Электродинамические модели и исследование фар из комбинированных микрополосковых излучателей
Аннотация
Созданы алгоритм и быстродействующая программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать основные электродинамические характеристики для проектирования антенных решеток с комбинированными излучателями с учетом влияния фидера: коэффициент отражения, входное сопротивление, КСВ, диаграмму направленности излучателя в составе ФАР, поляризационную матрицу рассеяния отражательной антенной решетки (ОАР). По результатам проведенных вычислительных экспериментов определены параметры периодической структуры и согласующего устройства (реактивные шлейфы в линии питания излучателя), при которых обеспечивается согласование ФАР в широком секторе углов сканирования и значительном диапазоне частот, что нашло подтверждение проведенными измерениями характеристик согласования лабораторных макетов. Разработанные алгоритм и программа позволяют определить все составляющие ЭМП в ближней и дальней зонах антенной решетки. Ключевые слова: микрополосковая антенна, фазированная антенная решётка, математическая модель, излучатель Вивальди, печатный вибратор, комбинированный микрополосковый излучатель, полосковый фидер.
Одним из важнейших элементов РЭА является антенная система. В тех случаях, когда требуется получить хорошие направленные свойства и эффективно управлять ДН антенной системы, применяются фазированные антенные решетки. При работе с малыми и средними уровнями мощности наиболее оптимальными излучателями ФАР, с точки зрения массогабаритных и стоимостных параметров, являются микрополосковые антенны (МПА).
Наряду со всеми своими преимуществами классические планарные МПА обладают и одним серьезным недостатком – в силу резонансного характера планарные МПА и решетки из них узкополосны, относительная полоса рабочих частот таких антенн составляет доли и единицы процентов. Если требуется более широкая рабочая полоса частот (20 % и выше), то на смену классическим поперечным излучателям приходят широкополосные и сверхширокополосные печатные антенны продольного излучения, а так же комбинированные варианты конструкции продольного и поперечного излучателей. ФАР из продольных излучателей кроме своей широкополосности обладают еще одним немаловажным преимуществом - это возможность сканирования лучом ДН во всей верхней полусфере (в секторе углов 180 градусов).
Применение продольных излучателей для построения ФАР сопровождается необходимостью разработки новых методик, моделей и алгоритмов расчета таких излучателей.
Актуальность работ и исследований, ведущихся в этом направлении, очевидна. Разработанные адекватные модели, алгоритмы синтеза и анализа комбинированных микрополосковых излучателей ФАР станут полезным инструментом для инженеров – проектировщиков РЭА, позволяющим достоверно промоделировать характеристики излучения и согласования излучателей ФАР без предварительного макетирования.
Практическая ценность проведенного исследования заключается в том, что созданы алгоритм и быстродействующая программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать основные электродинамические характеристики для проектирования антенных решеток с комбинированными излучателями с учетом влияния фидера: коэффициент отражения, входное сопротивление, КСВ, диаграмму направленности излучателя в составе ФАР, поляризационную матрицу рассеяния отражательной антенной решетки (ОАР).
По результатам проведенных вычислительных экспериментов определены параметры периодической структуры и согласующего устройства (реактивные шлейфы в линии питания излучателя), при которых обеспечивается согласование ФАР в широком секторе углов сканирования и значительном диапазоне частот, что нашло подтверждение проведенными измерениями характеристик согласования лабораторных макетов.
Разработанные алгоритм и программа позволяют определить все составляющие ЭМП в ближней и дальней зонах антенной решетки.
Основные результаты работы:
1. На основе леммы Лоренца в интегральной форме была построена математическая модель бесконечной, плоской, двоякопериодической ФАР комбинированных микрополосковых элементов произвольной формы (Рис. 1). Данная математическая модель представляет собой систему из семи скалярных интегральных уравнений. Неизвестными в этой системе ИУ являются: поверхностная плотность магнитного тока апертуры решетки, поверхностная плотность электрического тока продольных элементов и фидера, а так же комплексный коэффициент отражения электромагнитной волны в фидере. Определив эти неизвестные, можно рассчитать КСВ в фидере, полное входное сопротивление микрополоскового излучателя (МПИ), а так же другие антенные характеристики ФАР (ДН, КНД, КУ).
Рис. 1 – Комбинированный микрополосковый излучатель
2. Проведено тестирование разработанной математической модели методом сравнения результатов экспериментального исследования и математического моделирования характеристик ФАР различной топологии: исследовались ФАР микрополосковых вибраторов с согласующим шлейфом и ФАР, состоящие из печатного щелевого излучателя типа Вивальди. Были исследованы характеристики согласования излучателей ФАР (коэффициент отражения, КСВ) и характеристики излучения (ДН излучателей в составе синфазной ФАР и в режиме сканирования). Экспериментальные результаты достаточно хорошо согласовались с расчетными, что позволяет судить об адекватности разработанной модели.
Следует отметить, что в разработанную модель заложены более широкие возможности, а именно, математическая модель допускает не только продольную ориентацию излучателей ФАР, но и поперечную, а так же обе ориентации в совокупности.
3. Разработанная математическая модель позволяет исследовать описанную решетку из комбинированных элементов в режиме рассеяния падающей плоской волны, получая в качестве характеристики рассеяния поляризационную матрицу рассеяния (ПМР). Проведенное тестирование режима ОАР также дало достоверные результаты.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что получен инструмент анализа комбинированных микрополосковых излучателей ФАР, при помощи которого будет значительно облегчен процесс проектирования современных сверхширокополосных ФАР. Проведенная работа является одним из первых шагов к разработке эффективных средств анализа и синтеза объемных интегральных схем (ОИС), которые значительно расширят функциональные возможности антенных решеток.
Модель ОАР комбинированных микрополосковых элементов использовалась для расчета ПМР поперечного элемента ОАР. ОАР из таких элементов выполняют функцию фазокорректирующего рефлектора в плоских зеркальных антеннах, служащего для преобразования сферического фронта падающей волны в плоский (рис. 2). Исследовались зависимости фазы коэффициента отражения электромагнитной волны от размеров такого элемента. Сверка расчетных зависимостей с аналогичными характеристиками, полученными другими авторами позволяет сделать вывод о достоверности получаемых результатов и адекватности разработанной математической модели.
Рис. 2 – Планарный фазокорректирующий рефлектор (одна четверть)
Проведенные численные исследования фазы коэффициента отражения прямоугольного элемента ОАР позволили рассчитать топологию и промоделировать фазокорректирующий рефлектор двухзеркальной антенны, выпускаемой серийно промышленностью как элемент системы обеспечения беспроводного доступа в Интернет. Экспериментальная и расчетная диаграммы направленности этой антенны достаточно хорошо согласуются лишь в области основного лепестка, а расхождение теории и эксперимента в области боковых лепестков ДН объясняется приближениями, принятыми в используемой математической модели и неточным соответствием конструктивных параметров макета и модели.
Тестирование модели ФАР комбинированных микрополосковых элементов проводилось на примере расчета характеристик согласования и излучения продольных широкополосных излучателей ФАР в форме печатного вибратора с согласующим короткозамкнутым шлейфом (рис. 3) и двух вариантов конструкции излучателя Вивальди: трехслойная (рис. 5) и пятислойная (рис. 7) структуры. Такие излучатели были промакетированы и исследованы экспериментально.
Печатные вибраторы с согласующим шлейфом (рис. 3) используются в качестве широкополосных продольных излучателей ФАР, обеспечивающих относительную рабочую полосу до 22 %. Возбуждение вибраторов осуществляется при помощи несимметричной полосковой линии на холостом ходу, которая нанесена на обратной стороне подложки печатного вибратора. Опыт сверки входного импеданса печатного вибратора, рассчитанного по разработанной модели с известными зависимостями импеданса проволочного вибратора подтвердил достоверность получаемых результатов. Кроме того, в достаточно хорошем соответствии с экспериментом находятся расчетные частотные зависимости КСВ печатных вибраторов в составе решетки (рис. 4). С помощью разработанной математической модели удалось провести исследование различных вариантов конструкции печатного вибратора с согласующим шлейфом с целью расширения рабочей полосы частот. В результате этих исследований синтезированы оптимальные конструктивные параметры такого излучателя, обеспечивающие максимальную широкополосность – это высота подвеса вибратора над экраном - 
, длина согласующего шлейфа - 
, ширина плеч вибратора - 
и топология фидера (рис. 3).
|
Рис. 3 - Печатный вибратор с согласующим короткозамкнутым шлейфом |
Рис. 4 – Расчетные и экспериментальные ЧХ трех макетов печатных вибраторов с согласующим шлейфом имеющих различную длину плеч |
Достижимая рабочая полоса продольного излучателя ФАР в форме печатного вибратора с согласующим шлейфом в некоторых случаях оказывается недостаточна. Зачастую, приходится работать с широкополосными видеосигналами, для передачи которых требуется антенная система, способная эффективно излучать и принимать сигналы в полосе частот с перекрытием 5:1 и более с возможностью сканирования в широком секторе углов. В таких случаях приходится прибегать к ФАР построенным из сверхширокополосных продольных излучателей, которые обеспечивают рабочую полосу, достаточную для поставленных технических целей. Типичным представителем сверхширокополосной микрополосковой антенны является антенна Вивальди.
При помощи разработанной математической модели ФАР исследованы характеристики согласования и излучения двух конструкции излучателя Вивальди.
Трехслойная конструкция (рис. 5) представляет собой диэлектрическую подложку, с одной стороны которой напечатан щелевой излучатель, а с другой стороны – полосковый фидер, имеющий аналогичную конструкцию с фидером печатного вибратора (см. рис. 3). В результате проведенного численного исследования удалось выявить степень взаимного влияния излучателей в составе решетки, оценить влияние конструктивных параметров излучателя (таких как параметры подложки, топологии фидера и щелевого излучателя) на его характеристики согласования и излучения и еще раз экспериментально подтвердить достоверность получаемых численных результатов.
 Рис. 5 – Конструкция трехслойного излучателя Вивальди |
|
Аналогичные исследования были проведены и для пятислойного варианта конструкции продольного сверхширокополосного излучателя Вивальди (рис. 7, 8). Данная конструкция отличается от предыдущей наличием двух абсолютно идентичных излучающих систем, расположенных в крайних слоях и напечатанных на диэлектрической подложке. Подложку разделяет на две части слой фидера, который располагается между излучающими системами и образует с ними симметричную полосковую линию. Фидер выполнен в форме радиального шлейфа, который в сочетании с круглыми вырезами в основании излучающих систем образует плавный широкополосный переход.
Исследования показали, что такой излучатель в составе решетки обеспечивает перекрытие по частоте 5:1 и более. Расчетные частотные характеристики излучателей Вивальди, соответствующие оптимально подобранным конструктивным параметрам достаточно хорошо согласовались с измеренными характеристиками макетов, изготовленных с учетом этих параметров (рис. 9).
 Рис. 7 – Топология пятислойного излучателя Вивальди с емкостным возбуждением |
Рис. 8 – Фотография макета пятислойного излучателя Вивальди |
|
|
|
|
Рис. 9 – Измеренные и расчетные ЧХ изолированных пятислойного излучателя на основе ПКТ – 5 и ФЛАН–2,8 | |
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что поставленная цель работы достигнута в полной мере, получен инструмент анализа комбинированных МПИ ФАР, при помощи которого будет значительно облегчен процесс проектирования современных сверхширокополосных ФАР. Проведенная работа является одним из первых шагов к разработке эффективных средств анализа и синтеза объемных интегральных схем, которые значительно расширят функциональные возможности антенных решеток.
Основные публикации по работе
1. Касьянов А. О., Мушников В. В., Плоская микрополосковая дифракционная решетка с незеркальным отражением падающей волны. Рассеяние электромагнитных волн, вып. 13, Таганрог 2004 г., с. 6 – 14.
2. Мушников В. В., Двухзеркальная антенна кассегрена. Тезисы доклада на VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 2004 г., с. 59.
3. Касьянов А. О., Мушников В. В., Результаты численного моделирования продольных печатных излучателей в плоских ФАР, Излучение и рассеяние электромагнитных волн – ИРЭМВ – 2005. Междунар. научн. конф. Таганрог, 20-25 июня 2005г.: Материалы конференции. – Таганрог: изд-во ТРТУ, 2005. – с. 156 – 158.
4. Мушников В. В., Двухзеркальная антенна кассегрена, «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006», Материалы международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых, Севастополь 2006 г., с. 84.
5. Мушников В. В., Численное моделирование продольных печатных излучателей в плоских ФАР, «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006», Материалы международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых, Севастополь 2006 г., с. 85.
6. Касьянов А.О., Обуховец В.А., Мушников В.В. Численное исследование характеристик согласования решеток печатных вибраторов на опорных стойках // Материалы 16-й международной крымской конференции "СВЧ–техника и телекоммуникационные технологии" (CriMiCo’06). — Севастополь, Изд-во «Вебер», 2006. — С.431–432
7. Мушников В. В., Антенна АДЭ с печатным фазокорректирующим плоским рефлектором в виде ОАР, VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Тезисы докладов, 2006 г., с. 39.
8. Мушников В. В., Печатная ФАР с продольными излучателями, VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Тезисы докладов, 2006 г., с. 40.
9. Касьянов А. О., Обуховец В. А., Мушников В. В., Математическое моделирование излучателей решеток печатных вибраторов на опорных стойках и численное исследование их характеристик согласования. Радиотехника, 2007 г., № 1, с. 85 – 89.
10. Касьянов А. О., Обуховец В. А., Мушников В. В., Результаты численного и экспериментального исследований широкополосных печатных излучателей антенных решеток. Антенны, 2007 г. № 5 (120), с. 9 – 15.
11. Касьянов А. О., Обуховец В. А., Мушников В. В. и др. Излучение и рассеяние электромагнитных волн. Радиэлектронные системы локации и связи. монография под ред. В. А. Обуховца, - Москва, Радиотехника, 2007 г. -73 с.
12. Касьянов А. О., Обуховец В. А., Мушников В. В., Разработка малогабаритных широкополосных антенн для аварийно-спасательных буев и автономных датчиков. ИиРЭМВ, 2007 г., с. 146 – 150.
20 июня 2008 г.