книги / Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели методы математического моделирования
.pdfМикрополосковыс антенны миллиметрового диапазона волн. Диэлектрическиерезонаторные антенны
Входной импеданс щелевых МПА наиболее обстоятельно теоретически и экспериментально иссле дован для антенн с линейно-расширяюшейся щелью на тонких подложках. Найдено, что для антенн с углом раствора щели (5...15)° = 80 Ом и приближенно остается постоянным в полосе частот с отно шениемf j f , свыше 3. Для МПА с длинами щелей L порядка (4... 10) А0 величина Z„ слабо зависит также и от формы щели, что является еще одним достоинством щелевых МПА.
Антенна из 4-х щелевых МПА с линейно-расширяющимися щелями, объединенных в трехслойную конструкцию с высокочастотным сумматором на средней плате и парой МПА на каждой из внешних плат, получила название бинарного излучателя Суховецкого, на основе которого фирма “АСКОМ” (С-Петербург) разработала и изготавливает ряд антенн различного назначения на частоты от 0,04 до 20 ГГц.
3.2. Логопериодическая МПА бегущей волны
Полоса рабочих частот логопериодических МПА суще ственным образом зависит от типа связи элементов ан тенны с линией возбуждения. Например, замена прямой гальванической связи элементов на последовательную емкостную увеличивает значение Д / в 2 раза— с одной октавы до двух [9]. Такая МПА реализована в антенне с электромагнитной связью [100], схема которой приведе на на рис. 115. Строго говоря, для соблюдения логопе риодического закона следовало бы варьировать от эле мента к элементу и толщину подложки, однако для уп рощения конструкции она сохраняется постоянной на всей длине. Геометрические размеры элементов МПА выбираются из условий
= w„Jw„ = d„+\ldn =p„+i/p„ = q, |
с прямой электромагнитной связью элементов |
n =1...... N, |
с МП-лнннен |
где q — масштабный множитель; N — число элементов МПА. Выбор величины связи элементов с лини ей определяет характеристики антенны в целом.
При заданной полосе частот (/„,/,) разработка МПА в первом приближении состоит из следующих этапов:
1)определяют размеры наибольшего 1ци наименьшего h элементов из условия резонанса их на час тотах/ „ и/ „ требуемой полосы;
2)находят число элементов N как целую часть отношения (ft -/,)/ A f^, где Д/q, — средняя полоса частот отдельного элемента антенны;
3)вычисляют масштабный множитель q по формуле q = (/*//1)
4)определяют длины остальных элементов МПА /„ = A q"~ \ л = 2......N-1.
3.3.Френелевские зонные пластинки
Плоские антенны — френелевские зонные пластинки (АФЗП) — не относятся, вообще говоря, к классу микрополосковых, но по простоте своей конструкции и массо-габаритным характеристикам вполне со поставимы с ними. Предложенные для оптических длин волн еще в конце XIX века зонные пластинки нашли затем применение на частотах от радиодиапазона до рентгеновского. Первые исследования АФЗП в ММ-диапазоне проведены в 1960-х годах на частотах 140,210 и 235 ГГц [155].
Имеется два основных типа проходных или отражающих зонных пластинок (ЗП), относящихся по добно линзам или зеркалам к приборам, формирующим изображение. Один из них, более простой, но менее эффективный тип ЗП представляет собой плоский слой диэлектрика произвольно малой толщины с чередующимися прозрачными и непрозрачными кольцевыми зонами (рис.116,а). Второй тип ЗП харак теризуется дискретной коррекцией фазы в последовательных зонах, достигаемой обычно нарезанием ступенчатых кольцевых канавок соответствующей глубины в плоском радиопрозрачном диэлектрике с малыми потерями типа полистирола (рис 116,б-г).
61
Микрополосковые антенны мч.хшпетрового диапазона ваш Диэлектрическиерезонаторные антенны
|
В исследованиях ЗП дискрет корректи |
|||
|
руемой фазы выбирался из ряда Ф = (2 л/р), |
|||
|
где р — четное целое число. Значение р = 2 |
|||
|
соответствует так называемой ЗП с обраще |
|||
|
нием фазы |
или |
Л/2-пластине (рис. |
116,6), |
|
значение р |
- 4 — Я/4-пластине (рис. 116,в) |
||
|
и т.д. Для сравнения на рисунке приведен |
|||
|
вид линзы Френеля (рис. 116,г). |
|
||
|
Эффективность |
френелевских |
зонных |
|
Рис. 116. Френелевские зонные пластинки: |
плпстинок. Эффективность 1] зонной пла |
|||
о) с чередованиемпрозрачныхинепрозрачныхзон; |
стинки, определенная как отношение ин |
|||
б) сдискретной коррекциейфазы на ISC': |
тенсивности поля в точке ее фокусировки к |
|||
«) с дискретной коррекцией фазы на 90°; г) линза Френеля; д) радиусы зон |
|
|
|
|
аналогичной величине идеальной линзы, за
висит от дискрета корректируемой фазы следующим образом rj = [э1п(Ф/2) /(Ф/2)]2
Для Я/2-пластины (Ф = я) ц = 40,5 %, для Я/4-пластины т\ = 81 %, для Я/8-пластины (Ф = я /4)
JJ =95 %. Более детальная коррекция фазы лишь усложняет конструкцию ЗП, не приводя к дальнейше
му сушественному увеличению ее эффективности.
Определение размеров ступенчатых канавок ЗП. Для зонной пластинки с дискретом коррекции фазы Ф = 2п!р радиусы последовательных зон (рис. 114,6) определяются по формуле
R„ = ^ I IIXQF Iр + (л2д / р)г ,
где F - "фокальное” расстояние от ЗП до точки фокусировки вдоль нормали к антенне; Я 0— длина вол ны в свободном пространстве; р — целое и обычно четное число; л = 1,2,.... М
При заданном диаметре антенны D полное число зон пластинки
N =[pF(Jl + (DI2F)2 - 1 ) 1 ^ ,
где £JC] - целая часть числах.
С учетом этого обозначения глубина и-й зоны в ЗП проходного типа может быть определена из со отношения
</« = {(" “ D/ Д- 1(л -1) / Д]}Л) /(>/«-1) •
Видно, что d„ является периодической функцией индекса л и принимает ровно р различных значе ний от нуля до
отличающихся друг от друга на дискретную величину Яо/{р(7ё-1)}.
Приведенные выражения получены в предположении прихода всех лучей в фокальную точку от одной плоскости ЗП.
Потери, обусловленные затенением лучей на краях зон оценены в 0,05 % , что много меньше потерь мощности из-за отражений на границах с диэлектриком, составляющим, например, для е = 2,54 (поли стирол) около 6,9 % при нормальном падении как для ТЕ-, так и для Ш-случая.
Ширина рабочей полосы ЗП. Для относительной ширины полосы фазокоррекгирующей ЗП с Ф = 2 nip на основании анализа хроматической аберрации получена согласующаяся с экспериментальными ре зультатами эмпирическая формула
Дflf= p lN ,
где N — полное число зон пластинки.
В антенне с N = 24 на частоте 140 ГГц реализована, например, относительная ширина полосы частот около 15 % [155,156).
62
Микрополоскоиыс i |
юго< |
скиерезонаторные антенны |
3.4. |
Диэлектрические резонаторные антенны |
|
Диэлектрические резонаторы (ДР) из материалов с большой диэлектрической проницаемостью уже дав но с успехом используются в качестве высокочастотных компонентов с очень большой добротностью при разработке фильтров. Это свойство ДР, обуславливающее присущую им узкополосность, долгое время ставила под сомнение их полезность в качестве излучающих элементов антенн. Последующие ис следования показали, что некоторые типы колебаний (моды) в ДР могут иметь малую добротность, а эффективность излучения этих мод превышает 98 %, [157].
Эти результаты привлекли внимание специалистов и способствовали изучению и использованию ДР в антенных приложениях, а также разработке различных методов их анализа: резонаторной полости с магнитными стенками, метода моментов, функций Грина, конечных разностей в пространственновременной области (метод FDTD). Полученные характеристики разнообразных геометрий диэлектриче ских резонаторных антенн (ДРА) показали, что ширина полосы и эффективность излучения их могут даже большими, чем у многих рассмотренных выше МПА, особенно в области очень высоких частот, в которой ряд диэлектрических материалов имеет очень малые значения тангенса потерь.
Диэлектрические резонаторные антенны представляют собой резонансные антенны прямоугольной, цилиндрической, полусферической или иной формы, изготавливаемые из высокочастотного диэлектри ческого материала с малыми потерями, возбуждаемые коаксиальными зондами, МП-линиями через апертуры связи, копланарными линиями, диэлектрическими волноводами. Резонансные частоты/р и импедансные полосы рабочих частот Д/ДРА являются функциями главным образом размеров, формы и диэлектрической проницаемости е материала антенны.
Основными достоинствами ДРА являются:
высокая эффективность излучения, обусловленная отсутствием потерь в проводниках или на воз буждение поверхностных волн;
совместимость с различными существующими технологиями изготовления антенн, обеспечиваемая допустимой свободой в выборе способа возбуждения антенн;
возможность возбуждения различных типов колебаний в объеме антенны и удовлетворения тем са мым разнообразных предъявляемых требований к форме ДН;
доступность диэлектрических материалов с малыми потерями и широким спектром значений е (примерно, от 6 до 100), предоставляющая разработчику широкий простор для достижения компромис са между требованиями к размерам антенны и полосе ее рабочих частот А/,
меньшая, чем у МПА, чувствительность к допускам на размеры и величину £, особенно в ММ-диа- пазоне.
Обзоры проведенных исследований ДРА с обширной библиографией читатель найдет, например, в [158-162].
Все типы колебаний моды в ДРА произвольной формы с большой величиной диэлектрической про
ницаемости £ |
удовлетворяют на всех поверхностях резонатора одному из граничных условий магнит |
ной стенки |
|
Еп = 0. |
(36) |
где Е — напряженность электрического поля; п — нормаль к поверхности ДРА. |
|
Другому условию магнитной стенки |
|
и х Н = 0, |
(37) |
где Н — напряженность магнитного поля, удовлетворяет только часть мод, причем не обязательно на всех поверхностях ДРА.
Моды, удовлетворяющие обоим граничным условиям (36), (37), получили название ограниченных (confined), а моды, удовлетворяющие лишь одному условию (36)— неограниченных (nonconfined).
Излучение ограниченного и неограниченного типов колебаний наинизшего порядка подобно излу чению электрического и магнитного диполя соответственно.
Диэлектрические резонаторные антенны сферической и цилиндрической формы могут поддержи вать колебания ограниченного типа (ТЕ, ТМ или гибридного), в то время как ДРА прямоугольной формы поддерживают колебания только неограниченного типа [159].
63
Микрополосковые антенны мтлчметрового диапазона волн. Диэлектрическиерезонаторные антенны
В прямоугольной ДРА подходящим выбором размеров сторон может быть устранено вырождение типов колебаний (присущее как сферическим ДРА, так и цилиндрическим ДРА в режиме гибридных мод), чем достигаются определенные практические преимущества, поскольку вырождение мод способ ствует увеличению уровня кроссполяризационного излучения.
Диэлектрическая резонаторная антенна прямоугольной формы. Если длина а, ширина Ь и высота А
прямоугольной ДРА (рис. 117,а) удовлетворяют неравенствам а > Ь > А то мода ЯД5 имеет наимень
шую резонансную частоту^, определяемую из решения трансцендентного уравнения
|
kztg{k,h/2) = Vfc-DA'o ~ к? |
■ |
||
|
где к?=е$-(к*+к1) ] к0 = 2лf v / с ; |
кх=я/а\ |
||
|
ку = я/Ь . |
|
|
|
|
В режиме этой моды ДРА излучает |
|||
|
подобно магнитному диполю с моментом |
|||
|
р,„ =i8A(O£0(в —1)sin(/г.Л/2 )/(кхкук .), |
|||
|
ориентированным вдоль оси z. Здесь А — |
|||
|
произвольная |
постоянная, зависящая от |
||
|
условий возбуждения. Мощность излуче |
|||
|
ния этого диполя Р1Ш = 1 ОА'о |/>,„| . |
|||
|
При е » 1 |
запасенная электрическая |
||
|
энергия Жв,, сосредоточена в основном |
|||
|
внутри резонатора, причем |
|
|
|
|
Жэап = 0.03125££оа&А/12 (к; + к*.)х |
|||
|
x[l+sin( U t ) / ( k 2f,)} . |
|
|
|
|
а продольное волновое число к: с ростом |
|||
Рис. 117.Диэлектрические резонаторные антенны прямоугольной формы: |
Е стремится |
К предельному |
значению. |
|
а) геометрияairrciiiiu исистема координат; |
_ |
|
» и г гтг.» |
|
б) схема возбужденияДРА коаксиальнымзондом; |
О тн о си тел ь н ая ШИрИНЗ ПОЛОСЫ |
Д JJf„ Д РА |
||
в) возбуждениеМП-лнннеПчерез апертурув экранной плоскости: |
об ратн о ПрОПОрЦИОНЭЛЬНа НЭГружеННОЙ |
|||
г) прямоеалсктромалнгпюс аозбуждеиис МП-линиеГ. |
ДобрОТНОСТИ ЭНТвННЫ Q H, КОТОрЗЯ ДЛЯ ДИ- |
|||
электриков с tg5 * 10-4 определяется главным образом потерями на излучение, т.е. |
|
|
||
а = ^ = 44^/^*, • |
|
|
|
|
Выбором величины £ значение Дjlfv прямоугольной ДРА может |
варьироваться |
в |
пределах |
|
(0,5... 10,0) %, причем L flfv пропорционально величине (£ )-1-5.
Интересно отметить, что при £ » 1 приведенное соотношение справедливо для колебаний типа “магнитного диполя” и в ДРА произвольной формы.
Уединенная ДРА имеет обычно одну или более плоскостей симметрии (ПС), каждая из которых для одних типов колебаний (мод) играет роль электрической стенки, а для других — магнитной стенки (МС). Практический интерес представляют те моды, для которых ПС является ЭС, так как для них мож но использовать без изменения/р и Qa^ ДРА вдвое меньшего объема, заменив ПС металлической плос костью (последняя в реальной конструкции необходима для механической поддержки антенны и цепей ее возбуждения, размещаемых на обратной стороне для исключения влияния на поле излучения).
Такими модами в уединенной прямоугольной ДРА являются ЯД, и ЯД, , для которых подобна
электрической стенке плоскость^ = 0 (рис. 117,6). Для этих мод такая ДРА высотой А эквивалентна ДРА высотой А/2 на проводящей плоскости.
Типичные схемы возбуждения ДРА. Сравнительно легко осуществляется возбуждение ДРА коакси альным зондом (рис. 117,6), МП-линией через щель в экранной плоскости (рис. 117,в — вид сверху и сбоку), а также непосредственно электромагнитной связью с МП-линией (рис. 117,г).
64
Микрополосковые антенны миллиметрового диапазона волн. Диэлектрическиерезонаторные антенны
Возбуждение коаксиальным зондом: для колебания типа ТЕ{и компонента поля Еу = -Akxsin(i-t.t) х
xcos(куу) cos (k.z) принимает максимальное значение при z = 0 и |х| = all, поэтому возбуждение антенны
наиболее удобно осуществлять зондом, размещенным согласно рис. 117,6 как внутри, так и вне ДРА. Расположение зонда вне антенны упрощает конструкцию и позволяет оперативно варьировать коэффи циент связи при отработке ДРА изменением длины зонда или смещением его вдоль оси z. В [159] найде но, что критическая связь между зондом и ДРА легко реализуется при высоте антенны А >0,5/,^, где /„,« — наибольший из размеров а,Ь. Оптимальная длина зонда Л3 уменьшается с ростом проницаемости £, причем при £ =20 длина h3=z h.
При размещении зонда вблизи боковых ребер ДРА может излучать поля с круговой поляризацией.
Возбуждение МП -линией через щель в проводящей плоскости: обычно длина щели в схеме возбужде ния на рис. 117,6 выбирается меньше резонансной. Магнитное поле моды ТЕ[п в этом случае определя
ется равенствами |
|
|
Нх = |
[ (Ач.А.) / ICD/J 0 ]sin(Атлг)cos(A',,y) sin(/:.z) |
; |
Я,. = |
A[{krk.) / i(op0]cos{kTx)sin{i,,y)sin(i.z) |
; |
H . = |
A [(kx + ky ) / ico/jQ}sin(kxx) cos(^.y)sin(A:.z) . |
|
и наилучшее возбуждение имеет место при симметричном расположении ДРА относительно щели таким образом, что размер А ориентирован вдоль длины шели. Коэффициент связи ДРА со щелью регулирует ся либо выбором длины последней, либо смещением антенны в направлении осей х, z. Последним спо собом, например, в [159] удалось настроить в диапазоне частот 3...10 ГГц все ДРА, возбуждаемые МП-линией с параметрами £ „=10,2; W» = 0,6 мм; / = 0,64 мм; fVm=1,2 мм; Zu, = 6,1 мм ; s = 2,1 мм, при
чем при е =100 критическая связь обеспечивалась при смещении ДРА к краям щели. Мода ТЕ\П может быть возбуждена при ориентации размера а антенны вдоль щели, а при наклонном расположении ДРА относительно щели одновременно возбуждаются обе моды TEf, ( и ТЕ^,. При заметном отличии резо нансных частот этих мод такое расположение щели и ДРА позволяет реализовать работу антенны на двух частотах, с ортогонально линейной или круговой поляризацией.
Возбуждение прямой электромагнитной связью: в схеме на рис. 117,в МП-линия на конце разомкну та и в ДРА возбуждаются колебания типов ТЕ‘и и 7 £ f„, однако коэффициент связи с модой Г£/„ за метно меньше. Связь с ТЕ{п максимальна при расположении антенны на расстоянии п XJ1 (где п — це лое число и А„ — длина волны в МП-линии), что свидетельствует о емкостном характере связи. Значе ние коэффициента связи легко регулируется поперечным смещением ДРА относительно МП-линии, уменьшаясь в целом при уменьшении высоты подложки.
Одним из недостатков данной схемы возбуждения является невозможность реализации критиче
ской связи для ДРА, изготовленных из |
|
|
|
|
диэлектрика с е <20. |
|
|
|
|
Сравнение |
теоретических и экспе |
|
|
|
риментальных результатов. Зависи |
|
|
|
|
мости теоретических значений ^/ё~ k<ja |
|
|
|
|
и б,ini / ( f ) 3/2 от параметра Mb уеди |
|
|
|
|
ненной прямоугольной ДРА с разме |
|
|
|
|
рами а = b = 10 мм для колебаний |
|
|
|
|
ТЕХ\ , (пунктирные кривые) и Г£Д, |
|
|
|
|
(сплошные |
кривые) приведены на |
|
|
нормированной добротности |
рис. 118 и 119. Резонансная частота и |
|
|
||
|
|
от отношения h/b: |
||
|
|
|
|
|
добротность колебания ТЕ[п при а = Ь |
, _ пр11ВОЗбу„ |
моли ге',: |
у-принуждении «оды ге?„: |
|
такие ж е, как и у колебания Г£’(с11. |
2— при возбуждении моды ТЕ,',, |
2 — при возбуждении моды 7Е,',, |
||
Микрополосковые антенны милзиметрового диапазона волн. Диэлектрические резонаторные антенны
Приведенные на рис. 118 дня е = 20 результаты приближенно справедливы и для ДРА с произвольным, но достаточно большим значением е . Подтверждением асимптотического равенства QumIU )1 э « const при больших е является близость результатов на рис. 119 для е =20 (тонкие кривые) и е = 80 (жирные кривые). Видно также, что добротность QIIWмаксимальна при МЬ~ 0,6... 1,2, причем для £ = 20 значе ние шх=20 и уменьшается почти в четыре раза при Mb < 0,1 и Mb > 8. Зависимость Qm;l (Mb) более резкая при малых значениях Mb.
Сравнение теоретических и экспериментальных значений резонансной частоты f ? и добротности Qnv, при различных сочетаниях величин параметров е , а, Ъ и h для уединенной прямоугольной ДРА приведено в табл. 11, а для ДРА на проводящей плоскости, возбуждаемых коасиальным зондом и МПлинией через щель — в табл. 12 и 13 (диаметр зонда 0,65 мм, длина 6,5 мм).
Таблица 11
£ |
ММ |
ь% |
Л. |
/* |
/рт |
Ошибка |
б и т |
Ошим, |
б « и » |
79.46 |
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
7.45 |
7.45 |
2,98 |
4.673 |
4.346 |
-7.0 |
95.0 |
128.7 |
90.5 |
|
37,84 |
8.60 |
8.60 |
2.58 |
6.322 |
5.934 |
- 6.1 |
28.5 |
37.9 |
27.8 |
37,84 |
8,77 |
8.77 |
3.51 |
5,684 |
5,337 |
- 6.L |
31.5 |
44.0 |
32.3 |
Здесь |
|
Qm,». бич ш(э.т) — экспериментально определенные и теоретически рассчитанные резо |
|||||||
нансные частоты и добротности излучения соответственно, причем теоретические значения |
и |
||||||||
Qiixumвычислены с использованием экспериментального и расчетного значения/р . |
|
|
|||||||
Таблица 12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Qeam |
£ |
ММ |
мм |
мм |
Fpi |
/рт |
L % |
|
|
|
|
6/2. |
А, |
Ошибка |
|
|
|
|||
10.8 |
15.24 |
7.62 |
з.ю |
6.21 |
6.95 |
11.9 |
5.9 |
5.8 |
10.2 |
20.0 |
10.16 |
7.11 |
10.16 |
4.71 |
4.63 |
-1,7 |
15.4 |
18,9 |
17.5 |
20.0 |
10.16 |
10.16 |
7.11 |
4.55 |
4.60 |
1.1 |
14.3 |
15.9 |
16.7 |
37.84 |
9.31 |
4.60 |
9.31 |
4.50 |
4.16 |
-7.6 |
32.3 |
48.1 |
37.0 |
37.84 |
15.24 |
7.62 |
7.62 |
3,06 |
2.90 |
-5,2 |
34.1 |
47.6 |
36.5 |
37.84 |
7.62 |
15.24 |
7.62 |
4.08 |
3.88 |
-4.9 |
18.9 |
23.5 |
18,9 |
37.84 |
8.77 |
8.77 |
3.51 |
4.76 |
4.52 |
-5.0 |
24.1 |
31.3 |
24.7 |
37.84 |
8.77 |
3,51 |
8,77 |
5,19 |
4.89 |
-5.8 |
31.3 |
45.5 |
38.1 |
37.84 |
9.31 |
9.31 |
4.60 |
4,25 |
4.00 |
-5,9 |
22,4 |
34.8 |
26.0 |
79.46 |
12.70 |
2.54 |
2.54 |
5.43 |
4.92 |
-9.4 |
45.4 |
86.8 |
53.9 |
79.46 |
12.70 |
6,35 |
6.35 |
2.64 |
2.40 |
-9.1 |
73.6 |
139,6 |
89.1 |
79,46 |
7.70 |
7.70 |
7.70 |
3.17 |
2.84 |
-10.4 |
56.4 |
117,6 |
75.5 |
Таблица 13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
£ |
мм |
6/2. |
А. |
/ > |
/рт |
Ошибка |
|
QunjnT |
б.™.П |
37.84 |
мм |
мм |
|
|
L % |
|
|
|
|
8.77 |
3.51 |
8.77 |
5.34 |
4.89 |
- 8.6 |
22.3 |
45.5 |
36.8 |
|
37.84 |
9.31 |
4.60 |
9.31 |
4,59 |
4,16 |
-9.4 |
23.2 |
48.1 |
35.5 |
37.84 |
8.60 |
8.60 |
2.58 |
5.34 |
5.07 |
-5.1 |
17.5 |
25.9 |
20.1 |
37.84 |
8,77 |
8.77 |
3.51 |
4,79 |
4,52 |
-5.6 |
20.5 |
31,3 |
23.6 |
37.84 |
9.31 |
9.31 |
4.60 |
4.11 |
4.00 |
- 2.6 |
32.6 |
34.8 |
30.6 |
Во всех случаях ДРА приклеивалась к проводящей плоскости силиконовым каучуковым клеем. Видно, что теоретические результаты наиболее точны для £ = 20.
Размеры щели и МП-линии приведены выше.
Из сравнения результатов табл. 11-13 можно получить представление о степени влияния схемы возбуждения на величины/ р и QHW.
Диаграммы направленности ДРА. В [159] исследованы характеристики излучения ДРА с параметрами а = 9,31 мм, Ы2 = 9,31 мм, h = 4,6 мм и £ = 37,84. Антенны размещались на круглой проводящей плос
кости диаметром 30 см и возбуждались в режиме Г£/и -колебания. На рис. 120 приведены ДН ДРА, воз буждаемой коаксиальным зондом, в ху-плоскости (плоскость Е, рис. 120,а), и yz-плоскости (плоскость Я, рис. 120,6), где жирные кривые соответствуют основной поляризации, а тонкие— кроссполяризации.
66
Микрополосковые антенны миллиметрового диапазона волн. Диэлектрические резонаторные
Аналогичные |
ДН ДРА, |
возбуждаемой |
|
||
МП-линией через щель в проводящей плоско |
|
||||
сти, приведены на рис. 121. |
|
|
|||
Видно, что поля излучения основной поляри |
|
||||
зации подобны ДН горизонтального магнитного |
|
||||
диполя, размещенного над проводящей плоско |
|
||||
стью конечных размеров. Уровень кроссполяри- |
|
||||
зационного излучения в Я-плоскости заметно |
|
||||
меньше в схеме возбуждения антенны МП-линией |
|
||||
через апертуру в экранной плоскости. |
|
||||
3.5. |
Цилиндрическая диэлектрическая |
|
|||
|
резонаторная антенна |
воэбуждаемой коаксиальным зондом, |
|||
В цилиндрической ДРА (рис. 122) возможны |
|||||
в Е‘-плоскости (а) и //-плоскости (б): |
|||||
как осесимметричные, поперечные к оси г, |
/ — основная поляризация; 2 -кросс-поляризация |
||||
колебания магнитного (ТЕ) и электрического |
|
||||
(ТН) типа, так и гибридные колебания двух ти |
|
||||
пов — НЕ (с Е. » |
Я;) и ЕН (с Н: » Е- ). При |
|
|||
Л/а>1 основным типом колебаний уединенной |
|
||||
ДРА является мода ТЕ01& характеристики из |
|
||||
лучения |
которой |
подобны |
характеристикам |
|
|
магнитного диполя, ориентированного вдоль |
|
||||
оси 2 (рис. 122,о). Первый индекс в обозначении |
|
||||
моды характеризует вариации поля (число длин |
|
||||
волн) по азимутальной координате, второй — |
|
||||
по радиальной координате и третий индекс р+ S |
а)___________________________ б) |
||||
(р = 0.1,2,...) — вариации поля вдоль оси z. |
|||||
Рис. 121. ДН прямоугольной ДРА, возбуждаемой |
|||||
Если антенну расположить плоской частью |
|||||
МП-линией через апертуру в экранной плоскости, |
|||||
на проводящей плоскости, то основным типом |
в £-плоскости (а) и Я-плоскости (б): |
||||
колебания становится гибридный HE01S, харак |
/ — основная поляризация; ’ — кросс-полярнзация |
||||
теристики излучения которого также подобны |
|
||||
характеристикам магнитного диполя, но ориен |
|
||||
тированного перпендикулярно оси z (рис. 122,6). |
|
||||
Плоскость симметрии z = 0 является для этого |
|
||||
колебания электрической стенкой. |
|
||||
Строгие методы определения f v и Quw дос |
|
||||
таточно сложны и при различных гипотезах о |
|
||||
характере граничных условий, как и в прямо |
а)______________________А_________ |
||||
угольной ДРА, сводятся к решению трансцен |
|||||
дентных уравнений или систем их. |
Рнс. 122. ДРА цилиндрической формы |
||||
Так, резонансная частота основного коле |
и эквивалентный магнитныйдиполь: |
||||
бания ;Г£015 уединенной ДРА с граничными ус- |
возбуждения моды 7£Mf; б) для возбуждения моды HEn i . |
||||
ловиями (36) и (37) на боковой поверхности определяется из уравнения
(Pza)tg(Ol5p:h) = yl x f - ( k 0a)z .
где р : а = ^е(к0а)г - x f ; а и h — радиус и высота Д Р А ; х\ = 2,4 0 4 9 — первый нуль функции БесселяУо(х)
нулевого порядка; к0а = 2naf^c\ с — скорость света в вакууме.
Указанная модель не учитывает наличия гибридных типов колебаний и приводит к заниженным на 9....13 % значениям собственных частот [160].
67
Микрополосковые антенны миллиметрового диапазона волн. Диэлектрические резонаторные антенны
В [161] приведены представляющие интерес для разработчиков эмпирические формулы, более точ но определяющие в замкнутой форме значения коа и Quw как функции геометрического параметра (a/h) антенны.
Для колебания ТЕШ , £ > 25:
V = (2.327/ -Je + i) [1 + 0,2123(а / А) - 0,00898(а/ А)2], 0,33 < а/ А < 5.00 ;
а 1М=0,078192е,-г7[1+17,31(А/в)-21,57(Л/в)2 + 10>86 (А/а)3 -1,98 (h/a)A), 0,20<Л /я<2,00 . Для колебания НЕ{15:
А0а = (6,324/>/£ + 2)[0,27 + 0.36(л/2Л) + 0>02(о/2А) 2] 1 0.4<в/Л < 6 .0;
Qnm = 0.01007(а/ А)е1 3[1 + ЮОехрС—1.0Z5aIИ + 2,05а2 / 80А2)].
Точность приведенных выражений равна примерно 2 % для/р и 10... 15 % для Quw(в диапазоне про
ницаемостей 20 й £ <88). |
|
|
|
|
Результаты расчета характери |
|||||||
Таблица 14 |
|
|
|
|
стик |
|||||||
|
alh |
|
кА |
|
Q ™ |
коа |
и |
0,т |
по |
приведенным |
||
е |
|
|
формулам для ряда |
значений |
е и |
|||||||
ТЕш |
Н Е», |
ТЕш |
НЕШ |
|||||||||
25.0 |
5.000 |
0.838 |
|
17.2 |
|
alh приведены в табл. 14. |
|
|||||
35.0 |
1.000 |
0.467 |
0.473 |
40.1 |
38.7 |
|
Для уединенной ДРА с £ |
= 20 |
||||
38.0 |
2,283 |
0.536 |
0.707 |
41.9 |
31.2 |
на рис. 123 приведены зависимости |
||||||
79.7 |
2.283 |
0.373 |
0.495 |
107.3 |
81.8 |
от параметра а/А значений коа |
||||||
|
|
|
|
|
|
(сплошная кривая) и Qtlw (пунктир |
||||||
|
|
|
|
|
|
ная кривая) колебания ТЕш- |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Аналогичные зависимости для |
|||||
|
|
|
|
|
|
колебания Н Ещ уединенной ДРА с |
||||||
|
|
|
|
|
|
£ =22 приведены на рис. 124. Эти |
||||||
|
|
|
|
|
|
же результаты справедливы и для |
||||||
|
|
|
|
|
|
ДРА |
высоты |
А/2, |
расположенной |
|||
|
|
|
|
|
|
плоской |
частью |
на |
проводящей |
|||
|
|
|
|
|
|
плоскости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для разработки схемы возбуж |
||||||
|
|
|
|
|
|
дения ДРА необходимо определить |
||||||
и излучательной добротности Qm (2) |
и излучательной добротности Quu (2) |
поля внутри антенны. Эти поля вы |
||||||||||
от отношения a/h при возбуждении |
от отношения a/h при возбуждении |
ражаются через компоненты Е: и Я* |
||||||||||
|
моды ТЕМ |
|
|
моды НЕЫ |
|
которые для указанных выше типов |
||||||
|
|
|
|
колебаний имеют вид: |
|
|
||||||
колебание TEots |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Е- = 0; |
Н. = J0(krr) cos(A.z) , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где JQ{x) — |
функция |
Бесселя нулевого |
порядка; kra =j e /(е +1) [2,3620 + 0.2379{а/ А) - 0.0591 (а/ А)2 + |
|||||||||
+0,00533(а/А)3] , 1<а/h<5; L определяется из соотношения |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
к) +к* = e k l; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(39) |
|
колебание НЕщ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е. = J, (krr) cos{k.z) I cos^ l ; //,ж о, (sinpj
где сначала из уравнения
kzh = arctgfe^e -1) (А0/ к, )2 -1 ]
определяется к., а затем из равенства (39) значение кг\ величина кйзадана соотношением (38). При £ аргумент арктангенса обычно велик, поэтому к, ~nl{2h).
68
Микрополоскоаые антенны миллиметрового диапазона волн. Дюлектрическиерезонаторные антенны
3.6.Диэлектрические резонаторные антенны с увеличенной шириной полосы
Ширина полосы простой прямоугольной ДРА по критерию изменения входного импеданса достигает при малых £ 7... 10 %. В то же время в таких приложениях систем связи с повышенными потоками ин формации, как видеоконференции, прямое цифровое вещание, портативная спутниковая или локальная многоабонентная связь, а также беспроводная связь внутри помещений, требуются полосы частот Д /> 10 %. Эти требования могут быть удовлетворены наряду с описанными выше МПА более простыми по конструкции ДРА.
В [162] сообщается о прямоугольной ДРА с полосой до 28 %. Такая полоса достигнута удалением
средней нижней части диэлектрика в схеме |
возбуждения МП-линией через апертуру с |
а2/о| = 0,7 |
|||||||||||
(рис. 125,а), причем выбором отношения |
KCDH |
|
I |
1 |
|
l |
|||||||
д2/я|аО,5 можно добиться также работы |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|||||||||||
антенны в двух отдельных полосах частот. |
|
|
“w-\ |
||||||||||
Зависимости КСВН от частоты этой ДРА |
|
|
|
h77 |
|||||||||
для трех значений |
отношения |
размеров |
|
у |
|
|
|
A ll A , |
|||||
q = a2/ni |
приведены на рис. |
125,6 (для |
13 |
|
И 7 V17" |
||||||||
кривых 1-3 |
q = 0,3; 0,5; 0,7). |
|
|
1.0 |
|
|
h |
|
|
||||
Увеличение полосы |
Д / |
в этой схеме |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
возбуждения может быть достигнуто, как и |
|
|
|
|
|
|
|||||||
в МПА, добавлением пассивных ДРА с |
Рис. 125. Геометрия прямоугольной ДРА |
|
|||||||||||
близкими |
резонансными |
частотами. На |
с удаленной нижней частью (а) и зависимость КСВН |
||||||||||
пример, в комбинации трех ДРА с одной |
от частоты для различных значений отношения q =аг /о, (о |
||||||||||||
активной и двумя пассивными антеннами |
1— q = 0.3: ’— 9 = 0,5; 3— ? = 0,7 |
|
|
||||||||||
(рис. 126,а — |
вид сверху и сбоку), индиви |
|
|
|
|
|
|
||||||
дуальные полосы частот которых не более |
|
|
|
|
|
|
|||||||
5,8 %, достигнута общая полоса частот 17 % |
|
|
|
|
|
|
|||||||
по уровню |
КСВН |
< |
2,0. |
Зависимость |
|
|
|
|
|
|
|||
КСВН от частоты исследованной антенны |
|
|
|
|
|
|
|||||||
этого типа приведена на рис. 126,6. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
В схеме возбуждения с прямой элек |
|
|
|
|
|
|
|||||||
тромагнитной |
связью |
для |
достижения |
|
|
|
|
|
|
||||
сильной связи ДРА необходимо изготав |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ливать из диэлектрика с большой прони |
|
|
|
|
|
|
|||||||
цаемостью, |
что |
неблагоприятно сказыва |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 126. ДРА, возбуждаемая через апертуру в |
|
|
||||
ется на ширине рабочих частот. Для раз |
с двумя пассивными резонаторами (о) |
|
|
||||||||||
решения этого противоречия предложена |
и зависимость КСВН от частоты (б) |
|
|
||||||||||
многослойная конструкция ДРА, в кото |
|
|
|
|
|
|
|||||||
рой собственно антенна выполнена из ма |
|
|
|
|
|
|
|||||||
териала с малым значением |
£ , но распо |
|
|
|
|
|
|
||||||
лагается на одном |
или более слоях того |
|
|
|
|
|
i |
||||||
же поперечного размера с большими зна |
|
|
|
|
|
||||||||
чениями проницаемости (рис. 127,а). До |
|
|
|
|
|
|
|||||||
полнительные слои трансформируют им |
|
|
|
|
|
|
|||||||
педанс ДРА к импедансу МП-линии, кон |
5.5 |
6.0 |
6.5 7.0 7.5 0.0 f. ГГц |
||||||||||
центрируя поля под антенной и сущест |
|
|
|
|
|
|
|||||||
венно увеличивая ее связь с линией воз |
Рис. 127. Схема многослойной прямоугольной ДРА (а) |
||||||||||||
буждения. |
Число слоев |
в |
практических |
и зависимость КСВН от частоты (б) |
|
|
|||||||
конструкциях стараются минимизировать.
На рис. 127,6 приведена зависимость КСВН от частоты подобной ДРА с одним дополнительным слоем. Видно, что величина Д/ достигает 20 %. Еще большая ширина полосы (35 %) получена в ДРА в виде разрезанного пополам цилиндра [163], но при этом отмечено, что при выбранной авторами схеме возбу ждения может быть получена лишь всенаправленная ДН.
69
Микропомсковые антенны лптиметрового диапазона волн. Диэлектрические резонаторные антенны
Новые возможности увеличения ширины полосы частот открываются при использовании опреде ленных геометрий конических ДРА.
Конические диэлектрические резонаторные антенны. Четыре варианта ДРА конической и полуконической формы экспериментально исследованы в [164]: 1 — круговой конус; 2 — усеченный круговой конус, располагаемый на ЭП большим основанием; 3 — обращенный усеченный круговой конус, распо лагаемый на ЭП малым основанием; 4 — половина усеченного кругового конуса, разрезанного по про ходящей через ось конуса плоскости и располагаемого на ЭП площадью сечения. Все указанные ДРА возбуждались коаксиальным зондом.
Резонаторы конической формы поддерживают типы колебаний, резонансные частоты которых не значительно различаются между собой. Это при определенных условиях и соотношениях между пара метрами колебаний может способствовать увеличению ширины полосы частот. Поэтому выбор схемы возбуждения конических ДРА должен производиться особенно тщательно. Анализ ДРА в [164] проведен методом моментов в рамках модели коаксиального зонда с бесконечно малым зазором между полюсами источника. Схема возбуждения рассчитывалась с дополнительным требованием, чтобы возникающие типы колебаний создавали ДН с максимумом в направлении нормали к ЭП.
Численным моделированием определено, что наибольшие ширины полос Д/ / / достигаются в ва риантах ДРА 3 и 4, а именно 21 и 50 % .Эти значения получены без специальной оптимизации парамет ров антенн.
Таблица 15 |
|
|
|
|
|
Вариант 3: радиусы малого и боль |
|
|
|
|
|
|
шого оснований— 19,5 и 33,5 мм; высота |
||
|
|
|
|
L |
|
|
|
d |
|
15 |
17 |
|
|
усеченного конуса — 25 мм; длина зонда |
|
13 |
19 |
21 |
23 |
||||
10 |
- |
6.54 |
21.28 |
18.07 |
12.05 |
6.65 |
возбуждения— 17 мм; смещение зонда от |
17 |
5,53 |
7.36 |
— |
8,65 |
8.75 |
6,45 |
оси конуса — 10 мм. Диэлектрическая |
|
|
|
|
|
|
|
проницаемость материала антенны— 12. |
Представление о критичности выбора схемы возбуждения можно получить по результатам иссле дования зависимости относительной ширины полосы частот Дf l f (выраженной в процентах) от длины зонда L и его смещения от оси конуса d, приведенным в табл. 15.
Здесь прочерк в графе означает, что для соответствующего сочетания значений параметров коэф фициент отражения от антенны превышает уровень минус 10 дБ.
Возбуждение в ДРА мод семейства НЕЫ позволяет еще более увеличить ширину полосы, что реа лизовано в варианте 4, в котором зонд длиной L располагался на оси полуконуса, был ориентирован вдоль радиуса соответствующего поперечного сечения и отстоял от плоскости большого основания на расстоянии Л,.
Вариант 4: радиус малого и большого оснований — 22,5 и 49 мм; высота полуконуса — 52 мм; длина зонда L = 19,2 мм; смещение Л = 5 мм. Эта ДРА была также изготовлена из материала с диэлек трической проницаемостью 12.
Для ДРА с указанными геометрическими размерами экспериментально подтверждено, что кривая зависимости входного импеданса от частоты имеет четыре максимума в полосе частот 1,1...2,1 ГГц, подтверждая тем самым факт возбуждения четырех типов колебаний НЕЫ (л = 1, 2, 3, 4).
70