Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор классических конструкций печатных директоных антенн и существующих двухдиапазонных 17
1.1. Постановка задачи 17
1.2. Классические директорные антенны 17
1.3. Двухдиапазонные директорные антенны 21
1.4. Печатные версии директорных антенн
1.4.1. Печатные директорные антенны с дипольным возбудителем 28
1.4.2. Печатные директорные антенны с монопольным возбудителем 34
1.4.3. Двухдиапазонные печатные директорные антенны 36
Глава 2. Двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем 41
2.1. Аналитическая эквивалентность директорных антенн и многополюсных электрических цепей 41
2.2. Формирование облика, анализ и оптимизация двухдиапазонной директорной антенны с дипольным возбудителем 47
2.3. Особенности конструирования двухдиапазонных директорных антенн 76
Выводы 78
Глава 3. Формирование облика, анализ и оптимизация печатных двухдиапазонных директорных антенн 80
3.1. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем и симметричным питанием з
3.2. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем и несимметричным питанием коаксиальным кабелем 93
3.3. Модифицированные печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем 100
Выводы 109
Глава 4. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем ПО
4.1. Постановка задачи ПО
4.2. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем и двухсторонней реализацией пассивных элементов 111
4.3. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем и "совмещенными" пассивными элементами 116
Выводы 124
Глава 5. Экспериментальное исследование печатных двухдиапазонных директорных антенн 126
5.1. Печаные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем 126
5.2. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем 140
Выводы 149
Заключение 151
Дополнение 153
Список литературы
- Двухдиапазонные директорные антенны
- Формирование облика, анализ и оптимизация двухдиапазонной директорной антенны с дипольным возбудителем
- Печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем и несимметричным питанием коаксиальным кабелем
- Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем и двухсторонней реализацией пассивных элементов
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Известно, что директорные антенны (ДА) являются элементной базой (базовыми излучателями) антенных устройств инфокоммуникационных систем с линейной поляризацией радиоволн. При этом в настоящее время все чаще используется двух/многочастотный режим работы, как базовых излучающих модулей, так и антенных систем в целом. Поэтому актуальны вопросы разработки компактных ДА радиосистем сверхвысоких частот (СВЧ) в плане совмещения двух (или большего числа) рабочих диапазонов частот в одной конструктивной единице, что позволяет существенно снизить габариты антенных систем (АС) и упростить решение компоновочных задач на объекте установки за счет сокращения числа размещаемых конструктивно законченных узлов. Многодиапазонность антенны также позволяет сократить число питающих фидеров, чем повышается надежность и ремонтопригодность АС, находящейся в большинстве случаев под непосредственным воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как дождь, снег, обледенение, сидящие на антенне птицы, пыль, плесневые грибы и т.п.
Несмотря на значительный прогресс в проектировании однодиапазонных (классических) ДА, а также наличие большого числа работ по двухдиапазонным антеннам других типов, не снижается внимание к разработке двухдиапазонных директорных антенн (ДДА), где ключевыми, как правило, являются всевозрастающие требования к габаритам и массе. Этому в значительной степени отвечает печатное исполнение антенн, когда в рамках одной диэлектрической подложки реализуется вся излучающая структура. Печатное исполнение позволяет уменьшить габаритно-массовые показатели устройства, облегчить компоновку элементов системы на объекте установки, упростить технологию промышленного производства антенных систем. Печатные антенны весьма устойчивы к воздействию внешних дестабилизирующих факторов (например, перепады температур от -60 С (в верхних слоях атмосферы) до +60С (тропические широты), удары, линейные ускорения и т.д.). Планарные антенны, позволяющие получить высокий процент выхода годных изделий в ходе их производства, пригодны для групповой технологии микроэлектроники и полосковых микросхем, когда десятки идентичных излучающих элементов реализуются в одном технологическом цикле обработки диэлектрической заготовки.
Цель и задачи работы - разработка методики проектирования двухдиапазонных ДА нетрадиционной (новой) структуры, выработка методики реализации их конструктивно-компоновочных решений с учетом отечественных конструкторско-технологических ограничений на листовые диэлектрические материалы и процессы формирования топологии проводящего рисунка предлагаемых в работе антенн.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Обзор известных на данный момент версий директорных антенн, в том числе и двухдиапазонных.
-
Обобщение методики проектирования однодиапазонных (классических) директорных антенн на двухдиапазонные директорные антенны с дипольним возбудителем.
-
Разработка методики проектирования однодиапазонных директорных антенн с монопольным возбудителем.
-
Обобщение предлагаемой в работе методики проектирования однодиапазонных ДА с монопольным возбудителем на двухдиапазонные ДА с монопольным возбудителем.
-
Выявление особенностей излучения и формирования диаграмм направленности директорных антенн, работающих в двухчастотном режиме, как при дипольном, так и при монопольном возбуждении.
-
Вывод расчетных формул в результате решения системы электродинамических уравнений, позволяющих с приемлемой точностью определить величины размеров элементов печатных двухдиапазонных директорных антенн, а также расстояний между ними.
-
Разработка двухдиапазонных директорных антенн с линейными цилиндрическими проводниками с последующей оптимизацией размеров элементов антенны, а также расстояний между ними с использованием программы электродинамического трехмерного моделирования CST Microwave Studio.
-
Разработка печатных плат двухдиапазонных директорных антенн с симметричным и несимметричным питанием коаксиальным кабелем, где в качестве возбудителя используется как полуволновый диполь, так и монопольный возбудитель.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются методы, основанные на применении проверенных временем электродинамических принципов теории антенн, численных приемов решения прикладных задач электродинамики. Теоретические положения, развитые в работе, включая результаты электромагнитного моделирования, получены с использованием теории многополюсных электрических цепей диапазона СВЧ, метода наведенных электродвижущих сил (ЭДС) и верифицированы с результатами натурных экспериментов.
Достоверность результатов обусловлена использованием классической электродинамической теорией излучения, а также корректностью исходных положений и математических преобразований при разработке алгоритмов проектирования начального облика директорных антенн и совпадением результатов электродинамического моделирования с известными частными случаями, опубликованными в предыдущих работах сотрудников факультета РЭФ НГТУ, включая сопоставление данных, полученных расчетным и экспериментальным путем.
Научная новизна заключается в обобщении классической электродинамической теории однодиапазонных директорных антенн на двухдиапазонные директорные антенны, как с дипольным, так и с монопольным возбудителем, позволившем предложить методику
проектирования с единых позиций печатных директорных антенн вышеупомянутого класса.
Практическая значимость состоит в следующем:
Отработана методика проектирования с единых позиций двухдиапазонных ДА с дипольным и монопольным возбудителем.
Выявлены особенности реализации печатных версий ДДА с целью обеспечения требуемых характеристик согласования и направленности, в том числе: ДДА с симметричным питанием, ДА с несимметричным питанием коаксиальным кабелем, а также модифицированных ДДА.
Впервые произведен расчет и получены характеристики согласования и направленности печатных ДДА с монопольным возбудителем.
Часть предложенных в работе конструкторско-технологических решений защищена патентами РФ, что будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественной продукции и ее продвижению на рынке товаров и услуг.
Полученные результаты используются в ряде текущих проектов и могут быть применены при разработке антенных устройств инфокоммуникационных систем с линейной поляризацией радиоволн при работе в многочастотном режиме.
Апробация результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-практической конференции молодых ученых "Progress Through Innovative Technologies - 2012" (Новосибирск, Россия, 5 апреля 2012г.); 11-ой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП - 2012 (Новосибирск, Россия, 2-4 октября 2012г.); 20-ой международной научной конференции студентов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, Россия, 14-18 апреля 2014г.); 15-ой международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам "EDM - 2014" (Эрлагол, Россия, 30 июня - 4 июля 2014г.); 12-ой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП -2014 (Новосибирск, Россия, 2-4 октября 2014г.); 15-ой международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций" ПТиТТ - 2014 (Казань, Россия, 18-21 ноября 2014г.).
Публикации. По основным результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 18 печатных работ, из них: 6 научных статей (в журналах, включенных в перечень ВАК), 1 коллективная монография, 1 учебное пособие для студентов РЭФ всех форм обучения (по направлениям 11.04.01 - Радиотехника и 11.04.02 - Телекоммуникации), 6 тезисов докладов (3 работы опубликованы в сборниках международных конференций, индексируемых базой данных SCOPUS), 3 госбюджетных отчета. Получено положительное решение № 2013123276/08(034326) от 25.03.2015 года о выдаче патента на изобретение.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в ООО «НПП Триада-ТВ» для реализации проектов перспективных изделий антенно-фидерных трактов приемо-передающей аппаратуры, включая системы цифрового телевидения, о чем свидетельствует акт об использовании результатов диссертационной работы. Также разработанные программы и методы используются в учебном процессе кафедры «Радиоприемных и радиопередающих устройств» Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).
Структура и объем диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 94 наим., 3 приложения. Объем диссертации - 163 с, в т.ч. 72 рис. и 11 табл.
Личный вклад. Автором выполнено обобщение методики проектирования однодиапазонных директорных антенн на двухдиапазонные как с дипольным, так и с монопольным возбудителем. Также автором проведено моделирование и оптимизация характеристик разработанных антенн. Кроме того, автор принимал непосредственное участие в разработке конструкторско-технологической документации по созданию различных экспериментальных версий ДДА, описанных в диссертационной работе, и провел всеобъемлющую их настройку и экспериментальные исследования.
Положения, выдвигаемые для публичной защиты
-
Разработанная методика проектирования двухдиапазонных ДА с дипольным возбудителем позволяет рассчитывать начальный облик директорных антенн, работающих на двух существенно (до 40%) разнесенных частотах.
-
Разработанная методика проектирования одно- и двухдиапазонных ДА с монопольным возбудителем позволяет с высокой степенью точности определять величины размеров элементов антенн и расстояния между ними.
-
Разработанные двухдиапазонные ДА с дипольным возбудителем, спроектированные согласно предложенной методике, характеризуются приемлемым согласованием с питающим фидером (КСВН<1,5), хорошей направленностью излучения и высокой линейностью его поляризации в пределах телесного угла главного максимума диаграммы направленности.
-
Разработанные двухдиапазонные ДА с монопольным возбудителем, спроектированные согласно предложенной методике, имеют в 4 раза меньшую площадь подложки по сравнению с антеннами с дипольным возбудителем, при сохранении качества согласования с питающим фидером и высокой линейности излучения.
Двухдиапазонные директорные антенны
В настоящее время активно разрабатываются и совершенствуются антенны, позволяющие охватывать различные диапазоны частот (двухдиапазонные, много диапазонные, сверхширокополосные антенны [1,2, 3]), в том числе директорные антенны. Большинство известных на сегодняшний день директорных антенн имеют лишь одну рабочую частоту, т.е. являются одночастотными. В случае использования нескольких разнесенных рабочих частот, возникает необходимость установки ряда вышеупомянутых директорных антенн, что увеличивает габариты радиотехнической системы в целом, а также способствует усилению влияния антенн друг на друга. В результате усложняется настройка антенн, а большее количество элементов системы затрудняет их компоновку на объекте установки.
Среди основных недостатков существующих двух/много диапазонных директорных антенн, можно выделить низкое качество согласования антенны с питающим фидером, а, следовательно, возможность антенны работать только на прием сигнала с последующим его усилением в приемном блоке системы. Так, KCT.\j отводящего фидера некоторых директорных антенн, нашедших применение в области телевещания, составляет порядка 2,5...3,5, притом, что необходимый при работе на передачу Кст.и фидера должен быть на уровне 1,3... 1,5. Более того, диапазоны рабочих частот таких директорных антенн оказываются смежными. Следовательно, возникает вопрос о возможности разработки двухдиапазонной директорной антенны, характеризующейся приемлемым качеством согласования в двух несмежных диапазонах частот. Известные на данный момент печатные версии директорных антенн с дипольным и монопольным возбудителями, характеризуются приемлемым качеством согласования с питающим фидером и обладают малыми габаритно-массовыми показателями. В связи с миниатюризацией радиоэлектронных компонентов возникает вопрос о возможности разработки печатных версий двухдиапазонных директорных антенн с дипольным и монопольным возбудителем с сохранением высокого качества согласования и направленных свойств в двух несмежных диапазонах частот.
Принцип формирования направленного излучения в директорных антеннах описан известным японским специалистом Хидэцугу Яги в его патенте [4]. Фактически это и есть директорная антенна, содержащая активный диполь-возбудитель 1, несколько пассивных директоров 5, 5 , 5" и 5 ", пассивный рефлектор, образованных рядом сплошных параллельных цилиндрических проводников 2, 3, 4, 3 и 4 малого, по сравнению с длиной волны излучаемых радиоволн, диаметра, расположенных на воображаемой поверхности, близкой к параболическому цилиндру (Рисунок 1.1). Средние точки возбудителя, директоров и всех проводников рефлектора лежат в одной секущей плоскости.
Директорная антенна Хидэцугу Яги Если с целью экономии использовать только один центральный проводник рефлектора, то все элементы антенны будут лежать в плоскости, ортогональной вышеупомянутой секущей плоскости, а средние точки каждого элемента будут лежать на пересечении этих плоскостей, представляющем собой прямую, которая и будет направлением максимального излучения, ориентированного в сторону директоров.
Исследованию конкретных применений предложенной Хидэцугу Яги антенны посвящено большое число работ. В частности, известны классические директорные антенны, описанные в работах [5, 6, 7]. Эти антенны содержат активный диполь (возбудитель), один рефлектор и несколько директоров (Рисунок 1.2).
Рефлектор и ближайший к возбудителю директор, будучи параллельны друг другу, при правильной их настройке усиливают поток электромагнитной энергии в направлении директора. Термин "настройка" включает в себя подбор длин рефлектора и директора, а также расстояний между ними и возбудителем. При этом средние точки возбудителя, директора и рефлектора лежат на прямой, ориентация которой является направлением наибольшей интенсивности излучения. Интенсивный поток энергии в указанном направлении создает благоприятные условия для возбуждения второго директора при надлежащей его настройке. Второй директор обеспечивает дополнительную концентрацию энергии в данном направлении, и тем самым создаются благоприятные условия для возбуждения последующих директоров. Конкретные величины расстояний и длин элементов директорной антенны определяются численными методами поиска оптимального решения соответствующей системы электродинамических уравнений, формируемых на основе метода наводимых электродвижущих сил при условии, что как рефлектор, так и все директоры являются пассивными, а активным (т.е. запитанным от генератора) является лишь диполь-возбудитель. В результате после компоновки рефлектора, возбудителя и директоров на несущей стреле с необходимыми расстояниями между ними, обеспечивается как хорошее согласование питающего фидера, так и достаточно узкая диаграмма направленности с максимумом в направлении директоров.
Однако при изменении длины волны СВЧ генератора изменяются как собственные, так и взаимные комплексные сопротивления элементов антенны, вследствие чего в последних изменяются амплитуды и фазы наведенных токов, что в итоге, после пересчета их к клеммам возбудителя, нарушает согласование в целом директорной антенны с питающем фидером (как правило, коаксиальным кабелем). И хотя реализация упомянутых директорных антенн не встречает затруднений, классические директорные антенны способны сохранять приемлемый коэффициент направленного действия в относительной полосе частот несколько процентов [8]. Это означает лишь один возможный диапазон рабочих частот, так как работа на каких-либо гармониках исключена.
Таким образом, классические директорные антенны характеризуются лишь одним диапазоном рабочих частот.
Двухдиапазонная директорная антенна с петлевыми активными вибраторами, представленная в работе [9], предназначена для телевещания в метровом и дециметровом диапазоне волн. Данная антенна (Рисунок 1.3) содержит собранные на одной двухъярусной мачте директорные антенны разных диапазонов, каждая из которых включает установленные на стреле соответствующего яруса рефлектор 3 и 5, директор 1 и 4, а также активный вибратор 2 и 5. Директоры и рефлекторы выполнены в форме трапеции, длины оснований которой соответствуют верхним и нижним границам частот принимаемых диапазонов. Боковые стороны трапеций 7 и их продолжения служат директорами и рефлекторами для промежуточных частот. Петлевые активные вибраторы каждого яруса, играющие роль возбудителей в метровом и дециметровом диапазонах, через соответствующие согласующие цепи выводятся каждый на свой фидер, а затем (через делитель/сумматор) подсоединяются к общему фидеру.
Техническим результатом является расширение полосы частот и упрощение настройки. Описанная антенна в сборе является всеканальной и позволяет принимать 1 - 12 каналы метрового и 20 - 80 каналы дециметрового диапазона.
В результате такую антенну можно использовать как двухдиапазонную (или даже многодиапазонную) с двумя (многими) более узкими полосами частот, например: первым диапазоном может быть 2 канал, а вторым диапазоном - любой другой канал.
Формирование облика, анализ и оптимизация двухдиапазонной директорной антенны с дипольным возбудителем
Для расчета размера элементов антенны воспользуемся изложенными в пункте 2.1 настоящей диссертационной работы положениями и составим систему уравнений, описывающую рассматриваемую двухдиапазонную антенну. При этом следует отметить, что двухдиапазонная ДА, в отличие от одночастотной, содержит два активных элемента (таким образом, U\ Ф 0 и Ui ФО): AAl + 2 12 + зАз + 4 14 + 5 15 +- бАб + 7 17 + 8 У2 токи проводимости рефлекторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов соответственно, І5, h и /б, /s - токи проводимости высокочастотных и низкочастотных директоров, Zn, Z22, Z33, Z44, Z55 и Z66, Z77, Zg8 - собственные импедансы активных диполей, рефлекторов и директоров соответственно, Zmn (m = 1...8, n = 1...8) -взаимные импедансы элементов антенны. Взаимный импеданс является функцией длин диполей Lx и L2, расстояния S12 между их осями (рис. 2.6), а также текущей длины волны X [8]:
Под термином "стартовый облик" понимается такое рассчитанное значение величин размеров элементов антенны, а также расстояний между ними, при котором достигается приемлемый уровень согласования проектируемой антенны с питающим фидером, а также, при необходимости, обеспечивается требуемая форма диаграммы направленности и/или требуемый коэффициент усиления антенны. Таким образом, стартовый облик двухдиапазонной директорной антенны может быть найден несколькими способами в зависимости от технического задания, принятого на проектирование директорной антенны, а также от выбора приоритетных характеристик. Рассчитать начальные значения величин размеров элементов и расстояний между ними можно комбинированным способом, совместно используя сразу несколько процедур поиска оптимального решения.
Один из способов расчета приемлемого стартового облика антенны заключатся в нахождении таких размеров ее элементов, при которых уровень модуля входного коэффициента отражения окажется как можно более близким к единице. Такое значение Кст.и можно получить, если входное сопротивление антенны ZA будет практически вещественным, равным вещественному внутреннему сопротивлению Rs источника СВЧ сигнала.
Для нахождения величин размеров элементов, которые будут соответствовать минимальному уровню KCT,\j необходимо выразить собственные и взаимные импедансы элементов антенны через величины их геометрических размеров.
Получим формулы для взаимных импедансов. Рассчитаем взаимный импеданс двух близко расположенных активных диполей. Согласно [50] имеем для свободного безграничного пространства: = 4/2
В результате формируется система электродинамических уравнений, основанных на методе наведенных ЭДС при условии, что как рефлекторы 3 и 4, так и директоры 5, 6, 7 и 8 являются пассивными, а возбужденными, то есть запитанными от генератора, являются только активные диполи 1 и 2 (Рисунок 2.4).
Эффективная концентрация излучения описываемой директорной антенны может быть достигнута лишь в двух сравнительно узких несмежных рабочих низкочастотном fu...flh и высокочастотном fhl...fhh диапазонах частот, так как при изменении длины волны изменяются собственные и взаимные импедансы активных диполей 1 и 2, рефлекторов 3 и 4, а также директоров 5, 6, 7 и 8 (Рисунок 2.4), вследствие чего в последних изменяются амплитуды и фазы наведенных токов проводимости. В результате на центральных частотах fol = с/ и foh = c/Ah (A;H Ah - длины средней волны соответствующего диапазона) входное сопротивление ZA директорной антенны может быть обеспечено оптимизацией практически вещественным и равным вещественному внутреннему сопротивлению Rs источника СВЧ сигнала: ZA& RAM Rs. На этих частотах вся энергия генератора излучается в окружающее пространство и входной Ксти антенны практически равен единице [52]. Входное сопротивление ZA описываемой двухдиапазонной директорной антенны будет рассчитываться следующим образом:
Для определения размеров элементов антенны, а также расстояний между ними, выразим входное сопротивление ZA антенны через собственные и взаимные импедансы элементов, а затем найдем оптимальное значение величин геометрических размеров элементов, при которых входное сопротивление ZA будет практически вещественным, равным вещественному внутреннему сопротивлению Rs источника СВЧ сигнала. Решая систему уравнений (2.29) методом Гаусса, выразим входные токи активных диполей I\, h, токи проводимости рефлекторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов h и Ц, а также токи проводимости высокочастотных и низкочастотных директоров Is, h, h и 1%.
Печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем и несимметричным питанием коаксиальным кабелем
Для расчета размеров элементов антенны, а также определения расстояний между ними необходимо воспользоваться методом наводимых электродвижущих сил [68, 69], а затем, как и при проектировании двухдиапазонной директорной антенны, описанной в п. 2.2 настоящей работы, оптимизировать полученные результаты [70].
Поскольку представленная на Рисунке 3.1 двухдиапазонная печатная директорная антенна содержит два директора, т.е. является шестиэлементнои антенной, система уравнений (2.29), необходимая для расчета ключевых размеров элементов антенны, будет выглядеть следующим образом: где I\,h- входные токи активных диполей, h и Ц - токи проводимости рефлекторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов соответственно, /5 и h - токи проводимости высокочастотного и низкочастотного директоров, Zn, Z22, Z33, Z44, Z55 и Z - собственные импедансы активных диполей, рефлекторов и директоров соответственно, Zmn (m = 1... 6, n = 1... 6) - взаимные импедансы элементов антенны.
Взаимные импедансы элементов антенны можно выразить через размеры элементов, а также расстояния между ними с использованием формул (2.34) - (2.37).
В результате формируется система электродинамических уравнений, основанных на методе наведенных ЭДС при условии, что как рефлекторы, так и директоры, являются пассивными, а возбужденными, то есть запитанными от генератора, являются только активные диполи. Для определения размеров элементов антенны, а также расстояний между ними, как и в п. 2.2 настоящей работы, выразим входное сопротивление ZA антенны через собственные и взаимные импедансы элементов, а затем найдем оптимальное значение величин геометрических размеров элементов, при которых входное сопротивление ZA будет практически вещественным, равным вещественному внутреннему сопротивлению Rs источника СВЧ сигнала. Для решения системы уравнений (3.1) методом Гаусса помножим выражение Уз (3.1) на дополнительный множитель и вычтем из выражения Уз выражение Уф
Направленность антенны на нижней частоте составляет порядка 5,8 дБ, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым ко многим телекоммуникационным системам. Ширина представленной на рис. 4.3 диаграммы направленности составляет 72.
При этом направленность антенны на верхней частоте составляет приблизительно 6,3 дБ. В верхней полусфере диаграмма направленности характеризуется приемлемой формой, а в задней полусфере максимальный уровень излучения находится на уровне -16 дБ на нижней частоте и -15 дБ на верхней частоте.
Диаграмма направленности двухдиапазонной директорной антенны с симметричным питанием на частоте foh Немаловажным показателем по-прежнему остается длина антенны в направлении максимального излучения. В результате длина LA описанной директорной антенны в направлении максимального излучения, перпендикулярного осям директоров и излучающей стороне подложки, отсчитываемая от кромки низкочастотного рефлектора до низкочастотного директора составляет величину: LA = 6w + d + sx + s2 + s3 + 5 4 = 122.4 мм Таким образом, продольный размер разработанной антенны составил LA = 0,48 0h или LA = 0,37 01, что является достаточно хорошим показателем для печатных директорных антенн. 3.2. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с дипольным возбудителем и несимметричным питанием коаксиальным кабелем
В качестве возбудителя печатной версии двухдиапазонных директорных антенн был выбран полуволновый диполь [47, 71, 72, 73]. Роль директоров антенн выполняют печатные проводники прямоугольной формы.
Таким образом, разработанная антенна (Рисунки 3.5, 3.6) содержит прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, двухдиапазонный дипольный возбудитель шириной w, питающийся через микрополосковую линию WQ, подключенную к коаксиально-микрополосковому разъему (на Рисунках 3.5, 3.6 не показан).
В качестве директоров здесь использованы прямоугольные печатные проводники, имеющие ширину w и длину 2Ldl и 2Ldh соответственно для низкочастотного и высокочастотного диапазонов. Центральный проводник (жила) кабеля соединяется с точкой «а» металлизации лицевой стороны, а наружный его проводник (оплетка) - с точкой «б», лежащей на заземленном прямоугольном участке металлизации размера АхВ обратной стороны. С этим участком в верхней (на Рисунках 3.5, 3.6) его части соединен печатный пьедестал в форме «ласточкина хвоста», образующий фрагмент двухдиапазонного симметрирующего устройства [35], обеспечивающего требуемую разность фаз (±180) сигналов, возбуждающих оба печатных диполя: как нижнего так и верхнего Ai-Ah диапазонов частот.
В состав симметрирующего устройства входит также разомкнутый шлейф из несимметричной полосковой линии той же ширины wo, обратным проводником которого является правая половина «ласточкина хвоста». Сам шлейф подключен к параллельно соединенным правым клеммам питания низкочастотного (длина 2Ldnl) и высокочастотного (длина 2Ldrih) диполей.
Роль рефлектора обоих диапазонов частот здесь играет верхняя кромка заземленного прямоугольного проводящего фрагмента АхВ на участках "в"-"г" и "д"-"е".
Такое использование кромки фольги заземленного фрагмента в качестве рефлектора ранее описано в однодиапазонных директорных антеннах [74], и оно успешно применено и здесь для двух диапазонов одновременно.
Упомянутая реализация низкочастотного и высокочастотного рефлектора в виде кромки фольги несколько изменяет формулировку ранее отмеченных в Главе 2 настоящей работы второй и третьей особенностей двухдиапазонных антенн, но не отменяет их (первая особенность здесь сохраняется полностью). Поэтому в данной антенне адекватно учесть все три особенности при ее проектировании целесообразно также за счет многократного использования параметрической оптимизации методом сопряженных градиентов в сочетании с программами электромагнитного 3D моделирования.
Печатные двухдиапазонные директорные антенны с монопольным возбудителем и двухсторонней реализацией пассивных элементов
В качестве возбудителя исследуемых печатных двухдиапазонных директорных антенн будет использоваться модифицированная двухдиапазонная дипольная антенна, описанная в работе [46]. В результате использования предложенных ранее в Главе 3 расчетных процедур были спроектированы и изготовлены два опытных образца модифицированных двухдиапазонных дипольных антенн.
В состав первой антенны (Рисунок 5.1) входит непосредственно двухдиапазонный излучатель, включающий в себя диполи низкочастотного и высокочастотного диапазона, и симметрирующее устройство, обеспечивающие согласование несимметричной относительно "земли" питающей полосковой линии, и обоих печатных диполей, которые по своей природе являются симметричными комплексными нагрузками.
Узкие печатные проводники диполя несут на себе токи проводимости, амплитуда и фаза которых существенно зависят от структуры симметрирующего устройства, обеспечивающего как симметрирование, так и согласование вещественного волнового сопротивления р0 питающего коаксиального кабеля с комплексными входными импедансами ZD обоих диполей, соединенных параллельно. Как вещественная R D, так и мнимая X D части эквивалентного импеданса при последовательном его представлении Z D =R D +jX D являются функциями частоты и существенно определяют положение в пространстве плоскости поляризации и форму диаграммы направленности директорнои антенны в главных ее плоскостях (т. е. в плоскости электрического Ё и магнитного Й векторов
В упомянутом выше симметрирующем устройстве с целью расширения полосы согласования добавлено конструктивно-технологическое решение в виде «ласточкина хвоста». Оно заключается в построении прямоугольного «пьедестала», находящегося на обратной стороне подложки и являющегося продолжением основной металлизации в форме «ласточкина хвоста» (т.е. с продольной щелью посередине «пьедестала», Рисунок 5.1), выполненного за счёт травления медной фольги с пробельных мест. Ширина «пьедестала» равна сумме ширины проводников возбудителя и ширины щели 5з, а длина «пьедестала» h близка к четверти длины волны, лежащей посредине между смежными рабочими диапазонами. Своей нераздвоенной частью «пьедестал» переходит в сплошной участок металлизации в виде медной фольги, которая облицовывает соответствующий участок обратной поверхности диэлектрической подложки. Добавление «ласточкина хвоста» даёт более широкополосное согласование и позволяет достичь малой величины КСВ.
Геометрические размеры топологии двухчастотной дипольной антенны уточнялись после расчета посредством оптимизации системой CST Microwave Studio (Рисунок 5.1). В результате для заготовки из отечественного диэлектрического материала ФАФ-4 толщиной 1,5 мм, при г = 2,5 для центральных частот /0/ = 2,ЗГГц и /0А = 2,8ГГц найдены размеры, указанные в Таблице 5.2.
По найденным размерам была реализована печатная версия дипольной двухдиапазонной антенны (Рисунок 5.3) и проведено ее экспериментальное исследование, заключающееся в измерении входного коэффициента отражения на Agilent N5241А СВЧ анализаторе цепей серии PNA-X, 13,5 ГГц, представленном на Рисунке 5.2 [94]. Ключевые возможности и технические характеристики анализатора цепей представлены в Таблице 5.1.
Также был реализован и исследован образец печатной двухдиапазонной дипольной антенны, одна половина диполей которой реализована на обратной стороне подложки как продолжение металлизации пьедестала в форме "ласточкиного хвоста" (Рисунок 5.6).
Геометрические размеры печатной двухдиапазонной дипольной антенны с двухсторонней реализацией половин диполей так же, как и в предыдущем случае уточнялись посредством оптимизации программой CST Microwave Studio топологии Рисунок 5.6. В результате для заготовки из диэлектрического материала ФАФ-4 толщиной 1,5 мм, для центральных частот /0/ = 2,5ГГц и /0А=3,0ГГц найдены размеры, указанные в Таблице 5.3.
В качестве возбудителя печатной двухдиапазонной директорной антенны, описанной в п. 3.2 настоящей работы, был выбран диполь, изображенный на Рисунке 5.1. При этом ширина металлизированного пьедестала существенно увеличена практически до поперечных размеров подложки (как это показано на Рисунке 5.6), что позволяет эффективно использовать кромку металлизированного участка в качестве рефлектора директорной антенны. щ_ЬІ File Trace/Chan Response Marker/Analysis Stimulus Utility Help _[5x
В соответствии с Рисунками 3.5-3.6 был изготовлен опытный образец печатной двухдиапазоннои директорнои антенны с несимметричным питанием коаксиальным кабелем, выполненный на прямоугольной заготовке диэлектрика ФАФ-4, с размерами элементов, указанными в Таблице 3.2 (Рисунок 5.9).
Ход измерения входного коэффициента отражения изображенного на Рисунке 5.10 опытного образца на СВЧ анализаторе цепей серии PNA-X, 13,5 ГГц представлен на Рисунке 5.10. Экспериментальные данные были сопоставлены с теоретической характеристикой согласования, полученной ранее в п. 3.2 настоящей работы (Рисунок 5.11 - сплошной линией показана характеристика, полученная расчетным путем, штриховой линией -характеристика, полученная экспериментально).
Как видно из Рисунка 5.11, результаты, полученные при экспериментальном исследовании антенны, отличаются от теоретических. Это вызвано погрешностями при изготовлении печатной ДА, а также не достаточной настройкой антенны.