CC BY
46
ЯВЛЕНИЕ "ОСЛЕПЛЕНИЯ" В МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ С ОДНОСЛОЙНОЙ ПОДЛОЖКОЙ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10153
Ястребцова Ольга Игоревна,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: микрополосковые антенные решетки, поверхностные волны, сканирование, моды Флоке, диаграмма направленности.
Рассматривается явление "ослепления" в микрополосковых антенных решетках с однослойной подложкой. С учетом перспектив применения микрополосковых антенных решеток в системах связи нового поколения, эти "провалы" требуют детального анализа, так как приводят к недопустимым нарушениям излучения антенных систем. Для определения возможных углов сканирования, при которых это явление может возникнуть, предлагается использовать метод, основанный на теории, связывающей возбуждение поверхностных волн в слое диэлектрик - метал с "ослеплением". Метод позволяет с помощью построений, выполняемых на плоскости фазовых постоянных (или ы,у-плоско-сти), определить углы сканирования, при которых фазовые постоянные возбуждаемых поверхностных волн оказываются равными фазовой постоянной излучаемой моды Флоке, что приводит к усилению возбуждения поверхностных волн при данных углах сканирования.
Для подтверждения применимости данного метода для случая микрополосковых антенных решеток с однослойной подложкой приводятся диаграммы излучателей в бесконечных решетках с различными диэлектрическими подложками, свидетельствующие о полном совпадении прогнозируемых углов и углов, при которых реально проявляется явление "ослепления". Не при всех найденных по предлагаемому методу углах ослепление действительно возникает, так как оно зависит, в том числе, от конструкции излучателей и способах их питания, однако дополнительных "провалов" возникнуть не может. Приводятся диаграммы направленности элементов в решетках конечных размеров, что показывает проявление явления "ослепления" при увеличении размеров решетки. С учетом того, что в новых диапазонах частот предполагается развертывание антенных систем с большим количеством излучателей, выполнение предварительных расчетов в приближении бесконечных антенных решеток можно считать полезным. На основе рассмотренного метода формулируются условия, накладываемые на параметры антенной решетки при прямоугольной сетке расположения излучателей, для отсутствия углов "ослепления" в заданном диапазоне углов сканирования. Эти условия позволяют приблизительно подобрать расстояние между излучающими элементами и параметры диэлектрической подложки (ее диэлектрическую проницаемость и толщину) на основе информации о диапазоне рабочих углов сканирования.
Информация об авторе:
Ястребцова Ольга Игоревна, аспирант, Московский Технический Университет Связи и Информатики, Москва, Россия
Для цитирования:
Ястребцова О.И. Явление "ослепления" в микрополосковых антенных решетках с однослойной подложкой // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №10. С. 31-35.
For citation:
Yastrebtsova O.I. (2018). Scan blindness in microstrip antenna arrays with one layer substrate. T-Comm, vol. 12, no.10, рр. 31-35.
(in Russian)
7TT
В излучении микрополосковых антенных решеток в некоторых случаях возникают устойчивые провалы, так называемое «ослепление», не зависящее от фазирования элементов, что, учитывая широкое применение в современных системах связи антенных решеток и, в частности, микрополосковых антенных решеток, требует тщательного анализа и разработки методов, исключающих «Ослепление» из диапазона углов сканирования.
Согласно ряду исследований [1, 2], явление «ослепления» связано с активным возбуждением при некоторых условиях элементами антенной решетки поверхностных волн, распространяющихся вдоль структуры, образованной слоем диэлектрика и металлическим экраном. На этом основан метод определения «ослепления», заключающийся в нахождении условий, при которых выполняется равенство фазовой постоянной (или волнового числа) распространяющейся поверхностной волны волновому числу основной моды Флохе.
Фазовые постоянные поверхностных волн в слое диэлектрика на проводящем экране можно определить путем численного или графического решения системы характеристических уравнений [3, 4]. Для поверхностных волн электрического типа система уравнений имеет вид:
-V.tfiteír,", ) = r,nt
(i)
{УонI)2+{Г\Н,)" = Н-(б)2е,н -<»Чм>) где у{) - постоянная распространения поверхностной волны в воздухе, постоянная распространения поверхностной волны в диэлектрике, щ— диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика, я,-его толщина.
Система уравнений для магнитных поверхностных волн имеет следующий вид: А.
(2)
Г +(г.Я,)2 = 2(а2е,ц -«гад)
После решения систем уравнений (1) и (2) следует определить фазовую постоянную возбуждаемой поверхностной волны по одной из двух формул: р = + огг.или
В свою очередь, фазовые постоянные мод Флоке при прямоугольной сстке расположения излучателей определяются следующим образом [7]:
(к 2/™Т+ f 1, 2 яи^
г- < г р> \ d, >
= к~ sin 0t¡
(3)
где т, и— целые числа, к0 - волновое число в воздухе, вп - угол сканирования, , ^ - расстояния между элементами антенной решетки по осям ОХ и ОУ соответственно.
Выражение (3) можно изобразить па плоскости фазовых постоянных (к .к ) [51, где оно определяет семейство
хит' утп *
окружностей с центрами в точках (Если произвести нормировку выражения (3) относительно волнового
числа к , то получится /м>-плоскость (обобщенные угловые координаты).
На рисунке I приведен пример таких построений. Видимые углы будут располагаться только внутри окружности с центром в начале координат (серая линия). Ее радиус, равный зависит от угла сканирования. Пересечение
остальных окружностей с центральной приводит к появлению дифракционных лепестков. Остальные моды Флоке изображены тонкими пунктирными линиями.
-600 -400 -200 О к
200 400 600
Рис. 1. Диаг рамма фазовых постоянных для случая диполей на подложке толщиной О,\Я я расстояния между элементами 0,8-í
Фазовые постоянные поверхностных волн могут быть изображены в этой же системе координат. Радиус окружностей поверхностных волн будет соответствовать их фазовым постоянным, найденным после решения систем уравнений (I} или (2), а их центры будут совпадать с центрами окружностей мод Флоке. На рисунке 1 «ни изображены для одного из рассматриваемых далее случаев черными сплошными линиями.
Пересечение окружностей, соответствующих поверхностным волнам, с окружностью, определяющей зону видимости при данном угле сканирования, и будет означать возможность появления явления «ослепления». Значение угла определяется исходя из координаты точки пересечения (sin в{) eos %), sin sin q>a)).
Этот метод был применен для двух бесконечных антенных решеток из диполей на однослойной подложке. В первом случае диэлектрическая проницаемость подложки была взята равной г =4,2, а ее толщина выбрана как О,IЛ, что
обеспечивает возбуждение только одной поверхностной волны электрического типа с фазовой постоянной, равной 1,26к . Во втором случае материал диэлектрической подложки был сохранен, но толщина была увеличена до 0,3/i . При этом в слое диэлектрика возбуждается уже три поверхностные волны: две электрического типа с фазовыми постоянными 1,92/:,, и 1,02Л,, и одна магнитного типа с фазовой
постоянной 1,67а-,. Для обоих случае расстояние между излучающими элементами было выбрано равным 0,8л .
Для первого случая с подложкой толщиной 0,1Л необходимые построения приведены на рис. 1.
■
T-Comm Том 12. #10-2018
Серыми точками отмечены такие значения обобщенных угловых координат, 1) которых может возникнуть явление «ослепления» при сканировании в плоскостях Е, Н и О ((р = 45°). Это следующие углы: в плоскостях Е и I ] в = 0",
в плоскости О - в = 0° и 33°.
В целях подтверждения правильности прогнозирования углов «ослепления» с помощью компьютерного моделирования были получены диаграммы направленности элемента в бесконечной антенной решетке в плоскостях Е, Н и й. С учетом симметричности ути диаграммы направленности для первого случая приведены на рис, 2.
С(8) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
4 .......1......:.......:.......:.......
*ГГ""Г....................
£............й-¿--4- ЗН:::::::
| 1 ¡-** }
.. ¡р=45*
— Плоскость Е -- Плоскость Н
— Отдельный диполь
10 20 30 40 50 60 70 #) 90
Рис. 2. Диаграммы излучателя в бесконечной решетке из диполей на подложке толщиной 0.1л
Проявились следующие углы «ослепления»: в = 0° в плоскостях Е и И и 0 — 0° и 33° в плоскости Э, что полностью соответствует углам, определенным с помощью построений, приведенных на рис. 1.
Для второго случая построения па плоскости фазовых постоянных необходимо было проводить для всех трех типов поверхностных волн, и, с учетом громоздкости рисунков, они здесь не приводятся, однако на их основе были определены следующие значения потенциальных углов «ослепления»: в плоскостях Е и Н: 10°, 11°, 14°, 24°, 38°, 40° и 60°. в плоскости О: Т, 24°, 31°. 42°, 50° и 53°.
При моделировании бесконечной антенной решетки для этого случая были получены диаграммы направленности элемента в антенной решетке, приведенные на рис, 3 для тех же плоскостей сканирования.
О(в)
Рис. 3. Диаграммы излучателя в бесконечной решетке из диполей на подложке толщиной О,ЗА
Согласно рис. 3, проявились следующие углы «ослепления»: в плоскости Е: 10°, 14°, 38° и 40°, в плоскости Н: 1Г, 24° и 60°, в плоскости Э: 7°. 24°. 31°, 42° и 53°.
Все чти углы полностью соответствуют углам, полученным с помощью диаграмм фазовых постоянных, единственным углом, который не «проявился» на диаграммах направ-
.... <^45*
—• Плоскость Е
— Плоскость н
— Отдельный диполь
ценности - это $ — 50° при (р - 45°, однако на «ослепление», помимо самой диэлектрической подложки, влияет конструкция излучателя, поэтому не все спрогнозированные углы могут проявляться.
Для иллюстрации явления «ослепления» в антенных решетках конечных размеров было проведено моделирование решеток размерами 8x8, 16x16, 24x24 и 40x40 элементов для первого случая, когда в диэлектрической подложке возбуждается одна поверхностная волна электрического типа. На рисунке 4 приведены диаграммы направленностей элемента в конечных антенных решетках при сканировании в плоскости О, в ней «ослепление» должно проявляться при 0 — 0° и 33°. Также приведена диаграмма направленности в случае бесконечной антенной решетки.
8хВ
16 х 16
24x24
40x40
Бесконечная
решетка
Рис. 4. Диаграммы излучателя в конечной решетке из диполей на подложке толщиной 0,1 А в плоскости 13
Для рассмотренного случая провал при 9 — 0° проявляется даже в небольшой решетке, тогда как «ослепление» при 33° не очень заметно даже для сравнительно большой решетки размером 40x40 элементов.
С учетом значительного негативного влияния «ослепления» на излучающие характеристики микрополосковых антенных решеток, особенно с учетом того, что ослепление может возникать даже в направлении, перпендикулярном поверхности решетки, представляется целесообразным сформулировать условия, связывающие как параметры диэлектрической подложки, так и расстояние между элементами, при выполнении которых исключается появление углов «ослепления» в заданном диапазоне углов сканирования.
Для прямоугольной сетки расположения излучателей эти условия были получены в виде условий (4) и (5). Условие (4) обеспечивает отсутствие «ослепления» при сканировании по главным осям, тогда как условие (5) исключает его при сканировании по диагонали. Если в подложке возбуждается несколько типов поверхностных волн, то каждая должна проверяться отдельно.
¿„БШЗШ^,.,,. <
2л" ^ ■ а а..
Р
2л
— к„ зтзшЙ
(4)
(5)
По ЭТИМ условиям были построены рис. 5-8, на которых по горизонтальной оси отложена нормированная толщина диэлектрического слоя, а по вертикальной - максимально возможный угол сканирования.
Т-Сотт Уо!.12. #10-2018
7ТТ
На рисунке 5 изображен случай полуволнового расстояния между элементами, на рис. 6 — 0,6Я, на рис. 7 - 0,1 Я, на рис. 8- 0,8Я-
-,„=21 -,„=4.5
\\ *s n ---
\ V 4t 4. 4 'x и si j
v \ v.
. 1 * y\A / /v \ hi \
0.1 02 0.3 0.4 0.5
Н^А
Рис. 5. Максимально допустимый угол сканирования при полуволновом расстоянии между излучающими элементами
Нт/А
Рис. 6. Максимально допустимый угол сканирования при расстоянии между излучающими элементами, равном о,6л
Н/А
Рис, 7. Максимально допустимый угол сканирования при расстоянии между излучающими элементами, равном 0,7Я
Рис. 8. Максимально допустимый угол сканирования при расстоянии между излучающими элементами, равном 0,8Я
Изломы изображенных на этих рисунках кривых связаны с тем, что по мере увеличения толщины подложки начинают возбуждаться новые типы поверхностных волн, которые тоже должны проверяться но условиям (4) и (5). При этом дифракционные лепестки проявляются при следующих углах сканирования: при межэлементном расстоянии 0,5/1 —
90°, 0,6Я - 42°, 0,7Л - 25°, 0,8/1 - 14°, то есть значительно дальше «ослепления».
Условия (4) и (5) отсутствия углов «ослепления» в заданном диапазоне углов сканирования и построенные по ним графики .тля трех различных значений диэлектрической проницаемости показывают, к каким дополнительным ограничениям приводит риск появления «ослепления» в микро-полоековых антенных решетках, из чего вытекает необходимость использования методов, ограничивающих возбуждение поверхностных воли в подложке.
Проведен анализ условий появления явления «ослепления» в микрогюлоековых антенных решетках с однослойной подложкой и приведены результаты моделирования бесконечных антенных решеток, подтверждающие применимость рассмотренного алгоритма ддя определения углов «ослепления», также приведены некоторые результаты для конечных решеток. Сформулированы условия, накладываемые на параметры диэлектрической подложки и расстояние между излучающими элементами, при которых исключается возможность появления «ослепления» в заданном диапазоне углов сканирования, что позволяет приближенно подобрать параметры диэлектрической подложки решетки и расстояние между излучающими элементами при проектировании.
1. Хансен Р.К, Сканирующие антенные системы СВЧ. Т.2. М.: Советское радио, 1969. 496 с.
2. Pozar D.M. Schaubert DM. Scan Blindness in Infinite Arrays of Printed Dipoles // IEEE Trans, on Antennas and Propagation, 1984, v, AP-32, No. 6. pp. 602-610.
3. Ястребцова О.И. Электродинамический анализ волн в направляющих многослойных структурах // Антенны. № 12. 2016. С. 22-32.
4. Ястребцова О.И. Использование многослойных сред для микрополосковых а и те ни // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Т.17. №5. С. 94-97.
5. Bhattacharyya А. К. Phased array antennas. USA: JohnWiley&Sons Inc., 2006. 516 p.
Литература
T-Comm Том 12. #10-2018
SCAN BLINDNESS IN MICROSTRIP ANTENNA ARRAYS WITH ONE LAYER SUBSTRATE
Olga I. Yastrebtsova, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The paper considers the effect of scan blindness in microstrip antenna arrays with one layer substrate. Taking into account the perspective of microstrip antenna array use in the next-generation communication systems, these "failures" require detailed analysis as they lead to unacceptable deterioration of antenna system radiation. To determine the possible scanning angles at which this effect may occur, it is proposed to use a method based on a theory connecting surface wave excitation in a dielectric-metal structure with scan blindness. The method allows to determine the scanning angles at which the phase constants of the excited surface waves are equal to the phase constant of the radiating Floquet mode with the help of the constructions performed on the plane of phase constants (or u,v-plane), which leads to increased excitation of surface waves at these scanning angles.
To confirm the applicability of this method for the case of microstrip antenna arrays with one layer substrate element radiation patterns in infinite arrays with various dielectric substrates are given, indicating complete coincidence of the predicted angles and angles at which the scan blindness effect really occurs. Not for all angles found by the proposed method scan blindness will occur, as it depends, among other things, on the design of the radiating elements and their feeds, however additional "failures" can not arise. In addition, element radiation patterns in finite antenna arrays are given showing the appearance of scan blindness effect with increase of antenna array dimensions. Taking into account the fact that antenna systems with large number of radiating elements are expecting to be deployed in the new frequency bands, the preliminary calculations with the infinite antenna array approach can be considered as useful. On the basis of the considered method the conditions imposed on the parameters of the antenna array with rectangular grid for the absence of scan blindness in a given range of scan angles are formulated. These conditions allow to select approximately the distance between the radiating elements and the parameters of the dielectric substrate (its dielectric constant and thickness) on the base of information on the range of working scan angles.
Keywords: microstrip antenna arrays, surface waves, scanning, Floquet modes, radiation pattern.
References
1. Khansen R.K. (1969). Microwave antenna scanning systems. Moscow: Sovetskoe radio. 496 p.
2. Pozar D.M., Schaubert D.H. (1984). Scan Blindness in Infinite Arrays of Printed Dipoles. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. v. AP-32. No. 6, pp. 602-610.
3. Yastrebtsova O.I. (2016). Electrodynamic analysis of waves in guiding multilayer structures. Antenny. No. 12, pp. 22-32.
4. Yastrebtsova O.I. Use of multilayer structures for microstrip antennas. Fundamental'nye problemy radioehlektronnogo priborostroeniya, vol.17. No. 5, pp. 94-97.
5. Bhattacharyya A.K. (2006). Phased array antennas. USA: John Wiley & Sons Inc. 516 p.
Information about author:
Olga I. Yastrebtsova, Moscow Technical University of Communication and Informatics, postgraduate, Moscow, Russia
f I л
