Научная статья на тему 'Микрополосковая антенна для беспилотного летательного аппарата'

Микрополосковая антенна для беспилотного летательного аппарата Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
758
171
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА / ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫ / СИНТЕЗИРОВАННАЯ АПЕРТУРА / ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ / MICROSTRIP ANTENNA / ANTENNA DESIGN / SYNTHETIC APERTURE / ELECTROMAGNETIC MODELING / DRONE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Верёвкина Евгения Владимировна

В данной работе представлены результаты проектирования микрополосковой антенны для малогабаритного радиолокатора с синтезированной апертурой для беспилотного летательного аппарата. Приведены расчеты геометрических параметров излучателей, 3D-модель антенной решетки и результаты моделирования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Верёвкина Евгения Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DRONE MICROSTRIP PATCH ARRAY

The article describes the design rocess of a seriesfed microstrip antenna array used for synthetic aperture radars for drones. The calculations of geometric parameters of patches, a 3D-model of the antenna array and the results are also described.

Текст научной работы на тему «Микрополосковая антенна для беспилотного летательного аппарата»

УДК 621.372.413

МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Евгения Владимировна Верёвкина

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 3-й категории; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, e-mail: [email protected]

В данной работе представлены результаты проектирования микрополосковой антенны для малогабаритного радиолокатора с синтезированной апертурой для беспилотного летательного аппарата. Приведены расчеты геометрических параметров излучателей, 3Б-модель антенной решетки и результаты моделирования.

Ключевые слова: микрополосковая антенна, проектирование антенны, синтезированная апертура, электродинамическое моделирование, беспилотный летательный аппарат.

DRONE MICROSTRIP PATCH ARRAY

Eugenia V. Veryovkina

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53, Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, Engineer of 3 Category; Novosibirsk State Technical University, 20, K. Marx Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, e-mail: [email protected]

The article describes the design rocess of a series-fed microstrip antenna array used for synthetic aperture radars for drones. The calculations of geometric parameters of patches, a 3D-model of the antenna array and the results are also described.

Key words: microstrip antenna, antenna design, synthetic aperture, electromagnetic modeling, drone.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и другая дистанционно управляемая техника имеют широкое применение в различных отраслях российской экономики. Они активно применяются в армии (видео- и фоторазведка, дистанционное разминирование), в добыче полезных ископаемых и энергетике (контроль состояния трубопроводов и ЛЭП), охране правопорядка и МЧС, а так же в картографии (аэрофотосъемка).

Назначение радара синтезированной апертуры для БПЛА - получение изображений поверхности в радиодиапазоне. Антенна для данного радара имеет следующие параметры (табл. 1).

Таблица 1

Исходные параметры

Рабочая частота F = 10 ГГц

Значение волнового сопротивления питающей линии Z; = 50 Ом

Количество излучателей 2N = 12

Уровень боковых лепестков С; = -2 0 дБ

Найдем токи и проводимости для четного количества излучателей (2Ы), используя полином Чебышева:

где А - параметр, определяющий уровень боковых лепестков и ширину луча при известном числе излучателей; т = 1, 2 ... , N.

= ск (— * ОГСк —)

\р q/

где р - степень полинома Чебышева, д - уровень боковых лепестков [1]. Проводимости найдем по формуле: ^

Ширина излучателя а связана с проводимостью g соотношениями:

;

;

еая6 I

С — 1 * 11

,

где - собственная проводимость, - эффективная ширина микрополоско-

вой линии, & - рабочая частота, с - скорость света, Ь - толщина подложки [3].

Результаты расчетов токов I, проводимостей g и ширины излучателей а представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчетов

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I 0.713 0.553 0,709 0,845 0,946 1 1 0,946 0,845 0,709 0.553 0.713

g 0,064 0,039 0,064 0,091 0,114 0,127 0,127 0,114 0,091 0,064 0,039 0,064

а 5,8 4,2 5,8 7,2 8,3 8,8 8,8 8,3 7,2 5,8 4,2 5,8

Длину излучателя вычисляем по формуле: Ь = (0.4-8. .0.49) * Ар/т^ё, где - длина волны. Получаем Ъ = 9. При максимальной рабочей частоте толщина подложки должна удовлетворять условию:

h <

0.3c

[2].

h = 0.888, примем h = 0,5 мм.

Для проектирования антенны мы используем программу HFSS (High Frequency Structural Simulator) от компании ANSYS для моделирования высокочастотных электромагнитных полей. Программа используется для проектирования антенн, а также для разработки сложных электронных элементов радиочастотной цепи, включая фильтры, линии передачи, разъемы, IC-упаковку и печатные платы.

Зная размеры излучателей, расстояние между ними и толщину подложки, можем смоделировать антенну (рис. 1).

Рис. 1 - ЭБ-модель микрополосковой антенной решетки: а - ширина излучателя; Ь - длина излучателя

Чтобы получить оптимальную диаграмму направленности, будем изменять длину излучателей и расстояние между ними. Построим диаграммы направленности для нескольких значений длин излучателей (8-11 мм) и шага между ними (18-21 мм) (рис. 2). Самой оптимальной является диаграмма для длины излучателей 10 мм и шага 19 мм: уровень боковых лепестков = -20,65 дБ, ширина главного лепестка 6,9° (рис. Э). Коэффициент усиления данной антенной решетки составляет 15,2 дБ.

Угол (с)

График Б. лепестки

— длина пагча = 9 мм шаг = 20 мм -24.2250

■■■ длина пагча = 10 мм шаг = 20 мм -0.0616

длшапагча = 10мм шаг =18 мм ■28.6691

- длина пагча = 10 мм шаг =1? мм -20.661?

Рис. 2. Диаграммы направленности для разных длин патчей и шага между ними

Угол (с)

Рис. 3. Сечение нормированной диаграммы направленности в плоскостях E и H

Заключение

Рабочая полоса частот по уровню -10 дБ: 9,85-10,65 ГГц (рис. 4). В точке, соответствующей частоте 10 ГГц, значение коэффициента отражения -23,5 дБ. В этой точке КСВ равен 1,15.

щ . ■3-

г

I

к

I"1

к

3

в?

" 1

в

-

_

График

\

пагч= 1 0мм шаг= 1 ?мм \

- пагч= 1 Омм шаг-18мм лагч=!?мм ша1=2 0мм 1

лагч=10мм шаг=20мм

■ * * 1

9.1 1 А Р 1 ю и 9^0 V 11111 10.00 ■ 1 10.25 ' ' 10. 50 1 « г 11

Частота (ТТц)

Рис. 4. Коэффициент отражения

Объемная диаграмма направленности данной антенной решетки представлена на рис. 5.

Рис. 5. Объемная диаграмма направленности

Разработанная антенна может быть использована в малогабаритных SAR для беспилотных летательных аппаратов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д. И. Учебное пособие для вузов. М. Изд-во «Советское радио», 1972, стр. 320.

2. Robert A. Sainati «CAD of microstrip antennas for wireless applications», Artech House, London, 1998.

3. William F. Richards «Microstrip Antennas», Chapter 10 in Antenna Handbook: Theory Applications and Design (Y.T. Lo and S.W. Lee, eds.), Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1988.

© Е. В. Верёвкина, 2018

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.