Частотные свойства микрополоскового вибратора со смещенным входом Текст научной статьи по специальности «Физика»

Частотные свойства микрополоскового вибратора со смещенным входом

Ключевые слова: микрополосковый вибратор, интегральное уравнение Фредгольма, слоистая среда, частотные свойства, поглощающий слой

Численный анализ микрополоскового вибратора со смещенным входом, который широко используется в практике антенн, проводится на основе одномерного интегрального уравнения Фредгольма первого рода для его полного тока. Приведены примеры расчета входного импеданса вибратора для различных параметров слоистой среды, составляющих его подложку, изменяющих частотные свойства вибратора. Микрополоско-вье вибраторы (МПВ) имеют вид тонких ленточных проводников, расположенных в слоистой среде, включая диэлектрическую подложку как обязательный конструктивный элемент. Другой особенностью МПВ является квазистатическая область возбуждения, определяющая вход вибратора. МПВ пригодны для использования в различных диапазонах частот и отличаются, как правило, малыми электрическими размерами. Частотные свойства МПВ определяются, в основном, топологией ленточных проводников и свойствами слоистой среды. Строгий анализ МПВ, особенно, исследование их предельныххарактеристик требует построения адекватных математических моделей и построение эффективных алгоритмов численного исследования. Основой последних является редукция граничных задач электродинамики к интегральным уравнениям. Приводится пример исследования вибраторного микрополоскового излучателя в многослойной среде, исследуется влияние среды на его частотные свойства и указываются пути изменения этих свойств. Показано, что использование многослойных сред, образующих подложку и укрытие микрополоскового вибратора, позволяет изменять электрическую длину вибратора и его частотные свойства. Последние существенно улучшаются с введением поглощающего слоя при небольшом уменьшении усиления микрополоскового вибратора.

Чебышев В.В.,

д.т.н., профессор, зав. кафедры ТЭД и А, МТУСИ Выродов А.А.,

соискатель кафедры ТЭДиА МТУСИ

Рассматриваются импедансные свойства микрополоскового вибратора (МПВ) со смещенным входом, плечи которого расположены по обе стороны диэлектрической подложки (рис. 1а). Указанный вибратор представляет интерес как элемент вибраторных решеток в микропо-лосковом исполнении, позволяющий реализовать удобное возбуждение решетки при помощи микрополосковой линии. Предлагается анализ МПВ, учитывающий влияние диэлектрической подложки и импедансного экрана, влияющих на импедансные свойства вибратора, и приводится сравнение последнего с МПВ, имеющим планарное расположение плеч вибратора (рис. 16).

Вибратор имеет вид тонкого ленточного проводника с шириной 26 и длиной 2Ь, ленточные проводники образуют плечи вибратора с зазором между ними 2Ь. Предполагается, что выполняется условие кс!«1, кЬ«1, к1>1, где к=2л/Х, Х-рабочая длина волны. В области зазора можно ввести понятия тока и напряжения и определить вход вибратора, причем эти предположения принимаются обычно для вибраторных антенн из тонких ленточных проводников. Возбуждение вибратора обеспечивается разностью потенциалов и на его входе, при которой в области щели устанавливается первичное поле Е°.

Принимая во внимание размеры вибратора в области щели и предполагая его эффективное возбуждение, расчет поля Еи можно провести в квазистатическом приближении. Для планарного размещения плеч вибратора (рис. 1а) поле Е° известно [1].

Для смещенного размещения плеч вибраторов аналогично можно найти:

Е°(х,у) = -—!£— (ц

ПНу(1+У

Под действием первичного поля на ленточном проводнике 5Пр вибратора наводится поверхностный ток

.КМ0), М0е$Пр. Поле вибратора, создаваемое этим током, будем характеризовать векторным потенциалом А =(АХ,А,). Тогда для слоистой среды имеем выражение:

Мп" .................... (2)

где й(М, М0) - тензорная функция Грина. В матричной форме она имеет вид

С = О С0 3| Э|

Эх ду

О

О

«Д.)

(3)

2Ь

Подложка

ШЛ

мшШ

глш¥мт Ґ —-—Ї ' тт Ь н, Ш1'

"Ш/’у

Плечи вибратора

Подложка

Плечи вибратора \

тшшщщшт- тшшшшттг

Экран ^ " Экран

Экран

Рис. 1а

Рис. 16

154

Т-Сотт, #8-2013

T-Comm, #8-2013

155

вибратора, в зависимости от свойств слоистой среды и способов возбуждения. Как следует из рис. 2 и 3, использование двухслойных подложек для МПВ позволяет улучшить его диапазонные свойства при условии увеличения £, И 8 2-

Литература

1. Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. - М.: Радиотехника, 2007.

2. Дмитриев В.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах // Труды ВЦ МГУ. - М.: МГУ, 1969.

3. Чебышев В.В. Построение и способ вычисления тензорной функции Грина для плоской слоисто-однородной среды. — М.: Сб. Антенны, 2001, вып. 6(52). -С.11-17.

4. Чебышев В.В. Расчет и проектирование микрополосковых антенн СВЧ.-М.: МИРЭА, 2000.-C.9l.

The Frequency-Related Properties of an Offset Input Microstrip Dipole Chebishev V.V., Vyrodov AA

Abstract

A numerical analysis of the offset input microstrip dipole is widely used for antenna applications. It is based on the one-dimensional integral Fredholm equation of the first kind for its total current. Sample dipole input impedance calculations are included for various multilayer media (the substrate) parameters which affect the dipole's frequency-related properties. Microstrip dipoles (MSD) are constructed as thin ribbon conductors placed in a multilayer medium along with a dielectric substrate as a required component. Another MSD feature is a quasi-static excitation region which defines the dipole's input parameters. MSDs can be used in various frequency ranges and usually have small electrical size. The frequency-related features of a MSD mostly depend on the ribbon conductor topology and the multilayer medium's properties. An accurate MSD analysis and specifically the study of its limit characteristics require the development of adequate mathematical models and efficient numerical modeling algorithms. The latter are based on reducing the electrodynamics boundary problems to integral equations. In the present paper a sample study of a microstrip dipole transmitter in a multilayer medium is given; the medium's effects on its frequency-related properties are studied, and the methods for modifying these properties are proposed. It is shown that using multilayer media forming the microstrip dipole's substrate and pack allows for changing the dipole's electric length and frequency-related properties. The latter are significantly improved as an absorption layer is introduced while the microstrip dipole's gain is slightly decreased.

Keywords: Microstrip dipole, integral Fredholm equation, multilayer medium, frequency-related features, absorption layer.

где 1(х) - полный ток вибратора. Тогда окончательно, с учетом (1) можно получить из (8) одномерное интегральное уравнение для полного тока

/,1(хс)С(.х,х0)£1х0 = —Р(Ь)Б1пк|х| + С^ткх-Ь С2сэзкх

2* (,0) где Р(Ь) =( м и- слУчай возбуждения рис. 16

~Ul0(.kb),случай возбуждения рис. 1а

\\'= I —; 0(х,Хд) - ядро сложной структуры. Алгоритм численного решения интегрального уравнения (10), основанный на принципе саморегуляризации, приведен в [1]. Ниже приведены результаты расчета

входного импеданса МПВ где 10 - ток на входе

156

T-Comm, #8-2013