CC BY
97
УДК 621.396.67
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ПО КРИТЕРИЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОСТИ
Ю.Б. Нечаев, Д.Н. Борисов, М.А. Панкова
На основе электродинамического моделирования проведена параметрическая микрополосковых излучателей по критерию их максимальной широкополосности
оптимизация геометрии
Ключевые слова: микрополосковые антенны, электромагнитное моделирование, параметрическая оптимизация, целевые функции
ВВЕДЕНИЕ
Микрополосковые антенны являются весьма привлекательными для ряда практических приложений, требующих компактности излучателя. Канонические конструкции микрополосковых антенн [1-4] позволяют достичь широкополосности до 10 %. Для расширения рабочей полосы частот микрополосковых антенн до 40% известен ряд решений [3,4]. В частности для микрополосковых антенн на толстой воздушной подложке с коаксиальным питанием, с помощью U-образного выреза в прямоугольном [5], треугольном [6] или излучателе круглой формы [7] получены рабочие полосы частот 47%, 18% и 24% соответственно.
В настоящей работе сделана попытка увеличить рабочую полосу частот за счет оптимизации как формы самого микрополоскового излучателя, так и формы U-образного выреза.
МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ
Для успешного проведения параметрической оптимизации геометрии микрополосковых излучателей по критерию максимальной
широкополосности при условии выполнения ограничений: на форму ДН; необходимый уровень КУ и размеры излучателя, необходимо разработать адекватную математическую модель излучателя и выбрать эффективный метод ее численного электродинамического анализа. Для разработки моделей микрополосковых антенн, эффективно используются САПР на основе различных реализаций метода моментов (Zeland IE3D, Agilient Momentum, Sonnet), но для разработки моделей широкополосных антенных устройств, целесообразно использовать САПР на основе различных реализаций конечно-разностного метода во временной области (Zeland FIDELITY, Remcom XFDTD, CST Microwave Studio) [4,8]. Проведенное сравнение скорости и точности вычисления характеристик
оптимизируемой микрополосковой антенны с помощью двух разработанных моделей (на основе метода моментов и на основе метода конечных
интегралов) позволило сделать выбор в пользу модели на основе метода конечных интегралов. Основными факторами определившими такой результат является необходимость учитывать конечную толщину излучателя, объемную форму коаксиального фидера а также широкополосность антенны.
Модель оптимизированной микрополосковой антенны и ее разбиение на сетку в декартовых координатах приведена на рис. 1.
В модели дискретно параметризирован профиль излучателя и трапецевидная форма и-образной щели рис.2. В качестве целевых функций параметрической оптимизации были приняты: среднее значение
реализованного КУ в рабочей полосе; минимум реализованного КУ в рабочей полосе частот; максимальное КСВ в рабочей полосе частот; среднее значение КСВ в рабочей полосе частот.
Рис. 2. Чертеж (а) и параметризированная модель (б) микрополосковой антенны
Нечаев Юрий Борисович - ВГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, E-mail: nechaev@cs.vsu.ru Борисов Дмитрий Николаевич - ВГУ, канд. техн. наук, E-mail: borisov@cs.vsu.ru
Панкова Маргарита Александровна - ОАО «Концерн “Созвездие”», аспирант, E-mail: M_a_pankova@mail.ru Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проекты: 08-02-13555, 09-07-97522
На рис. 3 и 4 показано изменение целевых функций и параметров модели в процессе оптимизации.
В качестве образца для сравнения были приняты результаты оптимизации прямоугольной микрополосковой антенны с И -образной щелью рис. 5 .
Optimizer Step (with Interpolations)
Рис. 3. Изменение целевых функций в процессе оптимизации
О 500 1000 1500
Optimizer Step (with Interpolations)
Рис. 4. Изменение параметров оптимизируемой модели в процессе оптимизации
Рис. 5. Прямоугольная микрополосковая антенна с и -щелью
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис 6. приведены для сравнения КСВ прямоугольной и оптимизированной
микрополосковых антенн, видно, что при близких размерах оптимизированная микрополосковая антенна имеет более широкую рабочую полосу частот.
2.1018 2.1787
Frequency / GHz
Рис. 6. Сравнение частотных зависимостей КСВ микрополосковых антенн с прямоугольной формой и оптимизированной геометрией
На рис. 7 приведено КУ оптимизированной микрополосковых антенн, максимальное значение более 9 дБи, ширина по уровню -ЗдБ соответствует полосе КСВ по уровню 2.
1.4552 2.1046
Frequency / GHz Рис. 7. Частотная зависимость КУ оптимизированной антенны
На рис 8 приведены графики частотной зависимости ширины ДН оптимизированной микрополосковой антенны в Е и Н плоскостях, в полосе частот от 1.5 до 2.0 ГГц изменение ширины ДН около 10°, на частотах выше 2ГГц ширина ДН увеличивается в Н плоскости до 90°.
1.5 2.001
Frequency / GHz
Рис. 8. Частотная зависимость ширины ДН в Е- и Н-плоскостях
Можно сделать вывод о необходимости дополнительной целевой функции, для контроля за шириной ДН в Е и Н плоскостях. На рис 9 приведены графики частотной зависимости направления главного лепестка в Е-плоскости, отклонение в рабочей полосе частот не превышает З°.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в настоящей работе показано, что можно увеличить рабочую полосу частот микрополосковой антенны за счет оптимизации формы излучателя и формы U-образного выреза по сравнению с прямоугольной микрополосковой антенны с U-образным вырезом.
Broadband gain phi=0
Frequency / GHz
Рис. 9. Частотная зависимость направления главного лепестка ДН в ¿-плоскости
Литература
1. Подторжнов О.М. Печатные полосковые антенны. / О.М. Подторжнов, З.М. Воробьева // Обзоры по электронной технике. Серия: «Электронка СВЧ». - 1982. - Вып. 8(902). - М.: ЦНИИ «Электроника». - 54с.
2. Панченко Б.А. Микрополосковые антенны / Б. А. Панченко, Е.И. Нефедов // М.: Радио и связь, 1986. - 144с.
3. Wong Kin-Lu. Compact and Broadband Microstrip Antennas / Kin-Lu Wong // New York, John Wiley & Sons Inc, 2002, 328 p.
4. Kumar G. Broadband microstrip antennas / G. Kumar, K.P. Ray // Artech House antennas and propagation library, 2003, 407 p.
5. Lee, K. F. Experimental and Simulation Studies of the Coaxially Fed U-Slot Rectangular Patch Antenna / K. F. Lee, et al. // IEE Proc. Microwaves, Antennas Propagation. - 1997. - vol. 144, Pt-H. - №. 5. - pp. 354358.
6. Wong K. L. Broadband triangular microstrip antenna with U-shaped slot / K. L. Wong, W. H. Hsu // Electron. Lett. - 1997. - Dec. 4. - № 33. - P. 2085-2087.
7. Luk K. M.. Circular U-Slot Patch with Dielectric Superstate / K. M. Luk, K. F. Lee, W. L. Tam // Electronics Letters. - 1997. - vol. 33. - №12. - P. 10011002.
8. Обзор принципов построения, возможностей
и эффективности программных средств численного электродинамического моделирования / А. В.
Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов и др. // Антенны. 2007. № 3 (118). С. 64-73.
Воронежский государственный университет ОАО «Концерн “Созвездие”», г. Воронеж
THE PARAMETRIC OPTIMIZATION OF GEOMETRY MICROSTRIP PATCH ANTENNA TO CRITERIA MAXIMAL WAND-BAND Yu.B. Nechajev, D.N. Borisov, M.A. Pankova
On the basis of electrodynamic modelling parametrical optimisation of geometry of microstrip radiators by their criterion maximum wideband is spent
Keywords: microstrip aerials, electrodynamic modelling, parametrical optimisation, criterion functions
