Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ применения спиральных антенн в радиотехнических системах 9
1.1. Анализ перспектив развития антенных систем 9
1.2. Анализ свойств существующих типов спиральных антенн и принципов их работы 13
1.3. Вывод дифференциального уравнения синхронной спирали и его решение 23
1.4. Методы расчета характеристик плоских спиральных излучателей 28
1.5. Исследование возможности создания и пути исследования антенн на основе
синхронных спиралей 30
1.6. Постановка задач диссертационной работы 32
2. Разработка метода моделирования и расчета характеристик синхронных спиральных излучателей 33
2.1. Качественный анализ излучения синхронного спирального излучателя 33
2.2. Анализ дисперсионных свойств на основе синхронных спиралей как замедляющих систем 38
2.3. Расчет диаграммы направленности синхронного спирального излучателя хметодом векторных потенциалов при заданном возбуждающем токе 48
2.4. Расчет основных характеристик излучателей на основе синхронных спиралей 60
2.5. Моделирование излучателей в форме однозаходных синхронных спиралей в
программе ММапа с учетом распределения возбуждающего тока 67
2.6. Сопоставление диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей с другими их типами 73
2.7. Разработка метода моделирования спиральных излучателей 79
2.8. Выводы 81
3. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, расположенных над плоским металлическим экраном 83
3.1. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиралей 83
3.2. Разработка метода расчета диаграммы направленности для излучателей, расположенных над металлическим экраном 86
3.3. Расчет волнового сопротивления синхронного спирального излучателя, расположенного над плоским металлическим экраном 102
3.4. Анализ свойств антенн на основе двухзаходных спиральных излучателей при
синфазном и противофазном возбуждении 109
3.5. Разработка конструкции антенн на основе синхронной спирали 116
3.6. Выводы 119
4. Внедрение результатов диссертационной работы в разработку антенны для устройства мониторинга сетей сотовой связи 121
4.1. Постановка задачи 121
4.2. Обоснование выбора конструкции и параметров антенны 122
4.3. Расчет основных характеристик проектируемой антенны 124
4.4. Конструкция спроектированной антенны и технологический процесс производства 128
4.5. Выводы 132
Заключение 133
Литература 136
Приложение 1. Диаграммы направленности для излучателей на основе арифметической, логарифмической и синхронной спиралей 142
- Анализ свойств существующих типов спиральных антенн и принципов их работы
- Анализ дисперсионных свойств на основе синхронных спиралей как замедляющих систем
- Разработка метода расчета диаграммы направленности для излучателей, расположенных над металлическим экраном
- Конструкция спроектированной антенны и технологический процесс производства
Введение к работе
Актуальность темы работы
Важной тенденцией в развитии телекоммуникационных и ряда других средств является их перевод на беспроводную, эфирную основу, что обуславливает необходимость дальнейшего развития антенных устройств, определяющих многие предельные показатели радиотехнических систем.
Развитие антенной техники и повышение требований к разработкам привело к актуализации новых проблем проектирования антенн. Многие из них связаны с получением требуемых характеристик, созданием антенн с уникальными свойствами — фазированных антенных решеток, адаптивных и сверхнаправленных антенн, а также широкополосных антенных устройств.
Расширение рабочей полосы антенн является одним из основных средств повышения информационной емкости и пропускной способности радиотехнических систем. Антенны обычно представляют собой сложные устройства, основной частью которых являются излучатели. Одним из наиболее распространенных типов являются антенны на основе спиральных излучателей, широкое применение которых в радиотехнических системах подчеркивает важность развития теоретических основ их проектирования и конструирования, а также поиска новых типов спиральных излучателей и разработки методов проектирования антенн на их основе.
Основное отличие спиральных излучателей друг от друга заключается в их геометрии, числе заходов, шаге витков, которые можно считать их параметрами. Существенное значение имеет закон навивки спирали, который во многом определяет параметры антенны. В качестве параметра можно ввести также коэффициент замедления радиальной волны, широко используемый в диссертации и введенный в теории замедляющих систем как их характеристика.
В России развитию теории и практики использования спиральных антенн посвящены работы Казарина А.Н., Шестопалова В.П., Рунова А.В., Смирнова Н.Н., Сазонова Д.М., Чебышева В.В. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Сенсипера С, Рамзея В., Йена Ю., Турнера Е., Риблета X., Жонеса Г.
В работах этих авторов были заложены и развиты теоретические основы функционирования антенн со спиральными излучателями, выявлены и проанализированы их основные свойства и режимы работы, получены основные
расчетные соотношения, а также показаны достоинства и недостатки практического использования спиральных антенн, основным качеством которых является широкополосность и высокая частотная стабильность характеристик.
Проведенный анализ современного состояния развития теории спиральных антенн показал, что в данной области имеются вопросы, требующие дополнительной проработки и развития. К новым, малоисследованным типам антенн относятся плоские антенны, построенные на основе спиральных излучателей, отличающихся по конфигурации от наиболее известных — логарифмической и арифметической спиралей.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов моделирования и проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, а также исследованию их свойств. Синхронная спираль как излучатель для построения антенн и составная часть замедляющих систем была предложена в 1994 г. Солнцевым В. А. Исследование её характеристик, а также разработка метода проектирования, конструкции и получение расчетных соотношений является задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы является разработка методов моделирования и исследование свойств синхронных спиральных излучателей, разработка метода расчета их характеристик, включая расчет диаграмм направленности для излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, а также алгоритма проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
Проведен анализ использования антенн в современных радиотехнических системах и существующих типов спиральных антенн, их свойств и режимов работы, а также качественный анализ синхронной спирали как объекта исследования.
На основе положений теории замедляющих систем проведен анализ дисперсионных свойств, что дало возможность обосновать с физической точки зрения основные режимы работы синхронного спирального излучателя.
На базе теории электродинамических потенциалов предложен метод моделирования и расчета диаграмм направленности излучения и основных характеристик для однозаходных синхронных спиральных излучателей. Выполнена проверка полученных соотношений путем сопоставления
результатов расчета по предложенным формулам и компьютерного моделирования характеристик излучения синхронного спирального излучателя в программе ММапа.
Выполнено сопоставление диаграмм направленности арифметической, логарифмической и синхронной спиральных антенн для разных частот с целью установления их качественных и количественных различий и определения области применения излучателей нового типа.
Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, предполагающий использование методов, предложенных в диссертационной работе.
Разработан метод уточненного расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, имеющих фазовый центр и расположенных над плоским отражающим экраном. Он необходим для проектирования антенн, в которых излучатель расположен на подложке над металлическим экраном.
Разработана методика расчета волнового сопротивления синхронной спирали, выполненной на слое диэлектрика над металлическим экраном, необходимая при использовании таких антенн в качестве излучающих элементов фазированных решеток.
Методы исследования
В процессе решения поставленных задач использовались методы технической электродинамики, математического анализа, векторной алгебры, методы и программы численного моделирования излучателей, методы теории проектирования и конструирования антенной техники.
Научная новизна и практическая ценность работы
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
Получены соотношения для расчета диаграмм направленности излучателей на основе синхронных спиралей, позволяющие оценивать их характеристики направленности для разных частот и параметров в процессе проектирования.
На основе анализа дисперсионных свойств излучателей в форме синхронных спиралей получено физическое обоснование режимов функционирования синхронных спиральных излучателей. Это позволило установить возможность их функционирования в режимах с нормальной положительной и аномальной отрицательной дисперсиями, т.е. с прямыми и обратными волнами.
Разработан метод моделирования и расчета характеристик излучателей на основе синхронных спиралей, позволяющий оценивать их основные параметры на стадии проектирования. Достоверность полученных соотношений проверена путем сопоставления расчетных результатов и результатов численного моделирования.
Разработан уточненный метод расчета диаграмм направленности для излучателей, расположенных на диэлектрике над металлическим экраном и имеющих фазовый центр. Метод основан на приближении геометрической оптики и позволяет учесть явление преломления электромагнитных волн на границе раздела диэлектрика и свободного пространства.
Разработана методика расчета волнового сопротивления антенны на основе синхронной спирали как линии передачи, расположенной на диэлектрике над металлическим экраном, необходимая при её использовании в качестве согласованного элемента фазированной антенной решетки с улучшенными характеристиками.
Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, дающий возможность проектировать антенны нового типа и базирующийся на предложенных в диссертационной работе методах. Положения, представляемые на защиту
В синхронной спирали, обладающей конечным радиусом, на резонансной частоте существует обратная волна, излучение которой существенно влияет на диаграмму направленности излучателя и позволяет регулировать её форму при выборе спиралей с разным числом витков.
Метод моделирования нового класса спиральных излучателей, позволяющий получить основные характеристики излучателей в свободном пространстве, сочетающий аналитический метод векторных потенциалов с численным моделированием на ЭВМ.
Метод расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, позволяющий учесть отражение волн от границы раздела диэлектрика и свободного пространства и изменение направления распространения электромагнитных волн на основе закона Снеллиуса.
В интервале частот ниже резонансной, соответствующем не менее чем одной декаде, диаграмма направленности излучателей на основе двухзаходных синхронных спиралей обладает высокой стабильностью и имеет
воронкообразную форму с малым раскрывом воронки, что позволяет
использовать её для решения ряда радиотехнических задач.
Внедрение результатов работы
Основные результаты диссертационной работы внедрены в разработку антенных устройств на Федеральном государственном унитарном предприятии Ордена Трудового Красного знамени Научно-исследовательском институте радио, в учебный процесс МИЭМ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и на кафедре «Радиоэлектроника».
Апробация результатов работы и публикации
Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались:
на LXI научной сессии НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященной дню радио, в 2006 г.;
на LXIII научной сессии НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященной дню радио, в 2008 г.;
— на ежегодных Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ с 2005 по 2010 г. включительно (в 2005 г. по результатам выступления присужден диплом II степени);
— на семинаре «Проблемы электроники» № 181 в 2009 г.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 10 статей (из них 1 статья в журнале, включенном в список ВАК) и 2 публикации в качестве материалов конференций, а также 6 тезисов докладов конференций МИЭМ.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 87 наименований, и приложения. Общий объем работы - 162 с. В приложение к диссертационной работе вынесены результаты моделирования арифметической, логарифмической и синхронной спиральной антенн для разных частот. Объем приложения — 21с.
Анализ свойств существующих типов спиральных антенн и принципов их работы
Создание образцов антенных систем в полной мере удовлетворяющих заданным требованиям и обладающих высокой повторяемостью характеристик, возможно только в том случае, если они будут в достаточной степни технологичны. Сложность технологии изготовления антенных систем и технологические погрешности приводят к нестабильности характеристик и уменьшению надежности систем в целом.
Для повышения эффективности и объемов проходящей информации в радиотехнических системах используются специальные методы: частотное и временное уплотнение и разнесение, адаптация трактов и устройств обработки к конкретным условиям приема и передачи информации [5, 6]. Все методы повышения пропускной способности требуют увеличения полосы рабочих частот, что еще раз подчеркивает важность создания новых и совершенствования уже существующих типов широкополосных антенн.
Необходимо отметить, что особое значение имеют антенны мобильных устройств. К ним предъявляются требования по универсальности, широкополосности, стойкости к внешним воздействиям. К антеннам носимых средств также предъявляются требования минимизации геометрических размеров, возможности выполнения антенн по интегральной технологии и технологии производства печатных плат.
Таким образом, антенные системы занимают важное место в радиотехнике и электронике. Развитие антенной техники и технологии производства антенн наряду с совершенствованием методов обработки информации и цифровых систем способствует расширению информатизации общества и внедрению современных телекоммуникаций.
Отмеченные выше тенденции в развитии радиотехники определяют направления развития и разработки антенных устройств. Многие исследования, проводимые в настоящее время в этой области, направлены на поиск новых и совершенствование существующих типов антенн, разработку мер по улучшению их технических характеристик и эксплуатационных показателей. К основным направлениям исследований в области антенной техники можно отнести создание остронаправленных [7], широкополосных антенн [8], а также адаптивных антенных систем [9].
Задача создания остронаправленных и сверхнаправленных антенн решается путем использования систем излучателей с заданным распределением амплитуд и фаз, которые называются фазированными антенными решетками. В зависимости от особенностей построения фазированные решетки могут быть активными или полуактивными. Полуактивные фазированные решетки отличаются от активных тем, что излучаемая в пространство мощность не усиливается в приемо-передающем модуле, а поступает из распределительной системы фазовращатель, а затем — па циркулятор и излучающий элемент. Активные фазированные решетки состоят из модулей, в которые, кроме излучателей и фазовращателей, входят активные элементы для усиления, преобразователи частот, аналого-цифровые преобразователи и другие устройства пространственно-временной обработки сигналов. Активные фазированные решетки широко применяются в радиолокации для повышения энергетики радаров [7]. При разработке остронаправленных антенных систем использование активных фазированных решеток является наиболее эффективным.
Адаптивными или самонастраивающимися называют антенны, характеристики которых изменяются в процессе работы с тем, чтобы обеспечивалась максимальная приспособленность радиотехнических систем к меняющимся внешним условиям. Процесс адаптации происходит автоматически в соответствии с алгоритмом, заложенным в систему управления антенной. В антенную систему может входить не только устройство обработки сигнала, но и средства управления лучом. В процессе адаптации может изменяться характеристика направленности на основе обработки принятых ею сигналов. Например, в зависимости от помеховой обстановки в диаграмме направленности адаптивной антенны может формироваться один или несколько глубоких провалов в направлении прихода сигналов-помех. Адаптивность антенных систем во многом определяется возможностями и широтой управляющих воздействий.
Развитие адаптивных антенн в настоящее время нацелено на создание антенных систем с нелинейной обработкой сигналов. Выходной сигнал таких антенн представляет собой результат нелинейной обработки сигналов, принятых антенной. В качестве таких преобразований используются перемножение, усреднение и другие методы обработки сигналов, приходящих с разных элементов антенной решетки. Например, перемножение сигналов с разных элементов решетки позволяет существенно сузить ширину основного луча диаграммы направленности. В антеннах с логическим синтезом [10] очень низкий уровень боковых лепестков достигается за счет использования при обработке сигналов математического аппарата булевой алгебры.
Широкополосность антенн придает им универсальность, обеспечивает возможность их использования для различных целей. Для уменьшения зависимости характеристик направленности и других параметров от частоты можно использовать излучающие структуры, состоящие из широкополосных элементов. С точки зрения теории, бесконечная антенна, геометрия которой определяется только угловыми размерами, будет полностью частотно-независимой [11], однако, очевидно, такая антенна не может быть реализована на практике.
Примером класса широкополосных антенн являются логопериодическис структуры. Теоретическая логопериодическая структура состоит из бесконечного числа геометрически подобных элементов, соответствующие точки которых при преобразовании сжатия смещаются вдоль прямой, проходящей через центр преобразования (т.е. точку, остающуюся неподвижной при таком преобразовании). Геометрия логопериодической структуры определяется углами, а также параметром т, называемым коэффициентом подобия. Согласно определению, преобразование сжатия в т раз или растяжения в 1/т раз переводит логопериодическую структуру саму в себя. Если рассмотреть фигуру в полярных координатах, то ее контур будет периодической функцией переменной ln(r/ro) с периодом In(llx) Это обстоятельство и породило название «логопериодическая структура».
Принципы работы логопериодических антенн широко освящены в литературе [12, 13]. Их функционирование основано на принципах электродинамического подобия, отсечки, прозрачности. Логопериодические антенны применяют преимущественно в тех радиосистемах, где требуется без дополнительной перестройки обеспечить передачу или прием радиоволн в полосе частот, превышающих одну октаву. Их широко используют в декаметоровом диапазоне волн, например при дальней связи, в радиовещании. Логопериодические антенны находят применение и на более высоких частотах, например в дециметровом диапазоне волн в качестве облучателей в зеркальных антеннах, а с переходом системы телевидения в дециметровый диапазон — как высококачественные приемные телевизионные антенны.
Микрополосковые и щелевые логопериодические антенны сантиметрового диапазона удобны для использования в бортовых радиосистемах, в которых вследствие меняющейся помеховой обстановки или других факторов приходится изменять рабочую частоту в широких пределах [12]. Ширина рабочей полосы антенны определяется не только стабильностью формы диаграммы направленности, но и требованиями по согласованности с ней фидерного тракта, коэффициентом полезного действия и т.д. Это также следует учитывать при разработке антенн. Между всеми характеризующими функционирование антенны показателями должен быть найден приемлемый для разработчика компромисс.
Совершенствование спиральных антенн является важной теоретической и практической задачей [14, 15]. На настоящем этапе развития антенной техники продолжаются исследования характеристик существующих типов спиральных антенн, что сопровождается расширением области их применения. Кроме того, выполняется их оптимизация с различных позиций, а также ведется поиск новых разновидностей спиральных антенн.
Анализ дисперсионных свойств на основе синхронных спиралей как замедляющих систем
Ниже, при исследовании свойств антенн на основе синхронных спиралей и характеристик направленности излучения, будем использовать метод векторных потенциалов как наиболее перспективный с точки зрения решения задач диссертационной работы.
Анализ характеристик спиральных антенн, как отмечается в [26], может проводиться путем решения граничной задачи, которое позволяет получить дисперсионное уравнение, определяющее систему волн в спирали и их основные свойства. Дисперсионное уравнение спиральной антенны получается в предположении малых поперечных размеров проводников, образующих заходы спирали. Волны, существующие в спирали для заданных размеров и конфигурации спирали, называются собственными. Основным назначением дисперсионного уравнения является описание распределения возбуждающего тока в спирали, распространение волны которого, как правило, считается бегущей волной. Затем для найденного распределения токов применяются известные методы решения внешней задачи, например, рассмотренные выше. Необходимо отметить, что для частотно независимых антенн [11], представляющих собой некоторый усеченный вариант бесконечной структуры, геометрия которой полностью определяется углами, используются различные модификации универсальных методов.
Выше отмечалось, что развитие антенной техники идет в направлении совершенствования существующих антенн и поиска новых их типов. Поскольку синхронная спираль является новым типом антенны, то в первую очередь необходимо определить уравнение, описывающее её геометрию и его решение. Это даст возможность использовать существующие методы электродинамики для расчета диаграмм направленности. При этом синхронную спираль следует представлять навитой из тонких проводников, что позволяет существенно упростить задачу расчета характеристик направленности.
Далее на основе сведений о составляющих излучения в дальней зоне можно рассчитать основные характеристики антенны. К ним можно отнести мощность и направленность излучения, его поляризационные характеристики, а также сопротивление потерь и сопротивление излучению, определяющим коэффициент полезного действия антенны на разных частотах. Эти характеристики являются основными для разработчика антенны. Таким образом, в первую очередь в целях будущего практического использования антенн на основе синхронных спиралей необходимо разработать методику расчета их характеристик.
Кроме того, в настоящее время широко используются конструктивные элементы, которые ограничивают область излучения либо приема частью пространства. Они применяются во многих устройствах, например, в антеннах с параболическими зеркалами. Ввиду этого, в частности, возникает необходимость расчета характеристик направленности антенны, расположенной над поверхностью, практически полностью отражающей радиоволны. Поскольку точность расчета направленных свойств для антенны во многом определяет показатели функционирования радиотехнической системы, в которой она используется, представляется важным рассмотреть задачу расчета скорректированной диаграммы направленности синхронной спирали более подробно, с использованием по возможности более точных, чем существующие, методов, базирующихся на законах распространения радиоволн. При этом необходимо учесть, что плоская антенна, как правило, выполняется на диэлектрической подложке, с обратной стороны которой размещается экран. Это ведет к необходимости учета явлений, происходящих на границе диэлектрика и свободного пространства.
Выше отмечалось, что в условиях современной насыщенности эфира различными радиосигналами, а также предъявления существенных требований к универсальности, антенные устройства сложных радиотехнических систем делаются, как правило, адаптивными. Примером таких устройств являются фазированные решетки. Как отмечается в [27], одним из путей получения улучшенных характеристик направленности для антенн с диаграммой игольчатой формы является нагрузка антенных элементов решетки, расположенных по её периметру, на согласованные сопротивления таким образом, чтобы принимаемый ими сигнал полностью поглощался. В качестве таких элементов могут выступать и плоские спиральные антенны. При этом предельную важность имеет отсутствие переизлучения от таких элементов, что приводит к необходимости точного их согласования со специальными омическими нагрузками. Для обеспечения такого согласования необходимо рассчитывать волновое сопротивление синхронной спирали, что является еще одной важной для практики задачей.
Таким образом, решение проблемы разработки метода проектирования антенн на основе синхронных спиралей должно проводиться в совокупности с развитием методик решения обозначенных выше частных проектных задач, что придаст разрабатываемому в диссертации методу дополнительную универсальность и расширит сферу его применения.
Проведенный анализ состояния развития и принципов функционирования спиральных антенн позволяет отметить, что в настоящее время имеется противоречие между потребностью в разработке и практическом использовании широкополосных антенн и фактическим отсутствием исследований и методов проектирования плоских антенн нового типа — антенн на основе синхронных спиралей, практическое применение которых, как ожидается, будет способствовать совершенствованию радиотехнических систем в целом.
Это позволяет сформулировать цель работы, которая заключается в повышении качественных и количественных показателей антенных устройств как составной части радиотехнических систем путем разработки метода проектирования антенн на основе синхронных спиралей, разработки методики расчет их характеристик, а также уточненной методики расчета диаграмм направленности для плоских антенн, расположенных на слое диэлектрика над экраном.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи. 1. На базе существующих методов электродинамики разработать методику расчета диаграмм направленности излучения, а также основных характеристик антенн на основе однозаходной синхронной спирали и выполнить проверку полученных расчетных соотношений.. 2. Выполнить сопоставление арифметической, логарифмической и синхронной спиральных антенн, а также кольца с током с целью установления качественных и количественных соотношений их свойств и определения возможной области применения для антенн нового типа. 3. Разработать метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, предполагающий использование методик, разработанных в диссертационной работе. 4. Разработать методику уточненного расчета диаграммы направленности для плоских антенн, имеющих фазовый центр и расположенных над плоским отражающим экраном. 6. Разработать методику расчета волнового сопротивления синхронной спирали, выполненной на слое диэлектрика над металлическим экраном.
Разработка метода расчета диаграммы направленности для излучателей, расположенных над металлическим экраном
Проектирование антенных устройств предполагает формирование проекта законченного изделия, которое должно обладать заданными характеристиками, повторяющимися от образца к образцу. Вместе с тем, качество функционирования антенны определяется не только её собственными параметрами и техническим оснащением производства, но и тем, в какой степени её конструкция отвечает дополнительным требованиям, непосредственно вытекающим из практики проектирования антенных устройств [47].
К числу таких требований следует отнести: необходимость согласования антенного устройства с линиями передачи и сопряженными трактами с учетом потребности в уменьшении реактивной составляющей комплексного коэффициента отражения; необходимость обеспечения достаточной прочности антенного устройства с одновременной локализацией формируемого (принимаемого) излучения в одной части пространства, что характерно для ряда случаев применения антенн; необходимость корректировки диаграммы направленности антенны при наличии ограничивающих область излучения (приема) конструктивных элементов; необходимость расчета согласующих устройств для начальной и конечной точек навивки антенны для обеспечения возможности работы в режиме согласованной нагрузки, что необходимо при использовании таких элементов в составе активных фазированных решеток.
Из этого вытекает необходимость обязательного учета этих дополнительных требований при проектировании и конструировании антенны на основе синхронных спиралей, чему отвечает предлагаемый в диссертации метод. На рис. 3.1 он представлен в виде схемы алгоритма проектирования.
Рассмотрим предложенный метод и его алгоритм. Исходно к антенному устройству предъявляются определенные требования по направленности излучения, полосе рабочих частот, согласованию с фидерным трактом, стойкости к внешним воздействиям, комплексируемости с другими узлами электронного изделия и т.п., которые регламентируются техническим заданием на антенное устройство. В отдельных случаях в техническое задание включаются и требования к фидерному тракту.
Схема алгоритма проектирования антенны на основе синхронной спирали Целью выполнения анализа является выявление качественных характеристик проектируемой антенны, её назначения, необходимости установки экрана в целях ограничения области излучения/приема частью пространства, а также оценка её параметров с точки зрения возможности практической реализации.
Выбор параметров синхронной спирали осуществляется на основе требований к форме диаграмм направленности на разных частотах интервала, оговоренного в техническом задании. К таким параметрам относят коэффициент замедления волны М и значение стационарного радиуса R. Этот этап проектирования может базироваться на методе синтеза на основе анализа, в ходе которого осуществляется оптимизация значений указанных параметров по критерию наибольшего соответствия формы диаграммы направленности её требуемому виду для разных частот заданного интервала функционирования. Затем в соответствии с предложенной выше методикой выполняется расчет основных характеристик для синхронной спиральной антенны, расположенной в свободном пространстве. Если полученные результаты удовлетворяют требованиям технического задания, то переходят к следующему этапу разработки. В противном случае выполняют корректировку параметров синхронной спирали, добиваясь компромиссного соотнесения между требуемыми диаграммами направленности и желаемыми основными характеристиками антенны.
В плоских антеннах спираль наносится на слой диэлектрика, с обратной стороны которого формируется металлический экран. Выбор конструкции антенны определяется её назначением и условиями эксплуатации. Если антенна предназначена для работы на все пространство, то для неё металлический экран не требуется, и она изготавливается на плоском однородном диэлектрике. Необходимо отметить, что в этом случае излучающая система будет характеризоваться некоторой асимметрией излучения относительно плоскости расположения спирали, что обусловлено преломлением электромагнитных волн с разным типом поляризации на границе раздела диэлектрика и воздуха. В отдельных приложениях [48], где требуется обеспечить симметрию формы диаграммы направленности, можно использовать конструкцию, предусматривающую заглубление спирали на половину толщины диэлектрика. Это обеспечивает дополнительную защиту от внешних воздействий и повышает прочность конструкции, однако несколько усложняет технологию изготовления антенны.
В случае, когда область приема или излучения должна быть ограничена частью пространства, используют конструкцию с применением металлического экрана. Такая конструкция обладает определенными преимуществами и находит наиболее широкое практическое применение [49, 50]. При отсутствии металлического экрана расчет диаграммы направленности выполняется по известным методикам [51].
При наличии металлического экрана расчет скорректированных характеристик выполняется при помощи предлагаемой ниже в диссертационной работе методики. Далее на основе полученного распределения поля в дальней зоне выполняется расчет характеристик антенны с использованием методики, предложенной в главе 2 диссертационной работы.
Если по результатам расчетов характеристики антенны с экраном не удовлетворяют требованиям технического задания или каким-либо другим имеющим значение критериям, то выполняется корректировка конструкции антенны, например, изменяется толщина диэлектрика или изменяется его материал. Здесь также применима методика синтеза на основе анализа. Проектирование согласующих устройств, выполняемое на следующем этапе, имеет своей целью выбор и определение места установки согласующего устройства, необходимого для обеспечения работы антенны в режиме бегущей волны и достижения в рабочем диапазоне уровня коэффициента стоящей волны не выше заданного в техническом задании. При этом необходимо предпринять меры для компенсации положительной реактивной составляющей входного сопротивления антенны [16]. Согласующие устройства проектируются на основе известных методик [52, 53].
Далее, в зависимости от назначения антенны на основе синхронной спирали, переходят либо к расчету изменения волнового сопротивления вдоль синхронной спирали, либо к конструированию антенны. Расчет волнового сопротивления выполняется в случае, когда антенна используется в качестве согласованно нагруженного приемного элемента, например, в составе ФАР [7], и выполняется в соответствии с предложенной ниже методикой. На этапе конструирования антенна оформляется в виде единой конструкции в совокупности с компонентами фидерного тракта, обеспечивающего канализацию электромагнитной энергии к антенне либо от неё в зависимости от режима функционирования.
Предложенный метод проектирования отличается от известных новизной объекта проектирования и используемой методикой расчета характеристик [54], а также новой, разрабатываемой ниже методикой расчета диаграмм направленности для случая расположения плоской антенны над металлическим экраном.
Конструкция спроектированной антенны и технологический процесс производства
Антенна для устройства мониторинга сотовых сетей должна разрабатываться с учетом специфики его назначения. На границах зон покрытия действуют сигналы от двух либо большего числа базовых станций. Поскольку каждая из них должна подвергаться контролю в отдельности, то антенна должна работать на полупространство. Поэтому конструкция антенны должна предусматривать наличие экрана, т.е. антенна должна располагаться на диэлектрической подложке над экраном.
Исходя из условия функционирования антенны в широкой полосе частот и обеспечения согласования толщина диэлектрика должна соответствовать условию h Xmax /(5,9vs), где є — его относительная диэлектрическая проницаемость. Примем нижнюю границу рабочей частоты равной 450 МГц, что соответствует максимальной длине волны Хтгл = 0,657 м. Отсюда следует, что толщина диэлектрика для разрабатываемой антенны должна быть не менее h 0,111 / vs . С учетом того, что диэлектрик должен иметь приемлемую толщину, целесообразно в качестве него выбрать материал с довольно большим значением є, например, порядка 40...60. В этом случае минимальное значение толщины диэлектрика составляет около 20 мм. В связи с тем, что диэлектрический материал должен будет работать в условиях СВЧ-полей, необходимо, чтобы он обладал соответствующими свойствами. Из видов материалов, пригодных к использованию в качестве диэлектриков антенн, наиболее подходящим являются высокочастотные керамики с повышенной и высокой диэлектрической проницаемостью [79]. Такие материалы формируются на основе соединений оксидов титана, циркония и олова и оксидов металлов I, II и III групп, а также твердых растворов этих соединений. Относительная диэлектрическая проницаемость для некоторых типов высокочастотных керамик достигает 10 000. Требуемое значение диэлектрической проницаемости, согласно справочным данным [80], свойственно однофазной керамике на основе оксида алюминия с добавлением 0,1...0,3 % оксидов магния, кремния и титана, предназначенной для работы в сантиметровом диапазоне частот. Керамика III класса, Ж-группы свойств имеет значение є = 40 ± 2 на частотах до 10 ГГц, и близкий к нулю температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, что немаловажно с учетом необходимости функционирования устройства контроля в широком интервале температур [80]. Для значения Е = 40 при минимальной рабочей частоте, равной 450 МГц, минимальное расстояние между спиралью и экраном составляет 18 мм. Примем толщину диэлектрика равной 20 мм. В целях согласования фидерного тракта с антенной используем в её конструкции согласующий диск. Для обеспечения согласованпя в широком диапазоне частот, как отмечалось в главе 3, диск должен иметь диаметр не более Dc 0,2A,max, т.е. в нашем случае Dc 0,131 м. Выбор диаметра согласующего диска должен, очевидно, проводиться с учетом диаметра спирали. В главе 2 отмечалось, что спираль может функционировать в разных режимах. Для решения нашей задачи наиболее предпочтительным является режим осевого излучения/приема, свойственный антенне на основе синхронной спирали в области длин волн X Х0 и X Х0. Предельную рабочую частоту примем равной 2000 МГц, ей соответствует длина волны X = 0,15 м и значение стационарного радиуса R = 24 мм. Для обеспечения выполнения условия X Х0 во всем интервале рабочих частот, а также для уменьшения габаритов антенны выберем значение R менее 24 мм; зададим значение R = 12 мм. Диаметр согласующего диска должен быть как можно меньше, однако обеспечивать перекрытие начало первого витка спирали, поэтому примем Dc = 6 мм. Отсюда следует, что для обеспечения качественного согласования спираль должна строиться из центра и иметь значение коэффициента замедления больше единицы. Примем значение М=1. В разделе 3.2 диссертационной работы отмечалось, что для обеспечения согласования в широком диапазоне частот расстояние между согласующим диском и плоскостью антенны должно составлять hc =(0,002...0,01) lim /vs . С учетом того, что Хтт = 0,657 миє =40 значение he должно составлять от 0,2 до 1 мм. Выберем значение he равным 0,5 мм из технологических соображений и требований достаточной прочности. Поскольку проектируемая антенна имеет форму спирали, предпочтительной будет являться круглая форма керамической подложки. Определить её радиус можно на основе результатов исследований, проведенных в главе 3 диссертационной работы. Если относительную диэлектрическую проницаемость подложки обозначить как Б, то для волны, выходящей из диэлектрика в свободное пространство, имеет место полное диэлектрика и свободного пространства к экрану и обратно последняя проходит в радиальном направлении расстояние, равное Ri =2hg(@x) . Выше отмечалось также, что для достижения погрешности 5... 10 % при расчете диаграммы направленности для антенны, расположенной над металлическим экраном, необходимо учитывать N = 5...6 отражений от экрана. Таким образом, радиус диэлектрика должен быть таков, чтобы в нем обеспечивалось прохождение электромагнитной волны с учетом не менее пяти отмеченных выше циклов. Отсюда следует, что радиус подложки должен быть больше выбранного выше стационарного радиуса спирали не менее чем на величину Rd - 5R{. Для выбранного диэлектрика є = 40, и угол полного отражения равен 0, = 0,159, значение Rd = 32 мм. Таким образом, полный радиус подложки составляет Rp = 43 мм. Согласно разработанному в главе 3 методу проектирования антенн на основе синхронных спиралей, начальная стадия предполагает анализ технического задания и выбор характеристик антенны. Основное содержание этих были отражены в предыдущем разделе, где наряду с выбором параметров антенны была обоснована конструкция проектируемой антенны.
К основным характеристикам, согласно результатам, полученным в главе 2, следует отнести диаграммы направленности и угловую зависимость коэффициента направленного действия для основных рабочих частот, а также коэффициента полезного действия. Расчет сопротивления излучению в данном случае выполнять не имеет смысла [17], поскольку конструкция системы возбуждения антенны обеспечивает широкополосное согласование.
Расчет диаграмм направленности и коэффициента направленного действия для рабочих частот антенны выполним на основе соотношений, полученных для витков, близких к стационарному радиусу, а также предложенной выше методики расчета диаграмм направленности для антенн, расположенных над металлическим экраном.
На рис. 4.1 показаны диаграммы направленности для частот 450, 900, 1800 МГц и случаев, когда антенна на основе синхронных спиралей расположена в свободном пространстве и на диэлектрике над экраном с указанными выше характеристиками. Анализ этих зависимостей показывает, что для всех трех частот диаграмма направленности имеет практически одну и ту же форму, т.е. она будет слабо зависеть от того, сети какого стандарта подвергаются мониторингу.
