Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена анализу свойств резонаторных антенн (РА) с частично прозрачной стенкой. В последние десятилетия исследователи и разработчики антенн проявляют все больший интерес к миниатюризации антенн путем использования в них резонансных явлений. Миниатюризация антенн имеет первостепенное значение для современной самолетной аппаратуры, космических кораблей, спутниковой связи, мобильных радиоэлектронных средств. В связи с развитием спутникового телевидения в последние годы возник большой практический интерес к разработке бытовых плоских антенн для непосредственного приема спутникового телевидения.
При проектировании антенн процесс миниатюризации развивался медленно. Применение полупроводниковых устройств и гибридных интегральных микросхем создало большую диспропорцию между размерами антенн и других радиоэлектронных устройств. Миниатюризация антенн ограничивается электродинамическими свойствами излучающих устройств, поскольку свойства направленности антенны зависят от размеров ее апертуры в длинах волн.
Экспериментальная отработка РА трудоемка, требует большого количества времени и серьезных материальных затрат. Приближенные методы расчета РА с высокой добротностью, а, следовательно, и малой шириной полосы рабочих частот (1% и менее), оказываются непригодными для разработки РА с полосой рабочих частот 5 - 7% и более из-за больших погрешностей. Эти факторы сделали актуальным создание численных моделей таких антенн. Модельные исследования стали возможны лишь с появлением эффективных численных методов и определенным уровнем развития вычислительной техники.
Количество публикаций, посвященных расчетам РА, невелико, а что касается РА со сравнительно широкой полосой рабочих частот, то здесь имеются лишь единичные публикации. Это связано с тем, что строгий учет влияния излучения антенны на структуру поля в резонансной полости в сочетании с учетом влияния конструктивных элементов устройства возбуждения приводят к целому кругу аналитических и вычислительных проблем. Настоящая работа
4 предпринята с целью восполнения пробелов в существующих методах анализа РА с конечной добротностью резонатора, обусловленной его радиационными потерями на передачу энергии в окружающее пространство и устройство возбуждения.
Объект и предмет исследования. В предложенной работе исследована РА с излучателями в виде прямоугольных отверстий. Она возбуждается полоско-вой линией через отверстие связи, которое ограждено по периметру системой металлических штырей, закорачивающих экраны полосковой линии. Высота РА близка к половине длины волны, что позволяет достичь заметного уменьшения размеров антенны при заданном коэффициенте усиления (КУ).
КУ антенны определяет уровень сигнала, поступающего на антенный вход приемного устройства, а, следовательно, и соотношение "сигнал - шум", от которого зависит качество телевизионного приема. Поэтому предметом исследований в диссертационной работе являются характеристики направленности РА, - диаграмма направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (КНД), которые определяют КУ антенны.
В силу сложности поставленных задач и ограниченности рамок работы исследованиям причин снижения КУ в диссертации уделено второстепенное место. Некоторые из полученных результатов опубликованы в [1, 3, 7].
Целью диссертационной работы является:
-
разработка вычислительной модели РА, возбуждаемой полосковой линией через отверстие связи, способной с допустимыми отклонениями предсказывать электродинамические параметры рабочих образцов РА;
-
выявление основных закономерностей поведения характеристик направленности РА в диапазоне частот с использованием ее вычислительной модели;
-
разработка методики расчета РА, позволяющей создавать образцы антенн без применения эмпирических методов исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Решена общая электродинамическая задача о возбуждении ряда облас-
5 тей, ограниченных идеально проводящими оболочками, связанных между собой и с внешним пространством через апертуры отверстий. Система интегральных уравнений относительно неизвестных электрических и магнитных токов решена методом Галеркина. Порядок полученной системы линейных уравнений равен сумме гармоник токов на конструктивных элементах и апертурах отверстий. Коэффициентами системы являются коэффициенты взаимодействий токов внутри областей, каждый из которых вычислен с использованием аппарата тензорных функций Грина и представлен либо дискретным спектром стоячих и бегущих волн (в замкнутых областях), либо непрерывным спектром бегущих волн (во внешнем пространстве).
2. Исследована зависимость характеристик излучения РА от ее геомет
рических размеров и способа возбуждения. Проведена численная оптимизация
размеров образца антенны по КНД и форме ДН в условиях их зависимости от
многих параметров.
Показано, что для запитки РА предпочтительней использовать два отверстия связи, расположенные симметрично на расстоянии Vt размера широкой стенки от центра резонатора.
Показано, что зависимость КНД от частоты максимальна по ширине, когда: а) период решетки NxN излучающих отверстий, расположенных по N вдоль каждой из сторон широкой верхней стенки резонатора, равен N-й доле от длины стороны этой стенки; б) при поперечных размерах широкой верхней стенки излучающего резонатора около четырех длин волн решетка имеет 6x6=36 излучающих отверстий.
Показано, что резонансная частота антенны смещается в область нижних частот при: а) увеличении размеров излучающих отверстий; б) увеличении высоты резонатора (причем относительное изменение высоты и относительное изменение частоты пропорциональны друг другу); в) увеличении толщины перфорированной стенки резонатора.
3. Разработана методика, позволяющая вычислять геометрические пара
метры РА с заданными характеристиками.
Теоретическую значимость и прикладную ценность представляют следующие результаты работы:
-
Разработаны вычислительная модель, алгоритмы и программы расчета на ЭВМ характеристик РА в виде низкого многомодового металлического резонатора с частігчно прозрачной стенкой в виде экрана, перфорированного прямоугольными отверстиями.
-
Установлены зависимости смещения резонансной частоты РА от геометрических параметров антенны. По критерию максимального КНД в рабочем диапазоне частот проведена численная оптимизация конструкции РА. Определены условия, при которых зависимость КНД от частоты максимальна по ширине.
-
Разработана методика расчета размеров РА по заданным параметрам -рабочему диапазону частот и КНД, позволяющая создавать образцы антенн, характеристики направленности которых близки к оптимальным.
Реализация результатов работы:
-
Изготовлены и испытаны два образца антенны в диапазоне 12 ГГц. Первый - в диапазоне частот 11.7...12.2 ГГц с круговой поляризацией поля излучения с КУ 20 дБ. Второй - в диапазоне частот 12.2...12.75 ГГц с двумя линейными поляризациями с КУ 20 дБ.
-
Первый образец использован в ОКР "Квадрат", выполненной в ОАО НИИ по измерительной технике (г. Челябинск), в качестве элемента плоской антенной решетки для непосредственного приема спутникового телевидения в районе 1 согласно делению территории Земли Международным союзом электросвязи. Антенна успешно прошла заводские испытания, апробацию по приему телевизионных передач с североевропейских спутников "Thor" и "Sirius" на Выборгском телевизионном передающем центре в Ленинградской области. Прием передач со спутника "Галс" с помощью плоской антенны "Квадрат" демонстрировался на Всемирной выставке по связи "Экспо-95" в г. Москве.
-
Второй образец использован в НИОКР "Исток-96" для создания плоской антенны для непосредственного приема спутникового телевидения в рай-
7 оне 2. Изготовлен опытный образец плоской антенны для проведения совместных испытаний.
-
На основании НИОКР в ОАО НИИИТ разработана инвестиционная программа "Модификация и освоение массового выпуска малогабаритной плоской антенны для непосредственного приема спутникового телевидения", поддержанная правительственными структурами Российской Федерации.
-
Модель, алгоритмы и программы расчета РА используются в учебном процессе в Южно-Уральском государственном университете в курсах "Электродинамика и распространение радиоволн", "Техническая электродинамика", "Информатика", "Антенны и устройства СВЧ".
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 1996 - 2000гг.); 2-й Международной конференции "Спутниковая связь" (Москва, 23-27 сентября 1996г.); Международной конференции по проблемам и перспективам развития электросвязи в России и странах СНГ (Екатеринбург, 11-12 февраля 1997г.); Международном симпозиуме по теории электромагнетизма 1998г. (Салоники, Греция, 25-28 мая 1998г.).
Выступления получили одобрение в научных кругах, а результаты обсуждения использованы в дальнейшей работе. По результатам работы опубликовано три доклада [2, 5,6], один отчет по НИР [3], три статьи [1,4, 7].
На защиту выносятся:
-
Решение общей электродинамической задачи о возбуждении эквивалентными электрическими и магнитными токами ряда областей, ограниченных идеально проводящими оболочками, связанных между собой и с внешним пространством через апертуры отверстий. Решение представлено в виде совокупности комплексных амплитуд гармоник искомых распределений токов.
-
Вычислительная модель антенны в виде низкого многомодового резонатора с системой излучающих отверстий, возбуждаемого полосковои линией через отверстие связи.
-
Закономерности поведения ДН, КНД и поляризационных характеристик РА в диапазоне частот при различных геометрических параметрах резонатора и перфорированной стенки.
-
Методика расчета размеров РА по заданным параметрам - рабочему диапазону частот и КНД, позволяющая создавать образцы антенн, характеристики направленности которых близки к оптимальным.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 186 страниц текста, включающего 53 графических иллюстрации, 8 таблиц и библиографический список из 119 наименований.
