CC BY
320
Ю.Б. Нечаев, Д-Н. Борисов, А.С. Мальцев
доктор технических наук, кандидат технических наук,
профессор, ОА О «Концерн Воронежский госуниверси-
“Созвездие ”» тет
УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ РАБОЧИХ ЧАСТОТ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ
Микрополосковые антенны (МПА) находят широкое применение при создании различных устройств мобильных систем связи: фазированных антенных решеток, базовых станций с секториальными диаграммами направленности, пространственно- разнесенного приема и др. МПА обладают рядом преимуществ в отношении веса, габаритных размеров, стоимости, простоты изготовления. Между тем, одним из типичных недостатков таких структур является их узкополосность. Ограничение полосы происходит из-за резкого рассогласования микрополосковой структуры уже при незначительных расстройках частоты от резонанса [1]. Это является серьезным препятствием для использования подобных структур. Естественный способ увеличения полосы рабочих частот МПА является использование более толстых подложек. Однако при больших значениях толщины подложки имеет место заметное возбуждение поверхностных волн, уменьшающих эффективность излучения. При этом ширина рабочей полосы — не более 7 %. Альтернативные способы позволяют получить ширину полосы рабочих частот до 18—60% и более. К альтернативным способам относятся управление резонансной частотой МПА, реализуемое с помощью p-i-n диодов; а также использование: излучателей сложной формы с 6-образной щелью; согласующих элементов (как правило, простой геометрической конфигурации) между зондом и излучателем; пассивных элементов, располагающихся в одной плоскости с излучателем; многослойных (многоэтажных) МПА.
МПА представляют собой сложные для теоретического исследования электродинамические системы. Наиболее полную информацию об их характеристиках можно получить, используя строгие численно-аналитические методы прикладной электродинамики [2].
Однако расчет МПА произвольной конфигурации, основанный на строгих методах, очень часто оказывается сложным и громоздким, а порой и невыполнимым из-за трудностей принципиального характера. Выходом из этой ситуации является использование мощных вычислительных алгоритмов, таких как метод конечных элементов, метод Галеркина и пр., реализованных в пакетах прикладных программ — Ansoft HFSS, IE3D, Microwave Office, Microwave Studio и т. д. В работе в качестве вычислительного инструмента использовался пакет программ Ansoft HFSS v. 10, как наиболее точный и подходящий для задач электродинамического анализа трехмерных пассивных структур. К достоинствам HFSS можно отнести реализацию метода конечных элементов для векторов поля и использование метода автоматического адаптивного
генерирования и деления ячеек исследуемой структуры [3], что, в конечном счете, позволяет с большой точностью вычислять характеристики излучения, например диаграмму направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ), а также характеристики согласования с линией питания (фидера): КСВ, входные сопротивления и т.д.
Целью работы является исследование возможности увеличения полосы рабочих частот МПА, используя наиболее перспективные способы, описанные выше.
Модификация описанного в литературе [4] способа увеличения рабочих частот за счет использования согласующего элемента (СЭ) позволяет увеличить полосу рабочих частот до 29%. На рис. 1 представлена конструкция МПА (а — схематичное изображение МПА; б — модель МПА в HFSS), демонстрирующая этот способ.
б
Рис. 1
В данном способе наиболее важным является выбор точки соприкосновения СЭ с излучателем МПА, кроме того, немаловажно определение размеров самого СЭ. Связано это с тем, что согласование МПА с линией запитки (фидером) напрямую зависит от обоих этих параметров. Излучатель для такого способа выбирается прямоугольным с размерами (0,57x0,5)1, размер СЭ не превышает, как правило, величины (0,25—0,3)1, а расстояние от центра излучателя до точки соприкосновения с СЭ не превышает 0,21. Для частоты / = 2,Ю5 ГГц оптимальными являются следующие размеры: а=59,8 мм, Ь=67,9 мм, к=25 мм, /1=35,2 мм, /2=23,9 мм, /з=30,3 мм.
/ - /
Относительная ширина полосы рабочих А/ / /0 =
(/2 - /)/2 + /
по уровню
КСВ=2 равна 29% (рис. 2) (/0=2,5 ГГц, /1=2,07 ГГц, /2=2,77 ГГц). Поверхностные токи распределены по всему излучателю, однако максимальная концентрация наблюдается у его краев (рис. 3).
а
Рис. 3
В качестве характеристик излучения будем рассматривать коэффициент направленного действия (КНД), который определяется как выигрыш излучаемой мощности данной антенны по сравнению с излучаемой мощностью изотропного излучателя, а также коэффициент полезного действия антенны, который определяется отношением мощности, излучаемой антенной, к мощности, подводимой к ее входу.
Для конструкции, изображенной на рис. 1, максимальное значение КНД для объемной ДН равно 2,44 и КПД=0,98. Объемная ДН на частоте /=2,5 ГГц МПА представлена на рис. 4. На рис. 5, а и б представлены ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Рис. 4
Характер распределения поверхностных токов на поверхности излучателя (рис. 3) позволяет применить способ увеличения полосы рабочих частот, заключающийся в добавлении щелей сложной конфигурации на поверхности излучателя.
В качестве щели сложной формы выберем щель в виде «бабочки» (рис. 6). В общем случае щель сложной формы можно представить суперпозицией более простых геометрических объектов. В случае щели в виде «бабочки» в качестве простого объекта выступает треугольник со сторонами т, п, к и высотой g.
Рис. 6
Полоса рабочих частот зависит от размеров сторон треугольника. Для исследования будем использовать щель в виде симметричной «бабочки». В этом случае треугольник будет равнобедренным и для описания исследуемой щели достаточно двух величин п и g.
На рис. 6 приведена конструкция МПА с величинами п и g, которые лежат в диапазоне (0,2—0,22)1.
Рис. 7
Для частоты /=2,5 ГГц оптимальной является щель, расположенная по центру излучателя с размерами: п = 24 мм, g = 25 мм . В этом случае относительная ширина
полосы рабочих частот А/ / / по уровню КСВ=2 увеличивается до 55% (рис. 8) (/0=2,5 ГГц, /[=1,66 ГГц, /2=2,92 ГГц). Характерное распределение токов (рис. 9) по поверхности излучателя сохраняется, однако наблюдается затекание токов на края щели и, следовательно, наблюдается деформация ДН (рис. 10). КНДтах=2,13, КПД=0,99.
Рис. 10
Плоскостные ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях этого излучателя представлены на рис. 11, а и б соответственно.
Рис. 11
Увеличение или уменьшение размеров щели такой формы приводит к негативным последствиям — полоса рабочих частот резко сужается, а в случае увеличения п и g происходит еще и сильная деформация ДН. Такая ситуация уже наблюдается при п = 54 мм, g = 35 мм . На рис. 12 представлена объемная ДН, а на рис. 13, а и б — плоскостные ДН такого излучателя.
- - ф=0 °; -+- - ф=90°
- - ф=270 °
а
- ср=180°; - 0=0°; -1-- 0=60°; -о - 0=120°
б
Рис. 13
В качестве другого способа увеличения полосы рабочих частот выберем прямоугольную форму щели сравнительно небольшого размера в пределах (0,22—
0,25)1 и равномерно распределим их по поверхности излучателя (рис. 14).
Рис. 14
Относительная ширина полосы рабочих частот А/ / / по уровню КСВ=2 в этом
случае равна 96% (рис. 15) (/0=2,5 ГГц, /1=1,63 ГГц, /2=2,83 ГГц). Характер распределения поверхностных токов сохраняется (рис. 16).
??п КСВ ш
\
8 Я ш
1.00 1.6 0 1.8 0 2.С 0 2.± 0 2.4 0 2.6 0 2.8 /, ГГц о з.йо
Рис. 15
Рис. 16
Такой излучатель имеет КНДтах=2,41 и КПД=0,98. В связи с тем что прямоугольные щели распределены равномерно и поверхностные токи сосредоточены у краев (рис. 16) ДН практически не искажается (рис. 17). Плоскостные ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях представлены на рис. 18.
Рис. 17
-о- - ф=0°; -- ф=270(
- ф=90°; -о- - ф=180°; - 0=0°; —I— - 0=60°; -о- - 0=120°
а б
Увеличение количества прямоугольных вырезов приводит к уменьшению полосы рабочих частот из- за сложного распределения поверхностных токов. На рис. 19 представлена МПА с 36 прямоугольными щелями.
Рис. 19
Для такой МПА относительная ширина полосы рабочих частот А/ / / по уровню КСВ=2 уменьшается до 51% (рис. 20) (/0=2,5 ГГц,/[=1,7 ГГц,/2=2,85 ГГц). В основном сужение полосы происходит за счет низких частот ((1,63—1,85) МГц). Поверхностные токи уже имеют сложное распределение (рис. 21).
00п I м I I I /
80 КСВ М
\ ч /
\ I I/
60 ч пг
ч I
Г\1 \г\
АО Рх \ 7ГТ
\
/
ч /
20 ч /
/ ГГц
.00 1.6 0 1.8 0 2.0 0 2.2 0 2.4 0 2.6 0 2.8 0 ' з.о!
Рис. 20
Рис. 21
Такой излучатель имеет КНДтах=2,42 и КПД=0,97. Объемная ДН такой МПА представлена на рис. 22, а плоскостные ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях — на рис. 23, а и б.
Рис. 22
'I..................I.............I.............I'
-24.0 —ОПО.
- - j=0°; -I- - j =90°;
- - j=270°
а
- j=180°; -o-Рис. 23
_i і" і її її і її її і її її і її 111 її її 111111 її її 111 її і її 1111 її 111 її 4.0 21.0 10,1 21,0
— ЛО. --1--- Л-ЙЛО. _n_ Л—ПАО
- 0=0°; -I- - 0=60°; -—- - 0=120° б
Таким образом, проанализированы некоторые способы увеличения полосы рабочих частот микрополосковых антенн. Получена конструкция с относительной шириной рабочих частот А Ї / 10=96%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панченко Б. А. Микрополосковые антенны / Б.А. Панченко, Е. И. Нефедов.— М.: Радио и связь, 1986.— 144 с.
2. Электродинамический расчет характеристик излучения полосковых антенн / Б. А. Панченко [и др.].— М.: Радио и связь, 2002.— 256 с.
3. HFSS Manuals Ansoft, 2007.
4. Herscovici N. A W ide-Band S ingle-Layer Patch Antenna / Т. Hersco vici // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. — 1998.— V. 46.— № 4.— April.
