CC BY
88
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
ТЕХНІКА ТА ПРИСТРОЇ НВЧ ДІАПАЗОНУ. АНТЕННА ТЕХНІКА
УДК 621.372
БАГАТОЕЛЕМЕНТНІ АНТЕНИ НА ЦИЛІНДРИЧНИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РЕЗОНАТОРАХ І СМУЖКОВИХ ЛІНІЯХ У ВИПАДКУ ЇХ ОРТОГОНАЛЬНОЇ ВЗАЄМНОЇ ОРІЄНТАЦІЇ
Трубаров І. В., аспірант
Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут ”, м. Київ, Україна
Вступ. Постановка задачі
Широке застосування у НВЧ-діапазоні знайшли діелектричні резонаторні антени (ДРА), які живляться мікросмужковою лінією, а у якості випромінюючого елемента використовується діелектричний резонатор (ДР) циліндричної форми. Для таких антен були запропоновані дві основні схеми збудження: через щілину у заземленій площині смужкової лінії [1], та безпосереднє розміщення циліндричного ДР на діелектричній підкладці несиметричної смужкової лінії (НСЛ) поряд із смужкою [2]. В обох випадках ДР розміщується так, що вісь його симетрії перпендикулярна заземленій площині НСЛ. Запропонований у [3] спосіб збудження, названий ортогональним, відрізняється тим, що вісь симетрії циліндричного ДР при цьому належить заземленій площині. У [4] було досліджено частотні характеристики багатоелементних систем ДР, розміщених ортогонально відносно НСЛ. Не дослідженими залишаються випромінювальні характеристики антен з даним способом збудження.
Метою даної роботи є вивчення характеристик спрямованості решіток ДР, розміщених ортогонально відносно живлячої НСЛ. Сутність дослідження полягає в апроксимації поля одного елемента випромінювання та подальшому порівнянні характеристик спрямованості, отриманих з аналітичних виразів (з урахуванням апроксимації), із результатом математичного моделювання невеликих за розміром решіток методом кінцевих елементів (МКЕ). Метою порівняння є підтвердження адекватності аналітичних виразів для характеристик спрямованості таких антен. Після цього є можливим вивчення діаграм спрямованості даних антен для будь-якої кількості елементів, що також є задачею даного дослідження.
Конструкція одноелементного випромінювача та його діаграми спрямованості
На рис. 1, а зображено конструкцію одноелементного випромінювача за ортогонального розміщення ДР відносно НСЛ. Поряд із смужкою НСЛ
98
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
Техніка та пристроїНВЧдіапазону. Антенна техніка
(розімкнутий відрізок лінії) виконується отвір прямокутного перерізу, у якому встановлюється циліндричний ДР. У системі координат, зображеній на рис. 1, вісь симетрії розміщеного в отворі ДР належатиме площині xz і буде паралельною вісі х. З метою максимального придушення паразитного випромінювання розміри співпадають із перерізом ДР, тобто A=2r0, B=L (рис. 1, а). За такої конструкції половина об’єму ДР знаходиться у лінії, а інша половина - ззовні лінії. На рис. 1, а As - довжина шлейфу (As=Xg/4, де Xg - довжина хвилі у лінії на резонансній частоті ДР), що відповідає максимальному узгодженню антени із живлячим трактом. Після встановлення ДР (або декількох ДР у випадку антенної решітки), конструкція доповнюється екрануючим боксом - корпусом антени. Таким чином, у такій антені з відкритим простором буде зв’язаний лише ДР, решта ж конструкції буде екранована корпусом антени. Загальний вигляд одноелементної антени зображений на рис. 1,6.
Рис. 1. Конструкція (а) та зовнішній вигляд (б) одноелементної антени
Рис. 2. Поле основної H10g-моди циліндричного ДР
При збудженні ДР використовується його основна магнітна мода: И10д. Силові лінії електричного та магнітного полів даної моди зображені на рис. 2. Поле коливань у даному випадку азимутально однорідне, а сам ДР уподібнюється елементарному магнітному диполю із магнітним моментом, що належить вісі симетрії резонатора.
З рис. 2 видно, що за вищевказаного розміщення ДР у лінії заземлена площина НСЛ не збурюватиме поля ДР, оскільки вектор напруженості електричного поля власних коливань буде нормальним до неї (на
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
99
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
рис. 2 заземлена площина НСЛ співпадає із площиною xz). Таким чином, ДР у лінії залишається подібним до елементарного магнітного диполя. Однак, кінцеві розміри корпусу деформують діаграму спрямованості антени подібно до того, як деформується діаграма спрямованості щілини у екрані скінченних розмірів [5].
На рис. 1 та рис. 2 зображено систему координат, що використовується у роботі, та прив'язану до неї сферичну систему координат, у якій будуються діаграми спрямованості антен.
Як видно з рис. 2, конфігурація поля та конструкція антени (рис. 1) чітко визначають поляризацію антени. Площина yz є Я-площиною, площина xy - Я-площиною. Основна частина випромінювання знаходитиметься у півпросторі y<0. З огляду на це, вимірювання та розрахунки характеристики спрямованості проводилися у двох взаємно-перпендикулярних площинах для наступних значень аргументів:
- Е-площина: ф=270°, 6=0...180°;
- Я-площина: ф=180...360о, 6=90°.
Було проведено моделювання одноелементного випромінювача методом кінцевих елементів [6]. У результаті було отримано діаграми спрямованості одноелементної антени, зображені на рис. 3.
Рис. 3. Діаграми спрямованості одноелементної антени у Е- та Я-площинах
У Е-площині діаграму спрямованості F(6) було апроксимовано наступною функцією:
100
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
Техніка та пристроїНВЧдіапазону. Антенна техніка
f (в) - 05 в
6 + 0.5, якщо в < в,
Fe(6) = 1 f(6), якщо 6<6<62,
(1)
05 \6-62 ) + f (62), ЯКЩ0 6 > 62 ,
ж-в
ж 3ж
де f(6) = (1 -a)-acos46, а = 0.05, р=—, 62= —.
У Я-площині діаграму спрямованості F(y) було апроксимовано наступною функцією:
\ 0, якщо 0 <р< ж,
FH р) =-
| sin р |, якщо ж <р< 2ж.
(2)
На рис. 3 поряд із діаграмами спрямованості, отриманими при моделюванні антени, нанесені значення апроксимуючих їх функцій.
Діаграми спрямованості багатоелементних антен
Розглянемо антенні решітки, які представляють собою декілька ДР, що живляться синфазно і рознесені на відстань X/2 (X - довжина хвилі у вільному просторі на резонансній частоті ДР). На рис. 4 зображено схеми розміщення ДР у решітці для стиснення у Е- та Я-площині Рис. 4. Схеми побудови решіток із стисненням (Az=Ax=X/2).
діаграми спрямованості у Е-(а) та Я-площині (б)
Використовуючи схеми живлення, представлені на рис. 4, можна формувати пласкі решітки, досягаючи необхідних значень ширини головної пелюстки діаграми спрямованості. На рис. 5 зображено антенну решітку 2х2 ДР. Параметри ДР даної антени наступні: висота ДР L=8mm, діаметр ДР 2г0=12.5мм, відносна діелектрична проникність матеріалу ДР: є=81, резонансна частота ДР: /о=2.59ГГц. Параметри живлячої лінії: хвильовий опір Z=50Q, висота діелектричної підкладки
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
101
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
h=1.2MM, ширина смужки НСЛ: w=3.8mm, відносна діелектрична проникність матеріалу підкладки єл=2.1. Довжина шлейфу: А=21.8мм. Міжрезо-наторні відстані у решітці: Az=Ax=X/2=58mm.
Було проведено чисельне моделювання антени, зображеної на рис. 5, методом кінцевих елементів, у результаті якого було отримано діаграми спрямованості решітки. Для розрахунку діаграми спрямованості, використовуючи апроксимуючі функції для поля випромінювання одного елемента (1) і (2), слід помножити множник решітки [7] на функції (1) і (2). Тоді характеристика спрямованості пласкої решітки ДР визначатиметься виразом:
. , лг kAx . п } . F, kAz п
sin N----sin^cos^ I sin І M-cos#
F (0,ф) =
NM . f kAx .
sin----sin# cos ф
kAz n
sin----cos#
Fe (#)Fh (ф),
(3)
і
де N, M - відповідно кількість елементів уздовж координат x та z (рис.
4), k=2n/X - коефіцієнт поширення у відкритому просторі на резонансній частоті ДР, Fe(6) та FH(y) обчислюються за формулами (1) - (2).
На рис. 6 зображено порівняльні діаграми спрямованості решітки, отримані у результаті чисельного моделювання та з використанням (3).
Рис. 6. Діаграми спрямованості решітки 2х2 ДР у Е- та ^-площинах
Використовуючи (3), можна визначити діаграму спрямованості для будь-якої пласкої прямокутної еквідистантної решітки ДР, розміщених ортогонально відносно НСЛ. Для розрахунку ширини діаграми спрямованості (за рівнем 0.707, тобто половини потужності) необхідно розв'язати рівняння:
102
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
Техніка та пристроїНВЧдіапазону. Антенна техніка
- у Е-площині: F(в,
3т
2
) = 0.707, розв'язки вj та в2
ТГ
- у Я-площині: F(~,ф) = 0.707, розв'язки та ф2.
Тоді ширина головної пелюстки решітки у Е-площині становитиме Лв=в2- в1, у Я-площині - Лф=ф2-ф1.
На рис. 7 зображені залежності ширини головної пелюстки решітки від кількості ДР у відповідній площині, у тому числі і для розглянутих вище одноелементної антени (рис. 3) та 4-хелементної антени (рис. 6). Як видно з рис. 7, ширина діаграми спрямованості одноелементної антени становить у Е-площині Ав=1420, у Я-площині Аф=90°. Видно, що для решітки 4х4 елементи ширина головної пелюстки у Е- та Я-площинах відрізнятиметься на -7% (відповідно Ав=27.1°, Аф=25.4°). Пелюстка шириною 10° в обох площинах має місце у решітці 10х10 елементів; габарити такої антени
—
становлять 0.6х0.6м (10 — = 10 • 0.058м « 0.6м). У той же час габарити такої
антени, створеної для частоти 26ГГц будуть удесятеро меншими, тобто 60х60мм.
Рис. 7. Залежність ширини головної пелюстки решітки у Е- та Я-площині
від кількості елементів у відповідній площині при Az=Ax=X/2
Частотні характеристики багатоелементних синфазних антен, описаних вище, співпадають із такими для одноелементної антени і відрізнятимуться лише через варіювання геометричних розмірів решітки у межах технологічних допусків. ККД антен, описаних у роботі становить -0.8, ширина смуги пропускання - 34 МГ ц. Проте ширина смуги пропускання може бути розширеною при використанні ДР із матеріалу з меншою відносною діелектричною проникністю. Вибір ДР залежить від вхідних даних
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
103
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
для розрахунку антени та являє собою окреме питання.
Висновки
Циліндричний ДР, розміщений ортогонально відносно живлячої НСЛ, є ефективним випромінювачем із шириною головної пелюстки діаграми спрямованості 142° у Е-площині та 90° у Я-площині. Зведення таких випромінюючих елементів у решітку дозволяє звужувати до необхідного рівня головну пелюстку діаграми спрямованості без впливу на частотні та енергетичні характеристики антени.
Для визначення діаграми спрямованості решітки ДР достатньо визначити (наприклад, за допомогою чисельного моделювання) діаграму спрямованості одного елемента, тоді характеристика спрямованості визначатиметься його добутком на множник решітки. Проведене у роботі співстав-лення результатів чисельного моделювання та розрахунків діаграм спрямованості за аналітичними виразами підтвердила адекватність останніх.
Описані у роботі решітки ДР найдоцільніше використовувати у верхній частині сантиметрового та міліметровому діапазонах хвиль. На цих частотах такі антени суміщуватимуть енергетичну ефективність (оскільки випромінюючими елементами є діелектричні тіла і втрати у металі у таких антенах обмежуюються тільки провідними елементами НСЛ), невеликі габаритні розміри та вузькі діаграми спрямованості.
Література
1. K. W. Leung, M. L. Poon, W. C. Wong, K. M. Luk and E. K. N. Yung, “Aperture-coupled dielectric resonator antenna using a stripline feed,” Microw. and Opt. Techn. Lett., vol. 24, No. 2, pp. 120-121, Jan. 2000
2. R. A. Kranenburg and S. A. Long, “Microstrip transmission line excitation of dielectric resonator antennas”, Electron. Lett., vol. 24, pp. 1156-1157, Sept. 1988
3. Трубаров И. В. Коэффициент связи цилиндрического диэлектрического резонатора с несимметричной полосковой линией с ортогональной взаимной ориентацией // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Серія - Радіотехніка. Радіоапаратуробудування. - 2011. - Вип. 44. - c. 97 - 104.
4. Трубаров И. В. Коэффициент передачи системы цилиндрических диэлектрических резонаторов, связанных с несимметричной полосковой линией // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Серія -Радіотехніка. Радіоапаратуробудування. - 2011. - Вип. 45. - c. 100 - 107.
5. Фрадин А. З. Антенны сверхвысоких частот. М.: Сов. Радио. - 1957. - 652 с.
6. Банков С. Е., Курушин А. А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft - М.: ЗАО «НПП «Родник», 2009. - 256 с.
7. Марков Г. Т., Сазонов Т. М. Антенны. Учебник для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Энергия. - 1975. - 528 с.
Трубаров І. В. Багатоелементні антени на циліндричних діелектричних резонаторах і смужкових лініях у випадку їх ортогональної взаємної орієнтації. Описано конструкцію одноелементної антени, у якої випромінюючим елементом є циліндричний діелектричний резонатор, розміщений ортогонально відносно живлячої несиметричної смужкової лінії. Проведено її чисельне моделювання та визначено функції,
104
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
Техніка та пристроїНВЧдіапазону. Антенна техніка
апроксимуючі її діаграми спрямованості. Запропоновано схеми живлення решіток діелектричних резонаторів для звуження діаграми спрямованості у Е- та Н-площинах. Проведено чисельне моделювання решітки 4х4 елементи та виконано співставлення отриманих діаграм спрямованості із розрахованими аналітично. Побудовано графік залежності ширини головної пелюстки діаграми спрямованості решіток діелектричних резонаторів у Е- та Н-площинах від кількості резонаторів у відповідних площинах.
Ключові слова: діелектричний резонатор, НВЧ, несиметрична смужкова лінія, антена, антенна решітка, діаграма спрямованості, поляризація.
Трубаров И. В. Многоэлементные антенны на цилиндрических диэлектрических резонаторах и полосковых линиях в случае их ортогональной взаимной ориентации. Описана конструкция одноэлементной антенны, у которой излучающим элементом является цилиндрический диэлектрический резонатор, размещенный ортогонально относительно питающей несимметричной полосковой линии. Проведено ее численное моделирование и определены функции, аппроксимирующие ее диаграммы направленности. Предложены схемы питания решеток диэлектрических резонаторов для сужения диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях. Проведено численное моделирование решетки 4х4 элемента и выполнено сопоставление полученных диаграмм направленности с рассчитанными аналитически. Построен график зависимости ширины главного лепестка диаграммы направленности решеток диэлектрических резонаторов в Е- и Н-плоскостях от количества резонаторов в соответствующих плоскостях.
Ключевые слова: диэлектрический резонатор, СВЧ, несимметричная полосковая линия, антенна, антенная решетка, диаграмма направленности, поляризация.
Trubarov I. V. Multi-Element Antennas Based on Cylindrical Dielectric Resonators and Microstrip Lines in Case of Their Orthogonal Mutual Orientation. The design of a singleelement antenna, where cylindrical dielectric resonator, which is located orthogonally relative to feeding microstrip line, is used as radiating element, is described. There have been performed the numerical analysis of it and defined the functions approximating its directivity patterns. The schemes of feeding arrays of dielectric resonators for narrowing directivity patterns in E- and H-planes are proposed. The numerical analysis of antenna array 4x4 elements was performed and comparison of gained directivity patterns with ones calculated from analytical expressions was made. The graph of dependence of width of the main lobe in E- and H-planes for arrays of dielectric resonators versus the number of resonators in corresponding planes was plotted.
Keywords: dielectric resonator, microwave, microstrip line, antenna, antenna array, directivity pattern, polarisation.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№47
105
