Электродинамическое моделирование и расчет широкополосной малогабаритной спиральной антенны миллиметрового диапазона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.62:621.372.632

И. Д. ПАВЛОВ

Центральное конструкторское бюро автоматики («ЦКБА»), г. Омск

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ШИРОКОПОЛОСНОЙ МАЛОГАБАРИТНОЙ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Рассматривается электродинамическое моделирования и оптимизация компактной спиральной антенны миллиметрового диапазона. Основная цель моделирования — проверить возможность минимизации габаритов антенны при сохранении ей основных радиотехнических характеристик (РТХ). Т акже проведена оптимизация отдельных конструктивных элементов с целью улучшения некоторых РТХ антенны. Приведенные в статье результаты моделирования и оптимизации показывают, что примененные конструктивные решения позволяют минимизировать габариты антенны, при этом сохраняя ее РТХ н а приемлемом уровне.

Ключевые слова: широкополосная антенна, спиральная излучающая структура, широкополосный трансформатор, миллиметровый диапазон, малогабаритная, моделирование.

Введение. В статье рассматривается широкополосная антенна миллиметрового диапазона длин волн. Данная антенна может быть использована в составе блока фазового пеленгатора с предполагаемым самолетным размещением.

Постановка задачи. Моделирование проводилось с целью выяснения возможности максимального сокращения габаритов антенны при сохранении ею основных радиотехнических характеристик (РТХ).

Также ставилась задача оптимизации некоторых конструктивных элементов антенны.

Теория. Излучающая структура антенны выполнена в виде плоской двухзаходной арифметической спирали, изготовленной методом негативного фотохимического травления на плате из диэлектрического материала (рис. 1, поз. 5).

Такой излучатель позволяет достичь требуемой широкополосности [1] (коэффициент перекрытия 2,2) и принимать электромагнитные волны практически с любой поляризацией [2]. В центре платы со спиралью предполагается выполнить сквозное отверстие прямоугольной формы, через которое проходит выход согласующего и симметрирующего устройства (далее в тексте — трансформатор).

Широкополосное симметрирование и согласование излучающей структуры с входной частью антенны осуществляется с помощью широкополосного клинообразного трансформатора [3] в микро-полосковом исполнении. Конструктивно трансформатор является трапециевидной платой из фольгиро-ванного диэлектрика. На ее поверхностях вытравлены проводники, образующие в месте соединения с питающим разъемом антенны несимметричную микрополосковую линию, плавно переходящую

в двухпроводную линию. Край трансформатора, оканчивающийся двухпроводной линией [4], проходит через отверстие в плате излучателя и каждый из проводников двухпроводной линии гальванически соединяется с соответствующей ветвью двухзаход-ной спирали.

Система излучатель — трансформатор размещена в цилиндрическом металлическом корпусе (рис. 1, поз. 8), внутренний диаметр которого соответствует диаметру платы излучателя. Плата излучателя установлена таким образом, что находится в одной плоскости с верхним краем корпуса. Внутри корпуса непосредственно за платой размещена шайба из диэлектрического материала с малой диэлектрической проницаемостью (е » 1,3) (рис. 1, поз. 2), являющаяся основанием, на которое устанавливается излучатель. В центре этой шайбы выполнено сквозное отверстие для платы трансформатора, а также проточка цилиндрической формы глубиной 0,2 мм. Проточка необходима для того, чтобы в месте соединения плат трансформатора и излучателя плата излучателя могла бы свободно перемещаться в небольших пределах, что позволит предотвратить разрушение пайки при температурных воздействиях. За шайбой из диэлектрического материала размещена шайба из поглотителя электромагнитных волн (рис. 1, поз. 3), в центре которой также выполнено сквозное отверстие для платы трансформатора. Шайба из поглотителя находится на поверхности металлического экрана (рис. 1, поз. 4), размещенного в верхней трети корпуса антенны вблизи излучателя. В центре металлического экрана также выполнено сквозное отверстие для платы трансформатора. Поглотитель вместе с металлическим экраном [5] обеспечивают однонаправленное излучение антенны.

проходящей по нему от питающего разъема к проводникам излучателя.

Для защиты от механических повреждений плата излучателя закрыта фторопластовой крышкой (рис 1, поз. 1).

Перед построением и расчетом трехмерной модели антенны необходимо было задать некоторые начальные значения размеров излучающей структуры и трансформатора, используемого для согласования излучателя и питающего разъема.

Рассматриваемая антенна должна работать в К и Ка диапазонах, что соответствует длинам волн порядка 10 — 20 миллиметров. Диаметр наибольшего витка спирали и диаметр платы излучателя следует выбирать из соотношения [2]:

Рис. 1. Трехмерная модель антенны: 1 — фторопластовая крышка, 2 — шайба из диэлектрического материала, 3 — шайба из поглощающего материала, 4 — металлический экран, 5 — плата с излучающей структурой, 6 — плата трансформатора, 7 — поглощающий материал, 8 — металлический корпус

Экран, шайбы из поглощающего и диэлектрического материала размещены вплотную друг к другу, зазоры между ними отсутствуют.

Во внутреннем пространстве корпуса, не занятом экраном и шайбами из поглощающего и диэлектрического материала, размещается трапециевидная плата трансформатора (рис. 1, поз. 6), широким своим основанием стоящая на дне цилиндрического корпуса антенны. Внутренняя поверхность стенок корпуса закрыта поглощающим материалом [6], (рис. 1, поз.7), это необходимо для предотвращения переотражений, которые возникают при излучении трансформатором части электромагнитной энергии,

(1)

где й — диаметр витка спирали; 1тах — максимальное значение длины волны.

Для уверенного формирования области излучения и уменьшения отражений от концов спирали на нижней частоте диапазона диаметр наибольшего витка спирали был выбран больше, чем следует из соотношения 1.

Добиться сокращения габаритных размеров позволили две конструктивные особенности данной антенны:

1. Из конструкции были исключены линии передачи, обеспечивающие гальваническую связь проводников трансформатора и проводников излучающей структуры, как, например, в согласующем симметрирующем устройстве, описанном в патенте [7]. Контакт трансформатора и излучающей структуры обеспечивается непосредственным соединением проводников трансформатора и излучателя. В результате моделирования предстояло выяснить, как повлияет такое решение на возбуждение излучателя и насколько сильно будут отклоняться максимумы

N0me Jí Y VSWR HFSSDesignl *

ml 0S31 Curve Info

ml CU04 Si — vswRm

- mí stupl : Sweet

1 90

-

SO

1 1

(Л > _

1.70 —

-

1.50 —

-

1.40 lili 1 1 1 1 | 1 lili 1 1 IIII IIII IIII IIII

fe

Реч [енг]

Рис. 2. Зависимость КСВН модели от частоты

fB

d

p

Gain

HFSSDesignl A

fe

Ввд [ОНг]

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Curve Info

- dBíGainTotal)

Setupl : Sweep

-

-

-

-

-

.111 1 I 1 1 ■ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1

fB

Рис. 4. Диаграммы направленности для вертикальной (сплошным) и горизонтальной (пунктиром) поляризаций, на нижней частоте (/я)

диаграмм направленности от продольной оси антенны.

2. Перед моделированием был проведен предварительный расчет размеров микрополосковых линий трансформатора. При расчете использовались следующие соотношения:

для несимметричной линии [8]

Z =

300

1+d )s

(2)

где Z — волновое сопротивление линии; Ь — ширина проводника микрополосковой линии; й — толщина подложки; е — диэлектрическая проницаемость подложки:

для двухпроводной линии [8]

120р

Vs a + b

(3)

где Z — волновое сопротивление; а — ширина проводника двухпроводной линии; Ь — толщина подложки; е — диэлектрическая проницаемость подложки.

a

Рис. 5. Диаграммы направленности для вертикальной (сплошным) и горизонтальной (пунктиром) поляризаций, на частоте 0,5/+/ )

Рис. 6. Диаграммы направленности для вертикальной (сплошным) и горизонтальной (пунктиром) поляризаций, на средней частоте /

Для удовлетворительного согласования длина трансформатора должна быть не менее половины наибольшей длины волны рабочего диапазона [1].

Результаты моделирования антенны с таким вариантом трансформатора позволят выяснить, обеспечит ли выбранный трансформатор требуемый уровень согласования.

Результаты экспериментов. Моделирование и электродинамический расчет выполнялись в систе-

ме автоматизированного проектирования НРББ. На рис. 1 представлена 3Б модель антенны.

В результате электродинамического расчета были получены основные радиотехнические характеристики модели.

Из графика зависимости КСВН от частоты, представленного на рис. 2, видно, что максимальное значение КСВН в рабочем диапазоне частот не более 2,1, что можно считать хорошим результатом.

Рис. 7. Диаграммы направленности для вертикальной (сплошным) и горизонтальной (пунктиром) поляризаций, на частоте 0,5(/

РРт

НРЭЭОе^дп*

- ! V Сиг*е *п1о - па1ша112е(гЕРЬ|>*2 5«ир1; Элеер Ргея-ЧОСНг1 РЬ1-ТМвд" ----поптм1|2е(гЕТНе4а'1*2

- V, 1 »«Цгр! : 5*еер гео=40СН? РП|=*Ю«Г

Д

А

1

/ 1

/ 1 45 ВП 51 7е

- / 1

/ 1

/ 1

- *й5т56° / 1 / '

/ 1

1 1 \

1 |

| V

1 .оо

2 К -1- 00 —~ - .00 .00' ' ' ' -50 -1-' 00 ■ 'о. 1.1 ' 1 10< .00 ' ' ' 15С 00 ' ■ • 2«

в'

Рис. 8. Диаграммы направленности для вертикальной (сплошным) и горизонтальной (пунктиром) поляризаций, на верхней частоте/)

Как видно из графика, представленного на рис. 3, коэффициент усиления антенны во всем диапазоне частот не хуже 2,2 дБ, наименьшие значения коэффициента усиления соответствуют нижним частотам диапазона.

Учитывая тот факт, что спиральные антенны являются слабонаправленными [2], такой результат можно считать вполне приемлемым.

Далее на рис. 4 — 8 приведены диаграммы направленности антенны на фиксированных частотных точках рабочего диапазона.

Представленные на рис. 4 — 8 диаграммы направленности в основном удовлетворительны, осесиммет-ричны, уровень бокового излучения не превышает 6 %.

График зависимости коэффициента эллиптичности от частоты, представленный на рис. 9, показывает, что антенна имеет почти круговую поляризацию в большей части рабочего диапазона (коэффициент эллиптичности не менее 0,7) и может принимать электромагнитные волны с большинством видов поляризаций.

Рис. 9. Зависимость коэффициента эллиптичности от частоты

Рис. 10. Зависимость КСВН от частоты до оптимизации размеров отверстий

Обсуждение экспериментов. Вариант 3Б модели антенны далее был оптимизирован по размерам центральных сквозных отверстий в шайбе из поглощающего материала и в металлическом экране. Диаметры этих отверстий должны быть оптимальны, чтобы оказывать как можно меньшее влияние на проходящий через них трансформатор и в то же время закрывать как можно большую площадь от обратного излучения.

На рис. 2 и рис. 10 представлены графики зависимости КСВН от частоты до оптимизации размеров отверстий и после соответственно.

Исходя из данных, приведенных на рис. 2 и рис. 10, можно сделать вывод, что процесс оптимизации достиг своей цели, максимальные значения КСВН уменьшились. Уменьшение значения невелико, около 0,1-0,15, но стоит заметить, что вклад в уровень КСВН вносят не только экран и шайба,

поэтому к значительному уменьшению значения уровня КСВН их оптимизация могла и не привести. Но важно то, что даже небольшое улучшение значений КСВН улучшает работоспособность антенны.

Выводы и заключение. Полученные по итогам моделирования и оптимизации результаты можно кратко оценить следующим образом:

1. Диаграммы направленности (ДН) в целом удовлетворительные, осесимметричные, с уровнем боковых лепестков не более 6 % и отклонением максимумов ДН не более 10°.

2. Ширина диаграмм направленности (ШДН) по уровню 0,5 изменяется от 48° до 90°, минимальная ШДН на верхних частотах диапазона.

3. КСВН не более 2,1 во всем диапазоне.

4. КУ изменяется от 2,2 дБ до 8 дБ, возрастая в верхней части диапазона.

5. КЭ по мощности не менее 0,74 во всем диапазоне.

В результате проведенного электродинамического моделирования получены удовлетворительные расчетные РТХ антенны во всем диапазоне частот.

Анализ полученных РТХ позволяет сделать вывод о целесообразности изготовления экспериментального образца антенны. С этой целью было выдано техническое задание на разработку конструкторской документации для антенн.

Библиографический список

2. Сверхширокополосные антенны / Под ред. Л. С. Бенен-сона. М.: Мир, 1957. 200 с.

3. Ротхаммель К. Энциклопедия антенн / К. Ротхаммель, А. Кришке. 11-е изд. М.: ДМК Пресс, 2016. 811 с. ISBN 978-597060-217-1.

4. Фрадин А. 3. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977. 440 с.

5. Чернушенко А. М., Меланченко Н. Е., Малорацкий Л. Г. [и др.]. Конструкция СВЧ устройств и экранов / под ред.

A. М. Чернушенко. М.: Радио и связь, 1983. 400 с. ISBN 5-25600697-5.

6. Пат. 2571906 РФ, МПК H01Q. Сверхширокополосное радиопоглощающее покрытие / Лагарьков А. Н., Семененко

B. Н., Кибец С. Г., Иванова В. И, Сиберт С. Д., Иванова Л. Н., Коробейников Г. В., Кохнюк Д. Д. 2014129366/05; заявл. 16.07.2014; опубл. 27.12.2015, Бюл. 36.

7. Пат. 2448383 РФ, МПК H01F. Согласующий симметрирующий трансформатор / Коробейников Г. В., Кохнюк Д. Д., Федоров Я. В., Боровик И. А. 2010139778/07; заявл. 27.09.2010; опубл. 20.04.2012, Бюл. 11.

8. Ефимов И. Е., Останькович Г. А. Радиочастотные линии передачи // Радиочастотные кабели. М.: Связь, 1977. 408 с.

ПАВЛОВ Иван Дмитриевич, инженер-конструктор 3-й категории.

Адрес для переписки: ckba@omsknet.ru

1. Рамзей В. Частотно-независимые антенны / под ред. А. Ф. Чаплина. М.: Мир, 1968. 175 с.

Статья поступила в редакцию 14.07.2017 г. © И. Д. Павлов

Книжная полка

Агарков, А. П. Проектирование и формирование инновационных промышленных кластеров : моногр. / А. П. Агарков, Р. С. Голов. - М. : Дашков и КО, 2017. - 288 с. - ISBN 978-5-394-02548-8.

Монография посвящена научным основам инновационной деятельности промышленных организаций; разработке многоуровневой интеграции инновационных структур и кластеризации в промышленности; теоретическим основам и перспективам развития инновационных промышленных кластеров (ИПК); основам проектирования и формирования региональных кластеров; развитию организационно-экономических систем на инновационной основе и производственно-предпринимательской деятельности на предприятиях машиностроения; вопросам финансирования и оценки эффективности ИПК. Для преподавателей вузов, научных работников, аспирантов, студентов, руководителей машиностроительных предприятий и промышленных организаций, менеджеров и лиц, интересующихся вопросами инновационной деятельности, кластеризации производства, проектирования и формирования инновационных промышленных кластеров.

Дружин, А. М. Модернизация двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа нового поколения / А. М. Дружин. - М. : Инфра-Инженерия, 2017. - 150 с. - ISBN 978-5-97290158-6.

Приведены исследования ошибок и недостатков в конструкции цилиндропоршневых групп двигателей внутреннего сгорания, а также способы их устранения. Рассмотрены процессы влияния газодинамики на работу уплотнительных поршневых устройств, гидродинамики — на работу маслосъемных поршневых устройств и термодинамики — на тепловые изменения формы и размеров цилиндра и поршня. Обоснован способ применения воды в рабочих процессах ДВС. Представлены конструкции элементов ЦПГ, реализация которых позволит увеличить мощность и ресурс двигателя, уменьшить расход топлива и моторного масла, улучшить его экологию. Книга будет полезна инженерно-техническим работникам моторостроительных предприятий, ученым и специалистам проектно-технологических институтов, студентам высших и средних учебных заведений, а также слушателям факультетов и институтов повышения квалификации, а также автошколам при изучении теории и практики ДВС.