книги / Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели методы математического моделирования

боткой пространственного перехода. Размеры ЭП составляли 102x76,2 мм. Расчетные и измеренные ДН на центральной и крайних частотах полосы А/ приведены на рис. 96,в азимутальной (рис. 96д) и угломестной (рис. 96,6) плоскостях. Кривые 1 на этих рисунках соответствует основной, а 2 - кроссполяризационной со­ ставляющей излучения на частоте 2,54 ГГц, кривые 3 - на частоте 3,50 ГГц, 4 и 5 - на частоте 4,70 ГГц. Здесь расчетные значения получены в предположении ЭП бесконечных размеров. Можно видеть, что для углов вне узкого сектора вокруг нормали к антенне уровень кроссполяризационного излучения больше в азимутальной плоскости, а в угломестной плоскости не превышает минус 30 дБ.

За счет небольшого усложнения конструкции пространственного перехода аналогичной МПА с размерами пластины 50x82 мм в [123] достигнута ширина полосы А/ более 90 %.

В рекламном сообщении [124] приведены внешний вид, габаритные размеры, зависимости КСВН от частоты и ДН промышленных образцов МПА с подвешенными пластинами и утверждается, что реа­ лизованы антенны с относительной шириной полосы b f l f = 100 % по критерию КСВН £ 2.

2.6.Вибраторные и щелевые микрополосковые антенны

Использование электрически толстых подложек с е * 1 характерно и для микрополосковых вибраторов (МПВ), схожих по конструкции с плоскими вибраторами в свободном пространстве. Для уменьшена нежелательного излучения цепей питания МПВ предложены различные способы их возбуждения, вклю­

51

Микронолосковые антенны с увеличенной полосой рабочих частот

чая и приведенные для МПА на рис. 1,5-г. Простейшие методы реализации печатных диполей заключа­ ются в использвании двухслойной подложки, причем плечи вибраторов с цепями возбуждения форми­ руются как на одной стороне, так и на противоположных сторонах одного электрически тонкого (менее 0.01Я) слоя из материала с £ » 1, располагаемого над ЭП на другом, более толстом слое диэлектрика с £ = 1. При непосредственном возбуждении МПВ коаксиальным зондом оба плеча вибратора закорачи­ ваются между собой и вибратор в этом случае является, по существу, МПА с узкой пластиной. При воз-

52

Микропо.юскоиые антенны с увеличенной полосойрабочих частот

толщине А = 24 мм. Найдено также, что при вариации резонансной частоты в пределах 2,5...8,0 ГГц толщина Л[ должна изменяться приблизительно обратно пропорционально частоте [125].

Существенно более широкая полоса частот при меньшей толщине подложки достигнута в МПВ с возбуждением копланарным волноводом и МП-линией за счет замены прямоугольной формы плеч виб­

ратора на трапецеидальную с углом расхождения боковых сторон трапеции в =90° (вибратор типа “ба­ бочка”). При такой форме возрастает, конечно, и общая площадь вибратора, что также способствует увеличению ширины полосы. В обоих типах МПВ использованы соответствующие переходы от возбуж­ дающей цепи к двухпроводной линии с четвертьволновыми трансформаторами. Оба вибратора были из­ готовлены на подложке с параметрами А = 1,6 мм и е = 4,8. Длина плеч вибратора составляла примерно 24,5 мм у МПВ с односторонним расположением плеч и 22,4 мм у МПВ с двусторонним расположени­ ем, причем обе антенны имели одинаковую резонансную частоту 2,44 ГГц. Схема трапецеидального МПВ с односторонним расположением плеч и возбуждаемого копланарным волноводом приведена на рис. 97, где символом ГрА/4 обозначен четвертьволновый трансформатор. Зависимость КСВН от час­ тоты для этого МПВ показана на рис. 98 (1 - расчетные значения, 2 - измеренные), а ДН - на рис. 99, где кривые 1. 2 (для Е- и //-плоскостей) соответствуют основной поляризации, а 3,4 - кроссполяризации. Такие же зависимости для МПВ с двухсторонним расположением плеч и возбуждением микрополосковой линией (рис. 100) приведены на рис. 101 и 102.

Из приведенных результатов видно, что в МПВ с односторонним расположением плеч достигнута относительная ширина полосы 17 % по критерию КСВН < 1,5 и 36 % - по критерию КСВН < 2. Анало­

гичные величины у МПВ с двухсторонней печатью равны соответственно 19 и 40 %. Для сравнения

укажем, что у МПВ с плечами прямоугольной формы (0 = 0°) на таких же подложках значения Д / 7 /

по критерию КСВН < 2 равны 13,6 % при одностороннем расположении плеч и 20 % - при двухсто­

МПЩА величину Д / / / . Так, в [129] экспериментально под­ тверждено на примере двухвходовой МПЩА со скрещенными расширяющимися щелями, возбуждаемыми 50-омными МПлиниями (позволяющими реализовать излучение как линейной, так и круговой поляризации), что достижимо значение Д / / /

примерно 127 %. Щели и МП-линии возбуждения в указанной антенне созданы на противоположных сторонах тонкого слоя фольгированного диэлектрика с £ = 4,5, причем максимальная длина скрещенной щели одинакова с шириной и равна 16,94 мм (рис. 103, где 1 ,2 - МП-линии, 3 - резонаторная полость для исключения излучения в обе стороны). Характеристики указан­ ной МПЩА исследованы в полосе частот 6... 18 ГГц в режиме одно- и двухстороннего излучения (полость 3 в этом случае имела

КСВН антенны со скрещенными щелями: / — бет полости: 2 — е полостью

глубину 24,4 мм и частично заполнялась поглощающим материа­ лом). Определено, что нижняя граница полосы рабочих частоттакой антенны (в гигагерцах)

/ mln=150/(irmaxVF).

где ширина W выражена в миллиметрах. В исследованной антенне значение нижней частоты равно 4,17 ГГц. Зависимость КСВН от частоты для этой МПЩА приведена на рис. 104, где кривая 1 относится к слу-

53

2.7. Микрополосковые антенны круговой поляризации

В ряде технических приложений (связь с подвижными объ­ ектами, уменьшение отражений от гидрометеоров в радио­ локации) требуются антенны круговой поляризации. Суще­ ствуют различные способы реализации таких антенн, из ко­ торых наиболее распространенным на практике является способ суперпозиции двух вырожденных по частоте ортого­ нальных типов колебаний равной амплитуды с относитель­ ным сдвигом по фазе 90°.

Простейшими в конструктивном отношении являются МПА с одноточечным возбуждением коак­ сиальным зондом или микрополосковой линией двух ортогональных мод, причем равенство амплитуд этих мод достигается обычно путем использования пластин квазиквадратной или круглой формы, а от­ носительный сдвиг по фазе на 90° - за счет мадого (до двух процентов) частотного сдвига резонансных частот возбуждаемых мод. Этот частотный сдвиг (снятие вырождения по частоте) реализуется подходя­ щими геометрическими деформациями исходной формы пластин антенны, в результате чего эффектив­ ные размеры МПА для обеих мод становятся слегка отличными. В результате на средней частоте мнимые

54

жет быть измерена или аппроксимирована по данным табл. 10 при известной толщине подложки Л /Я о, выбираемой из соображений доступности

материала и обеспечения требуемой эффективности Т] МПА.

При исходных рабочей частоте / и эффективности антенны 7J для определения координат точки возбуждения МПА круговой поляризации с прямоугольной пластиной (рис. 108,в) в рамках резонатор­ ной модели предложен следующий алгоритм расчета [131]:

1) по величине Т) , табл. 10 и доступному каталогу выпускаемых промышленностью диэлектриче­ ских подложек выбираем подходящие значения А /Я о и диэлектрическую проницаемость £ (как и в слу­ чае МПА линейной поляризации выбор величины £ производится на основе компромисса между поло­ сой частот и размерами антенны);

2) по выбранному значению А /Я 0 методом линейной аппроксимации данных табл. 10 (при необхо­

физические размеры пластины МПА д, b меньше Дэфф. &эФФна (1,0 ... 1,5)А в зависимости от/и £; 4) определяем величины /Л/i = р + yfq и /А/г=р~л[ч при

q> 0, где р = (Дзфф/А^ф - l)Qo ; q = рг - am / b ^ ;

следует учесть, что при q < 0 режим круговой поляризации невозможен и значения д*фф А*фф надо изменить; 5) определяем координаты точки возхбуждения (*о. Уо) МПА из соотношений

где А= cos( дуо/йэфф) / cos( д х 0/дзфф) при возбуждении антенны коаксиальным зондом; знак "+ ” опреде­ ляет круговую поляризацию левого вращения, знак - правого вращения.

55

Микрополосковые антенны с увеличенной полосой рабочих частот

Для точной настройки МПА могут потребоваться несколько расчетных итераций.

Уравнения (34) допускают бесчисленное множество решений, которые определяют на плоскости А'оО'о семейства траекторий уо = yo[*o,Qo) или хо= лг0(уо.£?о) в зависимости от выбора знаков и величин /Л/,

и /А1г.

Например, при а5фф = 31,5 мм, Ьт =30 мм и добротностях go 25 и 50, указанные траектории прит

возбуждения для круговой поляризации левого вращения. Отметим, что одна пластина может обеспе­ чить функционирование МПА в режиме круговой поляризации с левым и правым вращением на двух близких частотах [132]:

Л = /о Ц 1 -У Ш А /а)) = Ш + Щ п1 Ш ) (л = 1.2)

где/ю = с/(2 д,фф);уо1 = с/(2Ь^ ) , с - скорость света в вакууме.

Важным параметром МПА круговой поляризации является коэффициент эллиптичности (КЭ) т = £ inin /Ena*, где ЕМп , £„*„ - наименьшее и наибольшее значения электрического поля антенны в за­ данном направлении (обычно максимума ДН) в процессе вращения вектора Е. Вариации параметра т при изменении частоты оказываются более значительными, чем вариации входного импеданса и поэтому именно они в первую очередь определяют полосу рабочих частот Д/антенн круговой поляризации, обозна­ чаемую в этом случае символом Д/,. Для антенн с одноточечным возбуждением Д/„ / / р = 35/go % по критерию ш/ттж>0,5 [133].

Описанный алгоритм расчета применим для МПА с толщинами подложек h /Я 0 до 0,063 , несмотря на ограничения резонаторной модели.

В [131] приведены также различные способы возбуждения моды (0,1) МПА с перечислением их ос­ новных достоинств и недостатков.

Величина Д/„ / f t у антенн с одной точкой возбуждения мала - около 3 % , что обусловлено их асимметрией и относительно высоким уровнем возбуждаемых мод высших порядков, вносящих соот­ ветствующий вклад в уровень кроссполяризационного излучения.

Это обстоятельство является недостатком МПА указанного типа для большинства связных систем, в которых разница частот на передачу и прием составляет обычно от 7 до 10 %.

Для увеличения полосы Af„, необходимы прежде всего широкополосные излучающие элементы, методы реализации которых рассмотрены выше для МПА линейной поляризации. Предложены также схемы с многоточечным возбуждением и использованием группы излучающих элементов с одной точ­ кой возбуждения, развернутых один относительно другого на определенный угол в сочетании с соответ­ ствующей их фазировкой. Принципы расчета таких антенн КП с учетом фазовых погрешностей, влияни­ ем высших мод и взаимной связи излучателей приведены в [132]. Использование нескольких точек воз­ буждения и фазировки в определенной степени компенсирует кроссполяризационное излучение и по­ зволяет удобным образом управлять направлением вращения круговой поляризации. Таким способом получены МПА с полосой Д/„ > 10 %.

Варианты антенн с двумя и четырьмя точками возбуждения приведены на рис. 109. При использо­ вании широкополосного 90-градусного гибридного моста 1 в антенне с двухточечным возбуждением (рис. 109,а) ширина полосы Д/„ совпадает с полосой излучателя Д / В схеме с делителем мощности 2 (рис. 109,6) сдвиг по фазе достигается за счет разности длин на 0,25 Xg цепей каналов возбуждения. Зна­ чение Д/я у антенн этого типа меньше, чем у МПА с гибридным мостом.

В четырехточечной схеме возбуждения с фазировкой (рис. 109,в) реализуется дополнительное по­ давление высших мод, что способствует увеличению A fm .

56

Микрополосковые антенны с увеличенной полосой рабочих частот

В[119] исследованы шесть антенн указанного вида с R = 35 мм

иразличными комбинациями значений параметров (R-r), h, w, /, Д/г, w/h, (R-r)/h, рассчитанными на частоту 2,0 ГГц. Ширина по­

Ассиметрия ДН относительно нормали (в = 0е) максимальна в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии антенны.

В этой плоскости угол наклона максимума ДН (равный среднему значению углов в точках половинной мощности) для антенны с R -r = 27 мм; h = 8 мм, w = 38 мм, / = 8 мм, Д/г = 4,38 составил 6е на частоте 1,9 ГГц в одну сторону от нормали и около 15° на частоте 2,6 ГГц в противоположную сторону.

57

Микрополосковые антенны мнпинетрового диапазона волн. Диэлектрические резонаторные антенны

Рассмотрим кратко новые схемы МПА и родственных им по простоте конструкции других антенн, применение которых оказывается наиболее целесообразным в ММ-диапазоне.

3.1.Щелевые МПА

Типичная щелевая МПА представляет собой расширяющуюся в одном направлении щель той или иной формы в тонком слое проводящего материала на диэлектрической подложке без экранной плоскости с щели осуществляется в ее узкой части коаксиальным кабе­

лем, МП-линией и другими способами.

Особенностью антенн этого типа является направле­ ние излучения основного лепестка ДН — не по нормали к плоскости МПА, как у большинства рассмотренных выше антенн, а вдоль оси симметрии щели, в сторону расшире­ ния последней. Щелевая МПА является, таким образом, антенной бегущей волны поверхностного типа с фазовой

в) экспоненциальнорасширяющейся;

следующие достоинства щелевых МПА:

возможность удобным образом интегрировать излу­ чающий элемент с соответствующими цепями возбуждения на одной подложке;

малый размер антенн в одном из поперечных направлений позволяет близко располагать их в ан­ тенных решетках для уменьшения уровня боковых лепестков (БЛ);

значительная величина полосы рабочих частот, превышающая две октавы; возможность реализации, несмотря на плоскую геометрию антенны, симметричной ДН в Е- (парал­

лельной подложке) и Н- (перпендикулярной подложке) плоскостях.

Для эффективного излучения максимальный размер щели должен превышать половину наимень­

оптимизирующими компромисс между требованиями к ширине ДН в Е- и Я-плоскостях и уровнями БЛ [153,154]. При более тонких подложках расширяется лепесток ДН, а при более толстых — этот лепесток сдвигается в область невидимых углов, а в продольном направлении формируется нуль ДН. Этот случай соответствует дополнительному сдвигу фазы медленной волны в диэлектрике подложки, превышающе­ му 180° в МПА с постоянной фазовой скоростью. Поэтому соблюдение верхнего ограничения на тол­ щину подложки наиболее важно. При отсутствии подложек с требуемыми параметрами рекомендуется устранять диэлектрик в области расширения щели.

У большинства щелевых МПА фазовая скорость переменна вдоль антенны (она является функцией не только параметров подложки, но и формы щели), поэтому их КНД меньше максимально возможного при заданных размерах, а нарушение правого неравенства условия (35) сказывается на форме главного лепестка ДН не столь сильно Значительный рост уровня БЛ имеет место, однако, и для таких антенн.

При заданных размерах апертуры щели, длины антенны и параметров подложки МПА со щелью постоянной ширины (рис. 114,6) имеет наибольшую величину КНД, с линейно-расширяющейся щелью (рис. 114,а) — промежуточную, а с экспоненциально расширяющейся щелью (рис. 114,в) — наимень­ шую. Такое же соотношение наблюдается и по уровню БЛ.

во