научная статья по теме ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 8, с. 932-943

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 621.396.67

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН

© 2007 г. С. Е. Банков, Дж. Ан

Поступила в редакцию 24.05.2006 г.

Представлены результаты разработки и экспериментальных исследований ряда планарных антенн сантиметрового диапазона, содержащих многоканальный полосковый делитель мощности и двумерно-периодическую решетку щелевых излучателей, возбуждаемых симметричными полосковы-ми линиями. Рассмотрены однополяризационная антенна, антенна с двумя линейными поляризациями и антенна с двумя круговыми поляризациями. Приведены результаты измерений их основных параметров: коэффициента усиления, диаграммы направленности, уровня кроссполяризации. Рассмотрены особенности проектирования антенн данного типа и возможные пути улучшения их показателей качества.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Проблема создания плоской антенны для приема сигналов спутникового телевидения вызывает интерес у разработчиков антенной техники в силу ее большой коммерческой привлекательности. Тем не менее, несмотря на значительные усилия, приложенные для решения этой задачи, до сих пор удовлетворительный вариант плоской антенны, способной конкурировать с параболическими зеркалами по всем или большинству показателей качества, не известен. Интерес к данной проблеме усиливается в связи с появлением нового технического решения, которое потенциально может конкурировать с традиционными зеркальными антеннами. Однако детальное исследование характеристик новой антенны показывает, что она дает лишь частичное решение задачи, проигрывая по другим показателям качества. Так, в качестве альтернативы зеркальным антеннам рассматривались микрополосковые решетки [1], волноводно-щелевые антенны [2], антенны на основе радиальной линии [3].

Микрополосковые решетки, обладая малой толщиной, за счет тепловых потерь в системе питания имеют недостаточно высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, весьма сложной задачей для указанного типа антенн являются достижение широкой полосы рабочих частот и реализация двухполяризационного режима работы. Волноводно-щелевые антенны, как правило, имеют недопустимо высокую стоимость. Антенны на основе радиальной линии пока не могут работать на двух ортогональных поляризациях.

В последнее время предложен ряд антенн на основе симметричной полосковой линии (СПЛ), которая используется для создания системы питания решетки полосковых или щелевых излучате-

лей. Достоинством СПЛ по сравнению с микро-полосковой линией заключается в том, что она сохраняет направляющие свойства, когда проницаемость ее подложки близка или равна единице. Также толщина СПЛ может быть существенно больше толщины микрополосковой линии. В результате возможно использовать материалы типа пенопластов для создания схем и антенн на СПЛ. Применение таких материалов с очень низкими потерями в сочетании с увеличением толщины СПЛ существенно снижает затухание в линии передачи и, следовательно, повышает коэффициент полезного действия антенны по сравнению с микрополосковым аналогом.

Задача создания двухполяризационных антенн на СПЛ решается путем применения многослойных структур, в которых схемы питания излучателей с разными поляризациями расположены на разных слоях. При этом возникает другая сложная проблема излучения с нижнего слоя в свободное пространство через верхний слой. Для ее удовлетворительного решения к точности изготовления антенн на СПЛ предъявляют весьма жесткие требования, которые не всегда удается выполнить при условии использования пеномате-риалов.

Рассмотрим однослойные антенны на основе СПЛ, обеспечивающие работу на двух ортогональных поляризациях. Реализация двухполяризационного режима стала возможной за счет использования параллельно-последовательного питания излучающей решетки вместо более традиционного параллельного питания. В результате удается разместить две схемы возбуждения на одном слое и, таким образом, исключить проблему излучения через слой. Платой за это служит узкополосность последовательного питания

3

МДМ

У

N

МДМ1

р.

спл

Щели

Рис. 1. Схема однополяризационной решетки.

Рис. 2. Схема двухполяризационной решетки.

.П.

.П.

.п.

рУ

м

_п_ _п_ _п_ _п_ _п_ п

МДМ2

_п_ _п_ _П_ _П_ _П_ _П_

чп = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 414

,_п_ _п_ _п_ _П_ _П_ _П_ _П_

чп = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 414

,_п_ _п_ _п_ _П_ _П_ _П_ _П_ _П_

чп = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 414

,_п_ _п_ _П_ _П_ _П_ _П_ _П_

чп = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 41 = 414

излучателей, которое не позволяет исследованным антеннам работать во всем диапазоне спутникового телевидения от 10.7 до 12.75 ГГц.

Схематично структура рассматриваемой одно-поляризационной антенны показана на рис. 1, а двухполяризационной - на рис. 2. Поперечное сечение СПл показано на рис. 3, где w - ширина СПЛ. Однополяризационная антенна содержит многоканальный делитель мощности (МДМ), решетку излучающих щелей, которые выполнены в верхнем экране СПЛ, систему возбуждающих СПл. Двухполяризационная антенна содержит

w

Рис. 3. Симметричная полосковая линия.

1

2

х

h

n

Направление

распространения

волны

Рис. 4. К формированию излучения из решетки.

два МДМ, две решетки ортогональных щелей и две системы возбуждающих СПЛ. Существенно, что возбуждающие СПЛ, связанные с щелями разного типа, не имеют пересечений, что позволяет не использовать упомянутую выше многослойную схему возбуждения излучателей.

Кроме основных элементов, обе антенны содержат вспомогательные устройства: переходы от СПЛ к волноводу и волноводный направленный ответвитель. Применение направленного от-ветвителя связано с приемом (передачей) сигналов круговой поляризации. Антенна с двумя круговыми поляризациями идентична антенне с двумя линейными поляризациями с тем лишь отличием, что ее выходы соединены с развязанными входами ответвителя. Вторая пара его развязанных входов образует выходы антенны.

Рассмотрим далее особенности проектирования составных частей представленных выше антенн.

2. ИЗЛУЧАЮЩАЯ РЕШЕТКА

Теоретический анализ однополяризационной двумерной решетки щелей, возбуждаемых системой СПЛ, представлен в работе [4]. Алгоритм анализа решетки, описанный в [4], и компьютерная программа, построенная на его основе, использовались при проектировании обсуждаемых в данной работе антенн. Следует отметить, что в силу больших геометрических размеров рассматриваемых антенн для их проектирования нельзя использовать такие системы, как ADS Momentum, Ensemble, HFSS. По этой причине методы моделирования щелевых решеток больших электрических размеров [4] оказываются единственными практически приемлемыми.

Обсуждаемые антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Принципы их построения и особенности функционирования хорошо известны [5]. Перечислим эти особенности:

1) антенна имеет узкую полосу рабочих частот в силу эффекта частотного сканирования главного луча диаграммы направленности (ДН);

2) главный луч ДН отклонен от нормали к плоскости антенны, излучение по нормали невозможно вследствие эффекта нормали, вызывающего сильное рассогласование решетки;

3) амплитудное распределение излучающих токов вдоль возбуждающей линии передачи определяется связью излучателей (щелей) с этой линией; при постоянной связи амплитудное распределение описывается экспонентой с показателем а, зависящим от уровня связи.

Перечисленные выше особенности относятся ко всем решеткам, возбуждаемым бегущими волнами. Для щелевой решетки, возбуждаемой системой СПЛ, характерны дополнительные особенности:

1) возбуждающая СПЛ имеет постоянную распространения у, очень близкую к волновому числу свободного пространства в силу того, что диэлектрическая проницаемость пеноматериа-лов незначительно отличается от единицы;

2) излучатели в решетке очень сильно связаны друг с другом за счет Т-волн плоского волновода (ПВ), который образуют экраны СПЛ.

Первая из перечисленных выше особенностей обусловливает выбор режима излучения решетки. Она излучает на минус первой гармонике Флоке, поскольку излучение на нулевой гармонике возможно только при возбуждении решетки линией передачи с быстрой волной (у < тогда как постоянная распространения СПЛ пусть незначительно, но больше Чтобы избежать появления в ДН больших боковых лепестков, требуется создать в возбуждающей линии передачи искусственное дополнительное замедление волны. Для этой цели используются петли, увеличивающие длину полосковой линии Ь5 на периоде решетки Рх (см. рис. 1).

Элементарная теория решеток, возбуждаемых бегущей волной, не учитывающая влияния щели на линию передачи, позволяет найти угол излучения из решетки 0и:

8Ш(0и) = г1- (У^ - 2п). (1)

к0 Р х

Формула (1) записана так, что угол излучения положительный, если решетка излучает вперед относительно направления распространения возбуждающей волны (см. рис. 4) и отрицательный при излучении назад. На рис. 4 п - вектор нормали к плоскости решетки.

Электродинамический расчет решетки показывает, что излучатели сильно влияют на ее параметры, в частности на угол излучения. Это влия-

ние особенно сильно в окрестности резонансной частоты щели/р. На рис. 5 показана качественная зависимость угла излучения от частоты, соответствующая элементарной теории (кривая 1) и электродинамической модели (кривая 2). Видно, что на резонансной частоте щели обе модели дают одинаковое значение угла излучения, равное 0О. Строгий расчет показывает, что угол излучения также равен 0О еще на частотах /12. За счет этого достигается расширение полосы рабочих частот антенны.

Амплитудное распределение вдоль решетки при одинаковой связи щелей с линией передачи, как было сказано выше, является экспоненциальным. Затухание в линии а зависит от расположения щели относительно оси СПЛ. Его можно определить численным моделированием на ЭВМ. На рис. 6 показана типичная частотная зависимость затухания а. Видно, что она имеет резонансный характер. Известно, что рассматриваемая антенна бегущей волны имеет максимальный КУ при некотором о

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком