Материал: Исследование сверхширокополосных печатных антенн. методические указания к лабораторной работе по курсу Устройства СВЧ и антенны. Негробов В.В., Федоров С.М

ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

295-2011

Исследование сверхширокополосных печатных антенн методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

"Устройства СВЧ и антенны"

для студентов специальности 210302 "Радиотехника"

очной и очно-заочной форм обучения

Воронеж 2011

Составители: аспиранты В.В. Негробов, С.М. Федоров,

д-р техн. наук Ю. Г. Пастернак

УДК 621.396

Исследование сверхширокополосных печатных антенн: методические указания к лабораторной работе по курсу "Устройства СВЧ и антенны" для студентов специальности 210302 "Радиотехника" очной и очно-заочной форм обучения / ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.В. Негробов, С.М. Федоров, Ю.Г. Пастернак. Воронеж, 2011. 14 с.

Методические указания содержат домашнее задание; общие указания по выполнению работы; указания по оформлению и содержанию отчёта; контрольные вопросы для самопроверки и защиты лабораторной работы.

Предназначены для студентов 3, 4 курсов специальности 210302 "Радиотехника" по дисциплине " Устройства СВЧ и антенны ".

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле met3.doc.

Ил. 5. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. О. Ю. Макаров

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю. С. Балашов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЕЧАТНЫХ АНТЕНН

1. Домашнее задание

Изучить, пользуясь настоящими методическими указаниями и дополнительной литературой [1-3] основные принципы работы полосковых и микрополосковых антенн, а также сверхширокополосных антенн Вивальди.

2. Краткие сведения об исследуемых антеннах

2.1. Антенна Вивальди

Антенна Вивальди - сверхширокополосный печатный излучатель, построенный на основе расширяющейся щелевой линии. Излучатель Вивальди вместе со всеми достоинствами плоских структур незначительно проигрывает объемным в своих электрических характеристиках. Известны системы, в которых антенна этого типа используется для приема и излучения импульсного сигнала.

Теория этих антенн с электродинамической точки зрения очень сложна. На данный момент параметры подобных устройств подбираются эмпирически с помощью программных комплексов электродинамического моделирования таких, как CST Microwave Studio и HFSS Microwave Office. Поскольку курс «Устройства СВЧ и антенны» ориентирован на общее рассмотрение основных типов антенных устройств, то в рамках настоящего лабораторного практикума достаточным будет проведение анализа лишь в нескольких частотных точках рабочего диапазона антенны Вивальди с рисунка 1.

Размеры исследуемого в работе излучателя принять 65×52×0.2 мм³. Диэлектрическая проницаемость подложки 3.55 (RO4003).

Рисунок 1 Антенна Вивальди

В данной работе исследуется антенна Вивальди с экспоненциальным характером раскрыва щели. Это значит, что характер образующей верхней или нижней части раскрыва антенны подчиняется выражению (1):

где:

z - координата, изменяющаяся от нуля до мм вдоль горизонтальной оси симметрии антенны, рис. 1;

у - координата, изменяющаяся от мм до мм в направлении, ортогональном оси z для верхней полуплоскости антенны, и до мм для нижней полуплоскости, рис 1;

А, В - коэффициенты, от выбора которых зависит характер поведения экспоненциальной зависимости раскрыва.

2.2 Симметричный вибратор с плечами эллиптической формы Общий вид печатного элемента подобного вида показан на рисунке 2.

Рисунок 2 Топология вибратора (а);

антенный элемент и экран (б)

Известно [3], что и вибраторные антенны, и полосковые относятся к классу резонансных антенн, однако данный эллиптический вибратор, за счет вырезов в плечах и формы своих плеч позволяет сохранять требуемый вид диаграммы направленности в полосе частот с перекрытием 2.5-3. Направленные свойства вибратора с эллиптическими плечами обусловлены наличием металлического экрана, расположенного на расстоянии 14 мм от печатной платы с топологией антенного элемента.

У данного печатного антенного элемента образующая плеч подчиняется каноническому уравнению эллипса:

где a и b – величины большой и малой полуосей эллипса, соответственно.

С помощью канонического уравнения описывается эллипс, расположенный в центре начала координат, а его полуоси совпадают с направлениями осей координат (x и у). Поэтому при построении модели вибратора следует сначала считать точкой начала координат центр верхнего эллипса, а затем, при построении нижней части, изменить все значения координаты у пропорционально на одну и ту же величину.

В данном случае размеры вибратора выбраны: 1739 мм (величина большой полуоси каждого эллипса равна 9 мм, малой - 7). Топология размещалась на односторонней плате из RO4003 толщиной 0.203 мм, со стороны металлизации, как было указано выше, располагался металлический экран с размерами 60х60 мм. Сектор выреза в эллипсах составил 45 градусов. Диапазон рабочих частот данного антенного элемента составил от 3 до 8 ГГц. Волновое сопротивление вибратора 100 Ом.

Запитка печатного вибраторного элемента с плечами эллиптической формы осуществляется с помощью специальной платы. Необходимость наличия дополнительной платы, расположенной перпендикулярно плоскости антенных элементов является недостатком данного вида СШП антенн.

2.3. Гибридный элемент

Топология гибридного элемента позволяет данному виду излучателей на низких частотах рабочего диапазона функционировать как обычный симметричных вибратор, запитываемый с помощью экспоненциально расширяющейся щели, а на высоких частотах проявлять направленные свойства, характерные для описанной ранее антенны Вивальди, рисунок 3. Таким образом, данный вид антенн с успехом может функционировать в сверхширокой полосе частот с перекрытием 2,5 -3.

Для моделирования предлагаются следующие параметры излучателей: размеры двухсторонней платы, на которой размещается топология элементов - 34.5660.813 мм, материал - RO4003. Перпендикулярно плате с элементом размещен металлический экран для уменьшения величины заднего лепестка в диаграмме направленности (ДН) элемента. Размеры экрана выбраны 7480 мм. Каждый гибридный элемент нагружен на сопротивление 150 Ом. Построение моделей данных элементов совмещает в себе особенности построения антенн Вивальди и вибраторов с эллиптической формой плеч.

Рисунок 3 Топология гибридного элемента (а); антенный элемент и экран (б)

Для запитки гибридных элементов, равно как и антенн Вивальди, рассмотренных ранее, не нужно использовать специальную плату, как в случае с вибраторами, рассмотренными в п.2. В данном случае фидерная линия, представляющая собой симметричную полосковую линию (или симметрирующий трасформатор) может быть расположена на одной подложке с самим элементом.

Исследуемые характеристики печатных антенных элементов

Одной из важнейших характеристик антенны является качество ее согласования с подводящим трактом в рабочей полосе частот, показывающее, какая доля энергии проходит из тракта в антенну (в случае излучающей антенны) или из антенны в тракт (в случае приемной антенны), а какая отражается обратно.

Степень согласования характеризуется величиной коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) :

где - модуль коэффициента отражения [3].

При проектировании антенн, а также трактов СВЧ, стремятся достичь минимального значения КСВН (3) ( ). При этом различают узкополосное согласование, при котором стремятся получить на каких-либо конкретных частотах рабочего диапазона антенны; либо широкополосное согласование, при котором стремятся минимизировать значение КСВН в широкой полосе частот. В последнем случае невозможно добиться полного согласования на всех частотах диапазона, поэтому считается, что для приемных антенн, в том числе и в печатном исполнении, удовлетворительными значениями являются . На рисунке 4 в качестве примера приведены зависимости КСВН вибратора с эллиптическими плечами и гибридного антенного элемента в диапазоне частот от 3 до 8 ГГц.

а)

б)

Рисунок 4 - Зависимость КСВН для вибратора с эллиптической формой плеч (а) и для гибридного элемента (б)

Подробнее вопрос согласования антенных устройств описан в [3].

Другими важными характеристиками антенн являются характеристики их направленности, показывающие, как изменяется характер излучения антенн в зависимости от направления. При этом используется комплексная векторная диаграмма направленности (ДН) антенны, характеризующая угловое распределение поля, а также его поляризационные и фазовые свойства [3]:

где:

- амплитудная диаграмма направленности антенны;

- вектор поляризации;

- фазовая диаграмма направленности антенны.

В данной работе исследуется зависимость амплитудной диаграммы направленности антенн.

Описанные выше варианты конструкций печатных антенн являются направленными с ярко выраженным главным лепестком ДН в азимутальной плоскости. При это направленное излучение достигается за счет самой топологии антенны (антенна Вивальди, гибридный антенный элемент), либо за счет расположенного сзади антенного элемента металлического экрана, как в случае вибратора с эллиптическими плечами.

Пространственное изображение функции является сложным для построения и малоинформативным. Поэтому о форме пространственно ДН обычно судят по ее сечениям в выбранных плоскостях. Выбор плоскостей определяется таким образом, чтобы полученные сечения обладали наибольшей информативностью. Поэтому для исследуемых антенн следует выбрать пару ортогональных плоскостей, проходящих через направление максимального излучения (ДН в горизонтальной (азимутальной) плоскости и ДН в вертикальной плоскости) [3].

В качестве примера, на рисунке 5 приведены зависимости ДН в горизонтальной и вертикальной плоскости для гибридного элемента на частоте 8 ГГц.

Рисунок 5 Амплитудная диаграмма направленности гибридного элемента на частоте 8 ГГц: а) - в горизонтальной плоскости; б) - вертикальной плоскости

Еще одной характеристикой антенн, исследуемой в данной работе, является коэффициент усиления (КУ) [3]: