CC BY
4376
УДК 621.396.6
РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ
Р.В.Петров, М.А.Хаванова
Институт электронных и информационных систем НовГУ, initra@yandex.ru
Работа посвящена изучению диаграммы направленности планарных управляемых антенн с применением магнитоэлектрического элемента. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Показано, что для расчета щелевой антенны П-типа возможно применение в качестве метода описания полей метода тензорной функции Грина как наиболее универсального для решения векторных задач в неоднородных средах. Ключевые слова: СВЧ антенны, диаграмма направленности, магнитоэлектрический элемент
The article is devoted to the research of directivity pattern of planar steerable antennas with magnetoelectric element. The data of the experiments corresponds well to the theoretical calculation. It is shown that for calculating the slot antenna of П-type is possible to use Green tensor function as the method of field description due to its universality for solution of vector tasks in inhomogeneous mediums.
Keywords: ultrahigh-frequency antennas, directivity pattern, magnetoelectric element
Введение
С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-
технических задач возрастают требования к антенным характеристикам, и в ряде случаев они становятся противоречивыми до неразрешимости. Например, стремление увеличить дальность действия и
точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и масс. Увеличение скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скорости движения луча в пространстве. Совместить требования увеличения направленности и скорости движения луча в антеннах с механическим сканированием не представляется возможным из-за инерционности их конструкции. Подобные противоречия возникают и при попытках обеспечить одновременно высокую направленность и требуемые частотные, энергетические и пеленгационные характеристики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от антенн традиционного типа для данного класса радиосистем и переходить к антенным решеткам.
Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных и направленных излучателей, значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик. Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением — фазированная антенная решетка (ФАР) — осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующих антенн. Время установки в заданную точку пространства луча ФАР практически определяется быстродействием электрического фазовращателя или временем перестройки частоты при частотном сканировании и не связано с массой и с размерами антенны. При таком «безынерционном» сканировании возможны новые, раннее не применяемые методы обзора пространства и многоцелевая работа (одновременное сопровождение нескольких целей в пространстве) [1].
Щелевые широкополосные антенны нашли самое широкое применение в ФАР и АФАР (активных ФАР) диапазонов СВЧ и КВЧ. Базовой конструкцией является антенна с расширяющимися щелями в симметричной щелевой линии, или антенна Вивальди. Антенна Вивальди обладает большой широкополосностью (отношение крайних частот рабочего диапазона составляет 5:1) и широким спектром перемещения луча. Это позволяет использовать ее для создания ФАР высокого качества, что требует больших затрат времени и средств, поскольку их проектирование остается сложной задачей. В особенности это относится к конструированию ФАР и АФАР, в которых имеет место большое взаимодействие между элементами [2]. Конструктивно антенна Вивальди имеет большое сходство с антенной, предлагаемой в работе [3], что позволяет искать общий теоретический подход для решения задач этого класса.
Расчет диаграммы направленности
Конструктивной основой элементов интегральных схем и полосковых антенн является слоистый диэлектрик с одним или несколькими металлическими экранами. Введение в конструкцию СВЧ приборов диэлектриков революционизировало техно-
логию их изготовления, привело к значительному улучшению массогабаритных характеристик, расширило функциональные возможности этих приборов. Однако в присутствии диэлектриков существенно усложнилась структура электромагнитных полей, и если при проектировании элементов полосковых трактов еще используются методы, косвенно или приближенно учитывающие присутствие диэлектрика, то при анализе излучения полосковых устройств, особенно для коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне волн, необходимо знание точной структуры полей как пространственных, так и поверхностных волн. В связи с этим целесообразно провести анализ расчета электромагнитных полей в слоистых диэлектрических средах. В качестве метода описания полей выбран метод тензорных функций Грина как наиболее универсальный для решения векторных задач в неоднородных средах [4].
Рассчитаем диаграмму направленности антенны, представленной в работе [3]. В этой работе рассмотрена конструкция щелевой антенны П-типа с применением магнитоэлектрического (МЭ) компонента (рис.1). Антенна представляет собой прямоугольную диэлектрическую пластину, изготовленную из материала ФЛАН (диэлектрическая проницаемость материала 5, < 0,0001, толщина 1 мм), металлизи-
рованную с двух сторон. Нижняя сторона металлизации заземлена, на верхней стороне от края антенны прорезана щель. Изучались антенны с разными линейными размерами и длиной и расположением щели, в статье приведены данные для антенны размером 35^25 мм и длиной щели 11 мм.
Рис.1. Щелевая антенна П-типа
В теле антенны вырезано прямоугольное углубление, в которое установлен прямоугольный образец 3^3 мм — пленка иттрий-железистого граната (ИЖГ) толщиной 6,4 мкм на подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) толщиной 0,5 мкм. Сверху, на пленку ИЖГ приклеен диск из пьезокерамики Р2Т диаметром 5 мм, толщиной 0,2 мм. Диск с обеих сторон металлизирован, к его металлизированным сторонам подведены электроды для подачи управляющего напряжения. Диск Р2Т с пленкой ИЖГ составляют магнитоэлектрический элемент. Когда на диск Р2Т подается управляющее напряжение, диск деформиру-
Рис.2. Спектр волн, возбуждаемых в изучаемой антенне
ется и деформирует склеенную с ним пленку ИЖГ, вследствие чего пленка меняет свои свойства — и в целом меняются свойства СВЧ поля, проходящего через элемент. Этим достигается возможность управления СВЧ характеристиками устройства. Для создания необходимого подмагничивающего поля с обратной стороны антенны расположен небольшой магнит, регулируемый с помощью диэлектрического винта. Антенна соединяется с волноведущим трактом разъемом типа SMA.
При расчете диаграммы направленности антенны необходимо определить спектр возбуждаемых волн на различных частотах, идентифицировать их и в дальнейшем учитывать структуру поля излучателя на конкретной частоте.
На рис.2 приведена характеристика коэффициента отражения 511 для излучающего элемента в диапазоне от 0 до 10 ГГц.
Для дальнейших исследований важно изучить низший из возбуждаемых типов колебаний, расположенный на частоте около 2,4 ГГц. Этот тип колебаний имеет круговую поляризацию в районе щели и способствует эффективному взаимодействию электромагнитного поля излучателя и ферромагнитного компонента. Колебание можно идентифицировать как колебание полоскового элемента по размеру ширины 25 мм. Щель, прорезанная в прямоугольном излучателе, вызывает искажения в поверхностном распределении энергии, смещая резонансную частоту вниз по спектру. Чем длиннее щель, тем ниже по частоте возбуждаемые колебания. Это позволяет существенно снизить частоту излучающего элемента при одинаковых с прямоугольным излучателем размерами. Заметим, что излучение, вызванное непосредственно щелью, расположено выше по спектру и здесь не рассматривается.
При элементарном подходе диаграмма направленности щели длиной а, прорезанной в плоском проводящем экране и имеющей равномерное распределение поля в плоскости Н, эквивалентна диаграмме направленности прямоугольной микрополосковой антенны. В плоскости Е излучение микрополосковой
антенны определяется как излучение двух таких щелей, разнесенных на ширину резонатора Ь [4]. При таком подходе влияние подстилающего слоя не принимается во внимание.
Для анализа характеристик прямоугольной микрополосковой антенны, возбуждаемой от коаксиальной линии, используется так называемый токовый метод, который в своей постановке не использует аппроксимации и допущений, характерных для резонаторного метода, и является более строгим. Граничную задачу формулируют в виде системы интегральных уравнений относительно скалярных компонентов векторной функции распределения электрического тока на проводящей пластине.
Диаграмма направленности металлической полосы имеет следующий вид:
в плоскости Н (ф = 0) —
„ 2^0 (єт(0,5£0а sin0) ^
Ар (0) = і „ „"I—^~^ (1)
а (0) =
•\Zcos2 0 + (^С£^к0^)2 ^ 0,5коа ^п 0
в плоскости Е (ф = п/2) —
2^соє 9 соє(0,5к0Ь єіи 0)
(2)
где d — толщина, а — ширина, Ь — длина антенны; k = р/ец, в — постоянная распространения, е — диэлектрическая проницаемость, ц — магнитная про-
ницаемость;
Результаты расчета по формуле (1) представлены на рис.3, по формуле (2) — на рис.4.
Результаты расчета по формуле 2 представлены на рис. 4.
Магнитоэлектрическое взаимодействие в МЭ элементе учитывается с помощью магнитной проницаемости ц в соответствующих формулах. В данном случае возможно применить формулу для расчета магнитной проницаемости пленки ЖИГ, приведенную в [3]. Изменения характеристик антенны будут касаться коэффициента 511 и ее фазовой характеристики [5].
90
F(0)
Г(Є)
F(0)
Є
Рис.З. Диаграмма направленности в плоскости Н
F(0)
270
0
90
270
Є
Рис.4. Диаграмма направленности в плоскости Е
Экспериментальные данные
Результаты экспериментального исследования изучаемого типа антенны в сравнении с теоретическими приведены на рис.5. Для измерения параметров антенны был использован стенд на основе векторного анализатора СВЧ: PNA Network Analyzer E8361A.
Рис.5. Диаграмма направленности антенны
Кривые экспериментальной и теоретических диаграмм направленности имеют схожую форму и достаточно близки друг к другу. Таким образом, очевидно, что искажения, вносимые щелью в структуру излучаемого прямоугольным резонатором электромагнитного поля, незначительны, так что формулы (1) и (2) возможно использовать в первом приближении для расчета диаграмм направленности антенн такого типа. В дальнейшем предполагается изучить влияние длины щели на искажения, появляющиеся в диаграмме направленности, для учета их в практических применениях.
Следует обратить внимание на спад составляющей Е0 при углах, близких к 90°. При элементарном рассмотрении излучения этого явления установить не удается. Строгое решение соответствующей задачи методом интегрального уравнения также устанавливает отмеченный спад интенсивности излучения [4].
И еще на один момент следует обратить внимание: боковые стороны прямоугольной микрополосковой антенны хотя и содержат противофазные участки тока, существенно ослабляющие излучение в направлениях, близких к нормали, все-таки служат источником кросс-поляризационных составляющих поля излучения.
Заключение
В результате проведенных исследований выяснено, что для расчета щелевой антенны П-типа возможно применение в качестве метода описания полей метода тензорной функции Грина, как наиболее универсального для решения векторных задач в неоднородных
средах. Данный тип антенн применим в современных и перспективных системах ФАР и имеет ряд преимуществ. Прежде всего, регулировка фазы происходит в плоскости антенны, непосредственно на излучающем элементе, что позволяет обходиться без внешних фазовращателей. Кроме того следует отметить ее компактность, поскольку за счет использования щелевой конструкции увеличивается эффективная длина антенны.
Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 гг.
1. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981. 432 с.
2. Нефёдов Е.И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Академия, 2009. 384 с.
3. Петров Р.В. Исследование магнитоэлектрического щелевого резонатора СВЧ-диапазона // Инженерная физика. 2012. №1. С.33-38.
4. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. 144 с.
5. Петров Р.В., Сринивасан Г. Проектирование магнитоэлектрической фазированной антенной решетки // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2009. №50. С.61-65.
Bibliography (Transliterated)
1. Antenny i ustrojjstva SVCh (Proektirovanie fazirovannykh antennykh reshetok): Ucheb. posobie dlja vuzov / Pod red. D.I.Voskresenskogo. M.: Radio i svjaz', 1981. 432 s.
2. Nefjodov E.I. Ustrojjstva SVCh i antenny: Ucheb. posobie dlja studentov vuzov. M.: Akademija, 2009. 384 s.
3. Petrov R.V. Issledovanie magnitoehlektricheskogo shhelevogo rezonatora SVCh-diapazona // Inzhenernaja fizika. 2012. №1. S.33-38.
4. Panchenko B.A., Nefjodov E.I. Mikropoloskovye antenny. M.: Radio i svjaz', 1986. 144 s.
5. Petrov R.V., Srinivasan G. Proektirovanie magnitoehlek-tricheskojj fazirovannojj antennojj reshetki // Vestnik NovGU. Ser.: Tekhn. nauki. 2009. №50. S.61-65.
