Размещено на http://allbest.ru

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

УДК 621.396:677.31

Диссертация на соискание академической степени магистра

Разработка и исследование широкополосной трёхдиапазонной рупорно-микрополосковой антенны

5А311103- Радиотехнические устройства и средства связи

Бубенцов Сергей Викторович

Научный руководитель:

к.т.н. Писецкий Ю.В.

Ташкент 2013

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзорная часть

1.1 Обзор рупорных антенн

1.2 Обзор микрополосковых антенн

Выводы к 1 главе

Глава 2. Предпосылки развития антенн

2.1 Тенденции развития рупорных антенн

2.2 Расширение рабочей полосы частот

2.3Уменьшение габаритных размеров антенны

2.4 Уменьшение бокового излучения

2.5 Тенденции развития микрополосковых антенн

2.6 Расширение рабочей полосы частот

2.7 Повышение коэффициента полезного действия

Выводы ко 2 главе

Глава 3. Разработка рупорно-микрополосковой антенны

3.1 Характеристика программы Ansoft HFSS

3.2 Разработка рупорно-микрополосковой антенны в программе HFSS

3.3 Применение широкополосной рупорно-микрополосковой антенны

3.4 Сравнение характеристик рупорно-микрополосковой антенны с современными видами антенн

Выводы к 3 главе

Заключение

Список используемой литературы

Аннотации

Введение

Обоснование темы диссертации и актуальность. В Республике Узбекистан создана современная и мощная законодательная база в сфере информационно-коммуникационных технологий [1-4]. В республике предусмотрены проведение модернизации, технического и технологического перевооружения предприятий, широкое внедрение современных гибких технологий. Ставится задача ускорения реализации принятых отраслевых программ модернизации, технического и технологического перевооружения производства [7]. Одной из важнейших задач, которая стоит перед нашим обществом, является обеспечение поступательного и устойчивого развития страны [8].

В Постановлении Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационных технологий» принята «Программа дальнейшего внедрения и развития информационно-коммуникационных технологий в Республике Узбекистан на 2013-2014 годы», в которой большое внимание уделяется развитию инфраструктуры информационно-коммуникационных технологий, в частности, разработке и реализации технических проектов, направленных на обеспечение предоставления населению услуг широкополосного доступа [5,6].

В процессы модернизации и технического перевооружения входят и разработка и внедрение новых устройств связи, которые позволяли бы расширить их функциональные и сервисные возможности, уменьшить массогабаритные показатели, увеличить надежность их работы и повысить экономический эффект. Поэтому задача разработки и внедрения в производство новых конструкций антенн является актуальной в Республике Узбекистан.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований является широкополосная рупорно-микрополосковая антенна. Предмет исследований - разработка широкополосной рупорно-микрополосковой антенны и возможность ее применения на территории Республики Узбекистан.

Цель и задача исследований. Целью диссертационной работы является проведение комплексных исследований характеристик и особенностей применения широкополосной рупорно-микрополосковой антенны.

Для достижения данной цели необходимо было решать следующие задачи:

- провести систематизированный анализ микрополосковых и рупорных антенн;

- рассмотреть применение широкополосной антенны, применительно к Республике Узбекистан.

Гипотеза исследований. При проведении исследований в данной диссертации предполагается, что результаты исследований могут быть использованы практически для дальнейших разработок и внедрений в производство новых конструкций антенн.

Краткий литературный обзор по теме диссертации. В настоящее время во всемирной научной литературе большое внимание уделяется развитию широкополосного доступа. Вопросами исследования и развития широкополосных антенн занимались ведущие специалисты и ученые в области проектирования антенн и устройств СВЧ всего мира. Результаты исследований широко освещены в мировой научной литературе, интернете.

Методы исследований. В работе были использованы методы анализа, синтеза, индукции, дедукции полученных результатов исследования рупорных и микрополосковых антенн.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы практически для проектирования и внедрения в производство новых конструкций широкополосных антенн.

Научная новизна исследований. На основе проведенных исследований получены следующие научные результаты:

- выполнен обзор и анализ задач стоящих перед разработчиками рупорных и микрополосковых антенн, а также пути их решения;

-разработана новая конструкция широкополосной антенны, с возможностью применения её в составе известных сетей сотовой связи

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертации занимает 72 страниц. Работа содержит 14 рисунка, включая графики, 1 таблицу, а также список литературы из 36 наименований.

Глава 1. Обзорная часть

1.1 Обзор рупорных антенн

Рупорные антенны являются одними из основных антенн в диапазоне СВЧ радиоволн. СВЧ диапазон - частотный диапазон электромагнитного излучения, расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм, поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. По аналогии со световыми волнами волны излучения СВЧ-диапазона, распространяются прямолинейно и огибают лишь предметы, имеющие геометрические размеры, соизмеримые с длиной волны. Огибание препятствий радиоволнами - дифракция, явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. Дифракция проявляется тем сильней, чем больше длина волны и чем меньше размеры препятствия.

На границе двух сред происходит отражение радиоволн по закону оптики - угол падения равен углу отражения. Частичное преломление радиоволн также происходит по законам оптики. Крупные искусственные сооружения и горы, встречающиеся на пути радиоволн, а также сферическая форма земли препятствуют распространению радиоволн вдоль земли. Вследствие этого дальность вещания антенны ограничивается прямой видимостью. [11]

Рупорная антенна - антенна, состоящая из металлического расширяющегося раструба (рупора) и подсоединённого к нему радиоволновода. антена связь частота трёхдиапазонный

Рупорные антенны относятся к классу апертурных антенн - антенн характеризующихся наличием поверхности (апертуры) на которой происходит трансформация высокочастотной энергии, распространяющейся в линии передачи, в энергию свободных электромагнитных волн. Размеры апертуры обычно значительно превышают размеры длины волны, на которой работает антенна.

Характеристики антенны определяются структурой поля на апертуре, то есть, зависят от ее конструкции. Элементарным излучателем в апертурных антеннах является элемент Гюйгенса. Элемент Гюйгенса - элементарный поверхностный излучатель. Элементом Гюйгенса называют элемент волновой поверхности бегущей волны, линейные размеры которого много меньше длины волны, который в следствие этого можно считать плоским и в пределах которого касательные составляющие электрического (E) и магнитного (H) поля сохраняют постоянные значения. [28,29]

Рупорные антенны являются дальнейшим развитием простейшей аппертурной антенны как открытый конец волновода. Электромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, дойдя до его открытого конца, частично излучается и частично отражается. Физическими источниками излучения являются электрические токи, возбуждаемые на внутренних стенках волновода.

В инженерном решении приближенно полагают, что структура электромагнитного поля в плоскости открытого конца волновода такая же, как в поперечном сечении бесконечно длинного волновода, т. е. пренебрегают волнами высших типов, излучением токов, затекающих на наружные поверхности стенок волноводов, и не учитывают волны, отраженные от открытого конца волновода. В случае волновода прямоугольного сечения возбуждаемого основной волной Н10, на его открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Еy и Hх.

Критическая частота волны H10 - максимальная среди всех типов волн в прямоугольном волноводе, поэтому она называется основной. Для волновода заданного сечения существует диапазон частот, ограниченный снизу критической частотой волны H10, а сверху - критической частотой следующей распространяющейся волны.

Если в волноводе имеется какое-либо препятствие, нерегулярность (в предельном случае он просто закрыт металлической пластиной), то в нем появляется отраженная волна. Падающая и отраженная волна интерферируют и создают в волноводе стоячую волну. [9]

Волны H10 по сравнению с другими характеризуются:

-наиболее простой конфигурацией поля, обусловленной отсутствием всех составляющих напряженности электрического поля, за исключением Еу;

-наибольшей предельной длиной, из всех возможных типов волн, т. е. при заданной длине волны генератора размеры волновода будут наименьшими; наименьшим затуханием при распространении по волноводу;

-наиболее простыми в конструктивном отношении вводными и выводными устройствами;

-наибольшей пригодностью для излучения с открытого конца волновода или рупора.

В Характеристику направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения в плоскости Е, параллельной размеру поперечного сечения, можно представить в виде произведения множителя системы плоского раскрыва на характеристику направленности элемента Гюйгенса в этой плоскости.

В плоскости Н характеристика направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения представляет собой произведение множителя системы синфазного раскрыва с косинусоидальным распределением амплитуды возбуждающего поля на характеристику направленности элемента Гюйгенса в плоскости Н.

Поскольку поперечные размеры прямоугольного волновода а и b невелики и соизмеримы с длиной волны л и поверхностные токи затекают на внешние стенки волновода, то диаграмма направленности антенны в виде открытого конца волновода имеет один широкий лепесток.

Антенна в виде открытого конца волновода оказывается плохо согласованной со свободным пространством из-за резкого изменения условий распространения при переходе от волновода к свободному пространству.

Концентрация излучения в пределах более узкого телесного угла достигается увеличением размеров синфазно возбужденной поверхности. Если размеры сечения волновода выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование необходимой структуры поля, то, плавно увеличивая сечение волновода, эту структуру можно сохранить, а размеры излучаемой поверхности увеличить.

В месте перехода от волновода к рупору возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (при малом угле раствора рупора) интенсивность этих волн невелика. Существуют различные типы рупоров.

Рупор, образованный увеличением размера, а волновода, параллельного вектор Н, называется секториальным Н- плоскостным. Рупор, образованный увеличением размера волновода, параллельного вектору Е, называется секториальным Е-плоскостным).

Рупор, образованный одновременным увеличением размера параллельного вектор Н и параллельного вектору Е, называется пирамидальным, а увеличением поперечного сечения круглого волновода - коническим.

При плавном переходе от волновода к рупору структура поля в последнем напоминает структуру поля в волноводе. Векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свою форму, чтобы обеспечить выполнение граничных условий на стенках рупора.

На рис. 1.1 представлены типы рупорных антенн.

Рис. 1.1 Типы рупорных антенн: а) Е-секториальный, б) Н-секториальный, в) пирамидальный, г) конический.

Направленные свойства рупорной антенны приближенно можно анализировать как в случае открытого конца волновода, пользуясь принципом эквивалентности. На излучающей поверхности рупора действуют две взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Еу и Нх (прямоугольный раскрыв), амплитуды которых не зависят от координаты у, а вдоль координаты х они изменяются по закону косинуса.

Однако в отличие от поверхности открытого конца волновода плоская излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, так как в раскрыве рупора имеются фазовые искажения.

В раскрыве рупорной антенны имеется примерно квадратичное фазовое распределение. Максимальный сдвиг фаз на краях раскрыва (х = ±ар /2), шmах = раp2 /(4лLH). При достаточно больших значениях шmах (90°) диаграмма направленности рупорной антенны заметно отличается от диаграммы направленности синфазной излучающей поверхности. При этом симметрия диаграммы направленности относительно нормали к возбужденной поверхности сохраняется.

Поскольку в рупорной антенне практически невозможно добиться полной синфазности излучающей поверхности, то обычно, задаваясь некоторым допустимым сдвигом фаз, выбирают размеры раскрыва рупора и его длину.

Этот сдвиг должен быть таким, чтобы диаграммы направленности рупорной антенны мало отличалась от диаграммы направленности синфазной излучающей поверхности, размеры которой равны размерам раскрыва рупора. Допустимый максимальный сдвиг фаз определяется условием получения максимального коэффициента направленного действия при заданной относительной длине L/л рупора. С увеличением относительных размеров раскрыва рупора) при неизменной длине его диаграмма направленности сначала становится уже и КНД растет, так как увеличиваются размеры излучающей поверхности, которая практически остается синфазной (сдвиг фаз штах мал). При дальнейшем увеличении размеров заметно растут фазовые искажения, вследствие чего ДН начинает расширяться и КНД уменьшается. При заданном отношении L/л имеется определенное оптимальное значение ар/л или bр/л, при котором КНД антенны - максимально возможный. Оптимальному значению ар/л или bр/л соответствует допустимый сдвиг фаз. Рупор, размеры которого подобраны так, чтобы при заданной длине L/л получить максимальный КНД, называется оптимальным.

Чтобы КНД возрастал, относительная длина рупора L/л должна увеличиваться пропорционально квадрату относительных размеров раскрыва рупора.

В настоящее время находят применение рупоры, у которых сдвиги фаз поля в раскрыве значительно превосходят максимально допустимые. При больших по сравнению с л раскрывах ар и bр и больших углах растворов рупора гo ДН становится по форме близкой к столообразной. Такие расфазированные рупоры обладают более широким рабочим диапазоном, чем синфазные рупоры. Их ДН при шmax > 1,5р сравнительно мало зависят от частоты.

Для получения круговой (или близкой к ней) поляризации, излучаемого рупором поля, применяются фазирующие секции, устанавливаемые в волноводе, питающем рупор. В фазирующей секции происходит разложение вектора линейно поляризованного электромагнитного поля на две взаимно перпендикулярные составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, и обеспечение между ними на выходе секции сдвига фаз.

Существуют различные фазирующие секции. В качестве фазирующей секции можно, например, использовать отрезок волновода с квадратным поперечным сечением, возбуждаемый прямо-угольным волноводом с волной H10. Возбуждающий волновод соединяется с фазирующей секцией плавным пирамидальным переходом. Поперечные сечения возбуждающего волновода и фазирующей секции повернуты относительно друг друга на 45°. В результате вектор Е поля в фазирующей секции будет иметь составляющие Ех и Еу, параллельные взаимно перпендикулярным стенкам. Таким образом, поле в секции можно рассматривать как суперпозицию волн Н10 и H01.

Для создания необходимого сдвига фаз между составляющими Ех и Еу в фазирующую секцию устанавливают тонкую диэлектрическую пластинку, причем так, чтобы большой размер ее поперечного сечения был параллелен либо составляющей Ех, либо Еу. Такая пластинка влияет, в основном, на фазовую скорость той волны, линии вектора Е которой параллельны поверхности пластины. Толщина пластинки выбирается достаточно малой по сравнению с рабочей длиной волны. Тем самым она не оказывает заметного влияния на фазовую скорость волны, вектор Е которой перпендикулярен поверхности пластины.

При квадратном раскрыве пирамидального рупора ширина главного лепестка ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях получается неодинаковой из-за различных амплитудных распределений возбуждающего поля в Е- и Н-плоскостях. В H-плоскости ДН (по нулевому излучению) примерно в 1,5 раза шире, чем в E-плоскости. Между тем в ряде случаев желательно иметь одинаковые ДН в обеих плоскостях. Это особенно важно при круговой поляризации излучаемого поля.

Один из способов получения одинаковых ДН состоит в том, что в квадратном раскрыве устанавливаются металлические ребра высотой Д на расстоянии с < л/2 друг от друга. Если вектор Е поляризован вдоль оси x, то такая волна не может распространяться между пластинами, параллельными оси x, из-за того, что размер с < л/2. Для нее размер раскрыва ар как бы уменьшается и становится равным а - 2Д. Если Д= 0,17/ар, то размер апертуры , параллельный оси х, в 1,5 раза будет меньше размера bр, параллельного оси у. Так как на составляющую Еy данные ребра не воздействуют, то ДН для обеих поляризаций поля в плоскости xoz будут примерно одинаковы. Аналогичным образом (с помощью ребер, прикрепленных к другим стенкам рупора) можно выровнять ДН в плоскости yoz. Так же реализуются свойства фазирующей секции и без размещения диэлектрической пластины. Для этого вместо волноводной секции квадратного сечения следует взять волновод, несколько отличающийся от квадратного сечения.

Сдвиг фаз в 90° обеспечивается соотношением размеров поперечного сечения а, b и длины l такого волновода за счет различия коэффициентов. [10]

1.2 Обзор микрополосковых антенн

Микрополосковая антенна представляет собой металлический проводник определенной формы, расположенный над заземленной подложкой. Микрополосковые антенны предназначены для приема и излучения электромагнитной энергии с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Такой тип антенн применяют и в аэрокосмической технике, как антенны радиолокационных станций. Из-за дешевизны и надёжности конструкции МПА нашли широкое применение в мобильной связи. К простейшим излучателям в печатном исполнении относят плоские симметричные вибраторы различной конфигурации, расположенные на диэлектрической подложке параллельно проводящем экрану. Параметры диэлектрического слоя (его толщина, диэлектрическая проницаемость) влияют на резонансную длину плеч вибраторов.

Используют также печатные излучатели резонаторного типа, представляющие собой диск, расположенный над металлическим экраном на диэлектрической подложке и возбуждаемый коаксиально линией или полосковой линией с противоположной стороны экрана.

Параметрами микрополосковых антенн являются:

Входное сопротивление - это эквивалентное сопротивление линии на ее входе, которое определяется отношением напряжения к току в сечении линии.

Рабочая полоса частот - полоса частот в пределах, которой другие параметры не выходят за пределы допусков, установленных техническим заданием.

Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение мощностей излученной антенной и подводимой к антенне.

Коэффициент направленного действия (КНД) - численная величина, показывающая во сколько раз мощность, излучаемая в данном направлении отнесенная к единице телесного угла (интенсивность излучения в данном направлении) больше интенсивности излучения абсолютно ненаправленной антенны, при условии равенства полных мощностей, излучаемых обеими антеннами.

Коэффициент усиления (КУ). Различают абсолютный и относительный КУ.

Абсолютный (изотропный) КУ антенны показывает во сколько раз интенсивность излучения в данном направлении, больше интенсивности абсолютно ненаправленной (гипотетической) антенны с КПД равным 100%, при условии равенства подводимых к обеим антеннам мощностей.

Диаграмма направленности может быть амплитудной и фазовой. Она показывает зависимость амплитуда или фазы вектора напряженности электрического поля от угловых координат точки наблюдения, находящейся на фиксированном расстоянии в дальней зоне.

Поляризация - ориентационная характеристика векторов электромагнитной волны. [10]

Класс микрополосковых антенн отличается большим разнообразием типов антенн, кроме того, имеется значительное число гибридных конструкций, объединяющих различные типы МПА. Слабонаправленных антенн микрополосковые антенны можно разделить на следующие классы и виды:

I. Вибраторные антенны: вибраторы, поливибраторные антенны; шлеифовые вибраторы.

II. Щелевые антенны: щели, возбуждаемые МПА, щелевые антенны с микрополосковым резонатором; открытый конец МПЛ.

III. Плоские двумерные МПА: плоские МПА резонансного типа; плоские МПА нерезонансного типа; плоские антенны с распределенным возбуждением.

IV. Частотно-независимые и многочастотные антенны: спиральные МПА; логопериодические антенны; многочастотные антенны.

Типичная конструкция МПА представляет собой тонкую (порядка десятков микрон) плоскую проводящую пластину той или иной формы, размещённую на диэлектрическом слое - подложке толщиной h = (0,003 ….. 0,08)л, ограниченном снизу проводящей экранной плоскостью, л - длина волны в свободном пространстве. На рис. 1.2 представлены примеры конструкций микрополосковых антенн.

Рис. 1.2 Примеры конструкций микрополосковых антенн.

В качестве подложки обычно используются материалы с относительной диэлектрической проницаемостью е = 2 … 10, но, в зависимости от приложений, возможен и более широкий спектр значений е. Основное требование к материалу подложки - малые потери. Подложки из сотового материала с е = 1,05 или МПА с воздушным зазором имеют наименьшие потери и обеспечивают наибольшую эффективность излучения антенны. Увеличение величины е используемой подложки позволяет создать антенну меньших габаритных размеров с более широкой диаграммой направленности. Кроме того, к материалу выполнения микрополосковых антенн предъявляются требованbя: высокой механической прочности, теплостойкости, однородности материала, устойчивости параметров во времени, малой гигроскопичности.

Пластины МПА чаще всего имеют прямоугольную или круглую форму, однако принципиально возможна произвольная форма с известной резонансной частотой. Выбором формы пластины можно как существенно улучшить согласование МПА с фидерной линией, так и реализовать круговую поляризацию излучения антенны.

Возбуждение МПА осуществляется как прямым гальваническим контактом с микрополосковой линией или коаксиальным зондом, так и неконтактным методом - электромагнитной связью через отверстие в экранной плоскости или взаимодействием за счёт близости с несущими СВЧ-энергию цепями.

Использование неконтактного возбуждения МПА позволяет проявить большую гибкость и свободу выбора на стадии отработки размеров антенны и определения взаимного положения её отдельных элементов.

Преимущества МПА объясняются удобствами реализации современными средствами печатной технологии приведённых типовых конструкций, благодаря чему сравнительно легко обеспечиваются весьма важные при массовом производстве повторяемость размеров и низкая стоимость.

Применение интегральной технологии позволяет также значительно - на порядок и более - снизить массогабаритные характеристики антенно-фидерных устройств (АФУ) и изготавливать их в одном технологическом цикле вместе с другими пассивными и активными компонентами в виде законченных модулей или функциональных узлов, что соответствует современной тенденции развития микроэлектроники и потребностям промышленности в микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Микрополосковые антенны при возбуждении подходящего распределения тока на пластине соответствующей формы позволяют реализовать достаточно широкий класс диаграмм направленности для произвольного типа поляризации излучения.

Основным недостатком микрополосковых излучателей является их узкополосность. Естественный путь расширения полосы частот за счёт использования более толстых подложек имеет ограниченные возможности, так как при этом создаются условия для возникновения в подложке поверхностных волн, резко снижающих эффективность антенны. В настоящее время основными методами увеличения широкополосности МПА являются:

-добавление в конструкцию антенны связанных с основной пластиной как активных, так и пассивных излучающих элементов;

-использование логопериодических структур излучающих элементов;

- применение согласующих цепей или пластин сложной формы.

Пассивные элементы МПА могут располагаться как в одной плоскости с активным элементом, так и в разных плоскостях. Для фиксации взаимного положения элементов конструкции МПА используется опорный стержень между центрами пластин, влияние которого на характеристики излучателя минимально ввиду конфигурации основной резонансной моды (нормальная компонента E-поля в центре пластин обращается в 0).

Добавление пассивного элемента увеличило полосу частот по уровню КСВ почти в 9 раз по сравнению с обычной МПА.

Среди используемых вариантов МПА присутствует конструкция антенны без подложки, в которой пластина поддерживается на достаточно большой высоте над экранной плоскостью (для обеспечения существенной полосы частот) с помощью одной или нескольких диэлектрических опор и связана с зондами возбуждения в общем случае трёхмерными пространственными переходами. Исключение из конструкции МПА подложки повышает эффективность излучения антенны, поскольку отсутствуют потери в материале диэлектрика, даёт возможность работы с более высокими уровнями мощности и в ряде случаев уменьшает стоимость изготовления.

Схема возбуждения совместима с используемыми в волноводной технике конструктивными методами согласования и в ней отсутствует дисперсия в достаточно широкой полосе частот. Кроме того, в подобных конструкциях не возникают поверхностные волны - основной источник «ослепления» сканирующих антенных решёток, и не возникают интермодуляционные искажения из-за нелинейных явлений в диэлектрике подложки при больших уровнях излучаемой мощности. Указанные достоинства позволяют считать МПА с подвешенными пластинами, подходящими для элементов фазированных антенных решёток. [11]

Характеристики МПА позволяют использовать данный тип антенн как элемент антенных решеток.

Фазированная антенная решётка -- тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (плоской, цилиндрической, сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР).

В некоторых случаях форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями содержат сложные электрические устройства, обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР).

Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные - основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели.

Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. В некоторых вариантах конфигураций в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе передатчик или приёмник.

Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала.[30]

Выводы к 1 главе

В данной главе рассмотрены конструкции и принципы работы рупорных и микрополосковых антенн, приведены их классификации, раскрыты их преимущества и недостатки.

Глава 2. Предпосылки развития антенн

2.1 Тенденции развития рупорных антенн

На протяжении двадцатого века конструкции антенн постоянно изменялись и улучшались, данная тенденция обуславливалась растущими требованиями предъявляемые обществом в связи с повсеместным использованием и внедрением средств радиосвязи, телевидения, радиолокации и т.д. Ниже представлен обзор задач и проблем, которые стояли перед разработчиками антенн, и идеи и пути решения которые были найдены и внедрены в новое поколение антенн.

2.2 Расширения рабочей полосы частот

Одной из основных задач, стоящей перед разработчиками, является расширение рабочей полосы частот. В качестве примера можно привести конструкцию рупорной антенны, в которой используется волноводно-коаксиальный переход в виде короткой линии с внешним проводником, имеющим внутреннюю поверхность, представляющую собой несимметричную прямоугольную ступенчатую структуру, ступеньки которой закрыты в нижней части полосками из радиопоглощающего материала, и с эксцентрично расположенным сужающимся прямоугольным внутренним проводником. В раскрыве рупора установлена диэлектрическая линза с поляризационной решеткой.

Антенна работает следующим образом. Металлический гребенчатый Н-образный рупор возбуждается коротким ступенчатым сверхширокополосным волноводно-коаксиальным переходом, который в свою очередь трансформирует коаксиальный тип волны стандартной 50 Ом коаксиальной линии антенны в симметричный Н-образный волновод рупора без дополнительных переходов к несимметричным Н-образному и коньковому волноводам. Для уменьшения несинфазности излучающей поверхности рупора в раскрыве его установлена диэлектрическая линза с поляризационной решеткой. Линза позволяет осуществить коррекцию фазовых искажений и обеспечить нормальные диаграммы направленности рупора во всем рабочем диапазоне частот, а также уменьшить уровень кроссполяризационной составляющей излучаемого поля.[12]

Следующая конструкция рупорной антенны позволяющая увеличить рабочий диапазон частот содержит рупорный излучатель, выполненный из двух симметричных частей, разделенных продольными щелями, а соосно-рупорному излучателю внутри его установлен дополнительный рупор.

При возбуждении в горловине рупорной антенны волны формируется однородное по поляризации и фазе поле, что является условием получения направленного вдоль оси рупорной антенны излучения. Кроме того, наличие продольных щелей позволяет возбудить желаемую волну подводом возбуждающего напряжения к половинкам рупорной антенны. В этих щелях возбуждается поперечное магнитное поле, следствием чего является излучение из щелей. Поляризация поля, излученного щелями, совпадает с поляризацией поля в раскрыве рупорной антенны. Такая щель может рассматриваться в качестве излучателя бегущей волны, фазовая скорость в котором совпадает со скоростью света.

В подобных случаях максимум излучения такой антенны совпадает с продольной осью щели, т. е. практически совпадает с осью рупорной антенны. Таким образом, излучаемое щелями поле лишь добавляется к излучению собственно рупора.

В данной рупорной антенне сочетаются достоинства, с одной стороны, широкополосных вибраторных антенн, базирующихся на том обстоятельстве, что в процессе возбуждения и излучения этих антенн используются бегущие волны, для которых характерны отсутствия частотных ограничений и дисперсии, и достоинства рупорных антенн, отличающихся направленностью излучения. Кроме того, в рупорной антенне отсутствуют резонансные явления, ограничивающие ее широкополосность.[13]

Для решения поставленной задачи (расширения рабочей полосы частот) предлагается антенна, имеющая форму, приближающуюся к сегментарной. Антенна содержит две параллельные боковые пластины. Задняя сторона антенны образована центральной прямолинейной пластиной, переходящей в расходящиеся под углом две одинаковые внешние части, продолжающиеся до апертуры антенны. В центральной части антенны расположена треугольная структура, основание которой параллельно прямолинейной пластине задней стороны антенны. Между боковыми пластинами расположены с промежутками две группы параллельных пластин. Одна из этих групп параллельна одной из сторон центральной треугольной структуры.

Вторая группа параллельна второй стороне центральной треугольной структуры. Упомянутые параллельные пластины продолжаются от апертуры антенны до воображаемой поверхности, находящейся на расстоянии от внешних частей антенны. К фидеру антенны подключены два волновода через волноводный ответвитель, причем ответвитель соединен с внешними частями и с основанием треугольной структуры. [14]

2.3 Уменьшение габаритных размеров антенны

Для уменьшение осевой длины рупорной четырехгребневой антенны при сохранении размеров и угла раскрыв а без уменьшения рабочей полосы частот в дециметровом и метровом диапазонах.

Конструкция содержит пирамидальный рупор, на внутренних стенках которого вдоль их осей симметрии расположены две пары взаимно перпендикулярных гребней, отрезок прямоугольного волновода, присоединенный к горловине пирамидального рупора, и два наружных коаксиальных разъема, введены два симметрирующих трансформатора расположенных снаружи отрезка прямоугольного волновода, причем их симметричные входы соединены отрезками коаксиального кабеля равной длины с дополнительными коаксиальными разъемами, расположенными на задней стенке отрезка прямоугольного волновода, напротив каждого из взаимно перпендикулярных гребней, а выходы - к наружным коаксиальным разъемам, при этом каждый из взаимно перпендикулярных гребней соединен отрезком проводника двухпроводной линии через отверстие в задней стенке отрезка прямоугольного волновода с соответствующим дополнительным коаксиальным разъемом.

При распространении электромагнитной волны вдоль оси пирамидального рупора электромагнитное поле локализуется в основном между кромками двух пар взаимно перпендикулярных гребней. При этом высшие, типы волн практически не возбуждаются, так как возбуждающее напряжение с помощью отрезков проводников двухпроводной линии приложено к кромкам двух пар взаимно перпендикулярных гребней. Использование симметрирующих трансформаторов в сочетании с высокоомной симметричной двухпроводной линией для возбуждения рупорной четырехгребневой антенны обеспечивает возможность плавного преобразования волнового сопротивления от 200 Ом в горловине до 400 Ом в раскрыве при меньшей осевой длине антенны. Поскольку размеры горловины пирамидального рупора, угол.раскрыва и отношение

высоты гребней к размеру горловины сохраняются, рабочая полоса частот остается неизменной.

Таким образом, данная конструкция позволяет уменьшить осевую длину рупорной четырехгребневой антенны при сохранении рабочей полосы частот в дециметровом и метровом диапазонах.[15]

Уменьшение габаритных размеров также достигалась следующим образом. В рупорной антенне содержащей рупор в виде усеченного кругового конуса и штыревой возбудитель, ось которого проходит через ось усеченного кругового конуса. Штыревой возбудитель размещен внутри рупора в сечении с диаметром D={0,7±0,1)A, где А - рабочая длина волны, причем ось штыревого возбудителя наклонена к вершине усеченного кругового конуса на угол а =25 ± 5° относительно нормали к образующей усеченного кругового конуса, а диаметр меньшего основания усеченного кругового конуса составляет не более 0,586 А. Наклон штыревого возбудителя, на угол а = 25 ± 5° внутрь рупора вызывает возбуждение не только волны H, но и волн Е-типа, распространяющихся в сторону раскрыва рупора. Гибридномодовый режим возбуждения позволяет при простоте конструкции получить малый уровень бокового излучения и равенство диаграмм направленности в плоскостях Е и Н.[16]

2.4 Уменьшение бокового излучения

Указанная цель достигалась рупорной антенной по средствам того, что зубцы периодической зубчатой структуры рупора были отогнуты в разные стороны от образующей рупора на угол 5-45°, так же был введен дополнительный экран, выполненный в виде структуры, дополняющей зубчатую по сплошной и размещенной с внешней стороны рупора под углом 85-105° к его образующей. Вследствие изрезанности образующей рупора осуществлялся достаточно плавный переход параметров среды от металла к свободному пространству. Благодаря этому волна, отраженная от границы раздела, уменьшается по амплитуде. По параметру периодической зубчатой структуры протекают токи с разной фазой и направлением. Поэтому средний уровень эффективного возбуждения кромки в плоскости Е меньше, чем в рупоре с гладкой кромкой. Соответственно уменьшается уровень дифракционных полей, обусловленных кромкой рупора, как для волн, распространяющихся во внешнем пространстве, так и внутри рупора. Для уменьшения уровня боковых лепестков в заднем полупространстве используются дополнительный экран, зубцы которого дополняют зубчатую структуру до сплошной.[17]

Также поставленная цель достигается тем, что в рупорной антенне, содержащей рупор, на внутренней поверхности которого выполнены поперечные канавки, глубина которых плавно уменьшается от л _ср/2 в горловине до л _ср/4 в раскрыве рупора, где л _ср-средняя длина волны в рабочем диапазоне частот, глубина поперечных канавок уменьшается по экспоненциальному закону.

При этом поперечные канавки выполнены таким образом, что в сече-

нии рупора плоскостью, проходящей через ось рупора, параллельные стенки поперечных канавок перпендикулярны образующей рупора или параллельны оси рупора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Поскольку глубина поперечных канавок плавно уменьшается по экспоненциальному закону от л _ср/2 до до л _ср/4, вдоль оси рупора происходит постепенное преобразование вол ны H₁₁ в гибридную волну НЕ₁₁, обеспечивающую осевую симметрию диаграммы направленности, низкий уровень боковых лепестков и кроссполяризации. При этом поверхностная волна не возбуждается, так как глубина поперечных канавок больше л _ср/4 и поверхностный импеданс имеет емкостной характер. Кроме того, при изменении глубины поперечных канавок по экспоненциальному закону происходит плавное изменение импеданса от горловины и раскрыву, что приводит к улучшению согласования в широкой полосе частот.[18]

2.5 Тенденции развития микрополосковых антенн

Конструкции микрополосковых антенн также постоянно совершенствуются разработчиками новой техники.

В настоящее время происходит интенсивное становление теории и совершенствование технологии микрополосковых антенн, отличающихся большим разнообразием конструкций и пригодных для применений в качестве как самостоятельных антенн, так и элементов антенных решеток. Освоенный диапазон частот микрополосковых антенн простирается от 300 МГц до 20 ГГц.

Применение наряду с двухпроводными коаксиальными линиями и волноводами полосковых линий передачи привело к созданию специальных полосковых антенн, выполняемых методом печатных схем.

Основным преимуществом подобных антенн является малая масса, простота конструкции, высокая точность изготовления, возможность создания не выступающих конструкций. Существенным недостатком одиночного микрополоскового излучателя является его узкополосность, связанная с резонансным механизмом действия антенны.

2.6 Расширение рабочей полосы частот

На расширение рабочей полосы частот направлена конструкция микрополосковой антенны, содержащей металлическую пластину, расположенную на диэлектрической подложке, установленной на плоском металлическом экране, коаксиальную фидерную линию, металлический штырь, подключенный к центральному проводнику коаксиальной фидерной линии, 35 настроечный элемент, причем между настроечным элементом и металлической пластиной расположен диэлектрик, металлический штырь соединен с концом настроечного элемента через отверстие в металлической пластине и изолирован от металлической пластины, причем настроечный элемент выполнен в виде линейного проводника длиной - л /4; где л -- длина волны в полосковой линии, образованной линейным проводником и металлической пластиной.

При возбуждении металлической пластины коаксиальной фидерной линией с подключенным к центральному проводнику коаксиальной фидерной линии 5 металлическим штырем линейный проводник длиной л /4, играет роль согласующего реактивного сопротивления. При выбранной длине линейного проводника обеспечивается полная компенсация реактивного сопротивления микрополосковои антенны в расширенном диапазоне частот.[19]

Еще одной конструкцией позволяющей решить проблемы расширения полосы частот является микрополосковая антенна эллиптической поляризации содержащая металлическую пластину, расположенную на одной стороне диэлектрической подложки, на другой стороне которой слой металлизации. Форма металлической пластины образована удалением одной четверти прямоугольника, лежащей между его осями и симметрии. Входной коаксиальный кабель присоединен внешним проводником к слою металлизации, а центральным проводником -- к металлической пластине в центре прямоугольника на пересечении осей и симметрии.

При подаче напряжения по входному коаксиальному кабелю на металлической пластине возбуждаются два низших ортогональных типа колебаний, Выбором размеров металлической пластины 1, отличающихся на (0,5--5)% от резонансных, достигается сдвиг фазы в 90° между колебаниями двух ортогональных типов. Из-за пониженной добротности это соотношение сохраняется в более широкой полосе частот, чем у микрополосковой антенны с металлической пластиной почти квадратной формы размерами.

Таким образом, обеспечивается расширение рабочего диапазона частот. [20]

Также известна конструкция двухчастотной антенны, позволяющей решить проблему расширения спектра, а также варианты её конструкции. Для этого двухчастотная микрополосковая антенна, которая содержит проводящий экран и расположенные противоположно ему внутреннюю (центральную) излучающую (проводящую) пластину и внешнюю (периферийную) излучающую (проводящую) пластину и систему питания с соответствующими возбуждающими штырями для внутренней и внешней пластинки, причем внутренняя пластинка выполнена в форме круглого диска с набором выступов по краю, а внешняя пластинка выполнена в форме кольца с соответствующим набором выступов на внутренней стороне кольца, при этом соответствующие выступы внутренней пластинки расположены внутри выступов внешней пластинки (один внутри другого), таким образом, соответствующие выступы внутренней пластинки вложены и расположены в пазах, образованных соответствующими выступами внешней пластинки. В выступах внешней пластинки расположены вертикальные проводящие элементы, которые проходят через внешнюю пластинку и гальванически соединяют внешнюю пластинку с упомянутым проводящим экраном, а между экраном и внешней пластинкой по ее внешнему периметру (краю) имеется диэлектрическое заполнение.

Выступы внутренней пластинки расположены в пазах, образованных выступами внешней пластинки таким образом, чтобы имелся определенный зазор между этими выступами. Выступы могут быть выполнены прямоугольной, квадратной, трапецеидальной формы. Вариант данной конструкции является следующее решение: пространство между проводящим экраном и внутренней и внешней пластинкой имеет воздушное заполнение, при этом внутренняя и внешняя пластинка размещены над проводящим экраном посредством диэлектрических проставок, выполняющих роль несущей опоры.

Также пространство между проводящим экраном и внутренней и внешней пластинкой может быть заполнено диэлектриком. Внутренняя и внешняя пластинки выполнены в виде печатной платы и представляют собой проводящий слой, выполненный на несущем диэлектрическом основании. Еще одним вариантом данной конструкции, может быть следующее решение: вдоль внешнего периметра внешней пластинки расположены емкостные элементы. Емкостные элементы представляют собой два набора проводящих штырьков или пластинок, или зубцов. Элементы одного набора соединены с внешней пластинкой, элементы другого набора соединены с экраном, причем каждый элемент одного набора расположен напротив соответствующего элемента другого набора, что обеспечивает определенный зазор между ними.

Данная двухчастотная микрополосковая антенна может работать в режиме линейной поляризации, возбуждаемая соответствующими возбуждающими штырями, подключенными к внешней и внутренней пластинке. Для обеспечения работы в режиме круговой поляризации к возбуждающим штырями должна быть подключена соответствующая схема, обеспечивающая возбуждение электромагнитного поля с необходимыми фазовыми сдвигами.[21]

Расширение рабочего диапазона частот, достигается микрополосковой антенной, излучающий элемент которой расположен на диэлектрической подложке над экраном и состоит из нескольких полуволновых вибраторов, имеющих разные рабочие частоты и запитываемых коаксиальным фидером.

Особенность заключается в том, что плечи полуволновых вибраторов, расположенных на диэлектрическом основании с экраном симметрично, в две противоположные стороны от места запитки, и длины которых возрастают по мере удаления от центра, объединяются двумя собирающими полосками, середина одного из которых соединяется с центральной жилой питающего фидера, а центр второго заземляется. Питающий фидер возбуждает собирающие полоски. В зависимости от рабочей частоты возбуждается тот или иной вибратор, настроенный на данную частоту. По мере удаления от места запитки собственные резонансные частоты вибраторов уменьшаются.

В совокупности вибраторы образуют многорезонансную систему, составные части которой имеют между собой не сильную связь, что обеспечивает достаточно высокий уровень согласования в промежутках между соседними резонансами. Так как из теории антенн известно, что микрополосковые вибраторы являются узкополосными излучающими устройствами, то для обеспечения широкополосного согласования, собственные резонансные частоты вибраторов должны отличаться друг от друга на величину не более 5-10%. Если частоты будут отличаться на большую величину, настройка согласования имеет характер отдельных узкополосных резонансов. Количество вибраторов может быть увеличено, но практически количество пар вибраторов берется не более пяти. Это связано с тем, что по мере удаления от точки запитки происходит затухание электромагнитной волны, и КПД антенны падает. Расстояние между соседними вибраторами не должно быть меньше чем 2-3 ширины отдельно взятого вибратора, для уменьшения влияния их друг на друга.

Данная широкополосная настройка полосковой антенны обеспечивается выбором количества дополнительных микрополосковых вибраторов, их резонансных частот. При использовании до пяти пар вибраторов, микрополосковая антенна может быть настроена в полосе частот с перекрытием примерно 2:1 (полоса частот до 50% при КСВ менее 2).[22]

Также известна МПА линейной поляризации, которая содержит излучатель, выполненный в виде проводящей пластины прямоугольной формы П-образного сечения, размещенной над металлическим экраном посредством диэлектрических стоек, и коаксиальный кабель, центральный проводник которого подключен к излучателюв точке, лежащей в плоскости симметрии МПА, на расстоянии (0,03-0,04) л , где л - рабочая длина волны, от его центра, а внешний проводник к металлическому экрану. Проводящая пластина П-образного сечения ориентирована боковыми участками к металлическому экрану, а ее средняя часть параллельна металлическому экрану, при этом длина средней части сечения излучателя выбирается в пределах (л/6 - л /4), а полная длина проводящей пластины 1 равна 0,5 л,

При подаче напряжения на вход коаксиального кабеля на металлической пластине П-образного сечения наводится электрический ток, который

обеспечивает электромагнитное излучение в направлении нормали к плоскости металлического экрана, Согласование излучателя с возбуждающим коаксиальным кабелем обеспечивается соответствующим выбором точки подключения .

Отсутствие диэлектрика в пространстве между излучателем и металлическим экраном 2 и выбор величины расстояния между средней частью излучателя и металлическим экраном порядка 0,14 л обеспечивает расширение рабочего диапазона частот.[23]

Расширение рабочей полосы частот решается конструкцией микрополосковой щелевой антенны, которая содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен полосковый проводник, а на другой - металлический экран, в котором выполнены две прямоугольные щели. Полосковый проводник выполнен в виде разомкнутого отрезка и вместе с диэлектрической подложкой и металлическим экраном образует возбуждающую полосковую линию. Прямоугольные щели расположены симметрично относительно плоскости симметрии полоскового проводника 2 и выполнены длиной 1,15 л _е , где л _е = л_o/e^1/2 л_o -рабочая длина волны; е- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки.

...