Планарная печатная зеркальная антенна Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

20. Лавренко Б. Е., Костиков Г. А., Сугак М. И. Электродинамический анализ кроссполяризационных эффектов в импульсных антеннах // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Матер. семинаров политехн. симпозиума, Санкт-Петербург, декабрь 2004 г. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. С. 43.

A. A. Golovkov, G. A. Kostikov, M. I. Sugak

Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

The Comparative Analysis of the Power Characteristics Impulse Antennas

The comparative analysis of the power characteristics impulse antennas is executed. The behavior of the characteristics depending on geometry of antennas is considered. Developed and known antennas ranged in ascending of the power efficiency.

Impulse antennas, power directive gain, efficiency factor

Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.

УДК 621.396.67.061

М. Д. Парнес, В. Д. Корольков

ООО "Резонанс"

М. С. Гашинова, И. А. Колмаков, Я. А. Колмаков, О. Г. Вендик

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Планарная печатная зеркальная антенна

Рассмотрена зеркальная антенна, состоящая из решетки планарных отражателей. Представлены результаты моделирования одиночного отражателя, результаты измерения характеристик антенны.

Печатная антенна

В печатных антеннах трудно получить коэффициент усиления больше 32 дБ, особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, из-за возрастания потерь в микрополосковых делителях. Отказ от делителей и переход к зеркальным печатным антеннам позволяет создавать антенны с усилением 30...50 дБ и более [1]. В этом случае, например, в радарах дорогие параболические антенны диаметром 3.5 м можно заменить плоскими панелями, изготовленными по технологии печатных плат. При этом не понадобится изготовление дорогостоящих металлических конструкций. Точность реализации характеристик антенны будет обеспечена точностью реализации размеров излучателей на печатной плате, которая составляет 50 мкм.

Таким образом, можно представить себе новый класс антенн - быстроразвертывае-мые плоские антенны, развертываемые из рулона, что, очевидно проще, чем устанавливать параболическую антенну. Это становится возможным, если учесть, что в качестве основы для печатной платы может использоваться гибкий фольгированный материал.

На рис. 1 изображены два варианта построения планарной зеркальной антенны с применением поляризатора (рис. 1, а) или с использованием отражателя (рис. 1, б). Антенны состоят из рупора (3), который облучает поляризатор (1) или отражатель (2). Волна

56 © М. Д. Парнес, В. Д. Корольков, М. С. Гашинова, И. А. Колмаков, Я. А. Колмаков, О. Г. Вендик, 2005

б

Рис. 1

от отражателя или поляризатора попадает на печатную зеркальную антенну (4), состоящую из решетки пла-нарных элементов (отражателей), задающих фазу отраженного сигнала и, в результате, формирующих диаграмму направленности антенны. Печатная антенна располагается на металлическом основании (5). При использовании поляризатора необходимо, чтобы у отраженного от печатной антенны сигнала происходил поворот плоскости поляризации.

В качестве элементарного отражателя удобно использовать прямоугольный полосковый элемент длиной около половины длины волны, что значительно упрощает моделирование и дальнейшее изготовление антенны. Если пренебречь взаимным влиянием элементов, то задача проектирования антенны сводится к построению модели одиночного планарного отражателя произвольной длины и ширины, расположенного на слоистом диэлектрике.

Для построения электродинамической модели был использован метод моментов. Задача моделирования многослойной структуры с поверхностью, в которой расположены проводники при использовании метода моментов сводится к расчету плотности поверхностного тока только в плоскости проводников.

Плотность поверхностного тока и напряженность касательной составляющей электрического поля в плоскости расположения проводников связанны между собой интегральным преобразованием, ядром которого является тензорная функция Грина.

В спектральной области соотношение для касательных полей может быть представлено как ЕЕ = (5 «Г + Е¿пс (1 + Г), где Е - вектор касательного поля, являющегося суперпозицией рассеянного и возбуждающего полей; (( - тензорная функция Грина; «Г -плотность поверхностного тока в проводнике; Е¿пс - поле падающей плоской линейно

поляризованной в направлении одной из сторон отражателя волны; Г - коэффициент отражения. Знак "тильда" означает оперирование в спектральной области.

Для многослойной диэлектрической изотропной структуры функции Грина могут быть найдены, используя подход, предложенный Ито [2]. На основании того же подхода определяется тензор коэффициентов отражения поперечных в вертикальном направлении волн.

Для решения интегральных уравнений применяется проекционный метод Галеркина, в соответствии с которым неизвестная функция раскладывается в ряд по некоему полному базису и интегральное уравнение сводится к системе линейных уравнений относительно коэффициентов разложения. В нашем случае неизвестной функцией является плотность тока в излучателе, которая в предположении поляризации падающей волны вдоль направ-ленияу может быть представлена только продольным током:

Jy = £ (x y) =£ ЛфП (x) фП (y) ,

n n

где An - коэффициенты разложения; фп (x, y) - базисные функции.

Эффективность проекционной процедуры определяется выбором базисных функций, которые должны быть максимально близки искомому виду распределения плотности тока в полоске. Исходя из этого, были использованы базисные функции в виде произведения синуса на косинус с Максвелловским весом:

cos (4nnx/w) sin {[(2n +1) я/1] (//2 - y )}

Фп ( Xу) =

< (w/2), |y| < (//2);

W\

- ( 2 х/^)2 [0, |х| > (^2) ,|у| > (¡12), где I - размеры отражателя по осям х и у соответственно. Центральная точка отражателя находится в начале системы координат.

I, м>, мм

6

\ \

\

\

\ 1

-180

-90

0

Рис. 2

90

Используя полученное распределение плотности тока в отражателе нетрудно рассчитать фазу отраженной волны в дальней зоне.

На рис. 2 представлены результаты моделирования зависимости размеров отражателя от фазы при условии поворота плоскости поляризации отраженного сигнала. Отражатель расположен на двухслойном диэлектрике с толщиной слоев: верхнего 0.12 мм (лавсан, вг = 3.2) и нижнего 1 мм (пенополиэтилен, вг = 1.06).

Расчетная частота 25 ГГц. Из зависимостей видно, что существуют два диапазона нереализуемых значений фаз отражателей шириной около 55°. Но этот недостаток несущественен, так как ошибка фазы будет не более 28°.

Полученные в ходе моделирования зависимости фазы от геометрических параметров отражателя позволяют спроектировать отражательную решетку любого заданного диаметра. Нами был выбран диаметр 300 мм, при котором решетка состоит из более чем 400 отражателей (рис. 3). Отражатели были сформированы травлением металлизированной лавсановой пленки, лежащей на пенопо-лиэтилене.

Экспериментальные параметры антенны (рис. 4) следующие: ширина луча 2.7°; коэффициент направленного действия 36.6 дБ, ко-

-1 О -

I-I-I-I-1¡lililí !■-■—

I - I - I ■I ■■ --- ■■ I I - I - I |

I ■ ■ — I I -!■!■ I

■ в Я в I -■■ вн| I I ■■- I ■ I ■ I ■ I -

■ ■■в ■ -■■«■■■■■■■•■■■■■■- I ■ I ■ I ■ I -

■ ■ -■■ Ш I ■ ■■■■■ ■ I ■■■ ■■-

. 14- I |bi-BI|-_BBB_-|IH-IB| I - i -

II - I - I ■■■■■■■ I U--B--II I■■■■■■■ I - I - I |

Рис. 3

эффициент усиления 33 дБ; боковые лепестки с одной стороны 17 дБ, с другой 15.5 дБ. Измерения проводились в полосе 24.5...26 ГГц. Все лепестки, следующие за первым, спадают плавно, без всплесков. Таким образом, коэффициент использования площади (КИП) антенны неоптимален.

Снижение КИП может быть объяснено двумя основными причинами. Во-первых, применением в ходе эксперимента неоптимального облучателя. Во-вторых, тем, что часть излучателей не дает требуемой фазы: поскольку реализуемая область фаз не покрывает весь диапазон в 360° и имеет "запрещенные" области, то для реализации фазы из такой области выбирался размер отражателя, обеспечивающий ближайшую к требуемой фазу. Таким образом, фазовые ошибки по апертуре проводят к некоторой потере усиления.

Получение близких к теоретическим экспериментальных характеристик антенны показывает корректность созданной электродинамической модели и проведенных расчетов. Модель может быть использована при проектировании зеркальных планарных антенн в любом частотном диапазоне и без ограничений на число слоев диэлектрика.

Список литературы

1. Menzel W., Pilz D., Al-Tikriti M. Millimeter-wave folded reflector antennas with high gain, low loss, and low profile // IEEE Ant. and Prop. Magazine. 2002. Vol. 44, № 3. P. 24-29.

2. Itoh T. Spectral domain immitance approach for dispersion characteristics of generalized printed transmission lines // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1980. Vol. 28. P. 733-736.

M. D. Parnes, V. D. Korolkov "Resonance"Ltd

M. S. Gashinova, I. A. Kolmakov, Ya. A. Kolmakov, O. G. Vendik Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Printed Planar Reflected Antenna

Reflected antenna based on patches array is viewed. Computer simulation for single patch and experimental characteristics of antenna is presented.

Printed antenna

Статья поступила в редакцию 1 февраля 2005 г.

P (ф)

P (0)'

дБ -5 -10 -15 -20

-25

А.

-30

Эксперимент

Теория _

-20 -10 Рис. 4

О

0