Расчет и экспериментальные исследования плоской печатной двухслойной антенны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАСЧЕТ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОСКОЙ ПЕЧАТНОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ АНТЕННЫ

Корнюхин Владимир Ильич,

к.т.н., доцент, МТУСИ, Москва, Россия, kvi@mtuci2.ru

Седов Владимир Михайлович,

к.т.н., доцент, МТУСИ, Москва, Россия, tedia@mtuci.ru

Ключевые слова: печатная антенна, антенна вытекающей волны, двумерно-периодическая структура, реактивные нагрузки, импедансные граничные условия.

Приведен расчет и результаты экспериментальной проверки макета плоской печатной двухслойной антенны. Расчет антенны проведен методом синтеза по заданному полю с использованием граничных условий импедансного типа для двумерно-периодических нагруженных структур. Исследуемая антенна, построена по схеме антенны вытекающий волны на основе полосковой линии, верхняя пластина которой переходит в активную двумерно-периодическую нагруженную структуру, расположенную на высоте Ь1 и характеризующуюся периодами Т и Т1, и нагрузками ZHI. Отличие состоит в том, что параллельно активной излучающей структуре над ней, на высоте Ь2 от металлической подложки расположена вторая пассивная двумерно-периодическая нагруженная структура, характеризующаяся периодами Т2, Т3 и нагрузками ZH2. Использование при расчете антенн усредненных полей, удовлетворяющих волновому уравнению, позволило учесть взаимные связи между излучающими элементами, а прямая связь усредненных полей с величинами нагрузок в двумерно-периодической структуре позволило создать регулируемую связь излучающих элементов с линией питания и осуществить преобразование энергии волны питания в энергию волны излучения. Под заданную длину антенны, направление максимального излучения и входное сопротивление антенны был рассчитан, изготовлен и экспериментально исследован макет антенны. Приведены результаты расчетов параметров двумерно-периодических структур. При этом нагрузки верхней пассивной структуры постоянны по длине и имеют индуктивный характер, а нагрузки нижней активной структуры так же постоянны по длине, но имеют емкостной характер. Результаты расчетов и экспериментальной проверки показали, что введение дополнительной двумерно-периодической полупрозрачной нагруженной структуры позволило осуществить синтез плоских печатных антенн большой длины (Ь>Х), а реализация рассчитанных двумерно-периодических структур с реактивными нагрузками на основе использования прогрессивной технологии изготовления печатных схем значительно упростила конструкцию антенны и открыла широкие возможности для ее практического использования, как в качестве отдельной самостоятельной антенны, так и в качестве элемента антенной решетки.

Для цитирования:

Корнюхин В.И., Седов В.М. Расчет и экспериментальные исследования плоской печатной двухслойной антенны // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №6. - С. 44-47.

For citation:

Kornyukhin V.I., Sedov V.M. Calculation and pilot studies of the flat printing two-layer aerial. T-Comm. 2015. Vol 9. No.6, pp. 44-47.

(in Russian).

T-Comm Том 9. #6-2015

7T\

У

Поле излучения антенны в области I задается магнитной составляющей в виде:

НА = А^е*

(1)

(2) (3)

где р - - ti cos 0 - im sin tí; q = -im cos в + n sin tí Поле в области II задается в виде Н^=[А2ег~+В,е г-);»'. Поле в области III задается в виде Нл - A^chpz. Основные соотношения для расчета антенны были получены на основе следующих выражений:

- граничные условия для двумерно-периодической структуры, расположенной в плоскости Z = h2 имеют следующий вид: ЕУ\. ь. =

п

'у

(4)

(5)

т3 н . -нк

- граничные условия для двумерно-периодическои структуры, расположенной в плоскости Ъ - ^ имеют

следующий вид:

=

Zm +ixt =

Т, Hx2,mfl¡ -Нх^

(6)

(7)

Постольку построение антенны предполагает чисто реактивные сопротивления нагрузок и отсутствие потерь s металлических проводниках, то должно бьггь справедливо уравнение энергетического баланса, связывающее активную мощность, поступающую в область III с активной мощностью, уходящей в полупространство I:

Re Ji&v Их>..,, <b = -Re \Éyt^ Ихг„„ dy

(8)

Связь между длиной антенны I. и величиной реактивных нагрузок Х2 может быть установлена из этого уравнения.

Входное сопротивление антенны может быть вычислено по формуле

й

>гдс:1=Ь.ИХ>/у = О

PB=b\Ezh а Нхз, „ di

. b - ширина антенны.

Для заданных значений Е^ и ^ из этого уравнения определяется ширина антенны Ь.

Диаграмма направленности рассматриваемой антенны при п-Ов плоскости Е (плоскость ЮУ) определяется следующим выражением

sin

^ (cos 0 - cos Ö, )

kl

— (cos 0 - cos 0])

' 1 + COS(90 - e) 2

m

Сдей-угол отсчитываемый от плоскости антенны (плоскость ХОУ), - направление максимума излучения.

Ненормированная диаграмма направленности антенны в плоскости Н (плоскость ХОI) может быть записана в виде

м*-

. (щ . ^

sin sin«

l2 J

ке . sin я

2

1 + COS

(10)

где а - угол, отсчитываемый от нормам к плоскости ХОУ.

Результаты расчета и эксперимента.

По полученным расчетным соотношениям для выбранных Ь = 2Х, 0| = 75°, Ь, 0Л2х, 0.25^-были рассчитаны величины реактивных нагрузок Х'2, Х'ь ширина антенны Ь и диаграммы направленности в плоскостях Ей Н:

Х\ = 0.144; Х\ =-0.541' Ъ= 0.5/1' Рассчитанные диаграммы направленности по мощности представлены на рис, 4.

Р^в)

/ А 0.* ¡I.ÍI \ 11.4 11) ll.'l 1С кос 11» F

1 11 11 ц \

1 1 1 1 / \ \ \ »ксп.

/' / / / / / ТКОР.

X / / ' ~ V

10 .111 50 ТО' 411 MU Hit IS» 170'

F На)

1 ti) п.шскоегь 1 11

Ч \V жсп

А [i <1.4 OJ у

г г // V ТКОР.

V

Ii.» -1211 («I -10

4(1 811 110 1MI

Рис. 4. Рассчитанные и экспериментальные диаграммы направленности по мощности: а) в плоскости ЕЬ) в плоскоста Н

По результатам расчетов был изготовлен макет антенны, в котором емкостные нагрузки Х1 были рассчитаны по формулам плоского конденсатора и реализованы с использованием технологии изготовления печатных схем из фольгированного с двух сторон стекло-

T-Comm Том 9. #6-2015

ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING

текстолита, а индуктивные нагрузки Х2 были рассчитаны и реализованы а виде короткозамкнутых отрезков двухпроводной линии и реализованы так же с использованием технологии изготовления печатных схем из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита.

Как показали результаты испытаний, входное сопротивление исследуемой антенны при 1ъ = X является чисто активным и его величина зависит от высоты 11! и ширины Ь. Экспериментальные диаграммы направленности макета антенны представленные на рис. 4 соответствуют расчетным.

Выводы

Как показали результаты расчетов и экспериментальной проверки макета антенны, введение дополнительной двумерно-периодической полупрозрачной нагруженной структуры позволило осуществить синтез плоских печатных антенн большой длины (Ь > ?,), а реализация рассчитанных двумерно-периодических структур с реактивными нагрузками в дециметровом диапазоне на основе использования прогрессивной технологии изготовления печатных схем значительно упростила конструкцию антенны и открыла широкие возмож-

ности для ее практического использования, как в качестве отдельной самостоятельной антенны, так и в качестве элемента антенной решетки, например, в качестве антенны базовых станций для систем сотовой связи.

Литература

1. Терешин О.Н., Корнюхин В.И. Расчет малодобротных антенн вытекающей волны на базе полосковой линии методом последовательных приближений. - Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1981, т. XXIV, №1. С, 40-45.

2. Терешин О.Н., Корнюхин В.И. Расчет антенн, построенных на базе различных линий питания и работающих в режиме вытекающей волны. - М.: БЗЭИС, 1985, 74 с.

3. Корнюхин В.И., Седов В.М. Синтез антенн вытекающей волны на основе полосковых линий - Сборник «Антенны», №2 (129) 2008. С. 3-10.

4. Терешин О.М., Седов В.М., Чаплин А.Ф. Синтез антенн на замедляющих структурах. - М.: Связь, 1980. 136 с.

5. Корнюхин В.И. Синтез плоской двухслойной печатной антенны на основе полупрозрачных двумерно-периодических нагруженных структур // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, Спецвыпуск по итогам 3-й отраслевой НК «Технологии информационного общества» 4,2, 2009. С. 16-17.

CALCULATION AND PILOT STUDIES OF THE FLAT PRINTING TWO-LAYER AERIAL

Kornyukhin V.I., Sedov V.M., Moscow, Russia

Abstract

Calculation and results of experimental check of the model of the flat printing two-layer aerial is given. Calculation of the aerial is carried out by a synthesis method on the set field with use of boundary conditions of impedance type for the two-dimensional and periodic loaded structures. The studied aerial, is constructed according to the aerial scheme following waves on the basis of the strip line which top plate passes to the active two-dimensional and periodic loaded structure located at height of hi and which was characterized by the periods T and T1, and loadings Zli. Difference consist that parallel to active radiating structure over it, at h2 height from a metal substrate the second passive two-dimensional and periodic loaded structure, which was characterized by the periods T2 and T3 and loadings Zl2 is located. Use at calculation of aerials of the average fields, satisfying to the wave equation, allowed to consider an interconnection between radiating elements, and direct link of average fields with sizes of loadings in two-dimensional and periodic structure allowed to create adjustable communication of radiating elements with the line of a feed and to carry out transformation of energy of a wave of a feed to energy of a wave of radiation. Under the set length of the antenna, the direction of the maximum radiation and input resistance of the antenna the model of antenna was calculated and created, and experimentally investigated. Results of calculations of parameters of two-dimensional and periodic structures are given. Thus loadings of the top passive structure are constant on length and have inductive character, and loadings of the bottom active structure as are constant on length, but have capacitor character. Results of calculations and experimental test showed that introduction of the additional two-dimensional and periodic translucent loaded structure allowed to carry out synthesis of flat printing antennas of big length (L>X), and realization of the calculated two-dimensional and periodic structures with reactive loadings on the basis of use of progressive manufacturing techniques of printed circuits considerably simplified a design of the aerial and opened ample opportunities for its practical use, both as the separate independent aerial, and as an element of an antenna lattice.

Keywords: the printing antenna, the antennal of a flowing wave, two-dimensional and periodic structure, reactive loadings, impedance boundary conditions. References

1. Tereshin O. N, Kornyukhin V. I. Calculation of low-sound aerials of a following wave on the basis of the strip line a method of consecutive approach. Kiev, USSR, 1981, News of high education university. Ser. Radio Electronics XXIV, No. 1, Pp 40-45. [in Russian]

2. Tereshin O. N, Kornyukhin V. I. Calculation of the antennas, constructed on the basis of various lines of a food and working in a mode of the following wave. Moscow, USSR, 1985, 74 p. [in Russian]

3. Kornyukhin V. I., Sedov V.M. Sintez's sets of antennas of a following wave on the basis of strip lines - the Collection. Antennas, No. 2 (129) 2008, pp 3-10. [in Russian]

4. Tereshin O. M., Sedov V. M, Chaplin A.F. Synthesis of antenna, on slowing-down structures Moscow, USSR, 1980, 136 p. [in Russian]

5. Kornyukhin V. I. Synthesis of the flat two-layer printing aerial on the basis of the translucent two-dimensional and periodic loaded structures. T-Comm, Vol.2, 2009, pp 16-17. [in Russian]

Information about authors:

Kornyukhin Vladimir Ilyich, MTUCI, docent, kvi@mtuci2.ru; Sedov Vladimir Mikhaylovich, MTUCI, docent, tedia@mtuci.ru