6.Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

1. Результаты выполнения заданий 5.3-5.4, включая график нормированной ДН антенны в горизонтальной плоскости, измеренные для антенны с сердечником.

2. Выводы по результатам работы.

7. Контрольные вопросы

6.1. В чём заключается принцип работы приёмной рамочной антенны?

6.2. В чём преимущество магнитной антенны перед воздушной рамочной?

6.3. Как можно повысить эффективность воздушной рамочной антенны?

6.4. Что понимается под диаграммой направленности магнитной антенны?

6.5. Как осуществить с помощью магнитной антенны пространственную селекцию?

6.6. Как повысить эффективность магнитной антенны?

6.7. Что понимается под действующей высотой (длиной) магнитной антенны и от чего она зависит?

6.8. В чём проявляется антенный эффект рамки и как его устранить?

6.9. Может ли магнитная антенна реагировать на постоянное поле?

6.10. Какова форма диаграммы направленности магнитной антенны в плоскостях Е и Н?

6.11. Почему для измерения характеристик магнитной антенны используется макет стандартного поля Гельмгольца?

7. Список рекомендуемой литературы

1. Устройства СВЧ и антенны / Д. И. Воскресенский [и др.]; под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2006. – 376 с.

2. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов/ Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; Под. ред. Г.А. Ерохина. – 2-е изд., испр. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 491 с.: ил.

3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. – М.: Высшая школа, 1988. – 432 с.

Лабораторная работа № 4 Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования полосковых антенн свч

1. Цели работы

1.1. Изучить принципы построения и функционирования полосковых резонаторных антенн, их достоинства и недостатки, варианты практического использования. Ознакомиться с принципами построения, достоинствами и недостатками антенн вытекающей волны в сравнении с полосковыми антенными решетками.

1.2. Ознакомиться с назначением и функциональными возможностями компьютерных программ для моделирования устройств СВЧ и антенн.

1.3. Провести экспериментальные исследования электрических характеристик полосковой резонаторной антенны СВЧ путем компьютерного моделирования с помощью программы HFSS.

2. Домашние задание

Изучить принципы построения и функционирования полосковых и микрополосковых антенн, принципы построения и функционирования плоских антенн вытекающей волны СВЧ и КВЧ; ознакомиться с компьютерными программами, используемыми для анализа и синтеза антенн, используя рекомендуемую литературу [1, 3].

3. Основные теоретические сведения

Общие сведения о полосковых и микрополосковых антеннах

Наряду с прогрессом в области микроминиатюризации радиоэлектронных устройств СВЧ, достигнутым в последние десятилетия, несомненным достижением антенной техники СВЧ явилось создание теории и построение реальных конструкций полосковых (микрополосковых) антенн, изготавливаемых по технологии печатных плат или интегральных схем. Поэтому полосковые антенны (ПА) часто называют печатными. ПА отличаются простотой конструкции, компактностью, высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью размеров и электрических характеристик, возможностью работы в двух- и многочастотных режимах, с линейной и круговой поляризациями, с двумя ортогональными линейными или круговыми поляризациями. ПА особенно удобны для применения в качестве элементов антенных решеток (АР), причем использование печатной технологии существенно упрощает реализацию различных схем питания элементов АР, — как простых последовательных, так и сложных параллельных схем. Рабочие частоты полосковых и микрополосковых (МПА) антенн и решеток лежат в диапазоне от сотен МГц до нескольких десятков ГГц [1-3].

Основными недостатками ПА и МПА являются: малая электрическая прочность, невысокая допустимая мощность входных колебаний; в случае антенн резонаторного типа — узкополосность (относительная полоса рабочих частот в среднем не более 5 %) [1-3].

Однако благодаря перечисленным выше достоинствам ПА и полосковые антенные решетки (ПАР), включая многолучевые и электрически сканирующие антенны, например, фазированные антенные решетки (ФАР), на сегодняшний день получили исключительно широкое распространение в приемопередающей аппаратуре разнообразных систем радиосвязи, радиолокационных и радионавигационных систем, охранных устройств СВЧ диапазона.

ПА и МПА условно можно отнести к следующим видам [1-3]:

- линейные — вибраторные и щелевые антенны;

- плоские двумерные антенны резонансного и нерезонансного типа;

- объемные (трехмерные) антенны;

- частотно-независимые и многочастотные антенны: спиральные, вибраторные логопериодические и др.

Форма излучателей ПА выбирается с учетом требуемого рабочего типа колебаний в антенне, ее частотных свойств, желаемой формы диаграммы направленности (ДН) и поляризации излучения. На практике используются излучатели прямоугольной, треугольной, ромбической, эллиптической, круглой и более сложной формы — в виде кольца, сектора круга, сектора кольца и т.д.

Принципы действия и основные характеристики резонаторных полосковых антенн

В качестве самостоятельных антенн и элементов АР широко применяются ПА и МПА резонансного типа на основе прямоугольных излучателей [1-3]. ПА такого типа содержит излучатель в виде металлической прямоугольной полоски 1, расположенной на внешней поверхности диэлектрической подложки 2 над металлическим экраном 3 (рис. 1) [2]. Примеры возбуждения резонансных ПА иллюстрируются рис. 1, а — с помощью коаксиальной линии передачи и зонда; б — с помощью не­симметричной полосковой линии, проводник которой расположен на поверхности подложки в одной плоскости с излучателем. Роль подложки играет слой из диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью ε=2-16 и низким тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, не более (1-5)10^-3. Типичная толщина подложки h≈(0,01-0,1)λ₀. Излучение антенны создается электрическими токами, текущими по поверхности пластины и экрана, а также токами смещения в подложке.

Обычно в такой структуре возбуждают резонансные электромагнитные колебания низшего (основного) типа ТM₁₀₀. Индексы 100 характеризуют число вариаций поперечной по отношению к плоскости экрана и излучателя компоненты вектора в объеме резонаторной полости под излучателем по осям OX, OY и OZ. В самом деле, вся структура может рассматриваться как объемный резонатор без боковых стенок, создающий излучение в окружающее пространство.

а б

Рис. 1. ПА на основе прямоугольного резонаторного излучателя с возбуждением коаксиальной линией с помощью зонда (а) и несимметричной полосковой линии (б)

В прямоугольных ПА низший тип резонанса имеет место при длине излучателя

, (1)

где — длина квази-Т волны в полосковой линии с шириной полоски W. При этом компонента поля по оси OY распределена равномерно, а по оси OX — в продольном направлении — по синусоидальному закону с пучностями на краях излучателя при x=0, L и узлом в центре под излучателем, x=L/2 (рис. 1).

На резонансной частоте входное сопротивление антенны становится чисто активным и у кромок излучателя, параллельных оси OY, достигает значений порядка нескольких сотен Ом. Равенство нулю реактивной компоненты входного сопротивления облегчает согласование излучателя с питающей линией передачи и обеспечивает интенсивное излучение.

В работах [4-7] детально описаны различные методы расчета параметров конструкций и электрических характеристик ПА и МПА, в том числе резонаторного типа, с использованием строгих и приближенных методов электродинамики.

Рассмотрим наиболее простой подход к анализу прямоугольной ПА [4, 5], основанный на теории длинных линий. Излучатель представляется отрезком несимметричной полосковой линии передачи (ЛП), нагруженным на концах излучающими щелями 1 и 2. Иными словами, излучающий элемент рассматривается как совокупность двух одинаковых щелей, образованных его кромками и экраном, причем каждая щель заменяется эквивалентной проводимостью Y_1,2=G+jB. Щели соединены между собой отрезком регулярной ЛП длиной Эквивалентная схема антенны изображена на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема ПА и типичная зависимость активной и реактивной компонент входного сопротивления от длины излучателя

Активная проводимость G в этой модели представляет собой проводимость излучения щели G_Σ, т.е. определяет величину излучаемой ей мощности; В — реактивная проводимость щели. Расчетные выражения для G и В можно найти в [4-7].

Если считать, что излучающий элемент подключается к питающей линии передачи со стороны первой (левой) щели, то его комплексная входная проводимость рассчитывается как сумма проводимости первой щели (расположенной слева на рис. 1) и проводимости второй щели, пересчитанной к первой с учетом трансформирующего действия отрезка линии передачи длиной L (коэффициент фазы ЭМВ в линии ) [4-7]:

Y_in(L)=Y₁+Y_2L=Y₁+(Y₂+jY_лtgβL)/(Y_л+Y₂tgβL), (2)

где — волновая проводимость полосковой линии; — эффективная диэлектрическая проницаемость материала подложки, обусловленная конечной шириной полоскового проводника W и краевыми эффектами. Комплексное входное сопротивление излучателя (антенны) Z_in(L)=1/Y_in(L). При длине отрезка L, равной резонансной длине L₀ , реактивная компонента входного сопротивления обращается в нуль, а значение активной компоненты у кромки излучателя достигает максимального значения R_in=R₀ (рис. 2). Зависимость активной компоненты входного сопротивления от координаты x описывается приближенным выражением вида

, (3)

из которого следует, что в направлении от входной кромки излучателя до противоположной его входное сопротивление уменьшается от максимального значения до нуля точно под центром излучателя и далее возрастает до исходного значения . Поэтому можно определить координату x₀ сечения излучателя, в котором входное сопротивление будет равно волновому сопротивлению питающей ЛП, например несимметричной полосковой линией, что обеспечит согласование антенны с линией. Конструктивно согласованное подключение выполняется путем простого «врезания» полоскового проводника на расстояние x₀ в плоскость излучателя (рис. 1, б). В силу резонансных свойств структуры и сильной частотной зависимости входного сопротивления, при отклонении рабочей частоты от резонансной согласование будет резко ухудшаться. Другим удобным вариантом согласования излучателя ПА с полосковой линией является использование четвертьволнового трансформатора в виде отрезка полосковой линии с волновым сопротивлением W_тр=(R₀W_лп)^1/2.

Вернемся к оценке размеров излучателя при заданных остальных параметрах конструкции. По заданной средней рабочей частоте антенны f_р , которая в рамках данной модели полагается равной резонансной частоте излучателя, рассчитываются начальная длина излучателя L и его ширина W [4-7]:

, , (4)

где с — скорость света в свободном пространстве.

Далее по известным формулам [4-7] рассчитывается эффективная диэлектрическая проницаемость подложки , требуемое укорочение длины излучателя и окончательная длина .

Типичные значения ширины ДН ПА и МПА по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях составляют десятки градусов. На рис. 3 показан пример объемной ДН реального прямоугольного резонаторного излучателя СВЧ диапазона на подложке с экраном конечных размеров (а) и графики ДН в главных плоскостях (б). КНД прямоугольных ПА и МПА обычно составляет 5-7 дБ [4-7]. При увеличении диэлектрической проницаемости подложки КНД снижается, поскольку уменьшаются размеры излучающей структуры.

а б

Рис. 3. Пример ДН ПА СВЧ с прямоугольным излучателем

КПД ПА и МПА зависит от тепловых потерь мощности в подложке, в металлических элементах, а также от потерь, связанных с возбуждением в подложке паразитных поверхностных волн. Мощность, переходящая в поверхностные волны, возрастает при увеличении толщины подложки и ее диэлектрической проницаемости. Типичные значения КПД находятся в пределах 0,5—0,8 [4-7]. Для изготовления ПА обычно используют высококачественные фольгированные диэлектрики ФАФ-4, ФЛАН, фольгированный фторопласт-4 и т.п. (отечественного производства), а также материалы компании Rogers и других зарубежных производителей [25]. При необходимости работы с высокими уровнями мощности (в среднем до 100 Вт) для изготовления подложек выбирают плавленый кварц, СВЧ керамику, например на основе оксида алюминия или бериллия. Для построения антенн с управляемыми характеристиками подложки изготавливаются из полупроводниковых материалов, сегнетоэлектриков, ферритов.

Ширина рабочей полосы частот ПА и МПА определяется ухудшением согласования излучателя с питающей ЛП и зависит от добротности излучателя. В свою очередь, добротность снижается при увеличении толщины подложки и уменьшении ее проницаемости. Характерные значения добротности составляют сотни единиц, поэтому резонансные ПА и МПА оказываются узкополосными: их относительная полоса частот не превышает единиц процентов.

Подробные методы расчета характеристик ПА и МПА приведены в [4-7].

Полосковые резонаторные антенны с круговой поляризацией излучения

Простейший способ получения круговой поляризации в резонаторных ПА и МПА состоит в возбуждении двух ортогональных по направлению излучающих токов одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе на ±π/2, в частности при использовании в цепи питания излучателя синфазного делителя мощности 1:2 с фазовращателем в одном из плеч, в качестве которого использовано полосковое гибридное кольцо [4, 5]. Примеры нескольких простых вариантов построения ПА с круговой поляризацией иллюстрируются рис. 4: а — квадратный излучатель, возбуждаемый со стороны двух смежных кромок с помощью полоскового гибридного моста; б — прямоугольный излучатель с диагональным возбуждением; фазовый сдвиг ±π/2 ортогональных токов в излучателе достигается за счет небольшого укорочения и удлинения сторон относительно резонансных значений; в — квадратный излучатель с диагональной щелью [3-7]. Очевидно, что при использовании квадратного излучателя легко обеспечить работу с двумя линейными ортогональными поляризациями или с двойной поляризацией, подводя колебания поочередно или одновременно к смежным кромкам излучателя.

На сегодняшний день известно много других вариантов ПА и МПА, например с излучателями в виде симметричных и несимметричных полосковых вибраторов как полуволновой, так и четвертьволновой длины и т.д.

а б в

Рис. 4. Варианты прямоугольных излучателей ПА с круговой поляризацией

Линейные и плоские полосковые антенные решетки

На рис. 5 показаны три возможных варианта схем питания излучателей на примере линейных антенных решеток: а — последовательная, в которой все излучатели последовательно во времени возбуждаются ЭМВ, распространяющейся в питающей ЛП; б — параллельная, обеспечивающая синфазное возбуждение всех излучателей независимо от частоты; в — комбинированная [3, 4].

Последовательная схема получается наиболее компактной и вносит наименьшие тепловые потери и потери на паразитное излучение; однако соседние излучатели возбуждаются с частотно-зависимым фазовым сдвигом, что при изменении частоты входных колебаний приводит к сканированию ДН решетки в плоскости, проходящей через ее ось и перпендикулярной плоскости расположения элементов.

Параллельная схема при изменении частоты входных колебаний обеспечивает постоянство направления максимального излучения, однако является более громоздкой, характеризуется повышенными потерями — как тепловыми, так и за счет излучения неоднородностей в питающих ЛП (поворотов и т.п.), из-за паразитного излучения с кроссполяризацией. Вместе с тем, удобна для реализации спадающих амплитудных распределений путем использования делителей с неравным делением мощности.

а б в

Рис. 5. Схемы питания излучателей в полосковых антенных решетках

Комбинированная схема имеет промежуточные характеристики, сочетая в достоинства и недостатки последовательной и параллельной схем.

В заключение рассмотрим два примера практических конструкций плоских АР из полосковых резонаторных излучателей, рассчитанных для работы на средней частоте порядка 24 ГГц в радиоволновых охранных извещателях и доплеровских измерителях скорости (например, в радарах комплексов контроля дорожного движения). На рис. 6 показано: а — ПАР с комбинированным питанием; б — ПАР с параллельным питанием.

а б

Рис. 6. Практические конструкции плоских полосковых антенных решеток

Обе АР обеспечивают излучение с линейной поляризацией по нормали к плоскости раскрыва. Размеры раскрыва антенны (а) 6,4х6,4 см², ширина ДН в главных плоскостях около 12°. Коэффициент усиления G=17,7 дБ и оказывается значительно ниже максимального КНД для указанных размеров раскрыва, поскольку эффективность антенны (определяемая как произведение коэффициента использования поверхности раскрыва и КПД) составляет всего около 20 %. В свою очередь, столь низкая эффективность обусловлена низким КПД. Общий недостаток многих полосковых АР состоит в существенном уменьшении КПД с ростом частоты и увеличением числа излучателей в решетках из-за резкого возрастания как тепловых потерь, так и потерь, связанных с возникновением поверхностных волн и появлением паразитного излучения. Эффективность АР с параллельным питанием с практически такой же площадью раскрыва также невелика. В общем, оказывается, что с увеличением числа элементов АР и, следовательно, площади раскрыва S КНД возрастает пропорционально S/λ² , но при этом КПД быстро снижается. Этот эффект существенно ограничивает возможности увеличения КУ полосковых АР за счет увеличения размеров раскрыва. Поэтому простые полосковые АР обычно используются на частотах до 20-30 ГГц при сравнительно невысоких значениях КУ до 20-30 дБ. Эффективность полосковых АР СВЧ может быть доведена до 50-70 %, но это достигается существенным усложнением их конструкций [3, 7].