ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

Малинова О.Е.; Матвеева М.В.; Новожеева А.А.; Орлова М.О.

Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики г. Москва

Проведено исследование влияния коаксиально-полосковых переходов на частотные характеристики направленного ответвителя. Сделаны выводы о возможности оценки точности при электродинамическом моделировании симметричных устройств.

Ключевые слова направленный ответвитель, электродинамическое моделирование, частотные характеристики.

Введение

Направленный ответвитель (НО) является одним из наиболее широко используемых СВЧ устройств. НО представляет собой реактивный восьмиполюсник, имеющий две пары идеально согласованных и взаимно развязанных входов [1]. В данной работе рассмотрен симметричный НО, построенный на основе двух симметричных полосковых линий.

Описание геометрии НО

На рис. 1 показан НО А, построенный на основе симметричной полос-ковой линии, в аксонометрической проекции. Цифрами 1, 2, 3 и 4 отмечены порты, в сечении которых производится возбуждение ответвителя с помощью симметричных полосковых линий.

НО расположен в воздушной коробке В, размеры которой по оси х и оси у составляют а = 1.29Л и Ь = 0.592Л соответственно, где Л - длина волны в свободном пространстве на частоте Высота воздушной коробки к = 0.0223Л). Толщина проводника полосковой линии ^ = 2.23-10-4Л> На входах возбуждается основная волна полосковой линии - Т волна [2]. НО обладает двумя плоскостями симметрии, проходящими через середины боковых сторон воздушной коробки НО и параллельными плоскостям Х0г и У0г.

НО обладает двумя плоскостями симметрии, проходящими через середины боковых сторон воздушной коробки НО и параллельными плоскостям

хог и уог.

1 Студент.

Рис. 1. Направленный ответвитель, аксонометрическая проекция

Численное электродинамическое моделирование частотных характеристик направленного ответвителя

Моделирование как НО, так и других СВЧ устройств может быть проведено с помощью различных методов [5-7]. Моделирование рассматриваемого НО проведем в 3Б электродинамическом программном комплексе

Расчет выполним в частотном диапазоне от F0 - А/ до F0 + А/ с шагом 5-10"4 Д/ с различной сходимостью модулей элементов матрицы рассеяния Delta S, на ПК с процессором Intel Core i7 с частотой 2.93 ГГц, 12 Гигабайт оперативной памяти.

Из результатов моделирования следует, что значение КСВ НО при Delta S = 0.02, на частоте F0 - А/ составляет 1.105 на первом входе, 1.117 на втором, 1.121 на третьем и 1.115 на четвертом входах. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.089 на первом входе, 1.102 на втором, 1.105 на третьем и 1.098 на четвертом входах. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.074 на первом входе, 1.086 на втором, 1.087 на третьем и 1.081 на четвертом входах.

Очевидно, что вследствие наличия двух осей симметрии топологии НО, значение КСВ на всех входах должно быть одинаковым. Наблюдаемый разброс значений можно объяснить недостаточной точностью расчета. Для увеличения точности, уменьшим значение Delta S до 0.001.

В таком случае, на частоте F0 - А/ значение КСВ составляет 1.100 на первом и втором входах, 1.098 на третьем и 1.097 четвертом входах. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.081 на первом и втором входах, 1.079 на третьем и 1.078 на четвертом входах. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.062 на первом и втором входах, 1.060 на третьем и 1.059 на четвертом входах.

ANSYS HFSS v.15 [3, 4].

Отметим, что при значении параметра Delta S = 0.001, разброс величин КСВ, рассчитанных для разных входов, становится меньше, чем при значении параметра Delta S = 0.02. Уменьшим значение параметра Delta S до 0.0005.

При Delta S = 0.0005 на частоте F0 - А/значение КСВ составляет 1.100 на первом и третьем входах, 1.099 на втором и 1.098 на четвертом входах. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.081 на первом, втором и третьем входах, 1.080 на четвертом. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.062 на первом и третьем входах, 1.061 на втором и 1.060 на четвертом. При Delta S = 0.0005 разница между значениями КСВ на входах НО наблюдается в третьем знаке. Эту разницу можно использовать в качестве оценки точности вычислений программного комплекса (для конкретной Delta S).

Рассмотренный выше НО соединяется с другими составными частями диаграммообразующей системы ФАР с помощью коаксиальных кабелей. Поэтому в состав НО необходимо включить коаксиально -полосковые переходы.

Из результатов моделирования следует, что на частоте F0 - А/ значение КСВ составляет 1.224 на первом входе, 1.229 на втором, 1.219 на третьем и 1.229 на четвертом входах. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.177 на первом входе, 1.184 на втором, 1.176 на третьем и 1.184 на четвертом входах. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.127 на первом входе, 1.139 на втором, 1.132 на третьем и 1.137 на четвертом входах. Как и в случае с направленным ответвителем без коаксиально-полосковых переходов, наблюдается разброс значений КСВ. Уменьшим значение Delta S до 0.001.

В этом случае на частоте F0 - А/КСВ значение составляет 1.197 на первом входе, 1.196 на остальных. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.158 на первом входе, 1.157 на втором и третьем, 1.156 на четвертом. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.117 на первом, 1.116 на остальных входах. Разница между значениями КСВ теперь наблюдается в третьем знаке. Продолжим уменьшать значение Delta S до 0.0005.

Рассчитанная частотная характеристика КСВ НО с коаксиально-поло-сковыми переходами на частоте F0 - А/ составляет 1.195 на первом и втором входах, 1.194 на третьем и четвертом входах. На частоте F0 значение КСВ составляет 1.156 на первом и втором входах, 1.155 - на третьем и четвертом. На частоте F0 + А/ значение КСВ составляет 1.116 на первом и втором входах, 1.115 на третьем и четвертом. Заметим, что исчезла разница между КСВ на входах, расположенных на одной полосковой линии.

Анализ влияния коаксиально-полосковых переходов на частотные характеристики НО на симметричной полосковой линии

Результаты моделирования НО без коаксиально-полосковых переходов и НО с коаксиально--полосковыми переходами при различных значениях сходимости модулей элементов матрицы рассеяния представлены в табли-

цах 3 и 4. В таблицах приведен максимальный разброс частотных характеристик в полосе частот от F0 - А/ до F0 + А/.

Проведенное электродинамическое моделирование НО (при Delta S= 0.0005) показывает, что наличие коаксиально-полосковых переходов увеличивает КСВ НО на частоте F0 - А/ с 1.100 до 1.195, на частоте F0 с 1.081 до 1. 1564 на частоте F0 + А/ с 1.060 до 1.115. Коэффициент отражения на частоте F0 - А/ увеличивается с -26.416 дБ до -21.015 дБ, на частоте F0 с -28.172 дБ до -22.791 дБ, на частоте F0 + А/ с -30.653 дБ до -25.305 дБ. Коэффициент прохождения (L12, L21, L34, L43) снижается на частоте F0 - А/ с -0,815 дБ до -0,8200 дБ, на частоте F0 с -0.784 дБ до -0.789 дБ на частоте F0 + А/с -0.758 до -0.765 дБ. Коэффициент прохождения (L14, L41, L32, L23) снижается на частоте F0 - А/ с -7.916 дБ до -8.058 дБ, на частоте F0 с -8.022 дБ до -8.125 дБ на частоте F0 + А/с -8.122 до -8.185 дБ. Коэффициент развязки снижается на частоте F0 - А/ с -25.571 дБ до -27.505 дБ и на частоте F0 с -28.251 дБ до -30.260 дБ, а на частоте F0 + А/ увеличивается с -32.073 до -31.676 дБ.

Заключение

Из результатов моделирования следует, что даже для расчета частотных характеристик такого устройства как НО, необходимо выбирать достаточно маленькое значение Delta S. Однако и при малых значениях Delta S, таких как 0.0005, наблюдается разброс частотных характеристик НО. Учитывая, что НО построен на основе двух симметричных полосковых линий и обладает двумя плоскостями симметрии, частотные характеристики, рассчитанные для разных входов, должны совпадать. Поэтому полученные результаты могут быть использованы для косвенной оценки точности моделирования более сложных систем, в том случае, когда для сокращения времени моделирования выбирается недостаточное значение параметра сходимости модулей элементов матрицы рассеяния.

Список литературы:

1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: «Высшая школа», 1981.

2. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. - М.: «Высшая школа» 1980.

3. Банков С.Е., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS [Электронный ресурс] // Журнал «Радиоэлектроники». -2009. - С. 244. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/win/library/7/text.pdf (дата обращения: 01.12.2014).

4. Сестрорецкий Б.В., Кустов В.Ю., Шлепнев Ю.О. Климов К.Н. Электродинамическое моделирование широкополосной антенной решетки // Научно-техническая конференция «Направления развития систем и средаств радиосвязи». - Воронеж, 1993. - С. 105-107.

5. Klimov K.N., Kustov VYu., Sestroretsky B.V, Shlepnev Yu.O. Efficiency of the impedance-network algorithms in analysis and synthesis of sophisticated microwave devices. - Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 23-25 August, 1994, p. 26-30.

6. Sestroretsky B.V, Kustov VYu., Klimov K.N., Shlepnev Yu.O. Limit theorems and new technology of design of microwave filters. - Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 2325 August, 1994, p. 441-446.

7. Sestroretsky B.V, Kustov VYu., Shlepnev Yu.O., Vlasov E.A., Klimov, K.N. 90-dB diplexers for satellite communication systems. - Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 23-25 August, 1994, p. 342-345.

РЕАЛИЗАЦИЯ СЕКТОРООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ДАТЧИКОВ С УЗКОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики г. Москва

В данной работе рассматривается реализация секторообразующей системы, созданного на основе модернизированных пироэлектрических датчиков и ультразвуковых дальномерах (сонарах), с целью увеличения функциональных возможностей устройств детектирования объектов, и автономной самостоятельной работы устройства в различных сферах. А также реализация принципа секторообразующей системы, с целью разбиения пространства на сектора для слежения за объектами в определенных секторах (квадратах).

Ключевые слова сенсор; секторообразующая система; пироэлектрический датчик, ультразвуковой сонар.

В настоящее время широкое распространение получили всевозможные устройства, построенные на ультразвуковых сонарах и пироэлектрических датчиках, но зачастую такие устройства включают в себя отдельные либо те, либо иные датчики, с целью определения наличия объекта перед датчиком. К таким устройствам относятся: парктроники (парковочный радар); датчики движения в охранных системах, системах «Умный дом», а также для автоматического включения / выключения света; устройства для слабовидящих людей - ультразвуковая трость, ультразвуковые очки и т.д.; а также в устройствах робототехники.

1 Студент магистратуры.

Текст научной работы на тему «ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ»