На правах рукописи
УДК 621.396.33:528.8
0030520ЭЗ
АЛЬХАРИРИ МУХАМЕД
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПЕЧАТНЫХ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН
Специальность 05.12.07 ­ «Антенны, СВЧ ­ устройства и их
технологии»
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва ­ 2007
Работа выполнена на кафедре радиофизики,
микроволновой
техники
Московского
авиационного
(государственного технического университета).
антенн и
института
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Д.И. Воскресенский
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
В.В. Чебышев
кандидат физическо­математических наук,
с.н.с.
В.Ф. Лось
Ведущая организация:
ОАО КБ "Лира"
Защита диссертации состоится " / г " с^/"^'
^ 2007 г. в/^.часов
на заседании диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском
авиационном институте (государственном техническом университете) по
адресу: 125993, г. Москва, А­80, ГСП­3, Волоколамское шоссе, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.
Автореферат разослан "J?_" ^f^W/r?c
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.125.03, к.т.н., доцент
2007 года.
М.И. Сычев
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации.
Развитие многих отраслей науки и техники тесно связано с
принципиально важной тенденцией уменьшения габаритов и массы
(миниатюризацией) устройств и систем. Конструктивные, технологиче­
ские и эксплуатационные преимущества этого направления для
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) очевидны. Особое место занимает
миниатюризация РЭА микроволнового диапазона, в котором могут быть
реализованы системы сверхбыстрой обработки информации (ССОИ). В
качестве носителя информации в таких системах выступают
электромагнитные волны (ЭМВ). Их практическое использование связано
с генерированием, направленной пространственной передачей и
преобразованием ­ обработкой сигналов.
Большие массогабаритные характеристики РЭА, созданной на
основе волноводной элементной базы, уже в конце 40­х ­ начале 50­х г.г.
20 века потребовали поиска принципиально новых подходов и решений. В
результате
появилась
концепция
микрополосковых
устройств,
подготовившая базу для освоения технологии интегральных схем (ИС)
СВЧ, КВЧ диапазонов. Логическим продолжением повышения степени
интеграции к настоящему моменту можно считать создание объемных
интегральных схем (ОИС).
Результаты миниатюризации нашли свое отражение и в антенной
технике, поскольку уменьшение массогабаритных параметров РЭА воз­
можно только при соответствующем подходе к вопросу построения
антенных систем. Именно такой подход позволяет добиться увеличения
надежности и наращивания функциональных возможностей РЭА при
прогрессирующем снижении ее массогабаритных параметров.
Антенна, как правило, относится к пассивным компонентам
радиосистем и может быть определена как область перехода от
свободного пространства к направляющему устройству или линии
передачи. Наряду с выполнением основных функций излучения и приема
ЭМВ современные
антенны
выполняют
важнейшие
функции
пространственной фильтрации и пространственно­временной обработки
радиосигналов, обеспечивая направленность действия радиосистем и
осуществляя
пеленгацию
источников
радиоизлучения
и
радиолокационных целей.
Развитие антенной техники в настоящее время направлено в
основном на улучшение характеристик антенных устройств. При этом
появление новых идей стимулируется потребностями создания РЭА с
3
определенными
характеристиками.
Осуществление
сверхдальней
(космической) связи, обеспечение предельно высокой разрешающей
способности (в радиоастрономии и прикладных задачах) приводит к необ­
ходимости создания антенн с чрезвычайно большим коэффициентом уси­
ления (КУ) и максимальным снижением уровня принимаемого шума. Раз­
витие оборудования космических, летательных и наземных объектов для
связи, навигации, телеметрии и других систем привело к росту числа
слабонаправленных антенн, устанавливаемых на этих объектах, и
повышению требований, предъявляемых к их характеристикам.
Возможности расширения области применения антенных систем
(АС) зависят от улучшения их широкополосных свойств, которые в значи­
тельной мере определяются рабочей полосой частот излучающего элемен­
та. Именно поэтому определенный интерес вызывают проблемы, связан­
ные с созданием широкополосных и сверхширокополосных одиночных
излучателей плоскостной конструкции.
Параметры антенн принято делить на первичные и вторичные. К
первичным параметрам относятся следующие: векторная комплексная
диаграмма направленности (ДН), входное сопротивление, коэффициент
полезного действия, предельная пропускная мощность. Вторичные пара­
метры ­ коэффициент направленного действия (КНД) и КУ, ширина
основного луча амплитудной ДН, уровень боковых лепестков (УБЛ),
поляризационные параметры и др., ­ могут быть найдены через
первичных. Зависимость первичных и вторичных параметров от частоты
определяет диапазонные свойства антенны.
Антенны бегущей волны (АБВ) один из классов антенн и он
включает в себя большое многообразие излучателей различных видов и
форм с непрерывными направляющими структурами, протяженность
которых больше длины волны. Поля и токи, создающие излучение в таких
структурах, могут быть представлены одной или несколькими бегущими
волнами, распространяющимися, как правило, в одном направлении.
Примерами наиболее ранних АБВ являются проволочные и ромбические
антенны.
Если структура, вдоль которой распространяется бегущая волна,
хорошо согласована, то ЭМВ, отраженная от излучающего края антенны,
весьма мала, и излучение происходит за счет бегущей волны. В свою оче­
редь, антенну стоячей волны можно рассматривать как АБВ, в которой
две волны распространяются в противоположных направлениях.
Подобным образом может быть получена, например, ДН полуволнового
вибратора.
Класс АБВ можно разделить на две группы. Первая группа ­
антенны вытекающей волны. ЭМВ распространяется в направляющей
4
структуре этих излучателей с фазовой скоростью, большей скорости света
(уф > с), и такие антенны реализуют режим бокового излучения.
Типичными антеннами вытекающей волны являются антенны с длинными
щелями в волноводах.
Вторая группа АБВ ­ антенны поверхностной волны. В
направляющей структуре таких излучателей распространяются' ЭМВ с
фазовой скоростью, меньшей или равной скорости света (уф < с). Такие
антенны формируют основной луч излучения, направленный вдоль
структуры, и поэтому иногда называются антеннами продольного или
осевого излучения. К типичным представителям этой группы излучателей
относятся диэлектрические стержневые, спиральные, импедансные
антенны и расширяющиеся щелевые антенны (РЩА).
Можно разделить РЩА тоже на две группы, печатные и
полосковые: печатные расширяющиеся щелевые антенны (ПРЩА) также
известные как симметричные щелевые антенны, которые являются
антеннами продольной бегущей волны. Как микрополосковые антенны,
ПРЩА имеет низкий профиль, легкий вес, простое изготовление
фототравлением,
конформную
установку
и
совместимость
с
микроволновыми интегральными схемами (МИС). Отлично работая, РЩА
демонстрирует полосу пропускания мультиоктавы, коэффициент
усиления (7­10 децибелов) и симметричные Е ­ и Н ­ плоскости формы
луча. Антенна сначала была предложена Льюисом в 1974. С тех пор,
много технологических достижений было сделано в них проектах и в их
применении.
В связи с этим исследуемые в работе задачи являются
актуальными.
Цель и задачи работы. Электродинамическое моделирование
ПРЩА в целях исследования характеристик излучения и согласования
антенн в широком частотном диапазоне.
Ввиду того, что основная ЭМВ, распространяющаяся в СЩЛ,
является поверхностной, а ее фазовая скорость меньше скорости света (УФ
< с), эти антенны можно отнести к антеннам поверхностной волны
(продольного излучения). Такие излучатели, несмотря на плоскую конст­
рукцию, формируют в осевом направлении объемный, практически сим­
метричный луч, а частотный диапазон некоторых конструкций может дос­
тигать отношения 5:1.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе
решены следующие задачи:
• Рассмотрены все виды антенн типа РЩА, существующие до сих пор и
все типы возбуждения этих антенн.
5
•
В качестве тестовой задачи исследованы излучатели типа РЩА в
частотном диапазоне от 4 ГГц до 8 ГГц, с помощью программ
моделирования, которые существуют в настоящее время и
. используются для самых крупных систем моделирования антенн и
СВЧ устройств. Проведено сравнение полученных результатов
моделирования
с
опубликованными
экспериментальными
результатами.
" Приведен новый алгоритм метода параметрического моделирования,
который используется при проектировании и исследовании
характеристик РЩА.
• Проведено моделирование антенны типа РЩА и АС для нескольких
частотных диапазонов с помощью методов моделирования.
• Изготовлено несколько излучателей типа РЩА разных частотных
диапазонов и проведены измерения этих антенн на сетевом
анализаторе типа R&S FSP­30 и HP.
" Исследовано взаимодействие между излучателями в АС, с помощью
программы моделирования. В результате мы получили оптимальный
тип размещения излучателей.
• Решены некоторые практические задачи с использованием
электродинамического моделирования излучателя типа РЩА.
Методы исследований.
Вычислительные методы электродинамического моделирования,
методы теории антенн, численные методы математического анализа,
системы электродинамического моделирования.
Научная новизна работы.
заключается в следующем:
• Проведено электродинамическое моделирование излучателя типа
РЩА, в составе линейной системы и плоской системы на основе
излучателя РЩА.
• Изготовлена экспериментальная модель для самого маленького
излучателя, работающего в частотном диапазоне 5:1.
• Представлены результаты электродинамического моделирования и
экспериментальная модель излучателя типа двухсторонних РЩА
для облучателя из 4 излучателей в моноимпульсной системе.
Практическая значимость результатов работы.
Проведенный
электродинамический
анализ
и результаты
экспериментов показывают возможность существенного расширения
полосы РЩА.
Конструктивное
исполнение
излучателя
РЩА
позволяет
использовать его как элемент в новых антенных системах.
Реализация и внедрение результатов работы.
6
Основные результаты диссертационной работы использованы и
внедрены при выполнении промышленных разработок. В частности
использована РЩА для построения антенной системы с механическим
сканированием при двух частотной работе.
Полученные результаты по взаимодействию между излучателями
типа РЩА использованы для построения новой антенной системы.
Достоверность
полученных
результатов
подтверждается
хорошим
совпадением
расчетных
характеристик
РЩА
с
экспериментально измеренными.
Также подтверждается совпадением в частных случаях
полученных теоретических характеристик с ранее известными
результатами.
Основные положения, выносимые на защиту.
• Расширение полосы рабочих частот РЩА путем параметрической
оптимизации.
• Построение излучателей с широкой полосой частот.
• Улучшение характеристик направленности излучателя РЩА в
системе.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались,
обсуждались
на молодежной
научно­технической
конференции
«Радиолокация и связь­перспективные технологии», Москва, 16­17 марта
2005 г.; на международной научной конференции, «Излучение и
рассеяние ЭМВ», Таганрог, Россия, 20­25 июнь 2005 г.
Публикации.
По основным результатам выполненных
в диссертации
исследований опубликовано 4 печатных работы, из них 2 научных статьи
и 2 тезиса докладов.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа изложена на 181 машинописных
страницах и состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка
использованных источников. Иллюстративный материал представлен в
виде 169 рисунков и 16 таблиц. Список использованных источников
включает 66 наименований на 5 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной
работы электродинамического моделирования печатных расширяющихся
щелевых антенн, сформулированы цель и задачи исследований, показаны
7
научная новизна и практическая значимость работы, представлена
структура диссертации.
В первой главе проведен обзор по материалам отечественных и
зарубежных источников по тематике, связанной с излучателем
типа
РЩА.
В
настоящее
время
возникла
необходимость
создания
интегрированных АС, обеспечивающих совместную работу различных
радиосистем. Для совмещения функций различных радиосистем АС
должна обеспечивать приемлемые характеристики направленности в
широкой полосе. Возможны различные пути решения этой проблемы:
1. Совмещение излучателей различных диапазонов в одной апертуре;
2. Построение широкополосной АС.
Первый
путь
приводит
к
ухудшению
характеристик
направленности системы, работающей в одном диапазоне, из­за
взаимодействия излучателей этого диапазона с излучателями других
диапазонов.
Одним из наиболее перспективных направлений является развитие
широкополосных антенных систем.
Излучатель широкополосной антенной системы должен обладать
малыми массогабаритными параметрами и обеспечивать требуемое
изменение характеристик направленности в рабочей полосе частот. Этим
требованиям удовлетворяют излучатели на основе симметричных
щелевых линий РЩА.
Щелевой излучатель типа
РЩА представляет собой кривую
или линейную расширяющуюся
щель в тонком слое металла на
диэлектрической подложке или в
свободном пространстве, рис. 1.
Большая часть щелевых антенн возбуждается щелевыми линиями,
поэтому для соединения их с другими типами линий передачи
необходимы устройства, обеспечивающие переход от щелевой линии к
полосковой линии, коаксиальной линии или волноводу.
Выявлены основные тенденции развития АС на основе РЩА, такие
как многофункциональная широкополосная двух поляризационная АС,
адаптивная фазированная антенная система, предназначенная для
использования в промышленности, науке и медицине.
Рассмотрены основные наиболее важные методы, используемые
для расчета характеристик направленности излучателей.
В одной из первых работ изложен приближенный метод анализа
характеристик направленности излучателя РЩА.
8
Метод состоит из двух частей. В первой части метода находится
распределение поля вдоль щелевой антенны бегущей волны, где
применена
ступенчатая
аппроксимация
щели
секциями,
представляющими отрезки щели постоянной ширины, как показано на
рис.2. Поле всей щелевой антенны определено суммированием полей
каждой секции.
Вторая
часть
метода
содержит определение поля
излучения щелевой антенны с
амплитудным распределением
поля (магнитного тока) в щели,
полученным в первой части.
Одним из наиболее простых приближенных методов расчета
является метод, основанный на замене излучающей щели эквивалентной
системой бегущей волны из вибраторов разной длины, расположенных на
расстоянии d<k/2. Для расчета характеристик направленности излучателя
РША этим методом также удобно
применять
ступенчатую
аппроксимацию.
Метод моментов. Позволяет точно определить характеристики
излучения линейно РЩА без подложки и приближенно определить
характеристики антенн на диэлектрической подложке, имеющей малую
диэлектрическую проницаемость и электрическую толщину.
Метод основан на определении поля излучения антенны путем
решения интегральных уравнений, связывающих поле с токами,
протекающими по проводящим поверхностям антенны. В соответствии с
геометрией проводящих поверхностей, они могут быть разбиты на
элементы прямоугольной или треугольной сеткой.
Если считать, что источники u.tM,) находятся в объеме V и
излучение осуществляется через поверхность S, то интегральное
уравнение, связывающее поле излучения с возбуждающими токами
можно записать в следующем виде:
jpЛ
­м,йт)ь = ­j\p,ET ­м,н т )/v (1)
где 0? ft \­ компоненты электромагнитного поля для источника
тока J включенного на S;
[3 ,м ) " полные токи на поверхности антенны;
Для проводников с конечной проводимостью:
Ms=ZsJsxn
(2)
где Z, ­ сопротивление материала проводящей поверхности.
9
Для идеально проводящего материала J , Ms=0t
разложен:
N
j может быть
(3)
^ , п г,
п=1
Дискретизация уравнения (1) приводит к системе линейных
уравнений, решаемой относительно неизвестных коэффициентов /„:
N
=V
У I Z
^ , п тп
т
п=1
,
m=l,2
^­­fl­w»
где
Гтп =
N
(4)
(5)
Е
Ш .­^>
(6)
т±в
1—1
Разбиение проводящей
поверхности;
поверхностный диполь;
Рис.3
При решении предполагается, что каждый ток, протекающий по
диполю, образуемому элементом поверхности, является кусочно­
синусоидальным:
j ,. f I M * . ( * ­ H ) , | y | < w , \z\<h
(7)
1W Sink0h
где ко=2к/Лп, До ­ длина волны в свободном пространстве.
Общее число мод каждого элемента: NH(NL­1)+ NL(NH­l).
Основной задачей моделирования метода моментов является расчет
матрицы импедансов элементов (5). Взаимное сопротивление двух
диполей 1 и 2, показанных на рис.3 определяется следующим выражением:
sin(i0u,)sin(*0Aj) tZ м ,П?.2,Ги
J, J,
где C/=Cj=Z)/=Z)j=/, C2=­2cos kohi и Di=­2cos kfa­.
2
(8)
2
2
Ли = ( / ­ , + z i ­ 2 r / z 4 c o s ^ ) " . '
ri=r/+(l­2)h2 , ri=­uwiCosy/+ 11W2COSIJ/+ y­cosy/;
Zk=zi+(k­2)hi , ZI~UWICOSI/J+UW2COSI//+ytcostj/­Z';
длины диполей 1 и 2 ­ 2ht и 2h2 соответственно.
у., z. ­ координата центра диполя 2, 2wi ­ ширина диполя 1, 2w2
­ ширина диполя 2.
10
Во второй главе представлены существующие в настоящее время
численные методы моделирования электромагнитных процессов в
антеннах и СВЧ устройствах.
Эти методы можно разделить на основе способа решения
уравнений Максвелла в частотной или временной области:
методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла в час­
тотной области:
• FEM ­ Finite Element Method (метод конечных элементов (МКЭ));
• FIT ­ Finite Integration Technique, in Frequency Domain (метод
конечных интегралов в частотной области (МКИ));
• МоМ ­ Method of Moments (метод моментов (ММ));
• РО ­ Physical Optics approximations (метод физической оптики
(МФО));
• UTD ­ Uniform Theory of Diffraction (однородная теория дифракции
(ОТД));
• FFT ­ Fast Fourier Transform (FFT) and modified spectral­domain method
of moments (метод моментов, модифицированный для спектральной
области на основе быстрого преобразования Фурье);
методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла во
временной области:
• FDTD ­ Finite Difference Time Domain (конечно­разностный метод во
временной области);
• FIT ­ Finite Integration Technique, in Time Domain (метод конечных
интегралов во временной области).
Рассмотрены системы моделирования, где метод МоМ применяется
в системе моделирования при моделировании планарных структур или
проволочных антенн (FEKO, SuperNEC), метод FDTD применяется в
системе моделирования широкополосных антенных и волноводных
устройств (CST Microwave Studio), метод FEM применяется в системе
моделирования ниш и проектирования трехмерных СВЧ ­ устройств
система (HFSS) и метод UTD позволяет моделировать процесс
распространения радиоволн, как в естественных природных условиях, так
и в кварталах городской застройки, а также анализировать
дифракционные явления, протекающие в непосредственной близости
трехмерных проводящих и поглощающих объектов сложной морфологии
(XGTD).
В связи с необходимостью разработки и исследования антенных
комплексов, расположенных на объектах больших электрических
размеров и сложной формы, появились системы моделирования, в
которых реализована возможность одновременного использования
различных методов (FEKO и SuperNEC).
11
Показана особенность вычислительных возможностей методов
моделирования.
Метод конечных элементов FEM: применяется для решения
уравнений Максвелла в частотной области и позволяет моделировать
устройства с трехмерными объектами произвольной формы.
JtowiOHCuiU Шторного Поля, кклшьнш к
В
методе
конечных
рсбрш тридра
элементов
вся
область
комюншш хлорного поля I средней точке
моделирования делится на малые
ребер, пепельш* х гршям н перпендикуляр­
1ЬККрсбри1
области (тетраэдры) и поле в
каждой
области
описывается
млнчиня » «торного поля м шутрский точке
локальной функцией.
мтрпатфоин) по узяояьш icimtsiui
При моделировании антенных устройств метод конечных
элементов требует применения граничных условий излучения (Radiation
boundaries).
Метод моментов МоМ: позволяют моделировать структуры,
состоящие из трехмерных проводящих поверхностей в слоистой среде.
Однако метод моментов развит применительно для случая анализа
планарных проводников.
Поверхности металла разбиваются на элементарные площадки, и
проводится аппроксимация электрического тока в пределах площадки.
Элементарная площадка может иметь треугольную форму, что
позволяет хорошо описывать поверхности криволинейной формы.
Для получения приемлемой точности моделирования размер
элементарной площадки не должен превышать Хо /10.
Конечно­разностный метод во временной области FDTD:
предложенный Йее в 1966 является простым путем для дискретизации
дифференциальных форм уравнений Максвелла. Основной принцип
метода состоит в использовании конечных разностей вместо частных
производных в уравнениях Максвелла.
Моделирование методом FDTD дает результат и в требуемой
полосе частот с помощью преобразования Фурье полученного решения во
временной области.
Моделируемая структура построена
из прямоугольных ячеек. Поля линейно
изменяются от ячейки к ячейке.
Для
обеспечения
устойчивости
процесса моделирования, максимальный
шаг должен быть определен таким
образом, чтобы импульс электромагнитной
волны не распространялся более чем через
,
одну ячейку за время шага.
"^^Щ^^Щ
Рис 5
12
Можно ограничить область моделирования с помощью наложения
поглощающих граничных условий.
Метод конечных интегралов FI: предложен в 1976 г. Вейландом и
реализован фирмой CST в системе MICROWAVE STUDIO. Этот
численный метод обеспечивает универсальную пространственную схему
дискретизации, применимую к различным электромагнитным проблемам,
от вычисления статических полей до высокочастотных вычислений во
временной и частотных областях.
В отличие от большинства численных методов, дискретизация
метода конечных интегралов соответствует интегральной форме
уравнений Максвелла, а не дифференциальной:
\E­dS = ­$?­&
dt
\D­dA=[ p­dV
Для численного их решения определяется ограниченная область
вычислений, эта область разбивается на некоторое количество маленьких
кубиков, называемых ячейками сетки, рис.6.
Это первичная сетка, кроме которой определяется вторая, или,
дуальная сетка, ортогональная первой.
В третьей главе проведено исследование электродинамических
характеристик РЩА на основе метода моделирования.
В качестве тестовой задачи, проведено электродинамическое
моделирование известного излучателя типа РЩА. Исследование
характеристики РЩА в диапазоне 4­8 ГГц. Подложка (Rogers 4003, f=0.81
мм, ег=3.38.)
Экспериментальные характеристики изготовленного макета этого
излучателя дали хорошее совпадение с расчетом.
Разработка широкополосной антенны типа РЩА связана с
решением двух задач:
• согласования микрополосковой линии (МПЛ), (Wm Lm В,, Lca„),
со щелевой линией (ЩЛ), (Ws, L„ Lbp, Le), рис.7.
• согласования расширяющейся щелевой линии (РЩЛ), (R, L, IV)
со свободным пространством в широком диапазоне с помощью
метода параметрической оптимизации.
Представлен
метод
параметрической
оптимизации
для
проектирования и создания широкополосного излучателя типа РЩА.
Метод заключается в определении оптимальных характеристик
антенны путем варьирования параметров по разработанному алгоритму.
13
Lb
" ­
1
m •
"­"j"'
Д'
2
­ L ­
w
"
Win­'­
1
­j
­*™M
"^ЩИ
jji
r
.7
­
L.­BI'W„,
]_
• Параметры подложки ег, / определяют характеристические
сопротивления микрополосковой линии и щелевой линии Z0.
В случае микрополосковой линии передачи известны выражения
(10­а)
60 •Ln JU0.25&­ при WJr </
для2„:
•Я.
при WJt >1
(10­6)
120я
­ " +1.393 + 0.667 ­Ы — +1.44
В случае щелевой линии передачи, трудно найти выражение в
замкнутой форме, в литературе приведено несколько выражений и
характеристик в разных диапазонах W/Xn, t/ X0, и при разных
величинах
ег = 2.22... 10, где W, и Wm ширина щелевой и
микрополосковой линий.
• Длина и ширина клиновидной щелевой линии: L, А. Для того,
чтобы волны могли распространяться в режиме бегущей волны, длина
щелевой линии должна быть больше Хп.
где
2
'
a =
L
;
Г"
L'2 ­L2 ;
А= WS+2K; K=
Sin/3
R.
(11)
maxs< A^Amax/2
­,.
Sm­,iL
1_'
W s
'J.
1
А. W
' 1
• Скорость изменения раскрыва щелевой линии R. РЩА в данной
работе имеет круговое сужение, величина R существенно влияет на
ширину главного максимума и уровень боковых лепестков в ДН.
• Переход между широкополосной линией и излучателем: Lm, Ls,
WmWs. Для достижения хорошего согласования в полосе начальная
(первичная) длина перехода микрополоскового элемента Lm примерно
равна XJ4 и длина перехода щелевого элемента Ls примерно равна
Л/4, где Лт эффективная длина волны микрополосковом элементе, a Xs
эффективная длина волны щелевой линии: Lm=XJ4; Ls=A/4;
где
/L
А..;
л = Ъ ;
14
(12)
епт = 0 . 5 \ s r + \ + {e, ­\)­F\,
еш = 0.5• [е, +1]I
F = (l + !2­r/(Kj 4 1 ! +0.04(l­JF M /f) :
П И
Р
WJt<l
^,>;
F = (\ + \2.tlW.r
при
ere: эффективная диэлектрическая проницаемость подложки;
ег: диэлектрическая проницаемость подложки;
• Параметр 5/ определяет величину среза на угле. Выражение (13),
которое дано в литературе, позволяет
определить оптимальное
значение для величины среза:
(13)
1.04 + 1.3­е
В нашем случае, первичное значение Bt ~ 1, и далее мы будем с
помощью программы моделирования искать оптимальное значение
при изменении В, в пределах: Bt = 1....1.5.
Проведено
проектирование
излучателя
РЩА,
имеющего
следующие характеристики:
• Fmin=4rru,Fmax=8rru,Af=4rru,
приКСВН<2.
• Коэффициент усиления: КУ > 6 дБ.
• Ширина главного максимума: 29ол и 2фол > 60°.
• материал подложки ­ стеклотекстолит, (ЕГ~4, t—1.5 ММ).
Представлен алгоритм метода параметрической оптимизации.
Алгоритм оптимизации
Требуемые характеристики
F„„ F „ КУ, 2воз,2.р|и, УЕЛ
1
Определение параметров
ПОДЛОЖКИ, t , Zj.
Определение первичных
параметров антенны
Расчет КСВН а диапазоне
Изменение параметров
МПЛ, ЩЛ И РЩЛ
Изменение параметров
Р1ДЛ
15
После
определения
первичных
параметров
проведена
параметрическая оптимизация требуемого излучателя РЩА, начиная с
параметров питающей и переходной части антенны. Результаты расчета с
помощью программы моделирования показаны на рис.7, из них можно
считать, что оптимальные значения
Wm и Ws, те, которые дают
минимальный коэффициент отражения Sn на входе антенны, в более
широком диапазоне частот. Надо учесть, что максимальное значение для
Sn В диапазоне рабочих частот должно быть Su < ­10 дБ, что
эквивалентно КСВН < 2. Все результаты определены для
характеристического сопротивления 50 Q.
Из рис.7 определены оптимальные значения Wm и Ws, при которых
получено хорошее согласование на входе антенны Wm=2 мм, и Ws—0.6мм.
| ­ W H H ­ W H I i — Wi­06 — Wi4)7l
Рис.7, (a) ­ Изменение коэффициента
отражения Sn при изменении W, и Wm=2 мм.
~
\— Wm­I 6— Wm­I 8 ~Wm­2 — W_m­I~2!
Рис.7. (б)
­ Изменение
коэффициента
отражения Sn при изменении Wm и W, =0.6 мм.
Таким же образом проведена оптимизация питающей и переходной
части РЩА (Wm, Lm В,, Lcon, W„ Ls, Lbp, Le).
После этого проведена параметрическая оптимизация параметров
излучающей части {R, L, W).
На рис.8
показаны
результаты
зависимости
расчетного
коэффициента отражения Sn на входе антенны от R и L, при изменении
частоты в диапазоне 4­8 ГГц.
\—L­40
— L­*S ~ L­50'
Рис.8, (а) ­ Изменение коэффициента
отражения Sn при изменении L и R=60 мм.
—
'—R­?0 — R­60
R­70—R­80­
Рис.8, (б) ­ Изменение коэффициента
отражения Sn при изменении R и L =40 мм.
В результате оптимизации получены оптимальные параметры
антенны на рис.9 и потом проведено исследование всех характеристик
направленности широкополосных излучателей типа РЩА.
16
Изготовлены
антенны
и
проведены
экспериментальные
исследования
излучателей
в указанном диапазоне. Сравнение
теоретических характеристик с экспериментальными характеристиками
подтвердило достоверность теоретических исследований, рис.10
­ РШЛ.СТ«11­:>.«".р­1 — >11|д.СГ«я.Р«­1
­?­­
^
40
"^1
3
Рис.9. Общий вид излучателя РЩА­СТ48.
6
7
I
Г1ГТи>
Рис.10. Экспер. и расч. КСВ Н излучателя РЩА­СТ48.
В четвертой главе проведено исследование излучателей типа
РЩА в системе.
Излучатели типа РЩА могут использоваться как самостоятельные
сверхширокополосные антенны (например, как телеметрические и др.
датчики и облучатели зеркальных антенн), так и в качестве элементов
широкополосных АС (как активных, так и пассивных) для целей
радиоастрономии, радиолокации, связи и при решении ряда прикладных
задач.
Во первых исследовано взаимодействие между излучателями в
линейной системе в диапазоне от 8 ГГц до 14 ГТц.
Для этого проведено проектирование одного излучателя типа РЩА
в данном диапазоне на основе метода параметрической оптимизации, при
использовании в качестве подложки (Arlon­917, е, = 2.2, t = 1.6 мм.).
При выполнении оптимизации антенны получены оптимальные
параметры, на основе которых изготовлен один излучатель и проведено
измерение коэффициента отражения на входе антенны. На рис.11 показан
экспериментальный и расчетный КСВН.
Общий вид излучателя
PIU,A­AR814.
Экспериментальный КСВН
излучателя PIHA­AR814.
17
Рис.11. Расчетный КСВН
излучателя PLU.A­AR814.
Исследовано взаимодействие между излучателями РЩА при
размещении излучателей в составе системы. Для этого взяли линейную
систему вдоль оси Z из 5 элементов, где возбужден один излучатель
(активный), находящийся в середине системы и остальные излучатели
нагружены на сопротивление 50 Q (пассивные), рис.12.
Исследовано взаимодействие между излучателями РЩА, при
изменении расстояния между излучателями (шага в системе dz), а также
зависимости изменения КСВН при изменении частоты для шага dz.
Результаты расчета для разных значений dz показаны на рис.13.
Рис.12. Общий вид системы РЩА­
AR814H3 5 излучателей.
Рис.13. Изменение КСВН при изменении dz.
Рассмотрено изменение ДН при изменении шага в системе и
найдено оптимальное значение dz=l 7 мм, при котором получен минимум
коэффициента отражения и сектор сканирования 8 тах =45°.
Проведено исследование всех характеристик излучателя РЩА в
системе с помощью программы моделирования и сравнение с
характеристикой излучателя в свободном пространстве. Результаты
показаны на рис.14 и подтверждают, что при оптимальном шаге в системе
можно улучшить характеристики излучателя.
}ш па \ч
НА
'
Рис.14. ПДН в Н­ плоскости,
f=10 ГГц, dz=17 мм.
ПДН в Е ­ плоскости, f= 10
ГГц, dz=17MM.
Изменение КСВН при
изменении частоты, dz=17MM.
Во­вторых, исследовано взаимодействие между излучателями в
плоской системе в диапазоне от 8 ГГц до 14 ГГц.
Для этого проведено проектирование одного излучателя типа РЩА
в данном диапазоне на основе метода параметрической оптимизации, при
использовании в качестве подложки стеклотекстолита ЕГ=4, t=1.5 мм.
Выполнена оптимизация антенны в диапазоне. На основе
полученных оптимальных параметров, изготовлен излучатель и проведено
18
измерение коэффициента отражения на входе антенны. На рис.15 показан
экспериментальный и расчетный КСВН.
7
8
9
10
М
12
13
14
15
F(ITii)
Общий вид излучателя РЩА­СТ814. Рис. 15. Экспер. и расч. КСВН излучателя РЩА­СТ814.
Рассмотрен способ размещения элементов в системе, прямоугольная
или треугольная (или гексагональная) сетка. Мы остановились на том, что
гексагональную сетку удобна, использовать в нашей системе, поскольку
ширина антенны W=25 мм ограничивает сектор сканирования.
При треугольной сетке рассмотрены два вида размещения
излучателей, и в результате исследования взаимодействия между
излучателями, при изменении шага системе, получили следующие:
• Для сканирующей системы в широком диапазоне нельзя сканировать в
большом секторе сканирования, на центральной частоте f=10 ГТц.
Минимальный шаг системы dmi„ = W ­25 мм, максимальный сектор
сканирования втах = 22.68п.
• Можно сканировать в широком секторе при узком диапазоне.
Приведены результаты расчета взаимодействия при изменении шага
системы на рис.17. Построена плоская система из девяти элементов,
размешенных по треугольной сетке, как показано на рис. 16.
Система из 9 излучателей
РЩА­СТ814.
(а)
(б)
Рис.16. Размещения излучателей РЩА по треугольной сетке.
Исходя из предыдущего излучателя, который показан на рис.15 и в
целях уменьшения габаритов антенны и обеспечения возможности работы в
двух диапазонах, приведены на рис.18 результаты исследований и расчетные
характеристики самой минимальной конструкции РЩА антенн на основе
симметричных щелевых линий, работающей в полосе от 8 ГТц до 30 ГТц.
19
7
I
9
10
II
II
II
14
li
F(ITu)
Изменение КСВН при изменении d. Сетка
(a).
7
I
4
tO
H
12
II
M
15
FirTu)
Рис.17. Изменение КСВН при изменении
d. Сетка (б).
Исследовано взаимодействие щелевых излучателей в плоской системе
в диапазоне от 8 ГГц до 30 ГГц. Полученные результаты показывают
возможность построения широкополосной сканирующей АС в двух
диапазонов.
Общий вид излуч. РЩА­СТ830­15.
Рис.18. Экспер. и расч. КСВН излуч. РЩА­СТ830
Для выбранного расстояния между излучателями получено, что
согласование на входе излучателя РЩА при существовании других
излучателей стало лучше, и ширина ДН излучателя РЩА в двух плоскостях
стала лучше.
В пятой главе решено несколько задач при применении излучателя
типа РЩА.
Проведено электродинамическое моделирование двухсторонних,
трехслойных печатных излучателей (ДРЩА) работающих в частотном
диапазоне 5:1, который показано на рис.19, и на основе метода
параметрической оптимизации представлены оптимальные параметры
излучателя. Проведены экспериментальные исследования излучателей в
указанном диапазоне.
Проведено электродинамическое моделирование моноимпульсной
системы из 4 излучателей типа ДРЩА работающей в частотном диапазоне
2:1 и представлены результаты исследования электродинамических
характеристик. Показана возможность существенного увеличения рабочей
20
полосы частот для моноимпульснои системы, по сравнению известными
антеннами.
Общий вид излучателя
Экспериментальный и расчетный КСВН излучателя ДРЩА­СТ430.
ДРЩА­СТ430.
Проанализирован и приведен основной алгоритм расчета
электродинамических
характеристик
излучателей
в
печатной
широкополосной антенной системе (ГТШАС) возбуждаемой радиальным
волноводом. Были рассчитаны парциальные ДН системы состоящей из 9
излучателей, и исследованы характеристики излучения ГТШАС
(парциальные ДН, ДН при сканировании).
Проведены экспериментальные исследования излучателя в
указанном диапазоне.
Заключение:
В работе получены следующие основные результаты
• Обзор и анализ литературы показал возможность построения
широкополосных
многофункциональных
АС
на
современной
элементной базе, и выявил ряд перспективных излучателей для
построения телекоммуникационных
антенн нового поколения.
Рассмотрены основные наиболее важные алгоритмы, используемые для
расчета характеристик направленности излучателей­.
• Разработаны и применены программы моделирования, позволяющие
провести анализ характеристик направленности и частотных
характеристик антенн типа РЩА.
" Проведена параметрическая оптимизация расширяющейся щелевой
антенны РША в диапазонах 4­8 ГГц, 8­14 ГГц, 8­30 ГГц, и для
двухсторонних, трехслойных печатных излучателей ДРША в диапазоне
4­30 ГГц.
• Получены параметры излучателя (форма излучателя, возбуждающая
часть излучателя), позволяющие существенно расширить рабочую
полосу частот, сравнительно с известными излучателями.
" Проведено
исследование
характеристик
направленности
широкополосных излучателей типа РЩА в данных диапазонах.
21
• Проведены экспериментальные
исследования
излучателей в
указанных диапазонах. Сравнение теоретических характеристик с
экспериментальными характеристиками подтверждает достоверность
теоретических исследований.
• Исследовано взаимодействие щелевых излучателей в линейной и
плоской системе в указанных диапазонах. Полученные результаты
показывают возможность построения широкополосной сканирующей
АС, и сканирующей АС в двух диапазонах.
• Подобные
излучатели
можно
использовать
в
качестве
самостоятельных компактных малогабаритных антенн, и как элементы
в антенной системе.
• Проведено исследование характеристик направленности системы из 4
излучателей типа ДРЩА в моноимпульсной системе, работающей в
диапазоне 2:1. Показана возможность существенного увеличения
рабочей полосы частот.
• Проведено
исследование
характеристик
направленности
сканирующей системы в диапазоне 8­12 ГГц из излучателей РЩА,
возбуждаемых радиальным волноводом.
Публикации по теме диссертации:
1. Альхарири М., "Широкополосные излучатели и антенны решетки СВЧ­
диапазона на основе симметричной щелевой линии". Антенны,
«РАДИОТЕХНИКА», № 12, 2005 г.
2. Альхарири
М,
"Двухсторонний
широкополосный
излучатель
Вивальди". Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 8, 2006 г.
З.Овчиникова Е.В., Альхарири М , "Применение программы Microwave
Studio для расчета щелевых антенн", Труды молодежной научно­
технической конференции «Радиолокация и связь­перспективные
технологии», Москва, 16­17 марта 2005 г.
4. Воскресенский Д.И., Котов Ю.В., Альхарири М., "Широкополосные
излучатели и антенные решетки Х­ диапазона на основе симметричной
щелевой линии", Труды Международной научной конференции,
«Излучение и рассеяние ЭМВ», Таганрог, Россия, 20­25 июнь 2005 г.
Множительный центр МАИ
Зах. отб'. 03 2С0? г . 1щ.50
22
экз.
