CC BY
43
Максимов Е.Ю., Якимов А.Н.
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИЗГИБА МИКРОПОЛОСКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА ЕГО ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ
В настоящее время перспективным направлением совершенствования антенн сверхвысоких частот (СВЧ), широко используемых системах с радиоканалами, является их микроминиатюризация на основе малогабаритных линий передачи. Современные микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по технологии интегральных схем, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры и массу.
Антенны являются одним из наиболее важных элементов любой приемо-передающей аппаратуры, определяя качественные и количественные характеристики передачи информации по радиоканалу. Чаще всего антенны располагаются в непосредственном соприкосновении с окружающей средой, испытывая при этом механические и тепловые нагрузки. Это неизбежно приводит к деформациям антенного полотна и, как следствие, к отклонению их электрических характеристик относительно расчетных, что сильно влияет на работу всей системы в целом.
Практически в любых конструкциях радиоаппаратуры полностью изолировать антенное полотно от воздействия окружающей среды не удается. Особенно критичными являются деформации полотна вследствие тепловых нагрузок, поэтому возникает необходимость их математического моделирования и оценки влияния таких воздействий на характеристики МПА еще на этапе проектирования.
Пусть излучатель антенного полотна имеет вид прямоугольной площадки, изображенной на рис. 1.
а
и
Ь
ширина и длина излучателей соответственно;
б
Здесь (см. рис.1) ской подложки МПА.
Выражения, описывающие соответствующие амплитудные диаграммы направленности
толщина диэлектриче-
зекторов электрического Е в плоскости н (ф = 0)
и магнитного
(ДН) в плоскостях Н полей с учетом возникающих угловых отклонений 0 [3]:
ад
2 сов(0)
•у/соэ2^) +[Ыд(£к0с1)]2
в плоскости
ад = -
е (ф = ж /2)
2|со!5(<9)
+ [є со^в)с(д(Ік0б)]2
Здесь с = ^Є - эп2(0) ; є
віп(0,5к0а ві п( 0)) 0,5к0а ві п( 0)
сов( 0,5к0Ьвп(0))
1 ~[{к0Ь / я-)ап(6»)]2
(1)
(2)
относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; 9 — угол в направлении точки наблюдения Р относительно оси Ох; ф — угол относительно оси Ох в плоскости хОу правой декартовой системы координат (см. рис. 1); к0 = 2.Ж / А0 — волновое число; Лд —
длина электромагнитной волны в свободном пространстве.
При температурных нагрузках антенное полотно неизбежно деформируется. Следовательно, излучающий элемент также меняет свою пространственную ориентацию и форму, хотя в ряде исследований для упрощения расчетов деформация излучающего элемента не учитывается [1,2].
Для исследования влияния изгиба микрополоскового излучателя предложим математическую модель, в которой излучатель представляется как сложный, состоящий из элементарных излучателей. Сумма полей
таких излучателей с учетом их амплитуд и фаз, а также их пространственной ориентации позволяет оце-
нить характеристики излучения антенн любой криволинейной формы.
Для построения такой модели и оценки возникающей деформации разобьем контактную площадку на сектора, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Излучатель, разбитый на площадки
Рис. 1. Микропо-лосковый излучатель
В соответствии с такой моделью [1,2], напряженность электрического поля в точке, удаленной от антенного полотна, равна сумме напряженностей полей создаваемых каждым элементом в отдельности:
Е£=££Еік , (3)
і=1 к=1
где Е£ — суммарная напряженность, I , К — общее число излучателей по осям координат, і, к — порядковые номера излучателей
В результате температурной деформации излучающая площадка приобретает вид, представленный на рис.3.
Рис. 3. Излучатель, деформированный под воздействием температурных нагрузок
Разбиение излучающей площадки на дискретные элементы без учета деформации представлено на рис.
3, а. Результат деформации иллюстрируется рис. 3, б из которого видно, что излучающий элемент, разбитый на площадки точнее описывает кривизну деформированной поверхности.
а б
Рис.4. Излучающая площадка, разбитая на площадки: а - без учета деформации; б - с учетом деформации
Каждую площадку предлагаемой модели, полученной в результате разбиения, представим как элемент Гюйгенса, нормированная диаграмма направленности которого в плоскости магнитного вектора Н (в плоскости хвг) в этом случае определиться выражением [4]:
Рт = 1±ср!и. (4)
Напряженность электрического поля в точке наблюдения Е(в) , создаваемая отдельным излучателем в точке наблюдения может быть описано выражением:
->кг
E (в) = EoF (в)
e
(5)
где Е0 — напряженность электрического поля, создаваемая излучателем у его поверхности; к0 = ^ — волновое число; Г — расстояние от точки наблюдения до источника излучения.
Для получения расчетных формул представим схематичное изображение изогнутого излучателя (рис. 5).
Рис.5. Схематичное изображение изогнутого излучателя
На рис 5 приняты следующие обозначения: 0i — центр окружности изгиба излучателя, R — радиус кри-
визны изгиба из площадки, P — точка наблюдения, а — угол наклона элемента Гюйгенса к горизонтальной
плоскости, 0 и 61 — углы наклона нормали излучающих площадок и направлением на точку наблюдения, L — длина излучающего элемента.
Для нахождения связи угла наблюдения 0 с геометрическими параметрами фрагментов излучающего элемента, рассмотрим следующие геометрические соотношения.
Из геометрических построений (см. рис. 5) получаем, что 0 = а . , 2р + а = 1800 или sn(2p + а) = 0 . Путем тригонометрических преобразований получим:
2sin pcosp sin а
cos2 p- sin2 p cose
или, представив s n а как
L / 2
cosp = -r=7-------= ,
V(L2 / А) + R2
Откуда получаем:
(б)
s n а = ±-\Я sn p =
- cos а , R
4(L2/ А) + R2
(L2 / А) - R2
2R(L / 2) + (L2 / А) - R2
где а — длина излучающего элемента, К — радиус дуги изгиба элемента.
Для отдельного элемента Гюйгенса в соответствии с формулой (3) диаграмма направленности (ДН) будет иметь вид, приведенный на рис. 6.
Рис.6. Диаграмма направленности элемента Гюйгенса
Диаграммы направленности, рассчитанные по формуле (1) и формулам (3)...(8) для недеформированной излучающей площадки практически полностью совпадают (рис. 7). Это указывает на возможность использования предлагаемой модели для исследования влияния возможных деформаций излучающей площадки на ее характеристики излучения.
О ю 20 30 40 50 60 70 80 е.ірад
Рис. 7. Диаграммы направленности плоского элемента и деформированного в плоскости Н Расхождение диаграмм настолько мало, что в приведенном масштабе практически незаметно. Изменение характеристики излучения можно заметить лишь при большом увеличении масштаба (рис. 8).
, .3
2>
84 85 86 87 88 89 е.ірм
Рис. 8. Фрагмент ДН плоского и деформированного элементов в плоскости Н
На рис. 8 кривая 1 соответствует результатам расчета излучения по формуле (1), кривая 2— расчету излучения по предложенной модели для не деформированной площадки, кривая 3— расчету для деформированной модели при а=10 град (см. рис. 5).
По полученным результатам можно судить о малости влияния изгиба отдельной площадки на диаграмму направленности антенны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Якимов А.Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий: Монография. —
Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. — 260 с
2. Якимов А.Н. Оценка влияния производственных погрешностей на характеристики излучения микропо-
лосковой антенны. — Кн. трудов международного симпозиума "Надежность и качество".— Пенза: Изд-во
Пенз. гос. ун-та, 2005. — С. 263 - 265
3. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1986. — 144 с.
4. Якимов А.Н. Основы проектирования антенн СВЧ: Учеб. пособие. —Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. — 92 с.
