Сверхширокополосные модифицированные спиральные антенны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Маркина, Юлия Ивановна

• Маркина, Юлия Ивановна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маркина, Юлия Ивановна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫЕ АНТЕННЫ.

1.1 Обзор существующих широкополосных антенн.

1.1.1 Типы антенн.

1.2 Основные принципы построения частотно-независимых антенн.

1.3 Классификация спиральных антенн.

1.3.1 Архимедова и логопериодическая спирали.

1.4 Разнообразные конструкции спиральных антенн.

1.4.1 Самодополнительная антенна.

1.4.2 Поляризация спиральных антенн.

1.4.3 Модулированные спиральные антенны.

1.4.4 Извилистые антенны.

1.4.5 Синусоидальные антенны.

1.4.6 Микрополосковые спиральные антенны.

1.5 Способы обеспечения однонаправленного режима работы спиральной антенны.

1.5.1 Экранирующие материалы и покрытия.

1.5.2 Поглотители.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ.

2.1 Архимедова и логарифмическая спирали.

2.2 Выбор конструкции антенны.

2.3 Обеспечение питания антенны.

2.4 Задание частотного диапазона и выбор размеров антенны.

2.5 Включение металлического экрана и поглощающих слоев.

2.6 Обеспечение бегущей волны тока в спиральной антенне.

2.7 Моделирование спиральной антенны в пакете САПР СВЧ НТЭБ v. 10.

2.7.1 Метод конечных элементов.

2.7.2 Моделирование спиральных антенн.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН.

3.1 Обоснованность результатов исследования.

3.2 Исследование спирали как замедляющей системы.

3.3 Исследование характеристик антенны в зависимости от нагрузочных сопротивлений.

3.4 Исследование влияния угла конусности спиральной антенны на ее характеристики.

3.5 Влияние отражающего экрана и поглощающих слоев на характеристики антенны на различных частотах.

3.6 Исследование антенн с углами намотки спирали 2°, 12° и 21 °.

3.7 Достоверность результатов расчета антенн.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СПИРАЛЬНЫХ СТРУКТУР.

4.1 Результаты расчетов антенн на усеченном конусе и теле вращения

4.2 Плоская спиральная антенна с поглотителем.

4.3 Измерение характеристик антенны.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхширокополосные модифицированные спиральные антенны»

Общая характеристика работы

В диссертационной работе проводится анализ излучения конечных комбинированных спиральных структур и построение на основе полученных результатов сверхширокополосных модифицированных спиральных антенн.

Актуальность работы

На сегодняшний день во многих современных системах пеленгования источников излучения, комплексах радиомониторинга и радионаблюдения широкая полоса их рабочих частот и прием сигналов с произвольной поляризацией обеспечиваются за счет применения спиральных антенн. Среди прочих антенн спиральные антенны имеют больший потенциал для расширения полосы частот. Более современной и технологичной оказывается комбинация различных типов спиралей.

Спиральные антенны, в отличие от большинства современных антенн другого типа, являются наименее изученными. Теоретические сведения о них ограничиваются свойствами регулярных «бесконечных» Архимедовой и логарифмической спиралей. Наиболее известными являются работы В. Рамзея, О.А Юрцева, A.B. Рунова, А.Н. Казарина, которые содержат некоторые пояснения по теории бесконечных регулярных спиралей. В то же время известно, что спиральные антенны обладают наибольшей широкополосностью и могут принимать волны произвольной поляризации. Кроме того, существует потребность в антеннах, имеющих небольшие габариты и вес, это показано в монографии Денисова В.П. и Дубинина Д.В. [1]. Поэтому в диссертационной работе ставится задача изучения основных закономерностей излучения электромагнитных волн конечными комбинированными спиральными антеннами с учетом влияния их конструктивных и электродинамических параметров (экрана, поглотителей, нагрузок, формы спиралей, тела вращения, на которое намотана спираль). Задача решается численно путем электродинамического моделирования.

Сверхширокополосные спиральные антенны для радиолокационных систем авиационной и ракетной техники разрабатываются в Центральном Конструкторском Бюро Автоматики [2]. Антенны работают в диапазоне от 1,0 до 20 ГГц и имеют коэффициент эллиптичности не менее 0,7. Однако эти антенны имеют существенный недостаток - сектор углов одновременного обзора антенн на верхней частоте диапазона составляет не более 25°. Подобные системы должны обеспечивать наблюдение в очень широком секторе обзора, именно поэтому задача исследования комбинированных спиралей и различных конструкций спиральных антенн является актуальной.

Компания Rohde&Schwarz, специализирующаяся также и на разработке систем для радиомониторинга и пеленгования, выпускает антенные системы (рисунок 1), использующиеся для радиомониторинга электромагнитных излучений на предприятии и работающие в диапазоне частот от 10 кГц до 18 ГГц [3]. Для приема СВЧ-излучения используются две спиральные антенны, осуществляющие прием левосторонне и правосторонне поляризованных сигналов.

Рисунок 1 — Антенная система для мониторинга предприятий

На сегодняшний день практически во всех современных системах пеленгования источников излучения широкополосность обеспечивается за счет применения спиральных антенн. Среди прочих конструкций спиральные антенны имеют больший потенциал для расширения полосы частот. До настоящего времени в литературе не представлено результатов анализа конечных спиралей и подобные исследования представляют актуальность. На основе полученных результатов станет возможной разработка миниатюрных сверхширокополосных антенн, обеспечивающих наблюдение в секторе углов не хуже 60° на верхних частотах диапазона, что позволит осуществлять прием гораздо большего объема информации, нежели при применении узкополосных антенных систем.

В противорадиолокационной ракете, разработанной компанией Alliant Techsystems, также используется спиральная антенна, которая обеспечивает прием электромагнитного излучения в диапазоне частот от 0,7 до 18 ГГц [4]. Для подобных систем важно, чтобы антенная система имела небольшие габариты и вес (рисунок 2). Поэтому необходимо добиться уменьшения массогабаритных показателей без ухудшения характеристик антенны.

Рисунок 2 - Противорадиолокационная ракета HARMAGM-88

Развитию современных спиральных антенн, расширению их частотного диапазона, улучшению технологичности конструкции посвящено множество работ, по большей части зарубежных. Авторами [2-4] рассматриваются методы расширения частотного диапазона спиральных антенн, а также способы увеличения принимаемой информации за счет широкого сектора углов одновременного обзора. Основной задачей остается объединение этих свойств в конструкции спиральной антенны.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение возможности получения расширенного частотного диапазона спиральных антенн с широким сектором углов одновременного обзора путем исследования моделей модифицированных спиральных антенн, анализа конечных спиральных структур и построения этих антенн на поверхностях тел вращения, оптимизации их заполнения.

Таким образом, в работе ставятся следующие задачи:

- исследование конечных спиральных структур;

- разработка конструкций спиральных антенн;

-выявление основных закономерностей излучения конечных комбинированных спиралей;

- моделирование антенн, анализ полученных характеристик моделей;

- изготовление опытного образца антенны и сравнение характеристик, полученных при моделировании, с экспериментально полученными данными.

Предмет исследований

В диссертационной работе проводится исследование конечных комбинированных спиралей, осуществляется анализ влияния конструктивных и электродинамических параметров на характеристики излучения, ведется разработка конструкций сверхширокополосных спиральных антенн, которые могут быть применены на практике.

Научная новизна работы

1. На основе изучения модифицированных спиральных антенн показано, что комбинирование различных типов спиралей позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны до 5.6 октав при секторе углов одновременного обзора, равном ±57°. Расширения сектора углов обзора и диапазона частот антенны можно добиться, выбирая угол конусности антенны в пределах 12°-15°, и угол намотки спирали на теле вращения, равный 2°, в антенне на усеченном конусе - 10°. Разработаны рекомендации по выбору параметров конструкции для достижения требуемого диапазона частот.

2. Произведен сравнительный анализ характеристик конечных комбинированных спиральных антенн и спиральных структур, показанных в литературе. Выявлены различия характеристик бесконечных структур, описанных ранее в литературе и конечных спиралей.

3. Разработана и изучена поглощающая структура для модифицированой спиральной антенны, которая также влияет на диапазонность антенны. Обнаружено изменение характеристик спиральных антенн при изменении параметров поглощающей структуры: аксиального отношения от -15 дБ до -0,9 дБ и ширины сектора углов одновременного обзора от ±57° до ±83° на частоте 800 МГц.

Обоснованность и достоверность результатов

Достоверность результатов моделирования антенн подтверждается совпадением характеристик смоделированных антенн в пакетах САПР СВЧ Ш^Э уЛОИБЕКО V. 5.2.

Достоверность расчетов также подтверждается проведенными измерениями опытного образца антенны и сравнением измеренных характеристик с данными, полученными при математическом моделировании.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. При расчетах конечных спиралей могут быть использованы установленные закономерности их излучения: подтверждено наличие дисперсии в конечной спирали, установлено, что периметр резонансного витка в конечной антенне не соответствует теоретически рассчитанному периметру резонансного витка бесконечной структуры, рекомендованы углы намотки спиралей и углы конусности антенны.

2. В работе даны рекомендации по выбору параметров поглощающей структуры антенны. Найденные зависимости коэффициента отражения от частоты для различных поглощающих структур могут быть использованы при проектировании сверхширокополосных модифицированных спиральных антенн.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ФГУП «КНИРТИ» в рамках научно-исследовательской работы «Запарка» при разработке конструкции сверхширокополосной спиральной антенны.

Материалы работы использованы в проекте «Создание высокотехнологичного производства по изготовлению информационно-телекоммуникационных комплексов спутниковой навигации

ГЛОНАСС/ОРБ/ОаШео», выполняемого по постановлению правительства РФ №218.

Содержание работы

Первый раздел

В первом разделе работы проводится обзор типов антенн, применяемых в системах мониторинга на предприятиях как самостоятельные антенны или в составе антенных систем для пеленгования сигналов. Проводится оценка полосы частот, в которой работают те или иные типы антенн, а также сектор углов обзора, в котором антенны принимают сигналы.

Также рассмотрены способы расширения частотного диапазона антенн и принципы построения частотно-независимых антенн, поскольку именно они могут работать в диапазоне частот с перекрытием от 2. .4 до 5. .6 октав.

Описаны способы реализации однонаправленного излучения спиральных антенн. Рассмотрены типы поглотителей и экранирующих материалов.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Маркина, Юлия Ивановна

Выводы. На основе проведенных в работе исследований смоделированы шесть конструкций спиральных антенн, имеющих разные габаритные размеры, углы намотки спирали, поглощающие конструкции, а также тела вращения, на которые намотана спираль. Результаты расчета конструкций могут быть использованы при проектировании сверхширокополосных антенн на практике.

Из представленных конструкций большим потенциалом к расширению полосы частот обладает антенна с углом намотки спирали 35°, так как с ростом частоты наблюдается расширение сектора углов обзора и рост коэффициента усиления.

В диапазоне частот от 700 МГц до 25 ГГц наблюдается широкий сектор углов обзора и высокий коэффициент усиления в антенне с углом намотки 10°. Антенна может применяться также и для расширения полосы частот как в область нижних, так и в область высоких частот.

Для проведения экспериментальных измерений была рассчитана модель плоской спиральной антенны. На основе расчета создан опытный образец. Экспериментально измеренные характеристики антенны практически совпали с расчетными данными модели.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы получены основные научные и практические результаты:

1. Электродинамические модели комбинированных спиральных антенн, в том числе поглощающих слоев, нагрузок и экранов, обеспечивающих работу в диапазоне частот 700МГц-25ГГц в секторе углов одновременного обзора ±57°;

2. Установленные закономерности излучения конечных спиральных антенн с различными углами намотки спирали на телах вращения разной формы и отличие этих закономерностей от аналогичных характеристик бесконечных спиральных структур;

1. Основные закономерности влияния экрана, нагрузок, а также количества и электродинамических параметров слоев поглощающей структуры, на характеристики антенны.

Исследование характеристик антенн проводилось в зависимости от следующих параметров:

- угла конусности антенны;

- величины сопротивления нагрузок, установленных на концах спиралей;

- величины угла намотки спирали;

- количества слоев в поглощающей структуре, а также наличия экрана;

- тела вращения, на которое намотана спираль. 2. Разработанные на основе вышеперечисленных исследований конструкции спиральных антенн, отвечающие заданным требованиям по диапазону рабочих частот и сектору углов одновременного обзора;

3. Разработанный опытный образец плоской спиральной антенны эллиптической поляризации. Экспериментальные результаты качественно подтверждают справедливость расчетов модели. Полученные в работе результаты могут применяться при практической разработке спиральных антенн с расширенной полосой частот.

4. Параметры поглощающей структуры, такие как количество слоев, их толщина и электродинамические характеристики. Получены минимальные коэффициенты отражения от структуры.

Все поставленные в работе задачи решены.

Выделим перспективные направления дальнейших исследований:

- изучение методов для расширения частотного диапазона модифицированных спиральных антенн;

- развитие теории о комбинированных спиральных антеннах круговой поляризации;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маркина, Юлия Ивановна, 2012 год

1. Денисов В.П., Дубинин Д.В. Фазовые радиопеленгаторы. Томск.: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 251 с.

2. Коробейников Г.В. Современные сверхширокополосные приемные антенны для радиолокации Электронный ресурс. 2005. - URL: http://www.ckba.net/main.php?id=3&nid=24&print=l (дата обращения: 11.12.2011).

3. Каталог продукции компании Rohde&Schwarz. Активная антенная система Электронный ресурс. URL: http://www.rohde-schwarz.ru/products/radiomonitoring/antennas/HE700/ (дата обращения: 11.12.2011).

4. Михайлов Б. Противорадиолокационные управляемые ракеты класса «воздух-земля» // Зарубежное военное обозрение. 1985. - №8. - С. 5256.

5. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч. 2. -М.: Связь, 1977.-288 с.

6. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. -432 с.

7. Марков Г.Т, Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528 с.

8. Юрцев О.А, Рунов A.B., Казарин А.Н. Спиральные антенны. М.: Сов. радио, 1974.-224 с.

9. Lee S.H, Yoon Y.J. A dual spiral antenna for Ultra-wideband capsule endoscope system // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2008. - Vol.

10. A-Info. Test report for JXTXLX-1020 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/propdf/new products/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-1020.pdf (дата обращения 19.12.11).

11. A-Info. Test report for JXTXLX-4080 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/propdf/newproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-4080.pdf (дата обращения 19.12.11).

12. A-Info. Test report for JXTXLX-80180 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/propdf/newproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-80180.pdf (дата обращения 19.12.11).

13. A-Info. Test report for JXTXLX-180265 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/pro pdf/new products/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-180265.pdf (дата обращения 19.12.11).

14. A-Info. Test report for JXTXLX-20180S А Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/propdf/newjproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/trJXTXLX-20180SA.pdf (дата обращения 19.12.11).

15. Nakano H. A monofilar spiral antenna and its array above a ground plane -formation of a circularly polarized tilted fan beam // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1997. - Vol. 45, №10. - P. 1506-1511.

16. Tanahashi M. Simulation design technologies of RF devices for UWB Электронный ресурс. 2005. - URL: http://www.ansoflt.com/converge/nakatanitaiyoyuden.pdf (дата обращения: 13.12.2011).

17. Volakis J.L. Fundamentals of antennas, arrays, and mobile communications. -USA.: The McGraw-Hill Companies, 2007. 1754 c.

18. Авдеев В.Б., Ашихмин A.B., Пастернак Ю.Г. Сверхширокополосные плоские спиральные антенны с модулированными проводниками // Радиотехника. 2005. - №11. - С. 83-84.

19. A-Info. Test report for JXTXLX-520 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/propdf/newproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-520.pdf (дата обращения 19.12.11).

20. A-Info. Test report for JXTXLX-840 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/pro pdf/newproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-840.pdf (дата обращения 19.12.11).

21. A-Info. Test report for JXTXLX-1080 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/pro pdf/newproducts/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-1080.pdf (дата обращения 19.12.11).

22. A-Info. Test report for JXTXLX-10180 Электронный ресурс. URL.: http://www.ainfoinc.com/en/pro pdf/new products/antenna/Spiral%20Antenn a/tr JXTXLX-10180.pdf (дата обращения 19.12.11).

23. Wang J.J.H. Desing of multioctave spiral-mode microstrips antennas // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1991. - Vol. 39, №3. -P. 332-335.

24. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975. - 248 с.

25. Бененсон JI.C. Сверхширокополосные антенны: Пер. с англ. М.: Мир, 1964.-416 с.

26. Банков С.Е., Курушин А.А. Анализ и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS. М.: Родник, 2008. - 283 с.

27. Dyson J. D. The equiangular spiral antenna. IRE Transactions on antennas and propagation, 1959, v. AP-7, №2, p. 181; The unidirectional equiangular spiral antenna. - IRE Transactions on antennas and propagation, 1959, v. AP-7, №4, p. 329.

28. Cheo BR. S., Rumsey V.H., Welch W. J. A solution to frequency independent antenna problem. - IRE Transactions on antennas and propagation, 1961, v. AP-9, №6, p. 527.

29. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка. M.: Воениздат, 1975. -255 с.

30. Лыньков JI.M. и др. Новые материалы для экранов электромагнитного излучения. Доклады БГУИР, 2004, Т. №3, с. 152-167.

31. Бреховских Jl.M. Волны в слоистых средах. М.: Академия наук СССР, 1957.-501 с.

32. Gschwendtner Е., Parlebas J., Wiesbeck W. Spiral antenna with frequency-independent coplanar feed for mobile communication systems // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999. - Vol. 37. - P. 560-563.

33. L-3 Communications. 2.4" diameter switch selected polarization e/j band sinuous antenna Электронный ресурс. URL.: http://www2.l-3com.com/randtron/img/SwtchAnt53620.pdf (дата обращения 10.02.12).

34. L-3 Communications. 2.4" diameter dual output e/j band sinuous antenna Электронный ресурс. URL.: http://www2.l-3com.com/randtron/img/SinAnt53640.pdf (дата обращения 10.02.12).

35. Жук Н.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М., Л.: Энергия, 1966. - 648 с.

36. Рамзей В. Частотно-независимые антенны. -М.: Мир, 1968. 175 с.

37. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003. - 416 с.

38. Кюн Р. Микроволновые антенны. Л.: Судостроение, 1967. - 517 с.

39. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2000. - 559 с.

40. Curtis W.L. Spiral antennas // IRE Transactions on antennas and propagation. 1960. - Vol. AP-8. - P. 298-306.

41. Picsa P. Log spiral antenna from 2 to 40 GHz with impedance matching. Электронный ресурс. URL:http://www.ctsvstemes.com/zeland/publi/i2004266.pdf (дата обращения 15.02.12).

42. Tanabe M. Spiralantenna. Электронный ресурс. URL.: http://www.freepatentsonline.com/20110234471 .pdf (дата обращения 15.02.12).

43. Павлов В.П., Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Моделирование спиральной антенны в частотном диапазоне 800МГц-21ГГц // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ» (ИРЭМВ-2009). Таганрог, 2009. С. 143-146.

44. Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Проектирование широкополосной спиральной антенны в пакете САПР СВЧ HFSS v. 10 // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. - №12. - С. 46-50.

45. Семенихина Д.В., Павлов В.П., Маркина Ю.И Моделирование сверхшироко диапазонной спиральной антенны в САПР СВЧ HFSS v. 10 // Антенны. 2010. - № 12. - С.63-64.

46. Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Сравнительный анализ параметров и характеристик различных конструкций спиральных антенн // Сб. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. -2010. С. 46.

47. Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Проектирование спиральной антенны в частотном диапазоне 800 МГц 25 ГГц // Рассеяние электромагнитных волн. Таганрог, 2010. - Вып. 16. - С. 44-52.

48. Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Излучение комбинированной спирали на частоте 800 МГц // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ» (ИРЭМВ-2011). Таганрог, 2011. С. 143146.

49. Маркина Ю.И. Антенна GPS круговой поляризации в диапазоне 1,2-1,6 ГГц // Инженерный вестник Дона. 2012. - №3. С. 2.