Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор современного состояния вопросов проектирования антенных решетки СВЧ диапазона с электрическим сканированием луча на основе интегрированных излучающих элементов 16
1Л Введение 16
1.2 Классификация и элементная база антенн с электрическим сканированием луча 18 1.2.1 Классификация антенн и фазированных антенных решеток 18
L2.2 Фазовращатели, используемые в фазированных антенных решетках с электрическим сканированием 25
1.2.3 Излучатели фазированных антенных решеток СВЧ диапазона 28
1.3 Задачи и методы проектирования антенных решеток 35
1.3.1 Основные требования, предъявляемые к характеристикам антенн с электрическим сканированием луча 35
1.3.2 Методы проектирования ФАР с электрическим сканированием луча 41
1.3.3 Современные программные средства моделирования и проектирования ФАР 46 Выводы. Постановка задачи исследований. 50
Глава 2 Исследование эффекта ослепления в фазированных печатных дипольных антенных решетках 51
2.1.. Исследование эффекта ослепления в дипольных решетках на основе односторонних печатных структур 51
2.1.1. Функции Грина для односторонних печатных структур 52
2.1.2. Обобщение полученных результатов на бесконечную ФАР 56
2.1.3. Исследование эффекта ослепления в печатных дипольных решетках 58
2.2. Исследование слепых углов для печатных дипольных решеток на электрически плотных подложках, имеющих двустороннюю металлизацию 63
2.3. Исследование слепых углов для печатных дипольных решеток на электрически плотных подложках, имеющих одностороннюю металлизацию 73
Выводы по материалам 2 главы: 78
Глава 3 Упрощенные методы проектирования печатных антенн и разработка интегрированных антенных элементов на основе неоднородной щелевой линии (антенн Вивальди) 79
3.1 Метод проектирования неоднородной щелевой антенны на основе схемотехнического приближения 79
3.1.1. Оценка широкополосных свойств раскрыва излучателя в виде неоднородной щелевой линии 80
3.1.2 Определение коэффициентов чувствительности импедансных характеристик раскрыва к изменению с частотой электрических. параметров щелевой линии 86
ЗЛ.З Алгоритм оценки, широкополосности излучателя Вивальди исследование его точности 88
ЗЛ.4 Оценка широкополосных свойств антенны Вивальди миллиметрового диапазона на основе неоднородной линии типа Finline в волноводе 91
3.2 Исследование и разработка излучающего элемента Вивальди для интеграции с пленочным щелевым сегнетоэлектрическим фазовращателем 91
3.2.1 Исследование оптимальных соотношений для геометрических и электрофизических характеристик области моделирования и моделируемого излучателя. 99
3.2.2 Результаты моделирования элемента Вивальди для интегрированного излучателя ] 00
3.2.3 Верификация полученных результатов 103
3.3 Исследование решетки излучателей Вивальди 106
3.4 Метод проектирования многоэлементных последовательных микрополосковых антенных решеток на основе схемотехнического приближения 108
Выводы по материалам 3 главы: 121
Глава 4 Исследование характеристик и разработка интегральных элементов для активных дилольных ФАР 122
4.1. Моделирование и исследование характеристик печатного диполя на электрически плотной подложке 122
4.1.1 Исследование характеристик печатного диполя с расположением плеч на обеих сторонах подложки 122
4.1.2 Печатный диполь с расположением плеч на одной стороне подложки 129
4.1.3 Выбор базовой модели излучателя для реализации интегрированной пары излучатель —пленочный сегнетоэлектрический фазовращатель 133
4.2 Моделирование' и исследование линейки печатных дипольных излучателей на электрически плотной подложке 136
4.3 Моделирование и исследование характеристик печатного дипольного излучателя, интегрированного с пленочным сегнетоэлектрическим фазовращателем и антенной решетки на основе таких излучателей . 139
4.3.1 Исследование характеристик интегрированного с фазовращателем печатного диполя 139
4.4 Антенная решетка из интегрированных элементов, сканирующая в обеих плоскостях 141
4.5 Высокостабильный СВЧ генератор для активных передающих антенных решеток 143 Выводы по материалам 4 главы 151
Глава 5 Экспериментальное исследование излучателей и антенных решеток 152
5,1 Разработка и экспериментальные исследования интегрированных дипольных излучателей 152 5Л.1 Измерение коэффициента усиления (GAIN) одиночного двустороннего диполя; 152
5Л.2 Исследование восьмиэлементной линейной фазированной решетки из двусторонних печатных диполей, интегрированных с пленочными сегнетоэлектрическими фазовращателями 156
5.1.2.1 Разработка распределительной системы для линейной ФАР 158
5.1.2.2 Результаты исследование линейки излучателей без фазовращателей 163
5.1.2.3 Экспериментальные исследования 8-ми элементной ФАР 164
5.1.2.4 Исследование сканирования главного лепестка диаграммы направленности линейной ФАР из восьми пар печатных диполей интегрированных с сегнетоэлектрическими фазовращателями 166
5.1,3 Исследование шестнадцатиэлементной линейной фазированной решетки из двусторонних печатных диполей, интегрированных с пленочными сегнетоэлектрическими фазовращателями 166
5.1.3.1 Экспериментальные исследования 16-ти элементной ФАР 169
5.1.3.2 Исследование сканирования главного лепестка диаграммы направленности линейной ФАР из шестнадцати печатных диполей, интегрированных с сегнетоэлектрическими фазовращателями 169
5.2 Разработка и экспериментальные исследования интегрированных излучателей Вивальди миллиметрового диапазона длин волн и фазированной антенной решетки на их основе 170
5.2,1 Экспериментальные исследования одиночного излучателя Вивальди для интеграции с пленочным щелевым еегнетоэлектричееким фазовращателем и распределительной системы 170
5.2.1.1 Проектирование и исследование одиночного излучателя на основе Fin-
Line 170
5 .2.1.2 Проектирование и экспериментальные исследования распределительной системы 173
5.2,2 Экспериментальные исследования линейки интегрированных излучателей Вивальди 180
Выводы по материалам 5 главы: 184
Заключение 1 86
Приложение 1. Алгоритм оценки полосы рабочих частот излучателя Вивальди по согласованию и по пропусканию 189
Приложение 2. Программа расчета коэффициентов чувствительности для щелевой линни диапазона 1-4 ГГц. 193
Приложение 3. Программа расчета коэффициентов чувствительности для линни Finline диапазона 25 - 37 ГГц. 200
Список литературы
- Классификация антенн и фазированных антенных решеток
- Исследование слепых углов для печатных дипольных решеток на электрически плотных подложках, имеющих двустороннюю металлизацию
- Определение коэффициентов чувствительности импедансных характеристик раскрыва к изменению с частотой электрических. параметров щелевой линии
- Моделирование и исследование характеристик печатного дипольного излучателя, интегрированного с пленочным сегнетоэлектрическим фазовращателем и антенной решетки на основе таких излучателей
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В связи с бурным развитием в последнее время средств связи появилась потребность в недорогих антеннах СВЧ-диапазона, которые могли бы применяться как на базовых станциях и станциях «последней мили» так и у отдельных пользователей. Такие антенны могут быть реализованы в различных пространственных конструкциях,, Конструктивные особенности влияют на электродинамические и общетехнические характеристики, такие как стоимость, габариты, массу, надежность, боевую живучесть, ремонтопригодность, электромагнитную совместимость и т. д. Поэтому задача поиска оптимального дизайна антенны очень важна.
Требования уменьшения стоимости конечной продукции определяют желание уменьшить количество технологических циклов изготовления антенны. Печатные антенны обладают наименьшей себестоимостью, технология их изготовления наилучшим образом соответствует технологии изготовления интегральных, активных и пассивных элементов антенны, поэтому такие антенны подходят для интегрирования с активными элементами.
В современных системах передачи информации широко используются сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет повысить энергетический потенциал в системах связи, осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. При механическом сканировании, которое выполняется вращением всей антенны или облучателя, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена- Применение фазированных антенных решеток с электронным сканированием позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве, позволяет увеличить скорость обслуживания конечных пользователей систем передачи информации.
Современные устройства СВЧ с электрически управляемыми средами позволяют не только создать управляемое фазовое распределение, для электрического сканирования, но и осуществить первоначальную обработку поступающей информации. (суммирование полей, преобразование частот, усиление и т. д.) непосредственно в фидерном тракте антенны. Таким образом применяемые на практике антенны,. из простых устройств превратились в сложнейшие, системы, имеющие до десятков, тысяч и более излучателей, фазовращателей, управление которыми осуществляется специальной ЭВМ. Конструкция таких антенн оказывается весьма сложной и дорогой и определяет в основном габариты и стоимость всей радиосистемы.
Обычно фазированные антенные решетки СВЧ диапазона выполняются отдельно от фазовращателей, элементов фидерного тракта, а в случае активных решеток» и от генераторов, усилителей, смесителей. Это обусловлено разными свойствами материалов их подложек и различными физическими процессами, лежащими в основе их функционирования. Кроме того СВЧ фазовращатели, реализованные на основе р-п переходов особенно по MMIC технологии, могут работать только при малых уровнях мощности, а в миллиметровом диапазоне, в котором сейчас начинает работать большинство телекоммуникационных систем, обладают большими потерями. Фазовращатели на основе p-i-n структур работают при больших уровнях мощности,. однако имеют малое быстродействие и требуют значительных затрат энергии на управление.. В миллиметровом диапазоне качество работы p-i-n структур ухудшается, а в верхней части этого диапазона: они. вообще не работают,. Применение ферритовых фазовращателей также требует больших затрат энергии для управления. Ферритовые фазовращатели имеют малое быстродействие и большие габариты по сравнению с длиной волны в миллиметровом диапазоне, что также затрудняет их использование в больших антенных решетках.
Новые фундаментальные исследования в области физики и технологии тонких сегнетоэлектрических пленок позволили к настоящему времени
9 разработать различные устройства на их основе: фазовращатели, управляемые линии задержки, перестраиваемые полосовые фильтры и др. Сейчас в СВЧ диапазоне наиболее широко применяются пленки на основе твердых растворов BaxSri,xTi03 (BSTO) и SrTi03 (STO), относительная диэлектрическая проницаемость которых по отношению к СВЧ полю может изменяться в 2-3 раза при подаче внешнего электрического поля напряженностью 2-ЗкВ/мм. Наиболее интересным для построения фазовращателей представляются BSTO пленки, которые обладают хорошей управляемостью и имеют малые потери вплоть до бОГГц, Относительная диэлектрическая проницаемость BSTO материала, составляет, порядка 103, и по этой причине сегнетоэлектрики в миллиметровом диапазоне могут быть использованы только в виде пленок, нанесенных на кристаллическую диэлектрическую подложку - сапфир или кварц.. Слоистая диэлектрическая структура «сегнетоэлсктричсская пленка — дизлекірическая подложка» с нанесенными на них электродами представляет собой волноведущую структуру поверхностных волн, замедление в которой изменяется за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки. при приложении к электродам постоянного управляющего напряжения. В различных конструктивных вариантах (копланарные, щелевые, микрополосковые, Fin-line линии) подобные волноведущие структуры и составляют основу фазовращателей в миллиметровом диапазоне.
Пленочные сегнетоэлектрические фазовращатели и элементы фидерного тракта могут выполняться в одном производственном цикле с печатной антенной, что сильно удешевляет антенную решетку и упрощает процесс ее изготовления. Однако для эффективной работы излучающего элемента в составе решетки излучателю требуется подложка с низкой электрической плотностью, а разработанные в настоящее время недорогие сегнетоэлектрические фазосдвигающие элементы требуют электрически плотной кристаллической подложки с є порядка 10 (сапфир) или 4 (кварц).
10 Таким образом, актуальной является задача отыскания схемотехнических и конструктивных решений, посредством которых можно реализовать фазированную антенную решетку СВЧ на базе излучателей изготовленных в
едином технологическом циюіс с сегнетоэлектрическими фазовращательными элементами, и которая обладала бы при этом приемлемыми излучающими, свойствами.
В электрически плотных подложках излучатели ФАР оказываются сильно связанными, что может привести к ухудшению излучающих свойств антенны, к появлению «слепых углов» даже при малых углах сканирования. Эти вопросы требуют предварительных исследований, прежде чем можно будет приступать к созданию ФАР с электрическим сканированием лучом на базе интегрированных элементов излучатель-фазовращатель-фидерный тракт, изготовленных на одной электрически плотной подложке в едином технологическом цикле.
Полноволновый расчет больших сканирующих антенных систем весьма затруднен из-за слишком серьезных требований к вычислительным ресурсам. Усложнение антенн в. процессе их развития и возрастание их роли в радиосистемах привело к тому, что при расчете основных характеристик антенн и устройств СВЧ приходится учитывать работу всей радиосистемы и отдельных ее устройств, связанных с антенной. Подобные расчеты на стадии предварительного проектирования позволяют выяснить предельно достижимые характеристики с учетом реализуемости отдельных устройств и их совместной работы. Таким образом, актуальной является разработка методов аналитического проектирования новых типов СВЧ антенных решеток, которые позволили бы в первом приближении получить варианты оптимальных структур решетки, оценить предельные возможности каждого варианта, минимизировать и оптимизировать время, занимаемое расчетом.
В настоящее время в передающих антеннах систем связи, и локации, передачи энергии < на расстояние (ректеннах) и ряде других применений
используются активные антенны, содержащие излучатели интегрированные с автогенераторами СВЧ. В ряде случаев к автогенератору предъявляются только энергетические требования, в случаях систем связи требуется, чтобы работающий на излучатель автогенератор имел не только высокий КПД, но и хорошую стабильность частоты, В связи с этим весьма актуальной представляется, задача разработки схем автогенераторов СВЧ, которые бы имели высокую стабильность частоты и могли легко интегрироваться с излучателями в ФАР,
Решению этих актуальных для настоящего времени задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель диссертационной работы и задачи исследований
Цель диссертационной работы заключается в разработке теории, методов, проектирования и исследовании основных характеристик, печатных излучателей СВЧ диапазона, которые могли бы быть интегрированы с пленочными сегнетоэлектрическими фазовращателями и изготовлены с ними в едином технологическом цикле, для создания фазированных антенных решеток с электрическим сканированием луча.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
— исследовать возможность создания интегрированных излучающих систем
на основе пленочных сегнетокерамических фазовращателей и печатных
излучателей;
оределить.зависимость положения слепых.углов в решетках печатных излучателей, изготовленных на материалах с высокой є, от параметров подложки и геометрии решетки;
иніедовать возможность разработки схемотехнических методов проектирования микрополосковых печатных излучателей и щелевых антенн Вивальди и оценки их импедансных характеристик;
разработать генератор СВЧ, пригодный для построения интегрированных активных печатных антенных решеток;
рвработать и экспериментально исследовать одиночные излучатели и фазированные антенные решетки на основе интегрированных антенных элементов.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования являются радиоэлектронные компоненты, состоящие из фазовращателей и излучателей, а также из наборов таких устройств.
При решении задач, отыскания оптимальных дизайнов использовался аппарат математического анализа и численные методы.
Подтверждение результатов теоретических исследований получено путем моделирования на ЭВМ при помощи прикладных пакетов MathCAD, Microwave Office 2000, Agilent HFSS 5.6, Ansoft ITFSS, а также на основе экспериментальной проверки.
Научная новизна результатов диссертационной работы
В диссертации получены следующие новые научные результаты:
1.Получены функции Грина для печатных структур, подложки которых имеют металлизацию только с одной стороны, для формирования алгоритмических моделей печатных дипольных антенных решеток.
2.Исследованы эффекты ослепления печатных дипольных решеток, изготовленных на электрически плотных подложках с односторонней и двусторонней металлизацией. Установлены зависимости положения слепого угла в решетке излучателей, напечатанных на подложке с высокой г, от толщины, шага решетки и диэлектрической проницаемости подложки
3_Предложены методы проектирования и оценки широкополосных свойств излучателей бегущей волны на основе неоднородной щелевой линии (излучателя Вивальди) и последовательных линеек микрополосковых печатных излучателей СВЧ диапазона на основе схемотехнического приближения;
4.Показана возможность создания и исследованы основные свойства интегрированных модулей, содержащих дипольные и щелевые печатные излучатели и пленочные сегнетоэлектрические фазовращатели, изготовленные в едином технологическом цикле на электрически плотных подложках.
5.Исследованы свойства фазированных антенных решеток, созданных на основе таких интегрированных с сегнетоэлсктрическими фазовращателями пленочных излучателей.
6.Предложена, защищенная свидетельством на полезную модель, оригинальная конструкция автогенератора для создания интегрированных систем излучатель-автогенератор применительно к антенным решеткам миллиметрового диапазона.
Ряд полученных в диссертационной работе результатов имеет и самостоятельное научное значение. Эти результаты могут использоваться при построении различных радиотехнических систем и систем передачи информации. Так найденные в работе функции Грина могут использоваться для моделирования не только печатных антенн, но и других СВЧ устройств с односторонней металлизацией подложек; предложенная методика грубой оценки рабочей полосы антенны может быть использована для поиска оптимальной геометрии раскрыва щелевого печатного излучателя Вивальди; метод расчета бесконечных печатных дипольных антенных решеток может быть применен к большинству наиболее популярных топологий печатных излучателей.
Практическая значимость результатов работы
В диссертационной работе показаны возможности создания печатных
излучающих устройств, интегрированных с пленочными
сегнетоэлектрнческими фазовращателями и изготовленных в едином технологическом цикле на одной подложке, что имеет большое значение при создании больших решеток СВЧ диапазона, содержащих тысячи излучателей»
Использование элементов созданных по повой интегральной идеологии позволяет упростить процесс производства и значительно удешевить конечную систему
Метод оценки характеристик раскрыва щелевого излучателя Вивальди и методика синтеза последовательных линеек микрополосковых печатных излучателей СВЧ диапазона на основе схемотехнических приближений позволяют ускорить процесс проектирования сложных антенных решеток СВЧ: диапазона.
Методика расчета динамических характеристик бесконечной решетки может быть использована для оценки характеристик фазированных антенных решеток на основе большинства наиболее популярных топологий печатных излучателей.
Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для разработки более совершенных антенных систем.
Внедрение результатов работы.
Основные результаты работы были получены в процессе выполнения четырех хоздоговорных и трех госбюджетных НИР, две из которых являются грантами Минобразования РФ, в 2000- 2003 годах на кафедре РЭС СПбГЭТУ (ЛЭТИ), а также при выполнении научной работы по международному контракту №ААТ-1-31610-01 от , ''Ferroelectric materials for advanced communications applications" между СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и PARATEK (USA),
Материалы диссертации (теоретические и практические разработки) использованы в научных разработках кафедры, учебном процессе, в специальной астрофизической обсерватории РАН РФ - РАТАН
Апробация работы
Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2001, 2002, 2003), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС (Санкт-Петербург, 2001),
15
11-й и 12-й Международных конференциях «СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии», (Севастополь, 2001, 2002),
Международной конференции по телекоммуникациям
IEEE/ICC2001/St.Petersburg (SPb, 2001), XI International Conference on Electromagnetic Disturbance Program (2001), 2002 International Student Seminar on Microwave Applications Of Novel Physical Phenomena (SPb, 2002), XXVIIth URSI General Assembly, (Maastricht, 2002), URSI / IEEE XXVII Convention on Radio Science, (Maastricht, 2002), а также научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 1997-2003 г.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 печатных научных работах, в числе которых 4 статьи, одно свидетельство на полезную модель и 9 тезисов докладов па научно-технических конференциях.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, 3 приложений и списка литературы, включающего 145 наименований. Основная часть работы изложена на 173 страницах и содержит 163 рисунка и 5 таблиц.
Классификация антенн и фазированных антенных решеток
Остронаправленное излучение в антенных системах создает система излучателей, которые образуют антенную решетку. Находят применение линейные, плоские или осесимметричные решетки, а также и другие решетки более сложной формы. Решетки могут быть как эквидистантными, так и неэквидистантными. Ширина диаграммы направленности излучателей, их число и расположение в решетке определяются требованиями к направленности антенны, пространственному сектору сканирования, условиям размещения и эксплуатации антенны. Линейные решетки представляют интерес не только как самостоятельные антенны, но и как элементы более сложных плоских, цилиндрических, конических и других решеток [34-38].
В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения излучателей различают решетки, с равномерным, экспоненциальным и симметрично спадающим амплитудными распределениями относительно центра решетки. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону» то такие решетки называют решетками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решеток являются синфазные решетки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы. Подбором аплитудно-фазового распределения вдоль апертуры можно добиться практически любой формы диаграммы направленности (ДН). Например, одна из наиболее часто используемых ДН — косекапепая достигается спадающим к краям амплитудным распределением и квадратичным законом изменения фазы [43-44].
Возбуждение излучателей, число которых в антенне может достигать десятков тысяч, возможно с помощью волноводов, коаксиальных и полосковых линий и других типов канализирующих систем. При этом питание осуществляется по параллельной, последовательной, ветвистой и др. схемам питания. Выбор схемы возбуждения при проектировании определяется используемым способом сканирования, величиной допустимых потерь в антенне, а также габаритами и весом.
На начальном этапе развития радиотехники применялись в основном вибраторные АР, в фидерном тракте которых арифметически суммировались напряжения, наводимые в отдельных вибраторах при падении электромагнитной волны на полотно АР- Тогда же появился простейший, используемый и сейчас, вид АР - синфазные остронаправленные антенны [34, 36].
Вторым видом простейших АР являются антенны бегущей волны (АБВ), в которых суммирование напряжений от отдельных вибраторов для заданного направления прихода волны происходит с учетом фазовых сдвигов в питающей линии [35].
Третьим видом АР можно считать ненаправленные бортовые антенны, в которых для излучения во все окружающее пространство и устранения явлений дифракции и затенения носителем применяется -. система разнесенных слабонаправленных излучателей [34],
Четвертый вид - совмещенные антенны - возник с целью использовать одну апертуру для работы нескольких, антенн на различных частотах. Это достигается встраиванием одной антенны (решетки, облучателя) в другую. Система излучателей, настроенных на ряд частот и возбуждаемых одной линией передачи, образует, как известно, один из видов широкополосных антенн. Все эти виды можно объединить в один класс многоэлементных антенн [38].
В РЛС нашли широкое применение моноимпульсные антенны, в которых одновременно формируются три луча, т. е. три диаграммы направленности, называемые суммарно-разностными1 [40]. В таких антеннах три канапа обработки сигнала (суммарный и разностные - угломестный и азимутальный) позволяют увеличить по сравнению с одноканалыюй системой точность определения угловых координат при. прочих равных условиях. Антенная решетка или эквивалентная ей апертурная антенна позволяет сформировать несколько ортогональных ДН, осуществить одновременный обзор пространства и произвести обработку сигнала в нескольких независимых каналах. В соответствии с предлагаемой классификацией. такие антенны образуют класс многолучевых антенн, в излучающей части которых одновременно создается набор амплитудно-фазовых распределений (АФР), каждому из которых соответствует определенный вход (выход). Антенные решетки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующее число выходов, называются многолучевыми.
Переизлучающие антенны представляют собой класс пассивных или активных устройств, в которых фокусируется приходящая волна обратно в направлении источника падающей волны [37]. Простейшая переизлучающая антенна - это уголковый отражатель. Его дискретным аналогом является решетка Ван-Этта. В зависимости от назначения переизлучающих антенн они могут быть активными и.пассивными элементами радиосистемы. D активных переизлучающих антеннах осуществляется, усиление принятых сигналов, изменение (смещение) частоты принимаемого сигнала, модуляция колебаний. Все эти функции могут выполняться и. одновременно. Переизлучающие решетки на основе диаграммообразующих многолучевых антенн имеют лучшие параметры чем уголковые отражатели.
Исследование слепых углов для печатных дипольных решеток на электрически плотных подложках, имеющих двустороннюю металлизацию
Для использования полученных соотношений при исследовании печатных дипольных решеток, прежде всего, необходимо оценить сходимость рядов по функциям Грина в выражении для поля в дальней зоне. Сходимость рядов проверялась математическим моделированием в среде MathCAD 7.0 при моделировании опубликованных в [125, 135-137] данных. Из результатов моделирования следует, что наибольшие проблемы со сходимостью возникают в случае, когда диэлектрическая проницаемость подложки минимальна. Необходимое для учета число членов ряда после применения формулы суммирования Пуассона в (2.39) даже в этом тяжелом случае — имеет следующий порядок: увеличение количества членов ряда с 11 до 13 вызывает изменение суммы менее чем на 1 %. Зависимость величины члена суммирования в формуле Пуассона от его номера представлена на рис. 2.4.
При расчете использовались различные способы задания тока вдоль диполя - одно-, трех- и пятимодовый. В диссертационной работе использовалась кусочно-синусоидальная аппроксимация мод. Для проверки адекватности модели был выполнен ее расчет по описанному выше алгоритму с параметрами, использованными при расчете Позаром Д,М. [125] (рис. 2.5). Как видно из кривых, результаты совпадают практически полностью.
Предельный переход к воздуху (если положить диэлектрическую проницаемость є равной 1) позволяет нам сравнить предложенную в диссертации.модель с решеткой, исследованной Марковым и Богомягковым [137], Параметры решетки в [138] таковы: =1, /=0.25Ло, длина диполя=0.5Ль шаг ячейки=0.57/1 . Расчетные значения входного импеданса и распределения тока но диполю совпадают с данными [138] с точностью до нескольких процентов (рис, 2.6 — рис» 2.7). На рис. 2.7 график под номером 1, нанесенный сплошной линией, соответствует тонкому диполю (радиус = 0.004Ло), для нормального положения луча.
Эффект ослепления наблюдается в антенных решетках, напечатанных на материалах с низкой диэлектрической проницаемостью, только в случае достаточно толстых подложек. На рис. 2.8 приведены полученные с помощью модели расчетные зависимости коэффициепта отражения R от угла сканирования 0 для модели со следующими параметрами: =2.55, d=0.06Xo, длина диполя=0.39Х0. На рис. 2.9 изображено семейство таких зависимостей, причем параметром является толщина диэлектрика. Видно, что при уменьшении толщины подложки положение слепого угла смещается в сторону больших углов, что приводит к расширению рабочего интервала углов сканирования. Уже при толщине слоя d=0.05k возможно сканирование в диапазоне углов ±60 с коэффициентом отражения не хуже -ШдБ.
Для построения широкоугольных ИСФАР применение такой подложки было бы вполне приемлемым, однако, нанесение на нее сегнетоэлектрической пленки для изготовления интегрированного с фазовращателем дипольного излучателя сопряжено с большими трудностями, а может и просто невозможно. В связи с этим, перейдем к рассмотрению характеристик антенных решеток на подложках, имеющих высокое значение диэлектрической проницаемости.
Используя полученную в диссертационной работе модель, были получены динамические характеристики антенной решетки в Е-, Н- и D- (диагональной) плоскостях, с зазехмленной подложкой, имеющей высокое - значение диэлектрической проницаемости (рис. 2Л0), Здесь z = \0, d = 0Л5\09 длина диполей / = 0.21 0.
Как видно из рисунка, эффект "ослепления4 в этом случае возник раньше (при угле около 65), причем в Н- и D-плоскостях ситуация значительно лучше, поэтому при дальнейших исследованиях будем рассматривать только наихудший случай - сканирование в -плоскости.
Интересно, что для больших значений є наблюдается значительное отличие одномодового решения от остальных. При этом трех и пятимодовые решения достаточно хорошо совпадают друг с другом. Наиболее сильно этот эффект проявляется при отличии длины диполя от резонансной. Соответствующие зависимости изображены на рис. 2.11. Здесь длина диполя существенно больше резонансной и составляет / = 0.35Х0, є = 10, d = 0.05\Q.
Рассмотрим динамические характеристики коэффициента отражения Щв) бесконечной решетки диполей для разных толщин подложки и размеров диполя. Диэлектрическую проницаемость будем полагатье = 10 во всех случаях. На рис.. 2,12 - рис. 2Л6 представлены результаты моделирования для фиксированной толщины подложки d = Q.Q5 k0 и различной длины диполя от / = 0.23А,0 до 0.4Х0.
Определение коэффициентов чувствительности импедансных характеристик раскрыва к изменению с частотой электрических. параметров щелевой линии
От точности определения коэффициентов чувствительности зависит точность предлагаемой методики. Для грубой оценки достаточно вычислить коэффициенты чувствительности характеристики к изменениям параметров на средней геометрической частоте диапазона. Для так называемого "наихудшего случая" рекомендуется вычислять максимально возможные в полосе рабочих частот коэффициенты чувствительности. Коэффициент чувствительности отражает, в какой степени изменение конкретного параметра влияет на изменение характеристики всей электрической цепи. Введем следующие обозначения:. S-характеристика цепи, не учитывающая изменение параметра, d— величина изменения параметра, S (Z (l±d)) - характеристика, учитывающая изменение параметра (в данном случае - импеданса) на величину d,. Тогда значение коэффициента чувствительности некой характеристики S" цепи к изменению импеданса можно определить так: в .\S(Z-(l + d))-S(Z -Q-d)) г 2dS (3.6)
В выражении (3.7) для определения коэффициента чувствительности используется метод центральных разностей, что обеспечивает погрешность пропорциональную третьей производной и квадрату величины изменения параметра dt
Аналогичные формулы можно вывести для других частотно зависимых параметров щелевой литій, например электрической длины: 0 2dS. { }
Поскольку выражение (3.6) представляет собой разложение в ряд Тейлора импедансной характеристики ступенчатого эквивалента неоднородной щелевой линии при ограничении ряда линейной частью, вокруг точки номинальных значений параметров на средней геометрической частоте диапазона, то необходимо аккуратно выбирать анализируемые импедансные характеристики, поскольку при введенных допущениях ряды для некоторых из них имеют плохую сходимость. В качестве исследуемых характеристик цепи при оценке широкополосности антенного раскрыва наибольший интерес представляют коэффициент отражения на входном порту антенны 5ц и коэффициент передачи антенны от возбуждающего порта до свободного пространства Sn-Однако расчеты показали, что ряд Тейлора для Sn плохо сходится при малых значениях, то вызывает недопустимые погрешности счета. Поэтому далее будем рассматривать только характеристику i%i Для проверки предлагаемой методики воспользуемся уже созданными и экспериментально исследованными антеннами [81-86], диапазонов частот 1- 4 ГГц и 25-37ГГц, свойства которых хорошо изучены.
Рассмотрим предлагаемую методику на конкретном примере и обозначим алгоритм выполняемых действий. Схема алгоритма приведена на рис. 3.6- В приложении 1 приведено подробное описание методики анализа и программа на языке программирования Visual Basic.
Проведем анализ геометрии профиля антенны для диапазонов частот 1 - 4 ГГц (рис. ЗЛ), характеристики которой подробно описаны в работе [82-87]. Оцепим полосу рабочих частот излучателя по характеристике пропускания.
Точность методики во многом определяется точностью представления геометрии раскрыва излучателя ступенчатым эквивалентом. Чем меньше будет приращение импеданса от шага к шагу, тем больше элементов будет в ступенчатом эквиваленте, и тем выше будет точность. С другой, стороны большое число ступеней требует большого времени счета. На рис. 3.8 изображена зависимость, характеризующая точность приближения эквивалентного антенне трансформатора на неоднородной линии ступенчатым эквивалентом и времени счета в зависимости от пошагового приращения импеданса (DZ),
Как видно из рис.3.9 при уменьшении приращения, импеданса в ступенчатом эквиваленте уже до 3% разброс суммарного коэффициента чувствительности становится менее 2 %, время счета схемы при этом на компьютере Pentium-З 1000МГц составляет менее 3 секунд. Очевидно, шаг равный 3% является оптимальным, т.к. при нем еще сохраняется разумное время счета, а точность уже соответствует погрешности исходных выражений. При таком приращении импеданса трансформатор 100-377 Ом будет представлен ступенчатым эквивалентом из 44 элементов.
Моделирование и исследование характеристик печатного дипольного излучателя, интегрированного с пленочным сегнетоэлектрическим фазовращателем и антенной решетки на основе таких излучателей
Для исследования возможности реализации фазированных антенных решеток па основе интегрированных с фазовращателями дипольных излучателей было выполнено моделирование линейки из 8-ми излучателей, расположенных на одной электрически плотной, подложке (рис. 4,27). Расстояние между элементами составляет половину длины волны в воздухе»
Для моделирования была выбрана подложка с типичными значениями параметров: толщина /=0.5мм, є =9.8. На такой электрически плотной подложке могут возникнуть различные паразитные эффекты, обусловленные взаимным влиянием соседних излучателей, приводящие порой к частичному или полному разрушению главного лепестка антенной решетки. Для оценки; работоспособности линейки моделировалась в пакете Agilent HFSS, для нее были рассчитаны КСВ отдельных элементов в составе решетки и диаграммы направленности для различных положений луча.
На рис. 4.28 представлено сравнение КСВ двусторонних диполей, восьмиэлементной решетки на подложке с уединенным двусторонним диполем. Видно, что взаимное влияние соседних излучателей по сравнению с уединенным вызывает небольшой (около 1%) сдвиг вниз по частоте рабочей полосы и некоторое ее расширение при незначительном. ухудшении равномерности.
Возможности сканирования шестнадцатиэлементной. решетки из двусторонних диполей можно оценить из рис» 4.29. Здесь приведено поле в дальней зоне для разных фазовых смещений между элементами. При синфазном возбуждении излучателей луч расположен по нормали. При этом наблюдается несимметричность боковых лепестков, что объясняется сложной системой возбуждения отдельного излучателя.
На рис. 4.29 изображено поле в дальней зоне для разных фазовых смещений между элементами шестнадцатиэлементной решетки двусторонних диполей»
При сканировании наблюдается плавное увеличение ширины главного лепестка и уменьшение абсолютного значения его максимума. При противофазном возбуждении элементов луч отклоняется на -50 , и в направлении +50 появляется дифракционный лепесток амплитуда, которого равна амплитуде основного лепестка. Чтобы не перегружать график, на рис. 4.29 приведено семейство графиков с дискретом 10 . Были промоделированы все случаи с дискретом 2,5 . При этом нарушений монотонности в поведении главного лепестка отмечено не было. Это позволяет с достаточной долей уверенности заявить, что для данных параметров линейки в указанном диапазоне углов сканирования из-за поверхностных волн в материале подложки эффекта ослепления не возникает.
Таким образом, в данной шестнадцатиэлементной решетке возможно сканирование до ±30. К примеру, для линейки с таким межэлементным расстоянием в воздухе дифракционный максимум превышает уровень —ЮдБ при отклонении луча больше чем на ±50. Для увеличения диапазона углов сканирования можно уменьшать расстояние между излучателями.
Моделирование и исследование характеристик печатного дипольного излучателя, интегрированного с пленочным сегнетоэлектрическим фазовращателем н антенной решетки на основе таких излучателей. 4.3Д Исследование характеристик интегрированного с фазовращателем печатного диполя
Полученные в - предыдущих параграфах диссертации результаты позволили притупить к, исследованию свойств . модуля, интегрально сочетающего печатный дипольный излучатель (рис. 4,26) с копланарным пленочным сегнетоэлектрическим фазовращателем [30-32]5. конструктивное изображение которого приведено нарис. 4,30.
В случае выполнения нескольких модулей на единой подложке необходима гальваническая и СВЧ развязка между соседними фазовращателями в - силу особенности их конструкции. Для этого можно использовать гребенчатый фильтр из отрезков четвертьволновых линий. Общий вид развязывающей системы такой конструкции показан на рис. 4.32.
Примерный дизайна такого модуля приведен на рис. 4.31 т
Исследование взаимного влияния двух частей соседних фазовращателей проводилось в MWOffice. Возбуждающий порт (1) было трудно согласовать, так как 50-омная щелевая линия.имеет весьма малую ширину (18мкм), При анализе такой линии это привело бы к очень частой сетке разбиения модели и увеличению времени счета. Поэтому, в данной модели порт (1) не согласован с моделью и S11 не равен 0. Следовательно, величины S13 и S14 должны быть скорректированы с учетом S1L На графиках, приведенных ниже, зависимости параметров рассеяния от частоты даны с учетом рассогласования.
Рассмотрим коэффициент передачи между соседними гребенками (рис.. 4.33). Благодаря симметрии модели достаточно рассмотреть только 2 пары портов - один расположенный на одной половине и два на другой.
