Генерация гармоник в схеме микрополосковой антенны-генератора, интегрированной с волноводом, встроенным в диэлектрическую подложку
Исследование конструкции автогенератора СВЧ излучения на основе микрополосковой антенны логопериодического типа, интегрированная с полевым транзистором, и волновода, встроенного в диэлектрическую подложку. Создание макета SIW-генератора частотой 13,5 ГГц.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.11.2018 |
| Размер файла | 464,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Фрязинский филиал
Генерация гармоник в схеме микрополосковой антенны-генератора, интегрированной с волноводом, встроенным в диэлектрическую подложку
В. Е. Любченко
Аннотация
Предложена и исследована конструкция автогенератора СВЧ излучения на основе микрополосковой антенны логопериодического типа, интегрированной с полевым транзистором, и волновода, встроенного в диэлектрическую подложку. Геометрия волновода выбрана таким образом, чтобы для основной гармоники антенны-генератора он был запредельным. Методом конечных разностей во временной области проведено компьютерное моделирование, которое позволило получить распределение СВЧ энергии в резонаторной и волноводной частях генератора на различных частотах. В результате экспериментального исследования макета получена генерация на частоте 27 ГГц с мощностью 100 мкВт.
Ключевые слова: СВЧ, автогенератор, интегрированный в подложку волновод, логопериодическая антенна, полевой транзистор.
Abstract
Microwave oscillator, based on the microstrip log-periodic antenna integrated with field-effect transistor and substrate integrated waveguide (SIW) is investigated. SIW geometry provides the oscillator fundamental frequency cutting off. Electric field distribution at the fundamental and second harmonic frequencies is obtained via FDTD method. Second harmonic oscillation at 27 GHz with 100 uW output power is experimentally obtained.
Key words: microwave, oscillator, substrate integrated waveguide, log-periodic antenna, field-effect transistor.
Введение
Интегрированный (встроенный) в подложку волновод (Substrate Integrated Waveguide - SIW) представляет собой линию передачи, которая состоит из диэлектрической пластины, ограниченной двумя параллельными металлическими покрытиями и двумя рядами металлических цилиндров. Конструкция обладает рядом достоинств: малые потери, малый вес и размеры, высокая добротность резонаторов, механическая прочность [1]. Она нашла применение в различных устройствах, в том числе и в автогенераторах СВЧ диапазона [2, 3]. В настоящей работе показана возможность создания СВЧ генератора на основе SIW-волновода и интегрированной с полевым транзистором микрополосковой логопериодической антенны с выводом излучения на второй гармонике основной частоты.
Конструкция генератора
Конструкция генератора состоит из двух металлизированных с одной стороны диэлектрических пластин, соединенных между собой металлизированными отверстиями (рис. 1).
Рис.1. Конструкция СВЧ генератора на основе волновода интегрированного в подложку.1 - логопериодическая антенна; 2 - транзистор; 3,4 - внешняя металлизация;5, 6 - диэлектрические пластины; 7,8 - металлизированные отверстия [4].
На поверхности одной из пластин размещена зубчатая логопериодическая антенна. Генератор построен по схеме с общим истоком, положительная обратная связь образуется за счет индуцированного излучения на лепестке антенны, соединенном с затвором транзистора.
Собственные частоты закрытого SIW-резонатора определяются по формуле [5]:
, (1)
где - эффективная длина резонатора.
Резонансные частоты логопериодической антенны расположенной на диэлектрической подложке можно найти исходя из геометрии антенны (рис. 2).
Рис.2. Логопериодическая антенна [6].
Из рисунка видно, что длина n-го зубца равна
, (2)
где - эффективная длина волны;
- эффективная диэлектрическая проницаемость.
Тогда длина волны излучения в воздухе . С учетом этой формулы получим нижнюю возможную частоту:
(3)
Стоит заметить, что при выборе безразмерного периода ф = 2 существует резонансный контур для второй гармоники от частоты по первому зубу. При этом собственным частотам антенны соответствуют высшие моды SIW-резонатора, там, где их спектр сильно сгущается.
Для более детального исследования конструкции было проведено электромагнитное моделирование конструкции автогенератора на расчетную частоту около 11 ГГц методом конечных разностей во временной области (FDTD) [7, 8]. Расчетные коэффициенты отражения и обратной связи приведены на рис. 3.
Рис.3. Коэффициент отражения и обратной связи.
При достаточном коэффициенте усиления транзистора и при подстройке электрической длины обратной связи возможно создание. При этом SIW-волновод для первой гармоники является запредельным, вторая же гармоника беспрепятственно в нем распространяется (рис. 4).
а)
б)
Рис.4. Распределение энергии на первой (а) и второй (б) гармонике.
Результаты эксперимента
Для апробации идеи был создан макет SIW-генератора на расчетную частоту около 13,5 ГГц по первой гармонике. Материалом диэлектрической подложки служил Arlon AD255. В качестве активного элемента использовался полевой транзистор NE350184c с коэффициентом усиления 13,5дБ на частоте 20ГГц. Измерение мощности производилась с помощью ваттметра М3-22А. На конце SIW-волновода был сделан скос, что позволяло совмещать его с полым металлическим волноводным трактом. На выходе SIW-волновода наблюдалось излучение на частоте 27 ГГц с мощностью порядка 100 мкВт. волновод генератор частота
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-07-00107-а.
Литература
[1] Донец И. В. Электродинамический анализ интегрированного в подложку волновода //Электромагнитные волны и электронные системы. - 2008. - Т. 13. - №. 5.
[2] Cassivi Y., Wu K. Low cost microwave oscillator using substrate integrated waveguide cavity //Microwave and Wireless Components Letters, IEEE. - 2003. - Т. 13. - №. 2. - С. 48-50.
[3] Zhong C. et al. Ka-Band Substrate IntegratedWaveguide Gunn Oscillator //Microwave and Wireless Components Letters, IEEE. - 2008. - Т. 18. - №. 7. - С. 461-463.
[4] Любченко В.Е., Радченко Д.Е., Телегин С.А., Юневич Е.О. Микрополосковая антенна-генератор. Патент на полезную модель №156623 с приоритетом от 23 июня 2015г. Зарегистрирован в Госреестре полезных моделей РФ 16.10.2015г.
[5] Ahmad B. H., Sabri S. S., Othman A. R. Design of a compact X-Band substrate integrated waveguide directional coupler //International Journal of Engineering and Technology (IJET). - 2013. - Т. 5. - №. 2. - С. 1905-1911.
[6] Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальностей вузов //М.: Высш. школа. - 1988.
[7] Жердев Д. А., Фурсов В. А. Высокопроизводительное моделирование распространения электромагнитного поля с использованием технологии CUDA //Сборник трудов международной научной конференции Параллельные вычислительные технологии. - 2013. - С. 338-345.
[8] Jin J. M. The finite element method in electromagnetics. - John Wiley & Sons, 2014.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Исследование поведения микрополосковой антенны типа "спираль Архимеда" и аналогичной синфазной антенны. Расчет физических параметров, моделирование и практическое использование СВЧ антенного устройства на частоте стандартного Wi-Fi-устройства 2,4 ГГц.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 15.09.2013Преимущества использования генетических алгоритмов в решении оптимизационных задач. Расчет микрополосковой антенны с круговой поляризацией, имеющей в составе хромосомы двоичные и действительные переменные. Оптимизация антенны с прореженными подрешетками.
реферат [20,6 K], добавлен 30.03.2011Отработка технологии получения тонких пленок BST. Методики измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической пленки, напыленной на диэлектрическую подложку. Измерения емкости в планарных структурах.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 15.06.2015Создание модели антенны и оптимизация ее конструкции. Свойства антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли в направлении максимального КНД и влияние диаметра проводников симметричного вибратора на рабочую полосу частот.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.02.2016Определение элементов конструкции антенны. Выбор геометрических размеров рупорной антенны. Определение типа возбуждающего устройства, расчет его размеров. Размеры раскрыва пирамидального рупора. Расчет диаграммы направленности и фидерного тракта антенны.
курсовая работа [811,9 K], добавлен 30.07.2016Проектирование смесителя на микрополосковой линии передачи, который предназначается для работы в приемном устройстве РЛС. Характеристики материалов для создания микросхем СВЧ. Топологическая схема микрополосковой смесительной секции. Оценка надежности.
курсовая работа [476,0 K], добавлен 27.05.2015Понятие и принцип работы передающих антенн и их диаграммы направленности. Расчет размеров и резонансных частот для фрактальных антенн. Проектирование печатной микрополосковой антенны на основании фрактала Коха и 10 макетов антенн проволочного типа.
дипломная работа [450,6 K], добавлен 02.02.2015Расчет размеров и параметров рупорной антенны. Линия передачи - фидерный тракт антенны. Вычисление КПД антенно-фидерного тракта и мощности передатчика. Эксплуатация антенно-фидерного устройства. Определение типа волновода исходя из размеров сечения.
практическая работа [150,7 K], добавлен 05.12.2010Общая характеристика, принцип работы и схематическое изображение логопериодической антенны. Геометрический расчет коэффициента направленного действия и рабочего интервала частот антенны. Проектирование конструкции антенны с помощью программы MMANA.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 27.10.2011Зеркальные антенны - распространенный тип остронаправленных СВЧ антенн в радиолокации, космической радиосвязи и радиоастрономии. Разработка конструкции антенны со смещенным рефлектором. Определение размеров зеркала, распределения поля в раскрыве антенны.
курсовая работа [149,3 K], добавлен 27.10.2011Роль малого зеркала. Расчет геометрических параметров двухзеркальной антенны Кассегрена, параметров облучателя. Соотношение радиуса волновода и критической длины волны. Максимальная фазовая ошибка на краях апертуры. Амплитудное распределение в раскрыве.
курсовая работа [449,4 K], добавлен 07.07.2009Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве. Расчет параметров геометрических и электрических характеристик антенн круговой поляризации. Результаты численного моделирования антенны.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 20.05.2011Понятие и основные достоинства радиорелейных линий. Сравнительная характеристика и выбор типа антенны, изучение ее конструкции. Расчет высоты установки антенны над поверхностью Земли. Определение диаграммы направленности и расчет параметров рупора.
курсовая работа [439,3 K], добавлен 21.04.2011Рупорные антенны - простейшие антенны СВЧ диапазона, их применение в качестве элементов более сложных антенн. Улучшение характеристик рупорной антенны с помощью линзы и принцип ее действия. Выбор питающего волновода. Расчет одиночного рупора с линзой.
реферат [477,7 K], добавлен 17.10.2011Определение геометрических параметров антенны. Выбор и расчет параметров облучателя: его геометрические параметры, определение фазового центра, создание требуемой поляризации поля. Расчет электрических характеристик антенны и особенностей ее конструкции.
курсовая работа [499,9 K], добавлен 21.03.2011Щелевые волноводные антенны, выполненные на основе прямоугольного, круглого, змейкового, спирального и других типов волноводов. Выбор размеров волновода. Расчет антенной решетки: длина антенны и проводимость одной щели, диаграмма направленности.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 11.01.2008Антенны как устройства, предназначенные для излучения и приема радиоволн, принцип их действия, внутреннее устройство и элементы. Проектирование двухэлементной антенны с двумя вертикальными активными полуволновыми вибраторами для заданной частоты.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 26.12.2013Разработка параболической антенны РЛС с частотой 1.2 ГГц. Проведение анализа выбора типа облучателя для данной рабочей частоты антенны. Построение диаграммы направленности облучателя в различных плоскостях. Подбор и расчет геометрических размеров зеркала.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 03.01.2009Исследование принципов разработки генератора аналоговых сигналов. Анализ способов перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов. Цифровая генерация аналоговых сигналов. Проектирование накапливающего сумматора для генератора аналоговых сигналов.
курсовая работа [513,0 K], добавлен 18.06.2013Описание принципа действия и особенности конструкции директорной антенны. Электрический и конструктивный расчет директорной антенны. Определение сопротивления рефлектора и диаграммы направленности. Разработка конструкции деталей антенны и узлов.
курсовая работа [721,7 K], добавлен 04.06.2012
