Разработка и исследование двухдиапазонной антенны с круговой диаграммой направленности и горизонтальной поляризацией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дударев Святослав Валерьевич

• Дударев Святослав Валерьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Дударев Святослав Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ ДВУХДИАПАЗОННЫХ АНТЕНН С КРУГОВОЙ ДН И

ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

1.1. Введение

1.2 Применение двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией в системах беспроводной связи

1.3 Классификация способов построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой диаграммой направленности в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией

1.4 Выводы

ГЛАВА 2. РАСЧЁТ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДЛОЖЕННОЙ АНТЕННЫ

2.1. Введение

2.2. Анализ существующих программ электромагнитного моделирования

2.3. Новый способ построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией

2.4. Физическая модель антенны

2.5. Электромагнитные характеристики антенны

2.6. Особенности модульности конструкции антенны

2.7. Аналитический расчёт частотной зависимости КСВН связанных вибраторов

2.8. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АНТЕННЫ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

3.1. Введение

3.2. Исследование влияния длины плеч первичных вибраторов на согласование антенны с фидером

3.3. Исследование влияния ширины линии питания первичных вибраторов на

согласование антенны с фидером

3.4. Исследование влияния диаметра круглой площадки делителя мощности на согласование антенны с фидером

3.5. Исследование влияния длины вторичных вибраторов на согласование антенны с фидером

3.6. Исследование влияния расстояния между платами на согласование антенны с фидером

3.7. Исследование влияния места расположения вторичных вибраторов на согласование антенны с фидером

3.8. Анализ результатов исследования влияния основных геометрических параметров антенны на согласование с фидером

3.9. Методика проектирования антенны

3.10. Исследование влияния экрана на электромагнитные характеристики антенны

3.11. Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫ

4.1. Введение

4.2. Конструкция макета антенны

4.3. Экспериментальное измерение диаграммы направленности

4.4. Экспериментальное измерение КСВН антенны

4.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Патент на полезную модель №

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Патент на полезную модель №

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование двухдиапазонной антенны с круговой диаграммой направленности и горизонтальной поляризацией»

Актуальность темы исследования

Одним из актуальных направлений развития радиотехники в последнее время является область антенно-фидерных устройств. С помощью антенн осуществляется связь с различными подвижными объектами (наземный, воздушный и водный транспорт), теле- и радиовещание, сотовая связь и многое другое. Условия эксплуатации, электромагнитная совместимость, особенности распространения электромагнитной волны, ограничения по массогабаритным характеристикам и др. определяют требования к современным излучающим устройствам. В последнее время наблюдается стремительное увеличение количества используемых диапазонов частот, в которых осуществляется радиосвязь и обмен информацией. Поэтому существует потребность в широкополосных антеннах, способных покрывать несколько диапазонов одновременно. Однако зачастую ширины их полосы не хватает для работы в диапазонах, сильно разнесённых по частотам (например, технология Wi-Fi). Кроме этого электромагнитные характеристики широкополосных излучателей могут быть нестабильны в пределах полосы пропускания. Поэтому в таких случаях целесообразно использовать антенны, работающие в нескольких диапазонах частот одновременно, например, двухдиапазонные. В отличии от излучателей, каждый из которых настроен на одну полосу пропускания, они обладают единым исполнением и не требуют оценки взаимного влияния между излучающими элементами в составе конструкции, что делает их предпочтительными для применения в условиях с жёсткими требованиями к массогабаритным характеристикам.

Круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости позволяет обеспечить стабильный уровень сигнала при изменении ориентации объекта. Всенаправленные антенны с вертикальной поляризацией поля излучения обладают более простой конструкцией по сравнению с антеннами, имеющими горизонтальную поляризацию. Это является одним из факторов, определившим их широкое распространение в различных беспроводных системах связи. Однако последние исследования показали, что эффективность антенн с горизонтальной

поляризацией в крупных офисных помещениях выше [1]. Это связано, во-первых, с тем, что коэффициент прохождения через стены для горизонтальной и вертикальной поляризаций различен, во-вторых, с явлением полного преломления электромагнитной волны на границе раздела двух сред (угол Брюстера) [1, 2].

В связи с вышесказанным, в последнее время актуально исследование различных конструкций двухдиапазонных антенн, обладающих круговой диаграммой направленности в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения, с целью их применения для создания беспроводных локальных сетей Wi-Fi; для обеспечения сотовой связи в стандартах 2-5G; для связи с различными подвижными объектами; для реализации технологии интернет вещей и др. Существующие конструкции таких антенн обладают рядом недостатков. Самые широкополосные из них имеют значительные массогабаритные характеристики. Антенны с компактными размерами узкополосны в одном или обоих диапазонах частот, а также могут иметь значительную неравномерность ДН в горизонтальной плоскости. Таким образом, важной задачей является создание нового способа построения подобных излучателей, а также исследование рабочего образца антенны, разработанного согласно этому методу.

Степень разработанности темы

Основоположниками теории антенн, обеспечивающих круговую ДН в горизонтальной плоскости, являются K.F. Braun, В.В. Татаринов, A. Alford, A.G. Kandoian и др. В настоящее время данная тема получила развитие в работах российских учёных В.А. Велегуры, А.Л. Бузова, В.И. Милкина, А.О. Перфиловой, М.А. Степанова, О.А. Юрцева и др., и зарубежных учёных J.S. McLean, R. Sutton, C.-H. Ahn, T. Liu, Y. Yu, J. Lai, B. Feng, P. Luo, J. Guo, и др.

В работах М.С. Неймана, H. Yagi, S. Uda, впервые предложено использование пассивных элементов в конструкции антенн и исследовано их влияние на электромагнитные характеристики. В настоящее время исследованием всенаправленных антенн с пассивными элементами, работающими в нескольких диапазонах частот одновременно, занимаются J. Yu, Y. Sun, Y. Yu, Z. Chen, G.G. Zhang, H. Zhang и др.

Из наиболее значимых недостатков существующих антенн можно выделить следующие: узкая полоса пропускания одного или обоих диапазонов частот, значительные габариты, отсутствие возможности оперативного изменения и наращивания электромагнитных характеристик антенны.

Объект исследований - оригинальная двухдиапазонная антенна, обладающая круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения.

Предмет исследований - электромагнитные характеристики антенны, закономерности в их поведении при изменении размеров излучающих элементов.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка и исследование антенны, позволяющей передавать и принимать радиосигналы с горизонтальной поляризацией поля излучения во всех направлениях в Е-плоскости в двух широких диапазонах частот.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Проанализировать существующие способы построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения, и выявить их преимущества и недостатки.

2) Сформулировать основные принципы и особенности нового способа построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения. Обосновать его преимущество перед существующими.

3) Рассчитать и исследовать электромагнитные характеристики антенны, разработанной согласно предложенному способу.

4) Исследовать влияние размеров излучающих элементов антенны на входное сопротивление и КСВН для выявления ключевых закономерностей в их поведении и определения оптимальных размеров составных частей антенны. Определить методику проектирования антенны.

5) Разработать опытный образец антенны, измерить его электромагнитные характеристики. Для верификации результатов исследования провести их сравнение с экспериментальными данными.

Научная новизна работы

1) Разработан новый способ построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения. Он отличается от существующих на данный момент тем, что, во-первых, для уменьшения продольных размеров антенны применено диагональное расположение первичных и вторичных вибраторов: они разнесены как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, во-вторых, введена дополнительная круговая решётка из связанных вибраторов другого размера, которая позволяет расширить оба диапазона, а также увеличить коэффициент усиления и уменьшить неравномерность диаграммы направленности в Е-плоскости во втором диапазоне частот.

2) Разработана новая конструкция двухдиапазонной антенны, обладающей круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией, отличающаяся от существующих тем, что первичные вибраторы расположены на одной плате и их плечи вместе с линиями питания образуют Б-образные печатные элементы, а вторичные вибраторы двух типоразмеров размещены на другой плате и представляют собой печатные полоски с вырезом в центре.

3) Приведены результаты исследования электромагнитных характеристик предложенной антенны. Они отличаются от известных на данный момент тем, что получены применительно к оригинальной конструкции антенны, реализованной согласно новому способу, и определяют степень влияния элементов антенны на электромагнитные характеристики.

4) Разработано новое конструктивное решение по осуществлению настройки электромагнитных характеристик предложенной антенны, отличающееся от существующих тем, что регулировка входного сопротивления и угла максимума ДН в Н-плоскости во втором диапазоне частот осуществляется путём изменения расстояния между платами с первичными и вторичными вибраторами.

Теоретическая значимость работы

1) Разработан новый способ построения двухдиапазонных антенн с горизонтальной поляризацией, обеспечивающих круговую ДН в Е-плоскости, позволяющий уменьшить продольные размеры антенны, увеличить коэффициент усиления и уменьшить неравномерность ДН во втором диапазоне частот.

2) Определены закономерности поведения входного сопротивления и КСВН при изменении размеров излучающих элементов антенны, позволяющие оценить степень влияния каждого из них на электромагнитные характеристики антенны.

3) Получены новые результаты численного и экспериментального исследования предложенной антенны, которые расширяют существующие знания в области работы антенн, имеющих круговую ДН в Е-плоскости и горизонтальную поляризацию поля излучения.

4) Разработана математическая модель связанных первичного и вторичного вибраторов, являющихся базовым элементом предложенной антенны, позволяющая аналитически рассчитать их резонансные частоты.

Практическая значимость работы

1) Разработана и запатентована двухслойная печатная антенна, обеспечивающая круговую ДН в Е-плоскости и горизонтальную поляризацию в двух диапазонах частот.

2) Разработана и запатентована трёхслойная печатная антенна, обладающая повышенным коэффициентом усиления в обоих диапазонах частот и демонстрирующая возможность наращивания электромагнитных характеристик.

3) Разработан экспериментальный образец антенны, позволяющий оценить эффективность нового метода построения двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией.

Методы исследования

Для расчёта и исследования электромагнитных характеристик предложенной антенны использована программа СВЧ-моделирования, в которой реализован метод конечного интегрирования.

Экспериментальные измерения характеристик исследуемой антенны проведены с помощью векторных анализаторов цепей CABAN R180, Agilent E5071C и др. Сравнение результатов измерений и численного моделирования выполнено с помощью специальных прикладных программах, предназначенных для обработки научных данных.

Положения, выносимые на защиту

1) Определено, что применение первичных и вторичных вибраторов, разнесённых в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в круговой решётке позволяет обеспечить работу антенны в двух диапазонах частот. Использование дополнительной решётки из связанных вибраторов, отличающейся диаметром и размерами первичных и вторичных вибраторов, позволяет расширить оба диапазона, увеличить коэффициент усиления и уменьшить неравномерность диаграммы направленности в Е-плоскости во втором диапазоне частот.

2) Определено, что печатное исполнение предложенной антенны позволяет оперативно регулировать КСВН и угол максимума диаграммы направленности в Н-плоскости во втором диапазоне, а также наращивать электромагнитные характеристики путём применения дополнительных плат.

3) Определено, что вариация геометрических параметров излучающих элементов на различных слоях антенны вызывает изменение электромагнитных характеристик в разных диапазонах частот. Так, длины плеч первичных и вторичных вибраторов определяют резонансные частоты первого и второго диапазонов соответственно, а размеры составных частей делителя мощности и расстояние между платами оказывают влияние на входное сопротивление антенны в обоих диапазонах частот.

4) Показано, что размеры и взаимное расположение первичных и вторичных вибраторов, а также конструктивные особенности делителя мощности, определяют максимальную ширину первого и второго диапазонов в 39,3 и 16,6 % соответственно относительно центральных частот в каждом из них при условии, что в диапазонах отсутствуют максимумы, в которых КСВН больше 1,4.

Сведения о личном вкладе автора

Все результаты, приведённые в диссертационном исследовании, получены автором лично. Подготовка результатов исследований для публикации в научно -технических конференциях и журналах проводилась совместно с научным руководителем и другими соавторами.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов исследования, приведённых в диссертационной работе, подтверждается компьютерным моделированием и экспериментальными измерениями, проведёнными в лабораториях кафедры «Радиоэлектроника и системы связи» ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» и в безэховой камере ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 2.2.14 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии» по пунктам 2 и 3: «Исследование характеристик антенн и микроволновых устройств для их оптимизации и модернизации, что позволяет осваивать новые частотные диапазоны, обеспечивать электромагнитную совместимость, создавать высокоэффективную технологию и т.д.»; «Исследование и разработка новых антенных систем, активных и пассивных микроволновых устройств, в том числе управляющих, фазирующих, экранирующих и других, с существенно улучшенными параметрами».

Апробация результатов

Результаты диссертационного исследования воплощены в макете двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны и внедрены в производство на АО «Челябинский радиозавод «Полёт».

Результаты диссертационной работы представлены на научно-технических конференциях: 6-ая «Урало-Сибирская конференция по биомедицинской инженерии, радиоэлектронике и информационным технологиям», г. Екатеринбург. - 2023; «VIII Всероссийская микроволновая конференция», г. Москва. - 2022; 15-ая научная конференция аспирантов и докторантов «Научный поиск», г.

Челябинск. - 2023; 14-ая научная конференция аспирантов и докторантов «Научный поиск», г. Челябинск. - 2022.

В результате исследования получено два патента на полезную модель: RU № 210380 U1, МПК H01Q 5/00: «Двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна с комбинированным возбуждением», RU № 217561 U1, МПК H01Q 5/00: «Многослойная двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 научных статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ; 2 статьи в материалах научных конференций, включенных в международную базу цитирования Scopus; 2 научных работы опубликованы в других журналах и материалах российских и международных научно-технических и научно-практических конференций.

Структура и объём работы

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 91 наименований и 3 приложения. Общий объём работы составляет 136 страниц, 88 рисунков, 4 таблицы.

В введении приведено обоснование актуальности диссертационного исследования, определены объект и предмет исследования, поставлены цели и конкретизированы задачи для их выполнения. Показана научная новизна работы, приведена теоретическая и практическая значимости диссертационного исследования и определены методы исследования. И наконец сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведено современное состояние проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа. Показаны варианты применения двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией в современных системах беспроводной связи. Сформулирована классификация способов построения данных антенн на основе разнообразия существующих конструкций. Проведён анализ каждого из методов, выявлены их преимущества и недостатки, определившие предпосылки для создания нового

способа построения двухдиапазонных антенн с круговой ДН в плоскости вектора Е и горизонтальной поляризацией.

Во второй главе представлен новый способ построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией. Согласно предложенному методу разработана конструкция печатной антенны. В программе СВЧ-моделирования рассчитаны основные электромагнитные характеристики антенны: КСВН, коэффициент усиления, диаграмма направленности, КПД, диаграмма коэффициента эллиптичности. Предложена математическая модель основного излучающего элемента антенны - связанных первичного и вторичного вибраторов. Входное сопротивление вибраторов рассчитано с помощью эквивалентной схемы в виде разомкнутой на конце двухпроводной линии с потерями. Взаимное сопротивление вибраторов найдено с помощью метода наводимых э. д. с. В расчётах использованы новые функции распределения тока на поверхности первичного и вторичного вибраторов, полученные на основе приближённых уравнений Галлена. Математическая модель позволяет рассчитать резонансные частоты связанных вибраторов.

В третьей главе приведены результаты исследования, посвящённого выявлению закономерностей в поведении входного сопротивления антенны и КСВН при изменении размеров её структурных элементов. В процессе исследования изменялись геометрические параметры первичных и вторичных вибраторов, делителя мощности, настроечных элементов, а также взаимное расположение связанных вибраторов. Получены результаты исследования электромагнитных характеристик антенны с экраном. Определены закономерности в поведении диаграммы направленности, коэффициента усиления и КСВН при изменении расстояния между излучателем и экраном. Сформулирована методика проектирования и согласования антенны с фидером.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментального исследования электромагнитных характеристик предложенной антенны. В безэховой камере методом вышки измерены ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Исследовано влияние величины зазора между

диэлектрическими подложками антенны на частотную зависимость КСВН. Построены графики экспериментальных зависимостей и проведено их сравнение с результатами моделирования, выявлены основные закономерности в поведении данных характеристик.

В заключении описаны основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приведены патенты на полезную модель исследуемой антенны и копия акта о внедрении результатов диссертационной работы в производство.

14

Глава 1

Особенности применения и анализ способов построения двухдиапазонных антенн с круговой ДН и горизонтальной поляризацией

1.1. Введение

В данной главе приведено современное состояние проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа. На основании результатов последних исследований обоснована целесообразность применения двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией поля излучения в системах беспроводной связи. Сформулирована классификация способов построения данных антенн на основе разнообразия существующих конструкций. Проведён анализ каждого из методов, выявлены их преимущества и недостатки, определяющие предпосылки для создания нового способа построения двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией.

1.2. Применение двухдиапазонных антенн с круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией в системах беспроводной связи

В настоящее время во многих радиотехнических системах, а также на различных подвижных объектах используются антенны с круговой ДН в горизонтальной плоскости. Такая ДН позволяет обеспечить стабильный уровень сигнала при изменении ориентации объекта относительно передающей станции.

На данный момент существует большое разнообразие антенн, обладающих круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. В основном это вертикальные вибраторы [3-6], реже встречаются круговые решётки из горизонтальных вибраторов [7-21], рамочные [22-31] и щелевые [32-36] антенны (рис. 1.1). Электромагнитные характеристики таких антенн могут сильно варьироваться.

а) б) в) г)

Рисунок 1.1 - Различные виды антенн с круговой ДН в горизонтальной плоскости: а) вертикальный вибратор, б) круговая решётка из горизонтальных вибраторов,

в) рамочная антенна, г) щелевая антенна

Ненаправленные в горизонтальной плоскости антенны с вертикальной поляризацией поля излучения имеют более простую конструкцию в отличие от антенн с горизонтальной поляризацией, выполняющих аналогичную функцию. Это является одним из факторов, определяющих их широкое распространение в различных областях беспроводной связи. Несмотря на это антенны с горизонтальной поляризацией поля излучения обладают рядом преимуществ. Последние исследования показали, что они более эффективны в крупных офисных помещениях (рис. 1.2, а) [1]. Так использование антенн с горизонтальной поляризацией как в приёмнике, так и в передатчике, позволяет увеличить уровень сигнала по сравнению с случаем, когда применяются излучатели с вертикальной поляризацией (рис. 1.2, б) [1]. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, коэффициент прохождения через стены для рассматриваемых поляризаций различен [1]. Во-вторых, в зданиях пол и потолок можно рассматривать как проводящие поверхности, тогда как стены (и различные перегородки) по своим свойствам ближе к диэлектрику. В этих условиях волны с горизонтальной поляризацией испытывают полное преломление (угол Брюстера) и проходят через стенки без отражения [2]. Вероятно, данные закономерности поведения электромагнитной волны можно перенести и на районы населённых пунктов с плотной застройкой.

Difference between HH and W channels 1------

а) б)

Рисунок 1.2 - Пояснение к исследованию влияния поляризации электрического поля на распространение волны в помещении: а) модель офисного помещения,

б) разница между мощностями, полученными при использовании антенн с горизонтальной поляризацией как в приёмнике, так и в передатчике, и антенн с вертикальной поляризацией как в приёмнике, так и в передатчике

В последнее время активно развиваются и совершенствуются системы связи и передачи данных. В связи с этим наблюдается увеличение количества используемых диапазонов частот. Поэтому существует потребность в широкополосных антеннах, способных покрыть несколько диапазонов одновременно [37-39]. Однако электромагнитные параметры таких излучателей могут быть нестабильны на краях диапазона и зачастую их полосы не хватает для одновременной работы на разнесённых частотах. Поэтому в таких случаях целесообразно использовать антенны, работающие в нескольких диапазонах одновременно. Они в отличие от излучателей, настроенных каждый на свой диапазон, обладают единым исполнением и не требуют дополнительных расчётов для оценки взаимного влияния. Это обуславливает их преимущество для применения в условиях жёстких требований к массогабаритным характеристикам.

В связи с вышесказанным в последнее время актуально исследование различных конструкций двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией, с целью их применения для создания

беспроводных локальных сетей Wi-Fi [40, 41, 42]; для обеспечения сотовой связи [43, 44]; для связи с различными подвижными объектами и др.

1.3. Классификация способов построения двухдиапазонных антенн, обладающих круговой диаграммой направленности в Е-плоскости и

горизонтальной поляризацией

На данный момент существуют различные типы двухдиапазонных антенн, обладающих круговой ДН в Е-плоскости и горизонтальной поляризацией. Однако в литературе не приведена классификация способов их построения. На основе анализа конструкций подобных антенн сформулированы основные принципы их построения:

1) Применение двух круговых решеток, расположенных одна над другой, каждая из которых настроена на свой диапазон частот и возбуждается отдельно.

2) Применение в круговой решётке излучателей специальной формы, настроенных на две разнесённые резонансные частоты;

3) Применение резонаторов сложной формы в щелевой антенне;

4) Применение в круговой решётке различных пассивных элементов.

5) Разнесение резонансных частот в широкополосной антенне.

Рассмотрим первый способ подробнее. Согласно которому, антенна

представляет собой «двухэтажную» конструкцию из печатных плат (рис. 1.3, а). На каждой диэлектрической подложке размещена круговая решётка из излучающих элементов, например, печатных вибраторов различной формы, и делитель мощности, обеспечивающий равноамплитудное и синфазное возбуждение излучающих элементов решётки [43, 44]. Каждый слой («этаж») возбуждается отдельно, например, с помощью коаксиальной линии. В конструкцию подобных антенн, между печатными платами, добавляют излучатели с круговой ДН в плоскости, параллельной диэлектрическим подложкам, имеющие вертикальную поляризацию поля излучения, для расширения круга решаемых задач [43, 44].

Приведённая на рис. 1.3 антенна, работает в двух диапазонах частот 806... 980 МГц и 1680.2990 МГц, ширина которых относительно центральных частот в каждом из них составляет 19,5 и 56% (по уровню КСВН = 2). Средний коэффициент усиления в первом диапазоне частот 0,65 дБ, а во втором 3,95 дБ. Диаметр антенных решёток составляет приблизительно 0,5Х (длина волны в воздухе на нижней частоте первого диапазона частот по уровню КСВН = 2), а расстояние между ними 0,22Х.

а) б)

Рисунок 1. 3 - Ненаправленная в горизонтальной плоскости антенна с двумя независимыми круговыми решётками: а) модель, б) частотная зависимость КСВН

К преимуществам подобных антенн можно отнести широкополосность каждого из диапазонов частот (рис. 1.3, б), т.к. в качестве излучающих элементов круговой решётки можно использовать не только вибраторы, но и излучатели Вивальди [45, 46], логопериодические антенны [47] и др.; а также низкую неравномерность ДН в Е-плоскости (у антенн с сверхширокополосными излучателями неравномерность ДН выше). Однако у таких антенн существуют и недостатки. Во-первых, конструкция имеет значительные габариты, т.к. «этажи» разнесены в вертикальной плоскости. Во-вторых, антенна имеет достаточно сложную конструкцию - кроме конструкционных элементов крепления и возбуждения требуется дополнительные элементы фидерного тракта. В-третьих, антенну такого типа затруднительно использовать в качестве излучающего

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дударев Святослав Валерьевич, 2024 год

/ /

/

■*2 ±-'> '

______ А А у/

/ /1

\ У ----- ш

1

П

II

V

4.4

4.8

5.2

Рисунок 3.12 - Частотная зависимость мнимой компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра d2

3.5. Исследование влияния длины вторичных вибраторов на согласование

антенны с фидером

Определим влияние длины вторичных вибраторов, расположенных на диэлектрической подложке по окружности диаметром Д?, на согласование антенны с фидером. Длина вибраторов задаётся дугой, опирающейся на угол а4. Исходное значение этого угла составляет 44°, а длина дуги, опирающейся на этот угол, равна 0,17Х. Угол будем изменять в пределах от 40 до 48° с шагом в 2°. Все остальные геометрические размеры антенны не изменяются и соответствуют исходным значениям. На рис. 3.13 приведена частотная зависимость КСВН при различных величинах а4, а на рис. 3.14 и 3.15 показаны графики действительной и мнимой составляющих входного сопротивления антенны для этих случаев. Пунктирными линиями показаны активное сопротивление фидера и нулевая реактивность.

Частота, ГГц

Рисунок 3.13- Частотная зависимость КСВН антенны при различных значениях

параметра <ц

Изменение длины вторичных вибраторов, расположенных по окружности диаметром Д/, не оказывает влияние на действительную и мнимую компоненты входного сопротивления антенны, а также КСВН в первом диапазоне частот. Проанализируем влияние параметра а^ на электромагнитные характеристики антенны во втором диапазоне частот.

При укорочении длины вторичных вибраторов (относительно исходного размера) активная компонента входного сопротивления выше частоты 4400 МГц уменьшается, а ниже - увеличивается. При удлинении рассматриваемых вибраторов возникает максимум характеристики на центральной частоте, одновременно с этим выше и ниже по частоте значение действительного сопротивления уменьшается. На графике мнимой составляющей импеданса, в исходном варианте антенны, имеется участок с практически нулевой реактивностью, так называемой «полочкой». При укорочении вторичных вибраторов «полочка» исчезает, реактивная составляющая входного сопротивления ниже центральной частоты приобретает ёмкостный характер, а

выше - индуктивный. При удлинении вторичных вибраторов наблюдается обратный эффект. С дальнейшим увеличением а4 величина экстремумов мнимой компоненты входного сопротивления увеличивается. В связи с этим ширина полосы согласования сужается при изменении длины вторичных вибраторов относительно исходного варианта как в меньшую, так и в большую сторону.

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6

Частота, ГГц

4.0

4.4

4.8

5.2

Рисунок 3.14 - Частотная зависимость действительной компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра а4

о

N

100 75 50 25 0 -25 -50 -75 -100

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6

Частота, ГГц

4.0

4.4

4.8

5.2

Таким образом, длина вторичных вибраторов, расположенных по окружности диаметром Д, определяет входное сопротивление антенны и КСВН в большей степени вблизи высокочастотного резонанса второго диапазона частот.

Определим влияние длины вторичных вибраторов, расположенных на печатной плате по окружности диаметром Д?, на согласование антенны с фидером. Длина диполя задаётся дугой, опирающейся на угол 015. Исходное значение этого угла составляет 70°, а длина дуги, опирающейся на этот угол, равна 0,18Л. Угол будем изменять в пределах от 66 до 74° с шагом в 2°. Все остальные геометрические размеры антенны не изменяются и соответствуют исходным значениям. На рис.

3.16 показана частотная зависимость КСВН при различных величинах а.5, а на рис.

3.17 и 3.18 приведены графики действительной и мнимой составляющих входного сопротивления антенны для этих случаев.

3.0 2.8 2.6 2.4

1.8 -

1.6 -

1.4 -

1.2 -

1.0 -1

Рисунок

.2 1.6 2.0 2.4 4.0 4.4 4.8 5.2

Частота, ГГц

3.16- Частотная зависимость КСВН антенны при различных значениях

параметра 015

параметра а5 на электромагнитные характеристики антенны во втором диапазоне частот антенны. При укорочении вторичных вибраторов (относительно исходного размера) характеристика действительной составляющей импеданса сдвигается в область высоких частот. Причём ниже центральной частоты сопротивление значительно уменьшается, а выше, наоборот, растёт. При этом график мнимой компоненты импеданса смещается выше по частоте и реактивность приобретает индуктивный характер. Поэтому при уменьшении а5 второй диапазон смещается в область высоких частот и КСВН на низких частотах полосы увеличивается. При удлинении вторичных вибраторов появляется максимум на графике действительной составляющей входного сопротивления в низкочастотной области диапазона, и его значение увеличивается с ростом а5. Одновременно с этим возрастает реактивная составляющая импеданса антенны. Поэтому при увеличении а5 второй диапазон смещается ниже по частоте и КСВН на низких частотах полосы увеличивается.

Таким образом, длина вторичных вибраторов, расположенных по окружности диаметром определяет входное сопротивление антенны и КСВН в основном вблизи низкочастотного резонанса второго диапазона частот.

Частота, ГГц

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2

Частота, ГГц

Рисунок 3.18 - Частотная зависимость мнимой составляющей входного сопротивления антенны при различных значениях параметра а5

3.6. Исследование влияния расстояния между платами на согласование

антенны с фидером

Определим, как влияет расстояние между диэлектрическими подложками с первичными и вторичными вибраторами (И) на согласование антенны с фидером. Исходное значение зазора между платами составляет 0,016Х (3 мм), будем изменять его величину в пределах от 0,005Х (1 мм) до 0,027Х (5 мм) с шагом 0,005Х (1 мм). Все остальные геометрические размеры антенны не изменяются и соответствуют исходным значениям. На рис. 3.19 приведена частотная зависимость КСВН при различных величинах И, а на рис. 3.20 и 3.21 показаны графики действительной и мнимой составляющих входного сопротивления антенны для этих случаев. Пунктирными линиями показаны активное сопротивление фидера и нулевая реактивность.

Проанализируем влияние зазора между платами на согласование антенны с фидером в первом диапазоне частот. Плата с вторичными вибраторами оказывает влияние на входное сопротивление антенны в первом диапазоне только при малых значениях И (рис. 3.19). В этом случае наблюдается сдвиг характеристик

действительной и мнимой компонент в область низких частот, а также увеличивается отклонение активной и реактивной составляющих от сопротивления фидера ниже центральной частоты. Выше по частоте наблюдается обратный эффект. Поэтому при сближении плат первый диапазон смещаются ниже по частоте, а КСВН в его низкочастотной области увеличивается, а в высокочастотной - уменьшается.

3.0 2.8 2.6 2.4

к 2-2

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

1.2 1.6 2.0 2.4 4.0 4.4 4.8 5.2

Частота, ГТц

Рисунок 3.19- Частотная зависимость КСВН антенны при различных значениях

параметра И

Рассмотрим, как влияет расстояния между платами на согласование антенны с фидером во втором диапазоне частот. При уменьшении И (относительно исходного размера) на графике действительной компоненты входного сопротивления, в нижней части диапазона, увеличивается провал. В центре диапазона и в его высокочастотной области величина активного сопротивления возрастает. Одновременно с этим реактивность увеличивается и приобретает индуктивный характер. Поэтому при уменьшении И во втором диапазоне частот наблюдается максимум КСВН в месте, где находится провал на графике активного сопротивления и высокая реактивность. При увеличении И действительная составляющая сопротивления на нижних частотах диапазона увеличивается, а на

высоких - уменьшается. Одновременно с этим реактивность увеличивается и приобретает ёмкостный характер. Поэтому при разнесении плат относительно друг друга рабочий диапазон частот сужается, и величина КСВН в нём увеличивается. Таким образом, изменяя расстояние между платами можно регулировать ширину второго диапазона частот, а также КСВН в нём.

Частота, ГГц

Рисунок 3.20 - Частотная зависимость действительной компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра И

Частота, ГГц

Также важно определить какое влияние оказывает расстояние между платами на ДН в Н-плоскости (рис. 3.22), ввиду того, что этот геометрический параметр антенны можно оперативно изменять. В первом диапазоне частот вариация И не вызывает изменения в ДН (рис. 3.22, а-в). Во втором диапазоне, на центральной и верхней частотах, при увеличении расстояния между диэлектрическими подложками уменьшается угол, на котором наблюдается максимум напряжённости электрического поля (рис. 3.22, д, е). На нижней же частоте диапазона увеличение данного параметра позволяет уменьшить провалы в ДН (рис. 3.22, г). Таким образом, изменением расстояния между печатными платами можно регулировать не только входное сопротивление антенны, но и величину провалов в ДН.

г) д)

— И = 1 мм, — И = 3 мм, — И = 5 мм

е)

Рисунок 3.22 - Диаграмма направленности в Н-плоскости при различных расстояниях между платами: а) 1640 МГц, б) 2000 МГц, в) 2450 МГц, г) 4220

МГц, д) 4600 МГц, е) 5000 МГц

3.7. Исследование влияния места расположения вторичных вибраторов на

согласование антенны с фидером

Определим влияние диаметра окружности Д?, по которой расположены вторичные вибраторы с длиной, заданной углом а.5, на согласование антенны с фидером. Исходное значение диаметра окружности составляет 0,29Х (52,3 мм), будем изменять его величину в пределах от 42,3 до 62,3 мм с шагом 5 мм. Все остальные геометрические размеры антенны не изменяются и соответствуют исходным значениям. На рис. 3.23 приведена частотная зависимость КСВН при различных значениях Д?, а на рис. 3.24 и 3.25 показаны графики действительной и мнимой составляющих входного сопротивления антенны для этих случаев. Пунктирными линиями показаны активное сопротивление фидера и нулевая реактивность.

3.0 2.8 2.6 2.4

к 2-2

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

1.2 1.6 2.0 2.4 4.0 4.4 4.8 5.2

Частота, ГГц

Рисунок 3.23 - Частотная зависимость КСВН антенны при различных значениях

параметра Д

компоненты на высоких частотах (2400 МГц) становится меньше, а при увеличении Э2, наблюдается обратный эффект. Реактивность выше центральной частоты ведёт себя схожим образом. Поэтому при уменьшении КСВН на высоких частотах диапазона понижается, а при увеличении - повышается.

Рассмотрим влияние диаметра окружности, по которой размещены вторичные вибраторы большего размера, на входное сопротивление и КСВН во втором диапазоне частот. При увеличении действительная составляющая импеданса уменьшается, а реактивность ниже центральной частоты приобретает ёмкостный характер, а выше - индуктивный. В этом случае рабочий диапазон частот сужается, а величина КСВН в нём увеличивается.

При уменьшении диаметра окружности на графике активной составляющей входного сопротивления возникает провал ниже центральной частоты, а выше неё сопротивление увеличивается. Реактивность в этой области возрастает и приобретает индуктивный характер. Поэтому рабочий диапазон частот при уменьшении немного расширяется, а КСВН в нём увеличивается.

Таким образом, при исходном расположении вторичных вибраторов достигается оптимальное согласование антенны с фидером как в первом, так и во втором диапазонах частот. При уменьшении диаметра окружности, по которой размещены вторичные вибраторы, наблюдается незначительное расширение обоих диапазонов частот. В первом КСВН уменьшается, а во втором - увеличивается. При увеличении диаметра этой окружности происходит сужение как первого, так и второго диапазонов частот. В этом случае в обоих диапазонах увеличивается КСВН.

Частота, ГГц

Рисунок 3.24 - Частотная зависимость действительной компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра Д2

Частота, ГГц

Рисунок 3.25 - Частотная зависимость мнимой компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра Д2

Далее определим влияние диаметра окружности (Д) по которой расположены вторичные вибраторы с длиной, заданной углом а4, на согласование антенны с фидером. Исходное значение этого диаметра составляет 0,44 X (81,1 мм), будем изменять его величину в пределах от 71,1 до 91,1 мм с шагом 5 мм. Все остальные геометрические размеры антенны не изменяются и соответствуют

исходным значениям. На рис. 3.26 приведена частотная зависимость КСВН при различных значениях Д, а на рис. 3.27 и 3.28 показаны графики действительной и мнимой составляющих входного сопротивления антенны для этих случаев.

Изменение диаметра окружности, по которому размещены вторичные вибраторы, практически не оказывает влияние на входное сопротивление антенны в первом диапазоне частот. Рассмотрим, как влияет размещение вторичных вибраторов на входной импеданс и КСВН во втором диапазоне частот.

4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0

X 28

8 26

« 2.4

2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

1.2 1.6 2.0 2.4 4.0 4.4 4.8 5.2

Частота, ГГц

Рисунок 3.26 - Частотная зависимость КСВН антенны при различных значениях

параметра А

При увеличении параметра Д, на графике действительной составляющей входного сопротивления появляется ярко выраженный максимум, величина сопротивления в котором выше сопротивление фидера. Одновременно с этим значительно увеличивается реактивность.

При уменьшении параметра Д?, действительная составляющая входного сопротивления уменьшается. Реактивность же увеличивается и ниже центральной частоты диапазона приобретает ёмкостный характер, а выше - индуктивный.

Таким образом, при исходном расположении рассматриваемых вторичных вибраторов достигается оптимальное согласование антенны с фидером. В случае,

когда вторичные вибраторы смещаются относительно исходного положения, наблюдается изменение активного сопротивления и значительное увеличение реактивности. Поэтому в таких случаях теряется согласование антенны с фидером.

Частота, ГГц

Рисунок 3.27 - Частотная зависимость действительной компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра Д\

Частота, ГГц

Рисунок 3.28 - Частотная зависимость мнимой компоненты входного сопротивления антенны при различных значениях параметра Д\

3.8. Анализ результатов исследования влияния основных геометрических параметров антенны на согласование с фидером

Для упрощения анализа данных, полученных в результате исследования влияния основных геометрических параметров антенны на согласование с фидером, разместим их в таблицах 3.1 и 3.2. Ведём следующие условные обозначения:

1) Яе Ъ - действительная составляющая входного сопротивления антенны;

2) 1т Ъ - мнимая составляющая входного сопротивления антенны;

3) НЧ - низкочастотная область диапазона;

4) ЦЧ - область в центре диапазона;

5) ВЧ - высокочастотная область диапазона;

6) «>» - смещение характеристики в сторону высоких частот;

7) «<» - смещение характеристики в сторону низких частот;

8) «|» - увеличение значения исследуемого параметра относительно исходной величины и увеличение величины характеристики;

9) «|» - уменьшение значения исследуемого параметра относительно исходной величины и уменьшение величины характеристики;

10) «|+» - увеличение реактивности входного сопротивления, характер реактивности - индуктивный;

11) «|-» - увеличение реактивности входного сопротивления, характер реактивности - ёмкостный;

12) «|+» - уменьшение реактивности входного сопротивления, характер реактивности - индуктивный;

13) «|-» - уменьшение реактивности входного сопротивления, характер реактивности - ёмкостный;

14) «0» - влияние отсутствует;

15) «м» - небольшое изменение характеристики (менее 10 %).

В таблицах 3.1 и 3.2 слева по вертикали приведены геометрические параметры антенны и стрелки, обозначающие увеличение и уменьшение значения

данного параметра относительно исходного значения, а сверху по горизонтали находятся исследуемые характеристики. Например, в строке напротив значка т приведены условные обозначения поведения характеристик действительной и мнимой частей входного сопротивления антенны, КСВН в нижней, центральной и верхней частях диапазона при увеличении данного параметра.

Таблица 3.1

Влияние геометрических параметров антенны на электромагнитные

характеристики в первом диапазоне частот

Электромагнитные характеристики

Параметр Яе ъ 1т Ъ КСВН

НЧ ЦЧ ВЧ НЧ ЦЧ ВЧ НЧ ЦЧ ВЧ

а: т < , 4 т тм < , 4- т+ т- <, т т т

4 > , т 4 4 , > > , т- т- 4- > 4 <, т

а2 т 0 0 < 0 0 < , 4- 0 4м < , 4

4 0 0 > 0 0 > , т- 0 тм > , т

аз т > , т т > , 4 > , 4- 0 >, т- 0 т т

4 < , 4 4 < , т < , т- 0 <, 4- т 4 4

а4 т 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

а5 т 0 0 4м 0 0 0 0 0 тм

4 0 0 тм 0 0 0 0 0 4м

к т 0 0 0 0 0 0 0 4 0

4 < , 4 < , т < , т < , т- <, т+ < < , т < , т < , 4

т тм < 4 0 4+,т- тм 0 0 < , т

4 4м 0 т 0 т+,4- 4м 0 0 > , 4

О: т 0 4м 0 0 0 4-м 0 4м 4м

4 0 тм 0 0 0 т-м 0 0 0

d2 т 4 4 0 0 0 4- 0 4 0

4 т т 0 0 0 т- 0 т 4м

Таблица 3.2

Влияние геометрических параметров антенны на электромагнитные характеристики во втором диапазоне частот

Электромагнитные характеристики

Параметр Яе Ъ 1т Ъ КСВН

НЧ ЦЧ ВЧ НЧ ЦЧ ВЧ НЧ ЦЧ ВЧ

щ т 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

а2 т 0 4 4м 4+ т+ т+ 0 4 т

4 0 т тм т+ т- 4+ 0 т 0

а3 т > тм тм 0 0 т-м 0 т >

4 < 4м 4м < 0 т+м < 0 <

а4 т 4 т 4 < т т- <, т т <, т

4 т 4 т > т т+ т т <, т

а5 т т 4 0 <,4 т- < <,т т <,т

4 4 т т >, т- т+ >, 4+ >, т т >

к т >, т 4 4 >, 4- т- т+ >, т т т, <

4 <, 4 т т <, т- т+ 4+ т т т, >

т >, т 4 0 т- т т+ >, т т т, <

4 4 т 0 т т+ т- т т т, >

А т т т 4 т+ т- т+ <, т т <, т

4 т 4 4 т- т- т+ >, т т >, т

d2 т т т т т+ т+ 0 0 т >

4 4 4 4 т- т- 0 0 4 <, т

Как можно заметить из таблицы 3.1, размеры вторичных вибраторов, а также их расположение на диэлектрической подложке не оказывают значительного влияния на входное сопротивление антенны в первом диапазоне частот. Исключением же является случай, когда плата с вторичными вибраторами

располагается почти в плотную к подложке с первичными вибраторами (И ~ 0,006Х). Электромагнитные характеристики антенны в первом диапазоне частот определяются двумя круговыми решётками из первичных вибраторов. Первая и вторая резонансные частоты диапазона задаются размерами вибраторов, расположенных по окружности большего диаметра. Третья же резонансная частота определяется длинами первичных вибраторов, размещённых по окружности меньшего диаметра. Линии питания, имеющие форму сектора окружности, обеспечивают трансформацию сопротивлений в конструкции антенны. Круглая токопроводящая площадка в центре платы позволяет регулировать как активную, так и реактивную составляющие входного сопротивления антенны в обоих диапазонах частот (табл. 3.1, 3.2). Кроме этого она необходима в качестве конструкционного элемента, т.к. к ней крепится коаксиальная линия, возбуждающая антенну.

Исходя из данных, приведённых в таблице 3.2, изменение длины первичных вибраторов, расположенных по окружности большего диаметра, не оказывает воздействие на входное сопротивление и КСВН антенны во втором диапазоне частот. Вариация же длины других первичных вибраторов влияет на рассматриваемые электромагнитные характеристики в данной полосе. Это связано с тем, что отношение длин первичных и вторичных вибраторов, расположенных с краю платы, больше чем для вибраторов, размещённых ближе к центру платы. Поэтому при изменении длины меньших первичных вибраторов степень их перекрытия с вторичными вибраторами изменяется сильнее. Вариация ширины линии питания практически не вызывает изменение входного сопротивления во втором диапазоне.

Как видно из таблиц 3.1 и 3.2, размеры вторичных вибраторов определяют входное сопротивление антенны только во втором диапазоне частот. Так вибраторы, расположенные ближе к краю платы, в основном оказывают влияние на сопротивление в центральной и высокочастотной областях диапазона, а другие вторичные вибраторы вызывают изменение импеданса в нижней и центральной областях полосы пропускания. Сдвиг вторичных вибраторов относительно их

исходного местоположения вызывает значительное изменение как активной, так и реактивной составляющих входного сопротивления антенны, а значит и КСВН.

3.9. Методика проектирования антенны

Проектирование антенны начинается с анализа технического задания. Требования, приведённые в нём, определяют электромагнитные характеристики антенны: диапазон рабочих частот, диаграмму направленности, коэффициент усиления, максимальное значение КСВН в диапазоне, коэффициент эллиптичности и др. Рабочий диапазон частот, в котором антенна должна обеспечивать требуемые электромагнитные характеристики, определяет размеры излучающих элементов. Ввиду того, что исследуемая в диссертации антенна работает в двух диапазонах, размеры её составных частей определяются относительно к ним.

На первом этапе проектирования определяются геометрические размеры излучающих элементов антенны исходя из диапазонов частот, в которых она должна работать. В данном случае это длины первичных и вторичных вибраторов, а также расстояние между ними. Предварительный расчёт размеров данных элементов, а также расстояния между ними выполняется с помощью математической модели, приведённой во второй главе.

На втором этапе выполняется разработка физической модели антенны. При этом целесообразно использовать программу электромагнитного моделирования, например, CST Microwave Studio, ANSYS HFSS и др. Применение подобных программ позволяет ускорить процесс разработки и сокращает этап настройки опытного образца. Наибольшей технологичностью и степенью повторяемости параметров обладает печатное исполнение антенны. Поэтому необходимо подобрать фольгированный диэлектрик, электрические и механические параметры которого позволят обеспечить оптимальные массогабаритные характеристики антенны и жёсткость конструкции.

учётом диэлектрической проницаемости материала плат на предыдущем этапе проектирования. Причём плечи вибраторов расположены на разных сторонах подложки. Затем на плате размещается делитель мощности, обеспечивающий синфазное и равноамплитудное возбуждение первичных вибраторов. Он содержит четыре (может быть больше или меньше) двухпроводных линий питания, которые подключаются к круглым площадкам, расположенным в центре платы на разных её сторонах. К каждому из проводников линии питания подключается два плеча первичных вибратора отличающегося типоразмера. Возбуждение первичных вибраторов осуществляется с помощью коаксиальной линии, центральный проводник которой проходит через отверстие в плате и замыкается на круглую площадку делителя мощности, а внешний проводник (который может являться корпусом разъёма) крепится к аналогичной площадке большего диаметра на другой стороне платы. На второй диэлектрической подложке, зафиксированной над первой на определённом расстоянии, размещаются вторичные печатные вибраторы. Их размеры и расположение относительно первичных вибраторов рассчитываются на предыдущем этапе с помощью математической модели.

На третьем этапе осуществляется расчёт и настройка электромагнитных характеристик антенны, состоящей только из первой печатной платы (вторая плата временно убирается из модели), в программе СВЧ-моделирования. Размеры первичных вибраторов, рассчитанные с помощью математической модели, являются приближёнными и не учитывают всех особенностей конструкции. Целью данного этапа является определение точных размеров излучающих элементов для обеспечения работы антенны в первом диапазоне частот. Основные принципы обеспечения согласования антенны с фидером в первом диапазоне частот:

1) Длиной плеч первичных вибраторов, расположенных по окружности большего диаметра, задаются первая и вторая резонансные частоты диапазона. При этом ширина этих вибраторов также оказывает влияние на полосу пропускания. Кроме этого необходимо учитывать, что при длине плеч порядка 42-43° (а:) возникает сильная ёмкостная связь с соседними вибраторами, что приводит к увеличению входного сопротивления в диапазоне.

2) Длиной плеч первичных вибраторов, расположенных по окружности меньшего диаметра, задаётся третья резонансная частота диапазона. Здесь также необходимо учитывать ёмкостную связь между соседними вибраторами.

3) Шириной линии питания и диаметром круглых площадок, расположенных на обеих сторонах платы, настраивается действительная и мнимая составляющие входного сопротивления антенны в первом диапазоне. Варьируя размерами круглых площадок необходимо учитывать то, что к одной из них крепится коаксиальная линия, обладающая определёнными габаритами.

На четвёртом этапе осуществляется расчёт и настройка электромагнитных характеристик антенны, состоящей из двух плат. Целью данного этапа является определение размеров вторичных печатных вибраторов для обеспечения необходимой ширины второго диапазона частот. Основные принципы обеспечения согласования антенны с фидером во втором диапазоне частот:

1) Длиной плеч вторичных вибраторов, расположенных по окружности меньшего диаметра, задаётся первая резонансная частота диапазона. При этом ширина этих вибраторов также оказывает влияние на полосу пропускания.

2) Длиной плеч вторичных вибраторов, расположенных по окружности большего диаметра, задаётся вторая резонансная частота диапазона. Кроме этого геометрические параметры как этих, так и предыдущих вибраторов определяют входное сопротивление антенны в центре диапазона.

3) Для точного определения места размещения вторичных вибраторов необходимо выполнить расчёт входного сопротивление и КСВН для случаев, когда вибраторы смещены относительно исходного положения и выбрать из них наилучший.

4) Расстояние между платами с первичными и вторичными вибраторами позволяет регулировать действительную и мнимую компоненты входного сопротивления антенны во втором диапазоне частот. Определено, что оптимальное значение данного параметра составляет приблизительно 0,016Х, где X - длина волны в воздухе, рассчитанная на нижней частоте первого диапазона.

На пятом этапе для улучшения электромагнитных характеристик можно повторить данный алгоритм ещё раз, начиная с третьего этапа, но уже с учётом платы с вторичными вибраторами. Кроме этого в программе СВЧ-моделирования имеется возможность применения алгоритмов оптимизации по заданной целевой функции для достижения наилучших характеристик антенны.

3.10. Исследование влияния экрана на электромагнитные характеристики

антенны

Для применения антенны в условиях воздействия различных внешних факторов в её конструкции можно использовать токопроводящий экран и радиопрозрачный корпус (рис. 3.29). С целью уменьшения веса устройства экран целесообразно изготавливать из лёгких металлов, например, алюминия. Для фиксации антенны над экраном в данном случае предусмотрены диэлектрические подставки цилиндрической формы (рис. 3.29, б). Возбуждение антенны осуществляется с помощью коаксиальной линии. Она проходит внутрь корпуса через отверстие в экране.

С помощью программы электромагнитного моделирования определено влияние экрана на основные электромагнитные характеристики антенны: диаграмму направленности, коэффициент усиления, коэффициент стоячей волны. При этом расчёты данных характеристик были проведены для различных расстояний от излучателя до экрана (параметр к: на рис. 3.29 б).

а)

б)

Рисунок 3.29 - Модель антенны с экраном в диэлектрическом корпусе: а) изометрический вид, б) сечение в вертикальной плоскости

Рассчитаны нормированные ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях для различной высоты излучателя над экраном в первом диапазоне частот (рис. 3.30). При увеличении ^ с 0,25 до 0,5Х0 (Х0 - длина волны на центральной частоте первого диапазона частот) угол, на котором наблюдается максимум ДН в вертикальной плоскости, уменьшается (угол отсчитывается от горизонтальной оси). При этом ДН в плоскости вектора Е практически не изменяется. С ростом частоты увеличиваются провалы ДН в вертикальной плоскости на углах 0 ~ 30, 140, 220 и 330°.

На рис. 3.31 приведены нормированные ДН антенны во втором диапазоне частот. Как видно из графиков, с ростом частоты количество провалов в ДН увеличивается. Это обусловлено тем, что расстояние от излучателя до экрана соизмеримо или больше длины волны в этом диапазоне. На нижней частоте наименьшими провалами обладает ДН при к1 = 0,25Х0 (рис. 3.31, а), т. к. в данном случае расстояние между излучателем и экраном соизмеримо с половиной длины волны во втором диапазоне.

Рассчитана частотная зависимость КУ для различных расстояний от излучателя до экрана (рис. 3.32). Очевидно, что наличие экрана в конструкции антенны позволяет увеличить КУ в обоих диапазонах частот. В первом диапазоне уменьшение к1 приводит к повышению КУ. При этом среднее значение КУ по сравнению с исходным вариантом антенны увеличивается в 3,6 раза для к! = 0,25Х0, в 3,3 раза для к1 = 0,37X0 и в 3,1 раза для к1 = 0,5X0. Во втором диапазоне при уменьшении (или увеличении) расстояния между антенной и экраном КУ изменяется нелинейно. Так при к1 = 0,25 и 0,5Х0 максимум КУ находится вблизи верхней границы диапазона (4920 МГц). В случае, когда расстояние между излучателем и экраном составляет 0,37Х0, максимум КУ наблюдается на нижней границе диапазона (около 4200 МГц). Это обусловлено тем, что в данном случае большая часть энергии излучается в узком секторе углов (рис. 3.31, а). Среднее значение КУ во втором диапазоне по сравнению с исходным вариантом антенны увеличивается в 1,7 раза для к1 = 0,25X0, в 1,8 раза для к1 = 0,37X0 и в 1,6 раза для к1 = 0,5X0.

Iр,° в,°

в)

— 0,25X0, — 0,37X0, — 0,5X0 Рисунок 3.30 - Диаграмма направленности в Е-плоскости и Н-плоскости в первом диапазоне частот: а) 1640 МГц, б) 2000 МГц, в) 2450 МГц

в)

— 0,25Хо, — 0,37Хо, — 0,5Хо Рисунок 3.31 - Диаграмма направленности в Е-плоскости и Н-плоскости во втором диапазоне частот: а) 4220 МГц, б) 4600 МГц, в) 5000 МГц

диапазоне. Наилучшее же согласование достигается при /?7 = 0,5Хо. Во втором диапазоне наличие экрана в конструкции антенны вызывает смещение полосы пропускания на 30-70 МГц выше по частоте.

2.4 4.0

Частота, ГГц

Рисунок 3.32 - Частотная зависимость коэффициента усиления при различных

расстояниях от антенны до экрана

2.4 4.0

Частота, ГГц

Таким образом, оптимальным расстоянием от излучателя до экрана является половина длины волны, рассчитанная на центральной частоте первого диапазона. В этом случае электромагнитные характеристики антенны сбалансированы: диаграмма направленности имеет наименьшие провалы; выигрыш в коэффициенте усиления меньше, чем при к1 = о,25Хо, но согласование антенны с фидером в первом диапазоне значительно лучше.

3.11. Выводы

1. Определены закономерности в поведении входного сопротивления антенны и КСВН при изменении размеров её структурных элементов.

2. Электромагнитные характеристики антенны в первом диапазоне частот определяются структурой излучающих элементов, расположенных на нижней диэлектрической плате. Выявлено, что первая и вторая резонансные частоты диапазона задаются размерами первичных вибраторов, расположенных по окружности большего диаметра. Третья же резонансная частота определяется вибраторами, размещёнными по окружности меньшего диаметра. Линии питания излучающих элементов обеспечивают трансформацию сопротивлений в конструкции антенны. Круглая площадка в составе делителя мощности позволяет регулировать как активную, так и реактивную составляющие входного сопротивления антенны в обоих диапазонах частот.

3. Размеры вторичных вибраторов, а также их расположение на диэлектрической подложке не оказывают значительного влияния на входное сопротивление антенны в первом диапазоне частот. За исключением случая, когда плата с этими вибраторами располагается почти в плотную к другой плате. Вторичные вибраторы, расположенные по окружности большего диаметра, определяют входное сопротивление антенны в центральной и высокочастотной областях диапазона. А вибраторы, размещённые по окружности меньшего диаметра, оказывают влияние на сопротивление в нижней и центральной областях полосы пропускания. Сдвиг вторичных вибраторов относительно их исходного

местоположения вызывает значительное изменение как активной, так и реактивной составляющих входного сопротивления антенны во втором диапазоне.

4. Закономерности в поведении электромагнитных характеристик при изменении расстояния между платами важны ввиду того, что конструкция антенны позволяет оперативно менять данный параметр в процессе эксплуатации. Выявлено, что расстояние от одной подложки до другой оказывает значительное влияние на ширину второго диапазона частот и степень согласования антенны с фидером в нём, а также на ДН в Н-плоскости. Так, на центральной и верхней частотах второго диапазона, при увеличении расстояния между диэлектрическими подложками уменьшается угол, на котором наблюдается максимум напряжённости электрического поля. На нижней же частоте диапазона увеличение данного параметра позволяет уменьшить провалы в ДН.

5. Рассчитаны электромагнитные характеристики антенны с экраном. Определено влияние расстояние между излучателем и экраном на ДН, КУ и КСВН. Выявлено, что расстояние в половину длины волны, рассчитанной на центральной частоте первого диапазона, обеспечивает оптимальные электромагнитные характеристики антенны в обоих диапазонах частот: диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет наименьшие провалы, а также обеспечивается наилучшее согласование с фидером (среди рассмотренных вариантов).

6. Разработана методика проектирования предложенной антенны, состоящая из пяти этапов. На первом из которых с помощью математической модели рассчитываются размеры первичных и вторичных вибраторов, а также их взаимное расположение. На втором этапе разрабатывается физическая модель антенны. Целью третьего этапа является определение размеров первичных вибраторов и делителя мощности для обеспечения необходимой ширины первого диапазона частот. Целью четвёртого этапа является определение размеров вторичных вибраторов, а также место их размещения для обеспечения необходимой ширины второго диапазона частот. Предложенная методика проектирования определяет оптимальную стратегию разработки антенны, исследуемой в диссертационной работе.

106 Глава 4

Экспериментальное исследование электромагнитных характеристик

антенны

4.1. Введение

В данной главе приведены результаты экспериментального исследования электромагнитных характеристик предложенной антенны. В безэховой камере методом вышки измерены ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. БЭК и всё использованное оборудование (векторные анализаторы спектра, антенны, элементы фидерного тракта и др.), необходимое для измерения электромагнитных характеристик, сертифицировано и прошло поверку. Также исследовано влияние величины зазора между платами антенны на частотную зависимость КСВН. Построены графики экспериментальных зависимостей и проведено их сравнение с результатами моделирования, выявлены основные закономерности в поведении данных характеристик.

4.2. Конструкция макета антенны

Макет антенны содержит две печатные платы, изготовленные из фольгированного диэлектрика марки «Rogers» R04003C толщиной 1,524 мм с диэлектрической проницаемостью 3,38 (±0,05) и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0027 (рис. 4.1). Размер каждой платы составляет 100x100x1,524 мм. Печатные проводники на диэлектрических подложках выполнены из медной фольги толщиной 0,018 мм. На первой плате (рис. 4.1) размещены две круговые решётки из печатных изогнутых вибраторов двух типоразмеров. При этом их плечи располагаются на разных сторонах диэлектрической подложки и вместе с линией питания образуют элемент F-образной формы. В центре платы размещён делитель мощности.

Рисунок 4.1 - Структура экспериментального макета: слева расположена печатная

плата с активными излучающими элементами, а справа - с пассивными

Для возбуждения круговых решёток из активных излучающих элементов применяется коаксиальная линия, а именно высокочастотный разъём типа БЫЛ. Центральный проводник которого проходит через отверстие в центре платы и припаивается к круглой площадке на другой её стороне. Внешний же проводник является корпусом разъёма и припаивается к площадке большего диаметра (рис. 4.1). Вторая диэлектрическая плата содержит две круговые решётки из печатных вибраторов разного размера. Каждый из них состоит из двух изогнутых плеч, разделённых зазором (рис. 4.1).

По краям обеих диэлектрических подложек расположены отверстия. Платы фиксируются одна над другой с помощью специальных радиопрозрачных крепёжных элементов, вставляемых в отверстия на платах (рис. 4.2). Данные элементы крепления изготовлены на ЭЭ-принтере из ЛВБ-пластика и представляют собой диэлектрические втулки с буртиками (рис. 4.2), которые вставляются в отверстия первой платы и за счёт буртиков фиксируются на ней. Величину зазора между подложками можно изменять с помощью диэлектрических шайб разной толщины (рис. 4.2). Таким образом, зазор между платами определяется высотой

буртиков втулок и толщиной шайб. На рис. 4.3 показан вид сбоку на экспериментальный макет антенны.

Рисунок 4.2 - Экспериментальный макет антенны с элементами фиксации

1 1

Рисунок 4.3 - Вид на антенну сбоку

Для защиты антенны от различных внешних воздействий изготовлен корпус из диэлектрического материала (рис. 4.4). Он имеет цилиндрическую форму с толщиной стенок от 2 до 3 мм. В основании корпуса расположено четыре подставки с втулками, на которых фиксируются печатные платы. Зазор между ними регулируется с помощью диэлектрических шайб, надеваемых на втулки между платами. На крышке корпуса предусмотрены элементы плотной фиксации. Они представляют собой прямоугольные пластины, выступающие за пределы крышки, и расположены с шагом 90°. При фиксации крышки на корпусе они проходят в Г-

образные вырезы на его стенках и проворачиваются до упора. Сборочная схема антенны в диэлектрическом корпусе показана на рис. 4.5.

Рисунок 4.4 - Экспериментальный макет антенн в диэлектрическом корпусе

4.3. Экспериментальное измерение диаграммы направленности

Измерение ДН антенны проводилось в БЭК ЯатАэМ ЕМС3, расположенной в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б. Н. Ельцина [90]. БЭК обеспечивает эффективность экранирования порядка 100 дБ в диапазоне 0,03-18 ГГц. Схема соединения приборов для измерения ДН приведена на рис. 4.6 и включает в себя векторный анализатор цепей Rohde&Schwarz 7УЛ24 [90], к одному входу которого с помощью измерительного кабеля подключается антенна Rohde&Schwarz НБ907 [90], а к другому -экспериментальный макет антенны. В приведённой схеме измеряется коэффициент передачи ^21), на его основе строится ДН.

Рисунок 4.6 - Схема измерения ДН экспериментального макета антенны

На рис. 4.7 показан внешний вид БЭК изнутри и элементы схемы измерения ДН: 1 - исследуемая антенна в диэлектрическом корпусе, 2 - измерительная антенна Rohde&Schwarz НБ907, 3 - специальное устройство фиксации антенны, позволяющее устанавливать её как в горизонтальной плоскости (для измерения ДН в Е-плоскости), так и в вертикальной плоскости (для измерения ДН в Н-плоскости - как на рис. 4.7, а), 4 - штанга для крепления антенны, 5 - поворотное устройство.

а) б)

Рисунок 4.7 - Измерение диаграммы направленности в безэховой камере: а) исследуемая антенна установлена на поворотное устройство б) внешний вид измерительной антенны Rohde&Schwarz ИБ907

ДН экспериментального макета антенны приведены на рис. 4.8 и 4.9. Для сравнения на тех же рисунках показаны ДН, рассчитанные в программе электромагнитного моделирования. В горизонтальной плоскости (плоскость вектора Е) ДН измерена на углах от 0 до 360°. В левой части рис. 4.8 приведены ДН макета антенны на центральной и граничных частотах первого диапазона в горизонтальной плоскости. Измеренная ДН, как и рассчитанная, имеет форму круга. Однако на ней присутствуют провалы. Минимальное отклонение измеренной ДН от рассчитанной наблюдаются на центральной частоте и не превышают 2,3 дБ. Максимальное же отклонение зафиксировано на частоте 2450 МГц и составляет 3,8 дБ.

В вертикальной плоскости (Н-плоскость) ДН измерена на углах 0-180°, затем зеркально отражена на недостающий сектор углов. В правой части рис. 4.8 приведены ДН макета антенны на центральной и граничных частотах первого

диапазона в вертикальной плоскости. Измеренная ДН, как и рассчитанная, имеет форму перевёрнутой «восьмёрки». Отклонения экспериментальной ДН от теоретической наблюдаются в основном вблизи вертикальной оси.

Моделирование -Эксперимент

Рисунок 4.8 - Диаграмма направленности в Е-плоскости и Н-плоскости в первом диапазоне частот: а) 1640 МГц, б) 2000 МГц, в) 2450 МГц

На рис. 4.9 приведены ДН антенны в горизонтальной плоскости (Е-плоскость) во втором диапазоне частот. Максимумы измеренной и теоретической ДН на всех частотах диапазона совпадают. Форма экспериментальных и расчётных ДН схожа и напоминает «приплюснутый» с краёв круг. Однако неравномерность измеренной ДН выше. Так, наименьшие провалы в экспериментальной ДН

наблюдаются на частоте 4200 МГц. С ростом частоты неравномерность ДН увеличивается.

Экспериментальные ДН в вертикальной плоскости на центральной и верхней частотах диапазона имеют наибольшие отклонения от рассчитанных в нижней полусфере. На частоте 4200 МГц наблюдается расхождение в обеих полусферах, но в этом случае экспериментальная ДН содержит меньше провалов, чем расчётная. Отклонения измеренной ДН от теоретической, вероятно, обусловлены диэлектрическим корпусом, внутри которого на высоких частотах (порядка 5 ГГц) образуются стоячие волны.

4.4. Экспериментальное измерение КСВН антенны

Проведено экспериментальное исследование влияния величины зазора между диэлектрическими платами на частотную характеристику КСВН. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.10. Согласно которой исследуемая антенна подключена к векторному рефлектометру CABAN R180 [91] с помощью коаксиального кабеля. На рис. 4.11 приведена фотография экспериментальной установки. При измерении КСВН макет антенны устанавливался на специальную диэлектрическую подставку, показанную на рис. 4.7 а.

Исследуемая антенна

Рефлектометр векторный

CABAN R180

Рисунок 4.10 - Схема измерения КСВН

Рисунок 4.11 - Измерение КСВН антенны

рис. 4.12-4.16 приведены частотные зависимости КСВН, измеренного экспериментально и рассчитанного в программе электромагнитного моделирования, для различных расстояний между платами. Во всех случаях ширина первого диапазона экспериментальной характеристики КСВН на 60-80 МГц шире расчётной. Рассмотрим поведение КСВН во втором диапазоне при различных величинах зазора между платами (h).

При h = 1 мм поведение экспериментальной и рассчитанной в программе СВЧ-моделирования зависимостей сходно: полоса пропускания сужается, и величина КСВН в ней увеличивается. Однако, ширина диапазона, измеренного

Частота, ГГц

Рисунок 4.12 - Экспериментальная и рассчитанная характеристика КСВН, при

расстоянии между платами 1 мм (0,005Х)

В случаях, когда расстояние между платами составляет 2 и 3 мм, частотная зависимость КСВН имеет одну резонансную частоту вместо двух (рис. 4.13и4.14). При этом ширина второго диапазона экспериментальной характеристики КСВН на 210 МГц уже рассчитанного в программе электромагнитного моделирования при И = 2 мм и на 120 МГц при И = 3 мм. Расстояние между платами, равное 3 мм, используется в конечном варианте конструкции антенны. В этом случае экспериментальная характеристика КСВН содержит два диапазона частот 1648-

2520 МГц и 4290-4950 МГц (по уровню КСВ = 2). Ширина первого и второго диапазонов составляет 42 и 14,3 % соответственно относительно центральных

частот в каждом из них.

3.0 ■

2.8

2.6

X и

и У,

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

1 —

-Эксперимент

1

А

||| ____________1_________

1 11

1 ........1....... I / 1

1

1 \ / /

н А \ 1 1

1\ \ /

У/ /

у

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0

Частота, ГГц

4.4 4.8 5.2

5.6

Рисунок 4.13 - Экспериментальная и рассчитанная характеристика КСВН, при

расстоянии между платами 2 мм (0,01 IX)

3.0 2.8 2.6 2.4

к 2-2 и

£ 20

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

----- 1 | )

• ----- ------- Эксперимент —

I

I

г....[________ _________1_________

_________._________

__________:___________ ____:_________

/ /

[ [ / /

Г

И / 1

/ I

\\ / 1 \ / /

1 1 \ / 1

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

4.8

5.2

5.6

При дальнейшем увеличении зазора между диэлектрическими подложками второй диапазон частот сужается, и величина КСВН в нём увеличивается (рис. 4.15 и 4.16). Характер поведения частотной зависимости КСВН, измеренной экспериментально и рассчитанной в программе СВЧ-моделирования, аналогичен.

3.0 2.8 2.6 2.4 2.2

I Ш

и 2-° 1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

1

Эксперимент 1

1 " "Г" 1

Моделирование 1

1

/

. 1- /

11

11 Л

11

11

1 1 / 1

\ \ 1 1 ж в

■ 1 1 1 1 / 1

н 1 \ 1 / I

|\ N

\ 1

1.2

1.6 2.0 2.4 2.8

3.2

3.6

4.0

4.4 4.8

5.2

5.6

Частота, ГГц

Рисунок 4.15 - Экспериментальная и рассчитанная характеристика КСВН, при

расстоянии между платами 4 мм (0,02 IX)

Рисунок 4.16 - Экспериментальная и рассчитанная характеристика КСВН, при

4.5. Выводы