Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема и методы расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых антенных решеток 13
2. Полосовые характеристики микрополосковых излучателей и оценка предельной ширины полосы частот планарных микрополосковых антенн 60
3. Широкополосные схемы запитки элементов многоэлементных микрополосковых антенных решеток, реализованные на основе фильтрующих цепей 96
4. Синтез практических схем и экспериментальное исследование широкополосных многоэлементных микрополосковых антенных решеток 142
Выводы 163
Заключение 164
Литература 166
Приложение. Микрополосковые антенные решетки для стационарных и мобильных систем спутниковых телекоммуникаций
- Проблема и методы расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых антенных решеток
- Полосовые характеристики микрополосковых излучателей и оценка предельной ширины полосы частот планарных микрополосковых антенн
- Широкополосные схемы запитки элементов многоэлементных микрополосковых антенных решеток, реализованные на основе фильтрующих цепей
- Синтез практических схем и экспериментальное исследование широкополосных многоэлементных микрополосковых антенных решеток
Введение к работе
Исследованию микрополосковых антенн посвящено большое количество публикаций, как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Вышли тысячи оригинальных статей и получено множество патентов на конструкции, имеются развернутые обзоры и около десятка специальных монографий. Приведенный в диссертации список литературы из порядка ста наименований, в том числе [1] - [7], охватывает лишь небольшую часть общего материала. Так, только в одном американском журнале IEEE Transactions on Antennas and Propagation насчитывается 38 статей, которые были опубликованы в 1999 году и специально посвящены микрополосковым антеннам. Активные исследования проводятся также и во многих других странах. Ежегодно во всем мире проходят конференции и семинары, на которых также сообщается масса самых свежих материалов по данной тематике. Все это свидетельствует о большом интересе, который привлекают к себе вопросы теоретического анализа и проектирования микрополосковых антенн. В настоящее время можно считать, что микрополосковые антенны уже прочно вошли в арсенал базовых схемно-конструктивных вариантов, используемых инженерами при создании приемо-передающей радиоаппаратуры самого разнообразного назначения.
Общеизвестны достоинства и недостатки печатных излучателей и антенных решеток, создаваемых на их основе. Малые габариты и масса, простота и дешевизна изготовления по групповым технологиям - с одной стороны и узкие полосы рабочих частот, а также увеличенный уровень диссипа-тивных потерь - с другой. За последние годы удалось добиться впечатляющих успехов в решении этих проблем. Что касается расширения полосы рабочих частот, и в первую очередь по импедансному согласованию излучателей с фидерным трактом, то получены, можно сказать, блестящие результаты. Основные усилия исследователей были направлены на модификацию и усложнение конструкций излучателей и зондов, связывающих их с фидерным трактом. Таким образом, расширение полосы частот фактически дости-
-7-гается путем увеличения общих габаритов антенн и усложнения их конструкции. То есть как раз за счет именно тех достоинств, которыми и обладают базовые конструкции печатных излучателей. Таким образом, продолжает оставаться актуальной задача расширения импеданснои ширины полосы частот простейших планарных излучателей и антенных решеток, сконструированных на их основе. Исходя из этого соображения, и формируется цель работы.
Целью диссертационной работы является расширение импеданснои полосы рабочих частот многоэлементных микрополосковых антенных решеток, конструируемых на основе простейших типов планарных излучателей.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
проведен комплексный анализ описанных в литературе методов расширения импеданснои полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и многоэлементных антенных решеток, реализованных на их основе;
выбран основной подход к решению задачи расширения полосы рабочих частот простейших и при этом самых технологичных и дешевых при массовом изготовлении микрополосковых антенн, основанный на синтезе фильтрующих устройств, обеспечивающих согласование комплексного сопротивления излучателя с активным сопротивлением фидера;
разработана методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа с применением трех типов инверторов, реализованных на основе четвертьволновых отрезков длинных линий, секций связанных линий и емкостных зазоров в микрополосковых линиях;
получены соотношения и представлены графические зависимости, позволяющие быстро оценивать предельно достижимые полосовые характеристики микрополосковых антенн;
исследовано влияние резонансного характера входного сопротивления микрополосковых излучателей на полосовые характеристики многоканальных делителей мощности бинарного типа;
предложен новый метод синтеза параметров и анализа характеристик
многоканальных делителей мощности дендритного типа, входящих в состав многоэлементных микрополосковых антенных решеток;
разработана экспериментальная микрополосковая антенная решетка с
числом излучающих элементов равным 256, имеющая расширенный диа
пазон рабочих частот.
Научная новизна и основные положения выносимые на защиту:
В диссертации применительно к микрополосковым антеннам получил развитие классический подход к синтезу полосно-расширяющих цепей для комплексных резонансных нагрузок; он базируется на теории аналитического синтеза СВЧ цепей по прототипам. Новыми являются и на защиту выносятся следующие основные результаты работы:
методология оценки предельных полосовых характеристик однослойных микрополосковых антенн с простейшими формами резонаторов;
методика анализа влияния резонансного характера нагрузки на параметры многоканальных делителей мощности, входящих в состав антенных решеток;
методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа для планарных микрополосковых излучателей;
новые идеализированные элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения;
эффективная методика синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, основанная на применении идеальных делителей тока и напряжения.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что полученные расчетные соотношения, графические кривые и программные модули дают возможность не только оценивать потенциальные возможности расширения полосы рабочих частот микрополосковых излуча-
телей и антенных решеток, проектируемых на их основе, но и синтезировать
все необходимые для разработки конструктивные параметры.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "ЭМС и интеллектуальные здания", которая проходила в Москве 13-14 ноября 2000 г., на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ, февраль 2001 и 2003 гг., на семинаре "ОИС СВЧ и биоэнергоин-формационные технологии", организованном при МНТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, март 2001 г.).
Реализация результатов и предложения об использовании.
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, внедрены в разработках фирмы Microface (Южная Корея) и фирмы "Антенные системы" (Россия), что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Они также применяются в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" в лабораторных работах, практических занятиях и конструкторском проектировании по курсу "Техническая электродинамика и проектирование СВЧ устройств".
Предложенные методики расширения полосы рабочих частот микропо-лосковых антенн и проектирования многоканальных делителей-сумматоров мощности могут быть полезны для инженеров-практиков, занимающихся разработкой антенных устройств в диапазоне СВЧ. Введение новых идеализированных элементов - идеальных делителей тока и напряжения дает полезный вклад в теорию электрических цепей.
Публикации. Положения и результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях и трех тезисах докладов на конференциях. На основе полученных результатов опубликованы методические указания по курсовому и дипломному проектированию.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе по многочисленным (в основном, зарубежным) публикациям, имеющимся в литературе, проведен обзор состояния вопроса и дан детальный анализ современных методов расширения полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и антенных решеток, сконструированных на их основе. Показано, что методология создания широкополосных микрополосковых антенн может быть классифицирована по нескольким базовым, принципиальным схемно-конструктивным подходам. Среди них: использование подложек, имеющих увеличенную толщину, создание слоистых этаже-рочных излучающих систем с активным и несколькими пассивными элементами, формирование многоэлементных планарных излучателей, конструирование специальных типов зондовой связи, а также дополнительных резонансных полостей, работающих совместно с активным излучателем, модификация формы планарных излучателей, вырезания в них специальных щелей и установка реактивных шлейфов, создание логопериодических и нерезонансных излучающих элементов спирального типа и щелей с плавно изменяющейся шириной.
Эти методы обладают высокой эффективностью, однако, приводят к усложнению и удорожанию конструкций микрополосковых антенн. Вследствие этого сформулирована основная цель диссертационной работы, состоящая в расширении полосы рабочих частот простейших высокотехнологичных и дешевых при изготовлении однослойных планарных излучающих элементов и антенных решеток, конструируемых на их основе.
Во второй главе рассмотрены две наиболее часто и успешно применяемые на практике модели простейших излучателей прямоугольной, дисковой, кольцевой и треугольной форм. Первая модель в виде отрезка эквивалентной линии передачи применяется только для излучателя прямоугольной формы и во многих случаях дает хорошие практические результаты, особенно при
торцевом возбуждении излучателя. Вторая модель основана на разложении электромагнитной волны в излучателе по собственным модам соответствующего резонатора при наложении импедансных граничных условий.
С использованием модели длинной линии для прямоугольного излучателя, разработаны методы синтеза его геометрических размеров при заданном значении центральной частоты, размеров подложки и отношения длин сторон прямоугольника. Получены явные выражения для определения входного сопротивления на резонансной частоте, параметра крутизны реактивной составляющей проводимости и ненагруженной добротности, которые необходимы для синтеза согласующих цепей фильтрового типа.
Сделана общая оценка полосовых характеристик фильтровых схем с резонансными нагрузками и проведен анализ полосовых характеристик схем с микрополосковыми излучателями с помощью теории синтеза электрических фильтров. Получены соотношения, позволяющие рассчитывать предельно достижимые значения ширины полосы пропускания схем, нагруженных на микрополосковые излучатели. Результаты полного расчетов всех параметров однослойных микрополосковых излучателей прямоугольной формы (в том числе и относительной ширины полосы пропускания) представлены в удобной графической форме и для широкого интервала изменения центральной частоты рабочего диапазона - от 1 ГГц до 16 ГГц.
Кроме того, на примере схемы, имеющей 256 каналов, исследованы полосовые характеристики схем многоканальных делителей мощности в качестве нагрузок которых выступают входные сопротивления микрополосковых излучателей.
В третьей главе рассмотрены типовые схемы возбуждения излучающих элементов, входящих в состав многоэлементных антенных решеток, а также широкополосные схемы, реализованные на основе фильтрующих цепей. Введены новые идеализированные элементы - идеальные делители тока и напряжения и исследованы их свойства. Применение идеальных делителей тока
-12-и напряжения позволяет при анализе вносимого затухания и согласования на
входах свести схемы симметричных многоканальных распределительных устройств к схемам четырехполюсников, что резко сокращает трудоемкость вычислительных процедур. Кроме того, появляется возможность синтезировать схемы многоканальных делителей-сумматоров мощности с использованием теории синтеза электрических СВЧ цепей по прототипам.
Приведены примеры синтеза и анализа параметров многоканальных делителей мощности с использованием идеальных делителей тока и напряжения и, в частности, делителя мощности на 16 каналов, восьмиканального делителя мощности для фрагмента микрополосковой антенной решетки и бинарного делителя мощности на 1024 канала, имеющего одинаковые сопротивления на общем входе и на всех выходах. Разработаны методики синтеза фильтрующих цепей, согласующих входное сопротивление излучающих элементов с характеристическим импедансом фидера. Даны примеры синтеза фильтров с емкостными зазорами и с секциями связанных линий, согласующих входное сопротивление излучающего элемента с характеристическим импедансом подводящего фидера.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и промышленной разработки широкополосных микрополосковых антенных решеток в 3-см диапазоне длин волн. Дано описание методики измерения параметров излучателей, знание которых необходимо при проектировании фильтрующих цепей, обеспечивающих согласование входного сопротивления излучателей с характеристическим импедансом фидерного тракта. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности разработанной в диссертации методологии, которая позволяет уверенно конструировать сложные микрополосковые антенные устройства.
В приложении даны блок-схемы основных программных модулей и распечатка текста программ, написанных на алгоритмическом языке ФОРТРАН.
Проблема и методы расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых антенных решеток
Микрополосковые (или печатные) антенны применяются в радиоэлектронной аппаратуре самого разнообразного назначения. Они оказываются привлекательными благодаря наличию следующих основных достоинств: малых габаритных размеров и массы, конформности поверхностям, на которых они размещаются, простоты и дешевизны производственных процессов с использованием групповых технологий изготовления печатных плат, а также гибридных и монолитных интегральных схем. Имеется и существенный недостаток - узкие импедансные полосы рабочих частот. Этот недостаток в первую очередь относится к классическим (самым простым и самым дешевым в изготовлении) однослойным схемам печатных излучающих элементов и антенных решеток, создаваемых на их основе, поскольку типичные значения относительной ширины полосы частот для них составляет единицы, а то и доли процентов.
За последние годы сделаны существенные успехи в решении проблемы расширения полосы частот микрополосковых антенн, причем даже удалось установить несколько принципиально различных подходов к ее решению. Во-первых, увеличивают толщину подложки, на которой размещается излучающий элемент [1]-[6]. Основной недостаток этого метода состоит в том, что по мере увеличения толщины подложки возрастает уровень излучения поверхностных волн, что в свою очередь приводит к понижению полезного излучения и, следовательно, коэффициента усиления. Разумеется, ухудшаются и массогабаритные характеристики антенны. Во-вторых, сохраняя концепцию однослойности печатной платы, модифицируют конструкции излучателей [2]-[4]. Классическими формами излучателей микрополосковых антенн являются прямоугольный и дисковый резонаторы, работающие на низших модах ТМ\о и ТМп, соответственно [5]. Кроме них получили применение также треугольные и пятиугольные формы излучателей [4]. Оказывается, что путем модификации классических форм излучателей можно добиться существенного изменения многих характеристик микрополосковых антенн, в том числе и очень существенно расширить полосу рабочих частот.
В частности, к излучателям подключают разомкнутые или коротко-замкнутые шлейфы [7], вырезают в металлизации специальные щели различной формы [8], [9], деформируют излучатели [5], устанавливают закорачивающие штыри и реактивные элементы [10]. В-третьих, создают электродинамически связанные многослойные этажерочные и планарные многоэлементные конструкции излучателей [11] - [13]. В-четвертых, формируют, по сути дела, объемные конструкции, в которых под каждым излучателем находится резонансная металлическая полость [14], [15]. Этот метод близок к методу расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн путем увеличения толщины подложки. Однако, в данном случае между отдельными резонансными полостями формируются металлические экранирующие поверхности, препятствующие распространению в конструкции поверхностных волн. В-пятых, конструируют сверхширокополосные нерезонансные микро-полосковые излучатели, например, расширяющиеся щели [16] и спирали различного типа [17], [18]. В шестых, формируют многоэлементные структуры типа бегущей волны, обладающие очень широкими полосами частот [19]. Наконец, в-седьмых, делают сеточно-ячеистые конструкции излучателей на основе полосковых линий передачи [20]. Вообще, можно утверждать, что за последние годы достигнут существенный прогресс в области совершенствования характеристик микрополосковых антенн и, в частности, в решении такой сложной задачи, как расширение импедансной полосы частот. Рассмотрим подробнее описанные выше методы расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн.
Расширение импедансной полосы частот путем увеличения толщины подложки и создания специальных конструкций возбуждающих зондов, связывающих излучатель с фидером Самый простой способ улучшения полосовых характеристик микрополосковых антенн состоит в увеличении толщины подложки между излучателем и экранной поверхностью [21]. Однако применение этой методики приводит к возникновению другой проблемы, связанной с возбуждением поверхностных волн. В результате по мере увеличения толщины подложки падает эффективность излучения, а диаграмма направленности антенны и поляризационные характеристики могут быть испорчены из-за паразитного излучения. При реализации антенных решеток увеличение связи между элементами препятствует хорошему импедансному согласованию микрополосковых излучателей и фидерных линий при сканировании решетки [22]. Кроме того, при возбуждении коаксиальным зондом излучателя, располагающегося на толстой подложке, входной импеданс принимает выраженный индуктивный характер, что приводит к нежелательному рассогласованию [23]. В последние годы были предложены конструкции печатных микрополосковых антенн, излучатели которых имеют с обратной стороны металлическую полость, благодаря чему предотвращается возникновение поверхностных волн [24]. Эта конфигурация позволяет использовать толстые подложки без ограничения области сканирования и даже добиваться улучшения характеристик сканирования. При анализе этих структур простые подходы становятся неточными и были предложены полноволновые методы, такие как формулировка интегрального уравнения [24], метод конечных элементов [25], или гибридные методы [26], [27].
Полосовые характеристики микрополосковых излучателей и оценка предельной ширины полосы частот планарных микрополосковых антенн
Простейшие типы микрополосковых излучателей - это прямоугольный, круглый, кольцевой и треугольный резонаторы, располагающиеся на однослойной подложке и работающие на модах ТМю, ТМи и ГМю-ь соответственно [3]-[5]. Их возбуждают либо в точке, расположенной на периметре, либо, в более общем случае, в некоторой средней точке, которая, однако, не может находиться в самом центре резонатора. Однослойные микрополоско-вые излучатели просты, имеют малые габаритные размеры, а многоэлементные антенные решетки, сконструированные на их основе и изготовленные по групповым технологиям, оказываются предельно дешевыми. Имеется и существенный недостаток - узкие полосы рабочих частот. Поэтому важное практическое значение имеют знание диапазонных параметров излучателей этого типа и умение решать вопросы, связанные с оценкой принципиальной возможности реализации антенных устройств в предписываемой полосе частот.
В данной главе дан общий анализ импедансных свойств простейших планарных микрополосковых излучателей, который выполнен с использованием модели в виде отрезка эквивалентной линии передачи для резонаторов . прямоугольной формы, а также с использованием более общего метода разложения полей по собственным модам в резонаторах с импедансными граничными условиями, который применим не только для прямоугольного, но и для других простейших типов излучателей. Импедансные полосовые характеристики микрополосковых антенн исследованы с помощью теории синтеза
-61 электрических фильтров по прототипам [79], [80]. Получены компактные выражения, позволяющие рассчитывать ширину полосы частот микрополоско-вых излучателей при включении на их входах многозвенных согласующих цепей фильтрового типа. Дано выражение для расчета теоретически предельной ширины полосы частот микрополосковых излучателей. Исследовано . влияние резонансной нагрузки, моделирующей входное сопротивление мик-рополоскового излучателя на частотные характеристики многоканальных делителей мощности бинарного типа на примере схемы, имеющей 256 выходных канала. На рис. 2.2.1 изображен внешний вид микрополоскового излучателя прямоугольной формы, подключенного к микрополосковому тракту по центру одного из своих торцов. Излучатель может быть подключен к основному тракту также и в некоторой средней точке. Введены следующие обозначения: L,W- длина и ширина излучателя, єг, щ. - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала подложки, h - ее толщина. В дальнейшем полагаем, что jur = 1.
В окрестности резонансной частоты излучатель ведет себя подобно параллельному колебательному контуру. Для оценки полосы частот, в которой можно согласовать излучатель с подводящей линией, по заданному уровню пульсаций коэффициента отражения или коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе необходимо определить значение активной составляющей входной проводимости эквивалентного резонатора, изображенного на рис.2.2.2, а также параметр крутизны реактивной составляющей его проводимости Ъ. А. Активная составляющая проводимости на резонансной частоте
Рассмотренный выше простейший подход, дает хорошее совпадение с экспериментом только тогда, когда точка возбуждения располагается вблизи одного из излучающих концов (например, точка 3 на рис.2.2.1(а)) для моды TMi0. Однако, если точка возбуждения сдвигается, как точки 1 и 2 на том же рисунке, то теория предсказывает симметричное расположение импедансной кривой относительно вещественной оси на диаграмме Смита. Это противоречит экспериментальным результатам, которые показывают строгий сдвиг импедансной кривой в индуктивном направлении на диаграмме Смита, рис.2.2.1(6), [7]. Поэтому данный метод не дает адекватного предсказания изменения импеданса при изменении точки возбуждения излучателя. Более того, эта теория, базирующаяся на плоской модели щель-линия передачи, не может быть применена к другим геометриям, не являющимся прямоугольными.
Для планарных излучателей, имеющих простейшие геометрические формы прямоугольника, диска, кольца и треугольника существует возможность разложения полей по системе собственных мод и тем самым существенным образом уточнить получаемые теоретические результаты, описывающие основные параметры антенны.
Рассмотрим прямоугольный излучатель, имеющий ширину а и длину Ъ, расположенный над заземленной плоскостью и подложкой толщиной /, имеющей относительную диэлектрическую проницаемость єг, как это показано на рис.2.2.2 [5].
Широкополосные схемы запитки элементов многоэлементных микрополосковых антенных решеток, реализованные на основе фильтрующих цепей
При создании антенных решеток, как известно, не требуется, чтобы каждый элемент в отдельности был согласован с фидерным трактом и обладал максимально возможной для него полосой рабочих частот [92]. Дело в том, что параметры антенных решеток определяются их общими схемно-конструктивными характеристиками. Данное свойство проистекает из тех же базовых физических закономерностей, благодаря существованию которых ансамбли, состоящие из многих одинаковых частиц обретают свойства не присущие каждой частице в отдельности. Точно так же многоэлементные резонансные системы и колебательные контуры в традиционной радиотехнике, состоящие из п одинаковых RLC элементов, обладают не одной резонансной частотой, а характеризуются в общем случае п собственными частотами. Таким образом, при создании антенных решеток следует добиваться расширения полосы частот не для каждого излучающего элемента в отдельности, но для всей системы в целом.
В данной главе рассматриваются методы синтеза и анализа схем широкополосных многоэлементных микрополосковых антенных решеток, базирующиеся на применении методов проектирования СВЧ фильтров по прототипам. Если в системе имеется п излучающих элементов, то схема делителя представляет собой 2(и+1)-полюсник. Поэтому синтез и анализ ее параметров представляет собой довольно сложную задачу.
В следующем разделе будет рассмотрена методика проектирования симметричных многоканальных делителей мощности, входящих в состав многоэлементных микрополосковых антенных решеток, базирующаяся на применении двух новых идеализированных целевых элементов - идеальных делителей тока и напряжения. Их применение позволяет существенно упростить анализ зависимостей от частоты коэффициента стоячей волны на входах и вносимых затуханий в каналах симметричных СВЧ устройств распределения мощности. Показано, что использование схем идеальных делителей тока и напряжения позволяет применить методологию и результаты теории электрических фильтров для синтеза многоканальных симметричных устройств. Приведены результаты синтеза 8-й 16- канальных делителей мощности, а также результаты анализа частотных характеристик делителя мощности на 1024 канала. На рис.3.2.1 представлена схема электрически симметричного (относительно общего входа и выходных каналов) многоканального делителя мощ -99-ности дендритного типа [93], являющаяся обобщенным аналогом традиционных делителей бинарного типа. В нее входят п- и m-канальные делители мощности, обозначенные как \хп и \хт. Делители связаны между собой с помощью однородных или неоднородных, например, ступенчато-импедансных, отрезков длинных линий.
Первой конструкции соответствует параллельная, а второй последовательная эквивалентные схемы разветвления линий. Смешанный тип разветвления, рис.3.2.2 в, в диапазоне СВЧ реализуется на основе комбинированных Е- и Н- плоскостных сочленений в полых металлических волноводах, либо на основе объемных интегральных схем [95].
Параллельное разветвление линий передачи характеризуется тем, что в центральной узловой точке напряжение t/0 оказывается одинаковым для всех подходящих к нему каналов. Если разветвление на п каналов симметрично и все выходы подключены к одинаковым нагрузкам, то токи во всех выходных каналах 1( (/-1, ..., п) равны между собой 1{=1о/п.
Последовательное разветвление линий передачи характеризуется тем, что в центральной узловой точке ток /о оказывается одинаковым для всех подходящих к нему каналов. Если разветвление симметрично и все выходы подключены к одинаковым нагрузкам, то напряжения во всех выходных каналах UІ (/=1, ..., п) равны между собой Ut= Щ/п.
Теперь предположим, что имеется симметричное разветвление линий на п каналов последовательного типа, рис.3.2.2 б, 3 б; причем, все выходные каналы нагружены на одинаковые сопротивления. Снова обозначим напряжения и токи во входном плече U\ ,1\} а токи и напряжения в выходных плечах и2 ,12.
Назовем матрицу А1 - канальной матрицей передачи идеального де-лителя тока, a Av- канальной матрицей передачи идеального делителя напряжения. Очевидно, что Det(A1) = Det{Av) = n&\ и, следовательно, четырехполюсники, соответствующие матрицам передачи идеальных делителей тока и напряжения является невзаимными.
Смысл введения идеальных канальных делителей тока и напряжения состоит в том, что с их помощью анализ процесса прохождения сигнала с общего входа на какой-либо выход симметричной схемы дендритного типа, изображенной на рис.3.2.1 и являющейся многополюсником, сводится к анализу каскадной схемы, состоящей из четырехполюсников. То же относится и к анализу прохождения сигнала в обратном направлении - с одного из выходов на общий вход.
Например, эквивалентная цепь, предназначенная для анализа процесса прохождения сигнала с общего входа многоканального делителя, изображенного на рис.3.2.1 и состоящего из элементарных делителей параллельного типа, на один из выходов, может быть представлена так, как это показано на рис.3.2.4.
Синтез практических схем и экспериментальное исследование широкополосных многоэлементных микрополосковых антенных решеток
Для экспериментальной проверки разработанной методики синтеза согласующих цепей фильтрового типа, обеспечивающих расширение импе-дансной полосы частот микрополосковых антенн, были изготовлены две серии макетных образцов, на которых проведены испытания. Первая серия образцов предназначена для исследований в 10-см диапазоне длин волн при центральной частоте рабочего диапазона /Q = 3,15 ГГц, а вторая - в 3-см диапазоне при центральной частоте рабочего диапазона /о = 11,70 ГГц. В качестве материала подложки выбран фольгированный фторопласт толщиной h = 1,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью єг = 2,5 ± 0,2. Прежде чем приступить к анализу полученных результатов, рассмотрим методы экспериментального измерения основных параметров микрополосковых излучателей, точное знание которых необходимо для надежного синтеза полоснорасширяющих цепей.
При проектировании согласующих цепей фильтрового типа важно правильно определить значения активной составляющей входной проводимости излучателя и параметра крутизны. На практике в связи с тем, что активная составляющая входного импеданса излучателя на центральной частоте имеет значение 200 - 300 Ом (как это следует из рис. 2.3.5 в), а характеристический импеданс основного тракта, к которому подключается микрополосковый излучатель, обычно составляет 50 или 75 Ом, имеем значение КСВ0 от 4 до 6. Измерение таких величин оказывается невозможным с помощью стандартных автоматических измерителей КСВ и затуханий.
При синтезе топологий антенн выбраны следующие параметры подложки: относительная диэлектрическая проницаемость sr = 2,5, толщина h = 1,5 мм. Отношение сторон прямоугольного излучателя W/L = 1, центральная частота диапазона = 3,150 ГГц. Характеристический импеданс подводящего фидера 50 Ом, уровень пульсаций АЧХ 0,5 дБ. Синтезированы размеры излучателя W = 29,528 мм, L = 29,528 мм, активная составляющая импеданса излучателя на центральной частот Rm!l = 234,42 Ом, параметр крутизны реактивной составляющей проводимости Ъ = 0,14708 Ом"1. Ширина микрополосковой линии с характеристическим импедансом Zc = 50 Ом равняется WB= 4,225 мм.
При синтезе фильтра с числом звеньев фильтра n = 2, рис.4.2.3, получены следующие значения электрических и конструктивных параметров схемы. Расчетное значение относительной ширины полосы частот w = 4,07% по уровню пульсаций Lar =0,5 дБ; при выборе характеристического импеданса второго резонатора равным 40 Ом импедансы инверторов в схеме фильтра-прототипа имеют значения ZINV(1) = 322,071 Ом, Zwv(2) =209,520 Ом. При реализации инверторов на секциях короткозамкнутых на концах связанных микрополосковых линий получаем размеры элементов их топологий: WCOVPIAI) =0 5 мм SCOUPLE(1)= 0,449 мм, LCOUPLEO-) = 15,195 мм - для первой секции и WCOUPLE(2) =0,5 мм, SCOUPLE(2)= 0,175 мм, LCOUPLE(1) = 15,213 мм -для второй секции; диаметр короткозамкнутого штыря 0,3 мм, его длина 1,5 мм; ширины и длины отрезков микрополосковых линий, включенных на входе секции связанных линий Wt = 0,5 мм, L, = 0,5 мм; второй резонатор. Размеры второго резонатора WRES (2)= 5,872 мм, LRES (2) = 32,346 мм.
Частотные характеристики синтезированной 2-звенной цепи представлены на рис.4.2.5 а) и б). Сравнение расчетных и экспериментальных данных для схемы, изображенной на рис.4.2.4, дано на рис. 4.2.5.в). Приведенные результаты получены после небольшой подстройки входного трансформатора на связанных линиях, сделанной путем установки диэлектрических накладок, и увеличения емкостного зазора на 50 мкм. Видим, что теоретическая и экспериментальная зависимости КСВ от частоты практически совпадают.
При числе звеньев фильтра п = 3, уровне пульсаций АЧХ Lar = 0,5 дБ и при значении характеристических импедансов полуволновых резонаторов Zpe3 = 40 Ом рассчитаны параметры топологий трех схем, изображенных на рис.4.2.6 -4.2.8. Относительная ширина полосы частот w= 11,87%. Импедан-сы инверторов ZIMV(1) = 376,023 Ом, Z l) =727,713 Ом, гту(2) = 209,520 Ом. Размеры элементов топологий приведены непосредственно на рис.4.2.6-Очевидно, что указанные значения параметров инверторов невозможно реализовать на основе четвертьволновых отрезков микрополосковых линий, расположенных на рассматриваемой подложке. Поэтому инверторы реализуются либо на основе короткозамкнутых на концах секций связанных линий, либо с помощью емкостных зазоров.
Расчетные частотные зависимости вносимого затухания и коэффициента стоячей волны на входе согласующих цепей различного типа при п = 3 даны на рис.4.2.9 а) —д); На рис. 4.2.9.д) представлены экспериментальные результаты для схемы, изображенной на рис.4.2.7. И в этом случае потребовалась небольшая подстройка, после которой экспериментальная кривая зависимости КСВ от частоты практически совпала с расчетной.
