Реализация амплитудно-фазовых распределений излучателей слабонаправленных малоэлементных щелевых СВЧ антенн с диэлектрическим покрытием Ибрахим Салем Азез

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор работ по теме диссертации 9

ГЛАВА 2. Влияние бесконечного плоского диэлектрического покрытия на характеристики щелевых антенн

2.1 Постановка задачи 24

2.2 Представление поля щели под диэлектрическим слоем в виде суммы невозмущённого поля, создаваемого щелью и отраженного от внешней границы слоя 26

2.3 Обсуждение результатов расчета полного поля внутри слоя диэлектрика 29

2.4 Влияние параметров слоя диэлектрика на диаграмму направленности щели в металлическом экране, покрытом слоем диэлектрика 31

Выводы по главе 2 37

ГЛАВА 3. Исследование прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линией в обьемном резонаторе 38

3.1 Эквивалентная схема прямоугольной щелевой антенны, возбуждаемой симметричной полосковой линией в объемном резонаторе с воздушным заполнением 38

3.1.1 Конструкция и эквивалентная схема антенны 38

3.1.2 Реализация антенны 44

3.2 Исследование диаграммы направленности и частоты согласования прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линей в объемном резонаторе. 54

3.2.1 Конструкция и реализация антенны, покрытой слоем диэлектрика 54

3.2.2 Влияние изменения положения слоя диэлектрика на частоту согласования 59

3.2.3 Результаты расчета и эксперимента диаграммы направленности прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линей в объемном резонаторе 62

Выводы по главе 3 72

ГЛАВА 4. Синтез амплитудно-фазовых распределений напряжений щелевых излучателей мало элементных свч антенн, покрытой слоем диэлектрика

4.1 Постановка задачи 73

4.2 Поле внутренних источников возбуждения и поле вспомогательных источников 77

4.3 Интегрирования по поверхности 81

4.4 Численное решение интегро-функционального уравнения 83

4.5 Синтез антенной решетки из щелевых излучателей под диэлектрическим покрытием 85

4.6 Результаты численного решения 88

Выводы по главе 4 102

Заключение 103

Список использованной литературы

• Представление поля щели под диэлектрическим слоем в виде суммы невозмущённого поля, создаваемого щелью и отраженного от внешней границы слоя
• Влияние параметров слоя диэлектрика на диаграмму направленности щели в металлическом экране, покрытом слоем диэлектрика
• Исследование диаграммы направленности и частоты согласования прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линей в объемном резонаторе.
• Поле внутренних источников возбуждения и поле вспомогательных источников

Введение к работе

Актуальность темы. Малоэлементные слабонаправленные антенны решают важные задачи в составе радиосистем и их разработка представляет актуальную и, вместе с тем трудную задачу. Многие методы, с успехом применяющиеся для разработки фазированных антенных решеток (теория бесконечных периодических структур, методы геометрической и физической оптики, гибридные методы, позволяющие учитывать краевые эффекты при замене бесконечных структур конечными), для малоэлементных антенн, как правило, не эффективны. Трудности значительно возрастают при наличии в таких антеннах диэлектрических покрытий. Получение изотропного излучения - основной задачи слабонаправленных антенн, реализуемое в отсутствие покрытия одиночным щелевым излучателем, при его наличии превращается в трудную проблему из-за изрезанности диаграммы направленности одиночного элемента и требует применения нескольких. Это приводит к задаче синтеза изотропной диаграммы направленности излучателями с не изотропными диаграммами, которая при обычном подходе требует построения тензорной функции Грина неоднородного пространства. С помощью метода интегро-функциональных уравнений эти трудности удается частично преодолеть и рассчитать амплитуды и фазы излучателей по заданной диаграмме направленности при наличии диэлектрического покрытия конечных размеров и произвольной формы. Однако возникает проблема реализации полученных амплитудно-фазовых распределений, которая представляет самостоятельную задачу и является предметом предпринятого в настоящей работе исследования. Входное сопротивление каждого щелевого излучателя зависит от его положения относительно диэлектрического покрытия, от электрофизических его параметров.

В данной работе проведено исследование влияния размеров покрытия, включая и бесконечные, электрофизических параметров на частоту согласования отдельного щелевого излучателя и предложена его эквивалентная схема с реальной схемой возбуждения в виде резонатора с симметричной полосковой линией. Разработаны программы анализа и синтеза малоэлементных антенн и методика экспериментального исследования, что в совокупности позволяет реально проектировать такие антенны. В работе с помощью программ расчета на основе метода анализа и синтеза антенн с помощью интегро-функциональных уравнений и средств современного эксперимента впервые исследованы свойства малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием, в том числе и конечных размеров.

Целью работы является совершенствование характеристик слабонаправленных малоэлементных щелевых антенн под диэлектрическим

і

покрытием конечных размеров и их фидерных систем на основе применения методов анализа и синтеза антенн с учетом неоднородности пространства, обусловленной наличием диэлектрического покрытия непосредственно в ближней зоне антенны.

Решаемые задачи для достижения поставленной цели следующие:

1. Исследование структуры поля внутри плоского диэлектрического покрытия, внешнего поля и диаграммы направленности элементарного щелевого излучателя.

2. Разработка эквивалентной схемы одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

3. Исследование влияния диэлектрического покрытия конечных размеров на диаграмму направленности и частоту согласования щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

4. Разработка алгоритма и программы расчета поля и диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров.

5. Разработка алгоритма и программы синтеза амплитуд и фаз малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием по заданной диаграмме направленности.

Методы исследования - численные методы прикладной электродинамики, методы теории антенн в материальных средах, методы экспериментального исследования антенн.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

6. Предложена эквивалентная схема одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

7. Установлена степень влияния диэлектрического покрытия конечных размеров на диаграмму направленности и частоту согласования щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением в зависимости от параметров покрытия и его расположения относительно излучателя.

3. Исследованы направленные свойства малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием конечных размеров с помощью алгоритма и программы расчета на основе метода интегро-функциональных уравнений и средств современного эксперимента.

3. Установлена возможность синтеза квазиизотропной диаграммы направленности щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров и разработаны алгоритм и программа расчета амплитуд и фаз излучателей такой антенны.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается квалифицированным применением апробированных методов прикладной электродинамики, сопоставлением полученных результатов с результатами эксперимента и с аналогичными результатами других авторов в смежных областях.

Практическая значимость работы заключается:

1. в разработке программы и осуществлении расчета прямого и отраженного полей, создаваемых щелью в диэлектрическом укрытии, и поля в ближней зоне для различных толщин и параметров слоя, что предоставляет разработчикам возможность практически оценить степень влияния покрытия на направленные свойства и степени согласования щелевого излучателя;

2. в разработке стенда для настройки и согласования элементов антенны и эквивалентной схемы одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением;

3. в создании программ для расчета поля и диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров;

4. в создании программ для решения задачи синтеза антенной малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием включая схему возбуждения;

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования свойств поля щелевого излучателя внутри диэлектрического покрытия, непосредственно над его поверхностью в ближней зоне и диаграммы направленности, позволяющие выбирать режим работы антенны при наличии диэлектрического покрытия и оценивать его влияние на диаграмму направленности.

2. Результаты исследования свойств щелевого излучателя с диэлектрическим покрытием как элемента СВЧ схемы распределения мощности генератора, что дает возможность оценивать входные сопротивления элементов антенны при проектировании.

3. Результаты экспериментального исследования влияния электрофизических параметров, размеров и положения диэлетрического покрытия относительно щелевого излучателя на согласование и диаграмму направленности.

Личный вклад автора. Автор выполнил обзор и анализ литературы по работам других авторов в избранном направлении исследований, самостоятельно провел все экспериментальные исследования при решении поставленных задач. Им разработаны программные средства для решения прямой задачи расчета диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны под диэлектрическим покрытием и для решения трехмерной задачи синтеза малоэлементной щелевой антенны под диэлектрическим покрытием на основе метода интегро-функциональных уравнений.

Практическое использование результатов работы. Результаты работы использованы в учебном процессе путем привлечения студентов к выполнению совместных НИР по тематике дисциплин «Устройства СВЧ и антенны», «Антенны и распространение радиоволн», рекомендованы к внедрению в разработках предприятий соответствующего профиля.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих всероссийских конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция, «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара СГАУ - 2012);

2. X Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON - 2013, International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2013);

3. Международный конгресс «Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения», Международная научно-техническая конференция (Нигматуллинские чтения-2013, Казань);

4. XV Международная научно-техническая конференция (Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2014, Казань);

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях, из которых 4 входят в перечень ВАК, изложены в 4 тезисах докладов в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертационной работы

Общий объем работы составляет 125 страниц, в том числе 43 рисункав и 7 таблиц. Список использованной литературы включает 109 наименований.

Диссертация содержит введение, четыре главы основного текста, заключение, список использованной литературы, список сокращений и приложение.

Представление поля щели под диэлектрическим слоем в виде суммы невозмущённого поля, создаваемого щелью и отраженного от внешней границы слоя

Методы расчета антенн без диэлектрического покрытия в настоящее время достаточно развиты и продолжают развиваться. Методы расчета амплитудно-фазовых распределений (АФР), обеспечивающих наилучшее приближение к желаемой диаграммы направленности, составляют предмет теории синтеза антенн и представляют интерес при разработке антенн любого назначения. Достаточно проста методика расчета АФР достаточно широкого класса антенных решеток по заданной диаграммы направленности, что позволяет, например, проводить числовые эксперименты по исследованию с эффекта сверхнаправленности. При создании системы адаптивной пространственной селекции помех возникает необходимость блокировки приема из заданной области. В работе [79] показана возможность формирования компенсационных ДН с регулируемой шириной главного лепестка с использованием методики синтеза амплитудно-фазового распределения на апертуре компенсационного канала для реализации известных требований к форме диаграммы направленности этого канала.

В работах [80-85] излагаются основы синтеза амплитудно-фазового распределения по заданной комплексной диаграммы направленности. Основное внимание в этих работах уделяется синтезу амплитудно-фазового распределения для криволинейных излучателей и плоских АР. В то же время вопросы синтеза амплитудно-фазового распределения на отражателях произвольной формы по ограниченному набору заданных параметров диаграммы направленности требуют проведения отдельных исследований.

В работе [73] рассматриваются вариационные задачи синтеза плоских излучающих систем по заданной диаграмме направленности по мощности, которые сводятся в дальнейшем к исследованию и численному решению нелинейных интегральных уравнений типа Гаммерштейна, ядро которых содержит два физических параметра, описывающих размеры излучающего раскрыва. Показано, что для задач синтеза плоских излучающих систем при заданных требованиях к диаграмме направленности по мощности характерны неединственность и бифуркация решений, зависящие от физических параметров антенны. Во многих практических применениях на этапе проектирования антенн и антенных решеток предъявляются требования лишь к диаграмме направленности по мощности [74-76], а свобода выбора фазовой диаграммы направленности используется для улучшения качества приближения квадрата модуля синтезируемой диаграммы направленности к заданной.

Синтез антенн при наличии диэлектрического покрытия встречает значительные трудности и в настоящее время решены лишь отдельные задачи в этом направлении. В [77] предложена и развита дифракционная теория синтеза антенн, представляющих собой замкнутые полупрозрачные поверхности, на которые наводятся токи расположенными внутри облучателями. Задачи синтеза рассмотрены в различных постановках: ищутся форма поверхности антенны или другого преобразователя структуры поля и распределение прозрачности. Задачи синтеза решаются и как обратные задачи электродинамики - ищутся точные решения, и как вариационные задачи -ищутся оптимальные значения каких-либо характеристик антенн.

В работе [78] решена задача дифракции плоской электромагнитной волны на идеально проводящем бесконечном цилиндре с диэлектрическим покрытием для случаев Е- и Н-волны. Исследовано влияния диэлектрического покрытия на рассеяние электромагнитных волн от идеально проводящих объектов.

В последние годы для моделирования электромагнитного рассеяния в резонансном частотном диапазоне все более широкое распространение находит метод вспомогательных источников. Это объясняется идейной простотой метода, а также возможностью контроля точности полученного решения по критерию невязки граничных условий. Основоположниками этого метода являются Купрадзе В. Д и ВекуаИ. Н.(см. например [87]). В дальнейшем метод вспомогательных источников был развит и применялся к двумерным и трехмерным задачам рассеяния в работах Свешникова А. Г., Еремина Ю. А., Кюркчана А. Г., Заридзе Р. С, Дмитренко А. Г. и др. За рубежом большой вклад в развитие метода внесли Ясуура К., Икуно X., Левиатан И., Хафнер X. и др [88-93].

В работе [86] разработана модификация метода вспомогательных источников для математического моделирования электромагнитного рассеяния в резонансной частотной области на структурах, состоящих из нескольких неосесимметричных идеально проводящих тел.

В работе [94] методом вспомогательных источников построен численный алгоритм решения задачи электромагнитного рассеяния на идеально проводящем шаровом сегменте. Алгоритм реализован как компьютерная программа для расчета компонент рассеянного поля.

В заключении обзора известной нам литературы можно сделать вывод, что вопросам теоретического и экспериментального исследования характеристик малоэлементных антенных решеток с диэлектрическим покрытием в настоящее время уделяется большое внимание, методика их расчёта постоянно совершенствуется и пополняется новыми эффективными методами расчёта, что свидетельствует об известном практическом интересе к антенным решеткам. Однако многие вопросы расчета антенн под диэлектрическими покрытиями остаются пока далекими от разрешения.

Недостаточно подробно исследованы микрополосковые и щелевые антенны, расположенные под диэлектрическим покрытием. В основном исследованы антенны с диэлектрическим покрытием бесконечных размеров и покрытий правильной геометрической формы. Рассматривались вопросы зависимости электрических свойств диэлектриков с потерями от ряда факторов: отражение от границы раздела покрытия и внешней среды, снижающее диапазонные свойства антенны и затрудняющее её согласование. Энергия электромагнитной волны, проходящей через слой диэлектрика покрытия уменьшается как за счёт проводимости покрытия, так и за счёт отражения от границы раздела покрытия и внешней среды. Часть энергии, подводимой к антенне, ответвляется в покрытие и распространяется в нём в виде затухающих поверхностных волн, что приводит к дополнительным потерям энергии и искажению диаграммы направленности. Эти результаты позволяют сделать лишь качественные выводы о работе антенны с диэлектрическим покрытием. Для практических целей для диэлектрических покрытий конечных размеров и произвольной формы необходима разработка методов расчета

Влияние параметров слоя диэлектрика на диаграмму направленности щели в металлическом экране, покрытом слоем диэлектрика

Антенны, выполненные в виде узких отверстий (щелей) в плоском или криволинейном металлическом экране, обычно конструируются таким образом, что излучение происходит только в одно полупространство относительно экрана. В щелевых антеннах практически отсутствуют выступающие части, поэтому они не нарушают аэродинамики объектов, на которых установлены, что обусловливает широкое применение их на самолётах и других подвижных объектах. Этими важными практическими их применениями и стимулируется поток теоретических и экспериментальных исследований по щелевым антеннам в настоящее время. Особенно актуальны задачи расчёта и проектирования щелевых антенн, работающих при наличии диэлектрических укрытий, а также естественных плазменных образований в окрестности антенны. Во многих приложениях щелевые антенн покрыты слоями диэлектрика для обеспечения защиты от климатических и экологических факторов.

Предметом исследования в настоящей главе является плоский щелевой излучатель с диэлектрическим покрытием. Влияние однородного диэлектрического покрытия на излучение из апертуры в проводящем экране может проявляться в рассогласовании антенны за счет излучения в неоднородную среду, возбуждении поверхностных волн на диэлектрике как Е-, так и Н-типов; значительное изменение формы диаграммы направленности, уменьшении коэффициента направленного действия (КНД) антенны за счет рассогласования, дополнительных потерях в материале покрытия и возбуждения поверхностных волн; зависимости излучательной способности антенны от относительных размеров и электрических характеристик апертуры и покрытия, влияния на характеристики излучения высших типов волн, возбуждающихся в апертуре. Из-за сложности расчетов и трудности прямого экспериментального измерения распределений поля на раскрыве щели внутри диэлектрического слоя основные результаты получены для различных частных случаев при различных упрощающих допущениях.

В данной главе предпринята попытка построения методики расчета с учётом конечной ширины щелевого элемента, что позволяет рассмотреть поле в окрестности щели в виде суперпозиции невозмущенного ПОЛЯ, распространяющегося от щели, и отраженного от внешней границы поля, набегающего на щель, что позволяет избежать бесконечных значений полей и получить оценки коэффициента отражения и дает возможность расчета сопротивлений излучения различных щелевых антенн, как элементов СВЧ систем.

Поле в раскрыве щели представляется в виде первичного электрического поля Е0, касательного к плоскости экрана и равномерно распределенного по раскрыву. В действительности это поле является постоянной составляющей истинного поля, которое вблизи кромок щели имеет интегрируемую особенность вдоль поперечной координаты щели и может быть определено путем решения задачи о возбуждении щели конкретным видом источника, расположенного с противоположной стороны экрана (т.н. внутренней задачи).

Если рассматривать диэлектрические покрытия толщиной в два-три поперечных размера щели, то представление поля в раскрыве в виде Е0 оказывается достаточно точным для расчета рассеянного поля от внутренней границы покрытия с необходимой точностью. А, следовательно, достаточно точным и для полной оценки влияния его на параметры щели, как элемента эквивалентной схемы радиосистемы, так и на диаграмму направленности. На рис. 2.1 изображена щелевая антенна в виде одиночной щели прямоугольной формы в металлическом экране, покрытом слоем диэлектрика (ls, ws -соответственно длина и ширина щели).

В соответствии с вышесказанным полное поле внутри слоя представляется в виде суперпозиции первичного возбуждающего ПОЛЯ и поля рассеянного внутрь слоя от внешней границы: Ё = Ё0+ЁГ (2.1) где первичное поле, создаваемое щелевым элементом имеет следующее представление, которое получается из известного разложения скалярной функции Грина в двумерный интеграл Фурье, полученное Вейлем: (2.2) где Esinc = sine fploa) j sine (w±o [z0d] у),

Ближнее поле; а Я0(у); б Ег(у); в Е(у) в точкахМіМіМз Учитывая, что результаты получены для бесконечного плоского покрытия, отраженное поле, даже для достаточно плотного и толстого диэлектрика вблизи раскрыва щели оказывается на порядок меньше по сравнению с напряженностью возбуждающего первичного поля, что представляется естественным. Грубые оценки можно получить с помощью модели плоской волны, для которой коэффициент отражения от внутренней границы слоя для приведенных исходных данных составляет примерно 0.33. Т.е примерно две трети поля преломляется во внешнее пространство. Таков же порядок поля поверхностных волн расходящихся от щели вдоль слоя. Так что расчеты согласуются с ожидаемыми оценками.

Исследование диаграммы направленности и частоты согласования прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линей в объемном резонаторе.

При проектировании антенн с диэлектрическими покрытиями необходимо учитывать влияние последних на характеристики излучения и, следовательно, на работу радиосистем в целом. Воздействие окружающей среды может значительно изменить электрические свойства диэлектриков в процессе эксплуатации, что также приводит к ухудшению функционирования радиосистем. В этом случае имеет место сложное электродинамическое взаимодействие поля антенны с диэлектриком, появление многократных переотражений и поверхностных волн значительной интенсивности. Так, если антенна рассчитывается для излучения в направлении нормали к раскрыву, то энергия поверхностной волны будет определять потери и уменьшит коэффициент усиления антенны. Кроме того, она может быть причиной паразитных излучений, возникающих вследствие дифракции поля на покрытии конечных размеров. Покрытие, в отличие от обтекателя, прилегает к раскрыву антенны вплотную или находится в ее ближней зоне, и в значительной степени определяет процесс излучения электромагнитных волн. При этом, покрытие влияет на характеристики излучения антенн двояким образом: во-первых, возбуждаясь оно поляризуется и становится вторичным источником радиоволн, которые накладываясь на первичное поле излучения антенны искажают её диаграмму направленности, во-вторых, отражаясь от границ раздела слоев с различной диэлектрической проницаемостью, часть электромагнитной энергии попадает обратно в раскрыв антенны, изменяя ее согласование и даже изменяя возбуждающее поле. Для получения высокой направленности излучения, часто требуемой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн, таких как вибраторы, щель в стенке резонатора с однородным заполнением, открытые концы волноводов, и других, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. В этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей.

Рассматрим прямоугольную щель в металлическом экране, покрытом слоем диэлектрика прямоугольной формы со стороны внешнего пространства и возбуждаемую с противоположной стороны симметричной полосковой линией (СПЛ) в объемном резонаторе с воздушным заполнением рис. 3.9. Исследуется влияние положения слоя диэлектрика относительно щели на частоту согласования и диаграмму направленности антенны.

Конструкция прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика со стороны внешнего пространства и возбуждаемой СПЛ в объемном резонаторе с воздушным заполнением, представлена на рис. 3.9. Она включает макет антенны - 3.1.2, покрытый слоем диэлектрика. Прямоугольный диэлектрический слой расположен в центре экрана (координаты центра cno%:Xd,Yd,Zd) и имеет следующие параметры: длина и ширина одинаковы и равны LD = 300 мм, толщина d = 32мм, sr = 3.5, тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика tgS = 0.0018. Исследуемая щель, прорезаная в центре экрана перпендикулярно к полосковой линии передачи (центр щели: Xs, Ys), имеет длину /s = 60мм, ширину ws = Змм, и ориентирована вдоль оси X.

Для ЗО-анализа и проектирования СВЧ устройств (например: резонаторно-щелевые антенн, покрытом слоем диэлектрика) есть много программ, моделирования (HFSS, FEKO, CST Microwave Studio и другие коммерческие программы), в работе мы будем использовать программу HFSS, потому что HFSS является отраслевым стандартом программного обеспечения для анализа высокочастотных структур и извлечения из их полевых характеристик S-параметров. Базовым алгоритмом в HFSS является векторный метод конечных элементов в 3D постановке, реализованный в частотной области для расчета поведения электромагнитных полей в структурах произвольной геометрии с заданными свойствами материалов.

При помощи HFSS инженеры могут извлечь матричные параметры СВЧ структуры, рассчитать КСВН фидера, получить параметры излучения и рассеяния (диаграммы направленности, коэффициенты направленного действия, реализуемое усиление антенн, и т.п.), векторов плотности потока мощности, рассчитать распределения электромагнитных полей в ближней и дальней зонах и т.д. На рис. 3.10 представлена структура, которая была промоделирована с помощью программа HFSS и исследована экспериментально с помощью платформы, состоящей из вспомогательной атенны и анализатора спектра Rohde&Schwarz FSH8 (рис.3.15). Рис. 3.10. Структуры, которые были промоделированы с помощью программы HFSS и исследованы экспериментально с помощью платформы измерения. 3.2.2 Влияние изменения положения слоя диэлектрика на частоту согласования

Наличие отражения от границы раздела покрытия и внешней среды снижает диапазонные свойства рассматриваемой антенны и затрудняет расчет её частоты согласования. Чтобы анализировать влияние изменения положения слоя диэлектрика на частоту согласования обычно используется моделирование электрического поля с применением программных пакетов, с помощью которых можно получить распределение электрического поля около антенны. Кроме того, из-за возмущающего действия объектов, расположенных вблизи антенны может измениться характер её диаграммы направленности и, к сожалению, не существует простой формулы, чтобы вычислить изменение частоты согласования данной антенны в этих условиях.

На рисунках 3.11, 3.12, 3.13 представлены результаты расчета коэффициента отражения 51:1(дБ) в диапазоне частот [2 — 3]ГГц с помощью программы HFSS в следующих трёх случаях: (1) угол поворота диэлектрического слоя относительно щели на 45; (2) смещения положения слоя диэлектрика вдоль оси X ; (3) смещение положения слоя диэлектрика вдоль оси Y.

Поле внутренних источников возбуждения и поле вспомогательных источников

Во второй части главы описана методика решения трехмерной задачи синтеза антенной решетки под слоем диэлектрика конечных размеров из щелевых излучателей. Задача распадается на два этапа. На первом этапе по заданной диаграмме направленности во внешнем прстранстве определяются амплитуды и фазы вспомогательных источников и находится, т. о. реализуемая диаграмма направленности и соответствующее ей внешнее поле. Выбор расстояния между этими вспомогательными источниками осуществлялся на основании уравнения синтеза антенн в однородном пространстве с параметрами внешнего пространства. Вспомогательные источники находятся в плоскости экрана в пределах площади, покрытой диэлектрически покрытием. Т. о. на этом этапе определяется внешнее поле (4.12), (4.13). На втором этапе по найденному внешнему полю с помощью уравнения (4.1) определяется диаграмма направленности невозмущеннного поля внутренних источников, т. е. реальных щелевых излучателей. Задача снова сводится к задаче синтеза антенн в однородном пространстве, но уже с параметрами материала диэлектрического покрытия (в частности, эквидистантных решеток в пространстве с постоянной распространении материала диэлектрического тела /t;). Устойчивость алгебраической системы при этом достигается при расстояниях между элементами решетки не менее Aj/4, где Л;-длина волны в диэлектрике.

Численные результаты представлены на примере синтеза решетки состоящей из пяти щелевых излучателей под диэлектрическим покрытием (одна в центре и 4 как симметричная матрицы относительно центра, расположенной вдоль оси Ох) рис. 4.7, для заданной диаграммы направленности микрополосковой щелевой антенны, по ортам сферической системы координат, представлена в виде:

Амплитудная диаграмма направленности: а- заданная, б -синтезируемая в пространстве с параметрами диэлектрического покрытия.

Приведенные результаты показывают достаточно хорошее совпадение синтезированной с заданнами диаграммы направленности на рис .(4.8, 4.9).

Параметр есинтез, определяющий максимальное разница диаграммы направленности заданной F3aA(6,(p) и синтезируемой FCHHTe3 (в,(р), в пространстве с параметрами диэлектрического покрытия, во всем диапазоне углов, определяется соотношением: Синтез = maxF3aA(6 , ф) - FCHHTe3(6 , ф) (4.43) Видно, что максимальная погрешность в данном случае достигает 8 процентов. С учетом того, что в данном случае решается задача синтеза, а это требует последовательно двух этапов приближения, полученная погрешность может быть признана удовлетворительной рис. 4.10. од

Полученное на этапе синтеза амплитудно-фазовое распределение источников может быть реализовано в СВЧ диапазоне ( при этом может потребоваться сложная схема возбуждения) на макете решетки из щелевых излучателей под диэлектрическим покрытием рис. 4.7. Каждый щелевой излучатель возбуждается отдельно полосковым проводником, расположенным на диэлектрической подложке с обратной стороны экрана по отношению к диэлектрическому покрытию. Полосковый проводник выполнен в виде разомкнутого отрезка и вместе с диэлектрической подложкой и металлическим экраном образует возбуждающую полосковую линию рис. 4.13.

Современная микроэлектроника СВЧ располагает достаточно большими возможностями для этого в виде микрополосковых пассивных и активных устройств (фазовращателей, усилителей, аттенюаторов, переключателей на PIN-диодах и т.д).

На рис. 4.14 показан один из вариантов выполнения структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый метод синтеза диаграммы направленности щелевых излучателах решетки под диэлектрическим покрытием. Настройка установки сводится: к калибровки излучателей по согласованию при условии размещения решетки под исследуемым обтекателем и настройке блока весовых коэффициентов в соответствии с требуемым амплитудно-фазовым распределением. Для этого каждый излучатель решетки согласуется со своим питающим волноводом при условии, что остальные питающие волноводы других излучателей нагружены на согласованные нагрузки. Эта процедура позволит учесть взаимное влияние излучателей под обтекателем при формировании заданного амплитудно-фазового распределения. В блоке весовых коэффициентов, объединенным с делителем мощности с помощью регулируемых аттенюаторов и фазовращателей выставляются амплитуды и фазы требуемого распределения.