослідження електромагнітних полів та електродинамічних характеристик багатошарових випромінювачів із щілинним збудженням в залежності від розмірів смужкових резонаторів, відстані між ними, параметрів і розмірів діелектричних підкладок та розмірів щілини. В результаті обгрунтовано критерії вибору діелектричних проникностей підкладок для створення ефективних широкосмугових смужкових випромінювачів, запропоновано методику синтезу таких випромінювачів, яка враховує фізику процесів, що мають місце у багатошарових смужкових резонаторах, та особливості їх щілинного збудження. Виявлено закономірності впливу крайових ефектів, що пов'язані із скінченними розмірами діелектричних підкладок та екрана, на характеристики узгодження та випромінювання окремих широкосмугових випромінювачів із щілинним збудженням. Встановлено, що ці ефекти впливають сильніше на характеристики випромінювання, аніж на характеристики узгодження. Впливом крайових ефектів на характеристики узгодження можно знехтувати при віддаленні країв підкладок на відстань більшу 0,5 від випромінюючих країв дворезонаторної смужкової антени. Проведена оцінка впливу крайових ефектів на коефіцієнт підсилення, форму головного пелюстка діаграми випромінювання, рівні кросполяризаційного та заднього випромінювань. Встановлено, що цей вплив має місце навіть при відстанях між краями випромінюючих резонаторів та краями підкладок більше 1,5…2 ..

3. Досліджено відомі та запропоновано нові типи симетричного щілинного збудження двополяризаційних багатошарових смужкових антен. Чисельно досліджено характеристики випромінювання на основній поляризації та кросполяризації двополяризаційних смужкових антен з різним розташуванням ортогональних щілин, які збуджують зв'язану дворезонаторну випромінюючу систему. Встановлено, що низький рівень кросполяризаційного випромінювання таких антен може бути досягнуто лише у випадку дотримання симетрїї збудження смужкових резонаторів. Розроблено топології двополяризаційних смужкових антен із симетричним щілинним збудженням, які мають рівень кросполяризаційного випромінювання нижчий -30 дБ. При цьому досягнуто розв'язка між ортогонально поляризованими каналами більше 30 дБ.

4. Запропоновано принципи побудови та шляхи практичної реалізації ефективних лінійних та плоских широкосмугових двополяризаційних багатошарових смужкових АР із низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання. Розроблено і експериментально досліджено макет оптимізованої за допомогою метода СРЧО двополяризаційної багатошарової мікросмужкової антенної підрешітки Ku-діапазону частот (10,9 - 14,5 ГГц). Підтверджено, що в смузі частот 26% (по рівню КСХН<2) рівень кросполяризаційного випромінювання та перехідне згасання між каналами ортогональних поляризацій не перевищує -30 дБ. Розроблено, виготовлено та випробувано діючі зразки чотирьохелементних двополяризаційних АР на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням, які призначені для роботи у якості секторних антен базових станцій систем мобільного зв'язку стандартів GSM-900, GSM-1800. За поляризаційною чистотою, розв'язкою каналів з ортогональними поляризаціями (>33дБ) та конструктивно-технічними параметрами розроблені секторні АР переважають існуючі і тому можуть бути рекомендовані для виробництва і широкого застосування

5. За допомогою розробленої математичної моделі визначено ступінь взаємного впливу багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням. Розраховано частотні залежності комплексної матриці розсіювання для дво- та восьмиелементної лінійної АР із незалежним живленням випромінювачів для різних відстаней між ними. Отримано результати, які мають важливе практичне значення при проектуванні високоефективних лінійних та плоских двополяризаційних багатошарових смужкових АР з урахуванням взаємного впливу між елементами. Теоретично на прикладі електродинамічного аналізу восьмиелементної АР доведено можливість створення одно- та багатопроменевих скануючих АР на основі багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням. Для цього розраховано діаграми випромінювання та коефіцієнти зв'язку окремих випромінюючих елементів у складі АР. Шляхом об'єднання результатів для різного фазового розподілу збудження випромінювачів отримано характеристики сканування діаграми випромінювання в площині решітки для двох ортогональних поляризацій. Проведено порівняльний анліз ефективності сканування восьмиелементної АР із вістанями між елементами 0,5л та 0,75л. Доведена принципова можливість створення ефективних широкосмугових двополяризаційних смужкових одно- та багатопроменевих АР із сектором сканування ±30 в обох площинах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубровка Ф.Ф., Мартынюк С.Е. Анализ плоско-слоистых металло-диэлектрических структур методом конечных разностей во временной области // Радиоэлектроника. - 2002. -Т.45, №. 7.- C. 22-30 (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Мартынюк С.Е., Дубровка Ф.Ф., Эденгофер П. Широкополосная двухполяризационная печатная антенная подрешетка Ku-диапазона // Радиоэлектроника. - 2002. -Т.45, № 8.- C. 3-12 (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Мартынюк С.Е., Дубровка Ф.Ф. Подавление кроссполяризационного излучения в двухполяризационных широкополосных планарных многослойных печатных излучателях // Радиоэлектроника. - 2002.-Т.45, № 9.- C.3-10 (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Kupriу A.M., Martynyuk S. FDTD analysis of metal plates in rectangular waveguide // Proc. International Conf. On Antenna Theory and Techniques ICATT'99. - Sevastopil (Ukraine). - 1999. - P. 510-511.

5. Martynyuk S. Investigation and optimization of waveguide slot antenna array by finite-difference time-domain method // Proc. International Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory MMET'00. - Kharkov (Ukraine). - 2000. - P. 99-101.

6. Martynyuk S. Application of finite-difference time-domain method for the analysis of waveguide slot antenna arrays // Proc. International Symp. оn Electromagnetic Theory URSI. - Victoria (Canada). - 2001. - P. 221.

7. Martynyuk S., Dubrovka F.F., Edenhofer P. A novel dual-polarized Ku-band antenna subarray // Proc. International Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory MMET'02. - Kiev (Ukraine). - 2002. - P. 195-197.

АНОТАЦІЇ

Мартинюк С.Є. Широкосмугові двополяризаційні смужкові антенні решітки. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 антени та пристрої мікрохвильової техніки. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено дослідженню широкосмугових двополяризаційних смужкових антенних решіток. Метод скінченних різниць у часовій області розвинуто для дослідження характеристик узгодження та випромінювання багатошарових смужкових випромінювачів із щілинним збудженням та антенних решіток на їх основі. Запропоновано методика синтезу таких випромінювачів та принципи побудови ефективних широкосмугових двополяризаційних антенних решіток з низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання. Виявлені закономірності впливу крайових ефектів, взаємодії багатошарових смужкових випромінювачів у складі антенної решітки, досліджено можливості сканування променя в ній. Наведено результати експериментального дослідження розроблених оригінальних діючих зразків антенних решіток сантиметрового та дециметрового діапазонів довжин хвиль.

Ключові слова: смужкова антенна решітка, кросполяризаційне випромінювання, широкосмугова двополяризаційна антена, багатошарові смужкові випромінювачі із щілинним збудженням, метод скінченних різниць у часовій області.

Martynyuk S.Y. Wideband dual-polarised strip antenna arrays. Manuscript. Ph.D. thesis by speciality 05.12.07 antennas and microwave devices. -National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to investigation of wideband dual-polarised microstrip antenna arrays. The finite-difference time-domain method has been developed for the simulation of radiation and reflection characteristics of aperture-stacked patch microstrip radiators and antenna arrays. Method of synthesis of such radiators has been proposed as well as the principals of antenna array design with low level of crosspolarisation radiation. Impact phenomenas of the end effects, mutual coupling between aperture-stacked patch microstrip radiators in antenna array and it's scan properties have been investigated. Experimentally determined characteristics of manufactured novel antenna arrays, working in Ku- and L-bands, have been presented.

Key words: strip antenna array, crosspolar radiation, wide band dual polarised antenna, aperture- stacked patch microstrip radiator, finite-difference time-domain method.

Мартынюк С.Е. Широкополосные двухполяризационные полосковые антенные решетки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - антенны и устройства микроволновой техники. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена исследованию широкополосных двухполяризационных полосковых антенных решеток. На основе метода конечных разностей во временной области разработана трехмерная математическая модель возбуждения, распространения и излучения электромагнитных волн многослойными металлодиэлектрическими структурами конечных размеров с учетом потерь в диэлектрических слоях. Модель характеризуется высокой степенью универсальности, охватывая широкий класс многослойных полосковых излучателей, полосковых устройств СВЧ и АР на их основе. Адекватность модели подтверждена сравнением полученных с ее помощью численных результатов с известными данными, полученными методом интегральных уравнений, а также экспериментальными исследованиями изготовленных оригинальных действующих образцов многослойных полосковых антенных решеток сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн.

Модель использована для численного анализа электродинамических характеристик многослойных полосковых излучателей со щелевым возбуждением. Предложена методика быстрого синтеза таких излучателей, учитывающая физику процессов, происходящих в многослойных полосковых резонаторах и физические свойства их щелевого возбуждения. Исследованы известные и предложены новые типы симметричного щелевого возбуждения двухполяризационных многослойных полосковых антенн, которые имеют уровень кроссполяризационного излучения ниже -30 дБ. При этом достигнута величина развязки между ортогонально поляризованными каналами более 30 дБ. Выявлены закономерности влияния краевых эффектов, связанных с конечными размерами диэлектрических подложек и экрана, на характеристики согласования и излучения одиночных широкополосных многослойных полосковых излучателей со щелевым возбуждением.

Предложены принципы создания эффективных линейных и плоских широкополосных двухполяризационных многослойных антенных решеток с низким уровнем кроссполяризационного излучения. Полосковые делители/сумматоры мощности рассмотрены и проанализированы с целью достижения предельно возможных характеристик антенных решеток.

Численно с помощью разработанной математической модели определена степень взаимного влияния многослойных полосковых излучателей со щелевым возбуждением. Рассчитаны частотные зависимости элементов комплексной матрицы рассеяния для двух- и восьмиэлементной линейных антенных решеток с независимым питанием излучателей для различных расстояний между ними. Получены данные, имеющие важное практическое значение при проектировании высокоэффективных линейных и плоских двухполяризационных многослойных полосковых антенных решеток с учетом взаимного влияния между элементами. На примере электродинамического анализа восьмиэлементной антенной решетки доказана возможность создания одно- и многолучевых двухполяризационных сканирующих антенных решеток на основе многослойных полосковых излучателей со щелевым возбуждением с предельным сектором угла сканирования 30. С этой целью рассчитаны диаграммы направленности и коэффициенты связи отдельных излучающих элементов в составе антенных решеток. Путем объединения результатов для различной фазировки излучателей получены характеристики сканирования луча диаграммы направленности в плоскости решетки для двух ортогональных поляризаций.

Ключевые слова: полосковая антенная решетка, кроссполяризационное излучение, широкополосная двухполяризационная антенна, многослойная полосковый излучатель со щелевым возбуждениемс, метод конечных разностей во временной области.

Размещено на Allbest.ru