close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Печатные директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида

код для вставкиСкачать
ɇɚ ɩɪɚɜɚɯ ɪɭɤɨɩɢɫɢ
ȻɭɯɬɢɹɪɨɜȾɦɢɬɪɢɣȺɧɞɪɟɟɜɢɱ
ɉȿɑȺɌɇɕȿȾɂɊȿɄɌɈɊɇɕȿȺɇɌȿɇɇɕɋɄɈɇɐȿȼɕɆɂ
ɐȿɇɌɊȺɅɖɇɈɄɈɇɐȿȼɕɆɉɂɌȺɇɂȿɆȼɈɁȻɍȾɂɌȿɅȿɃ
ȾɂɉɈɅɖɇɈȽɈȼɂȾȺ
±Ⱥɧɬɟɧɧɵɋȼɑɭɫɬɪɨɣɫɬɜɚɢɢɯɬɟɯɧɨɥɨɝɢɢ
Ⱥɜɬɨɪɟɮɟɪɚɬɞɢɫɫɟɪɬɚɰɢɢɧɚɫɨɢɫɤɚɧɢɟɭɱɟɧɨɣɫɬɟɩɟɧɢ
ɤɚɧɞɢɞɚɬɚɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɯɧɚɭɤ
ɇɨɜɨɫɢɛɢɪɫɤ±
Ɋɚɛɨɬɚɜɵɩɨɥɧɟɧɚɜɮɟɞɟɪɚɥɶɧɨɦɝɨɫɭɞɚɪɫɬɜɟɧɧɨɦɛɸɞɠɟɬɧɨɦɨɛɪɚɡɨɜɚɬɟɥɶɧɨɦ
ɭɱɪɟɠɞɟɧɢɢ ɜɵɫɲɟɝɨ ɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɹ ©ɇɨɜɨɫɢɛɢɪɫɤɢɣ ɝɨɫɭɞɚɪɫɬɜɟɧɧɵɣ
ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɣɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬªɇȽɌɍ
ɇɚɭɱɧɵɣɪɭɤɨɜɨɞɢɬɟɥɶ
Ƚɨɪɛɚɱɟɜ
Ⱥɧɚɬɨɥɢɣ
ɉɟɬɪɨɜɢɱ
ɞɨɤɬɨɪ
ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɯ ɧɚɭɤ ɞɨɰɟɧɬ ɇȽɌɍ ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ
ɤɚɮɟɞɪɵ ɪɚɞɢɨɩɪɢɺɦɧɵɯ ɢ ɪɚɞɢɨɩɟɪɟɞɚɸɳɢɯ
ɭɫɬɪɨɣɫɬɜ
Ɉɮɢɰɢɚɥɶɧɵɟɨɩɩɨɧɟɧɬɵ
ɋɟɞɟɥɶɧɢɤɨɜ ɘɪɢɣ ȿɜɝɟɧɶɟɜɢɱ ɞɨɤɬɨɪ
ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɯ ɧɚɭɤ ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɎȽȻɈɍ ȼɈ
©Ʉɚɡɚɧɫɤɢɣ ɧɚɰɢɨɧɚɥɶɧɵɣ ɢɫɫɥɟɞɨɜɚɬɟɥɶɫɤɢɣ
ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɣ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ ɢɦ Ⱥɇ Ɍɭɩɨɥɟɜɚ
ɄȺɂª ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɤɚɮɟɞɪɵ ɪɚɞɢɨɮɨɬɨɧɢɤɢ ɢ
ɦɢɤɪɨɜɨɥɧɨɜɵɯɬɟɯɧɨɥɨɝɢɣ
Ȼɚɥɡɨɜɫɤɢɣ ȿɜɝɟɧɢɣ ȼɥɚɞɢɦɢɪɨɜɢɱ ɤɚɧɞɢɞɚɬ
ɮɢɡɢɤɨɦɚɬɟɦɚɬɢɱɟɫɤɢɯ ɧɚɭɤ ɎȽȻɍɇ ©ɂɧɫɬɢɬɭɬ
ɫɢɥɶɧɨɬɨɱɧɨɣ ɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɢ ɋɈ ɊȺɇª ɫɬɚɪɲɢɣ
ɧɚɭɱɧɵɣɫɨɬɪɭɞɧɢɤɥɚɛɨɪɚɬɨɪɢɢɜɵɫɨɤɨɱɚɫɬɨɬɧɨɣ
ɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɢɝɌɨɦɫɤ
ȼɟɞɭɳɚɹɨɪɝɚɧɢɡɚɰɢɹ
Ⱥɤɰɢɨɧɟɪɧɨɟ ɨɛɳɟɫɬɜɨ ©Ɉɪɞɟɧɚ Ɍɪɭɞɨɜɨɝɨ
Ʉɪɚɫɧɨɝɨ Ɂɧɚɦɟɧɢ ȼɫɟɪɨɫɫɢɣɫɤɢɣ ɧɚɭɱɧɨ
ɢɫɫɥɟɞɨɜɚɬɟɥɶɫɤɢɣ ɢɧɫɬɢɬɭɬ ɪɚɞɢɨɚɩɩɚɪɚɬɭɪɵª
ɝɋɚɧɤɬɉɟɬɟɪɛɭɪɝ
Ɂɚɳɢɬɚ ɫɨɫɬɨɢɬɫɹ ɞɟɤɚɛɪɹ ɝ ɜ ɱɚɫɨɜ ɦɢɧɭɬ ɧɚ ɡɚɫɟɞɚɧɢɢ
ɞɢɫɫɟɪɬɚɰɢɨɧɧɨɝɨ ɫɨɜɟɬɚ Ⱦ ɫɨɡɞɚɧɧɨɝɨ ɧɚ ɛɚɡɟ Ɍɨɦɫɤɨɝɨ
ɝɨɫɭɞɚɪɫɬɜɟɧɧɨɝɨ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬɚ ɫɢɫɬɟɦ ɭɩɪɚɜɥɟɧɢɹ ɢ ɪɚɞɢɨɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɢ
ɌɍɋɍɊɩɨɚɞɪɟɫɭɝɌɨɦɫɤɩɪɨɫɩɟɤɬɅɟɧɢɧɚɚɭɞ
ɋ ɞɢɫɫɟɪɬɚɰɢɟɣ ɦɨɠɧɨ ɨɡɧɚɤɨɦɢɬɶɫɹ ɜ ɛɢɛɥɢɨɬɟɤɟ ɢ ɧɚ ɫɚɣɬɟ ɌɍɋɍɊɚ
KWWSVSRVWJUDGXDWHWXVXUUXXUOVFSK\VX
Ⱥɜɬɨɪɟɮɟɪɚɬɪɚɡɨɫɥɚɧ©BBBªɨɤɬɹɛɪɹɝ
ɍɱɟɧɵɣɫɟɤɪɟɬɚɪɶ
ɞɢɫɫɟɪɬɚɰɢɨɧɧɨɝɨɫɨɜɟɬɚ
ɆɚɧɞɟɥɶȺȿ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Директорные антенны (ДА) являются
базовыми излучающими модулями многоэлементных антенных систем (АС) в
области техники сверхвысоких частот (СВЧ) с линейной поляризацией
радиоволн, когда число модулей может достигать нескольких сотен. Поэтому
актуальны вопросы разработки компактных ДА, отвечающих всё возрастающим
требованиям как к уровню согласования и величине коэффициента усиления
(КУ), так и к габаритно-массовым характеристикам, упрощению технологии
реализации и повышению надежности и ремонтопригодности антенных узлов.
Несмотря на значительный прогресс в проектировании и серийном выпуске
классических дипольных директорных антенн с питанием классического
полуволнового диполя-возбудителя в центре на его смежных клеммах, не
снижается внимание к их модернизации и совершенствованию, где ключевыми,
как правило, являются габаритно-массовые требования. Этому в значительной
степени отвечает печатное исполнение антенн, когда в пределах одной
диэлектрической заготовки реализуется вся излучающая структура, с высоким
процентом выхода годных изделий в одном технологическом цикле.
Актуальны также вопросы волноводного питания директорных антенн,
поскольку прямоугольные и круглые волноводы характеризуются существенно
меньшими диссипативными потерями в диапазоне СВЧ, повышенной
механической прочностью и устойчивостью к ударам и вибрациям, а также
лучшей защищённостью от воздействия нежелательных электромагнитных и
ионизирующих излучений.
Степень разработанности проблемы. Многодипольные ДА традиционно
используются в качестве базовых излучающих модулей многоэлементных
фазированных антенных решеток (ФАР) радиолокационных станций (РЛС)
опознавания, наведения и сопровождения наземного, морского и воздушного
базирования. Значительный вклад в исследования многодипольных антенн,
включая директорные, и возможностей их применения в радиосистемах внесли
как отечественные ученые А.А. Пистолькорс, Г.Т. Марков, Г.З. Айзенберг, Л.Д.
Бахрах, Д.И. Воскресенский, В.Д. Каплун, Б.В. Сестрорецкий, Д.М. Сазонов,
В.В. Чебышев, О.Г. Вендик, М.В. Инденбом, В.И. Кошелев, В.П. Беличенко, Т.Т.
Газизов, В.Ф. Лось и другие, так и многие зарубежные исследователи, в том
числе: H. Yagi, S. Uda, S.A. Schelkunoff, H.T. Friis, S. Silver, E. Hallen, J.D. Kraus,
R.W.P. King, H.J. Jasik, C.A. Balanis, N. Marchand, J.L. Volakis, Z.N. Chen, W.-K.
Chen, J.R. Wait и т.д. Результаты этих исследований и разработок
квалифицируются как весьма удачные решения в области проектирования ДА в
терминах их направленности, согласования и степени линейности поляризации
излучаемых радиоволн.
Однако, всё возрастающие требования к габаритно-массовым показателям
антенн, уровню их производственной и эксплуатационной технологичности,
степени помехозащищенности, а также к критериям электромагнитной
совместимости АС обусловливают необходимость поиска новых подходов к
модернизации ДА и совершенствованию уже существующих методик их
проектирования.
3
Одним из таких путей является замена полуволнового дипольного
возбудителя, питаемого в центре на его смежных клеммах, новыми
возбудителями дипольного вида (ВДВ), питаемыми либо на удаленных концах
проводников, либо на смежном конце одной половины и удаленном конце
другой половины диполя. До настоящего времени в литературе совершенно
отсутствовало описание таких возбудителей ДА. Между тем, этот подход,
основанный на концевом и центрально-концевом питании, является весьма
многообещающим в плане упрощения технологии изготовления ДА; появления
дополнительных степеней свободы при реализации проектно-компоновочных
задач в многоэлементных АС, включая ФАР; в решении вопросов построения
многофункциональных ДА, в которых излучение электромагнитных волн
совмещается с реконфигурацией характеристик (по частоте, форме диаграммы
направленности и поляризации), работой в нескольких диапазонах, суммарноразностным возбуждением и другими возможностями. Приоритет по концевому
и центрально-концевому питанию ВДВ уже защищён тремя патентами РФ на
имя Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).
Вместе с тем, предельно достижимые (потенциальные) показатели ДА с такими
возбудителями оцениваются в данной диссертационной работе, а методика их
проектирования формируется и апробируется по её результатам.
Цель работы – исследование и разработка методики проектирования
директорных антенн новой структуры с концевым и центрально-концевым
питанием возбудителей, формирование и отработка процедур их конструктивнокомпоновочных решений при печатном и интегрированном печатноволноводном исполнениях с учетом отечественных конструкторскотехнологических ограничений на материалы и технологии формообразования и
формирования печатных фрагментов.
Следующие основные задачи решены для достижения поставленной цели:
1. Выполнен анализ существующих конструкций дипольных директорных
антенн, в результате чего выбрано направление исследований;
2. Методика проектирования классических центрально-питаемых дипольных
излучателей обобщена на предложенные и обоснованные линейные излучатели
дипольного вида с концевым и центрально-концевым возбуждением;
3. Методика проектирования директорных антенн с классическим полуволновым
дипольным возбудителем обобщена на директорные антенны с концевым и
центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида;
4. Впервые в результате решения совокупности электродинамических уравнений
выведены соотношения, позволяющие с точностью до 15% определить размеры
фрагментов печатных директорных антенн с концевым и центрально-концевым
возбуждением излучателей дипольного вида;
5. На основе системного подхода выявлены особенности излучения и
сформированы начальные облики компьютерных моделей печатных ДА с
линейными излучающими проводниками при концевом и центрально-концевом
питании для последующей оптимизации размеров и расстояний с
использованием лицензионного ПО трёхмерного электродинамического
моделирования «CST STUDIO SUITE»;
4
6. Разработаны печатные ДА с несимметричным питанием коаксиальными
кабелями, а также реализованы интегрированные волноводно-дипольные
возбудители ДА как с концевым, так и с центрально-концевым питанием.
Объектом исследования являются директорные антенны с концевым и
центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида.
Предметом исследования являются электродинамические модели проводных
и печатных директорных антенн с возбудителями дипольного вида.
Методы исследования. Для решения задач использованы методы,
базирующиеся на классических электродинамических принципах теории антенн,
численных приёмах решения прикладных задач электродинамики,
реализованных в среде «MathCAD 15», а также на алгоритмах нелинейной
параметрической оптимизации функции многих переменных (генетическом,
доверительных областей). Развитые в работе теоретические положения
получены с использованием теории многополюсных электрических цепей СВЧ,
метода наводимых ЭДС, принципов эквивалентности цилиндрических и
печатных излучающих проводников, а также верифицированы результатами
натурных экспериментов.
Обоснованность и достоверность результатов обусловлена использованием
классических методов электродинамического анализа излучателей с линейными
цилиндрическими проводниками, корректным применением аппарата анализа
многополюсных цепей СВЧ с распределенными параметрами, системным
построением стратегии нелинейной параметрической оптимизации, а также
совпадением результатов с известными частными случаями в ранее
опубликованных работах других авторов, относящихся к классическим
центрально-питаемым диполям, включая сопоставление данных, полученных
расчетным и экспериментальным путём.
Научная новизна работы заключается в обобщении классической
электродинамической теории дипольных директорных антенн на директорные
антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей
дипольного вида, позволившем предложить методику проектирования с единых
позиций новых типов печатных и печатно-волноводных директорных антенн.
Теоретическая и практическая значимость работы. В теоретическом
плане значимость работы определяется расширением области знаний и
представлений об электромагнитном излучении ДА. Значение для практики
заключается в формировании эффективных методик проектирования ДА со
свободной областью вблизи смежных концов половин линейных возбудителей
дипольного вида.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Матричная форма записи геометрических и электрических параметров
линейных дипольных излучателей позволяет обобщить их свойства и рассчитать
электродинамические характеристики директорных антенн с проводниками
цилиндрической формы, возбудители которых могут иметь центральноконцевое либо концевое питание.
2. Облик начального приближения печатной директорной антенны с
возбудителем дипольного вида может быть адекватно сформирован посредством
5
трёхэтапной методики, включающей процедуры оптимизации характеристик
проводного прототипа, синтеза распределительной структуры и перехода к
печатному эквиваленту.
3. Реализация центрально-концевого питания возбудителя печатной
директорной антенны достигается при возбуждении смежного конца одного
плеча и удалённого конца другого плеча диполя сигналами с выходов
синфазного равноамплитудного делителя мощности.
4. Реализация концевого питания возбудителя печатной директорной антенны
достигается при возбуждении удалённых концов обоих плеч диполя сигналами с
выходов противофазного равноамплитудного делителя мощности.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Работа выполнена в рамках проведения госбюджетных НИР на кафедре
«Радиоприёмные и радиопередающие устройства» НГТУ, а также в ходе
выполнения договора о научно-техническом сотрудничестве между НГТУ и
«Всероссийским НИИ радиоаппаратуры» («ВНИИРА», г. Санкт-Петербург) и
поддержана тремя грантами Минобрнауки: «Разработка теоретических основ
построения сверхширокополосных измерительных аттенюаторов, полосковых
эллиптических фильтров и высокодобротных резонаторов для радиофизического
оборудования, радиопередающей аппаратуры связи и цифрового телевидения»
(№ 7.1667.2011), «Теория построения и практическая реализация
широкополосных
микроволновых
устройств,
предназначенных
для
использования в измерительном оборудовании цифровых систем телевидения,
связи и телекоммуникаций, включая вычислительные системы» (код проекта
629), «Разработка теоретических основ построения измерительного
оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ
аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными частотами режекции и
микрополосковые печатные антенны» (шифр 8.6847.2017/БЧ).
Полученные в работе результаты внедрены на предприятиях г. Новосибирска:
в АО «НПО НИИИП-НЗиК» концерна «Алмаз-Антей» – при проектировании
элементной базы ФАР с закрытым и открытым способами возбуждения; в ООО
«НПП Триада-ТВ» и ЗАО «Системы телевещания» – для реализации проектов
перспективных изделий антенно-фидерных трактов приёмо-передающей
аппаратуры, включая системы цифрового телевидения; внедрение
подтверждается тремя актами. Также разработанные программы и методики
используются в учебном процессе кафедры «Радиоприемные и
радиопередающие устройства» НГТУ.
Личный вклад автора определяется тем, что им выполнено обобщение
методики проектирования классических дипольных ДА на директорные антенны
с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида.
Автор самостоятельно осуществил моделирование характеристик всех
спроектированных антенн и контроль за их оптимизацией, разработку
конструкторской документации на опытные образцы, их экспериментальное
исследование. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты,
относящиеся к тематике данной диссертации, также получены лично автором
при его определяющем участии.
6
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на
следующих конференциях: 11 международная конференция «Актуальные
проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012), Новосибирск, 2012 г.,
Новосибирская
межвузовская
научная
студенческая
конференция
«Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 2014 г., 12
международная
конференция
«Актуальные
проблемы
электронного
приборостроения» (АПЭП-2014), Новосибирск, 2014 г., Всероссийская научная
конференция молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск,
2014 г., 53я международная научная студенческая конференция МНСК-2015,
Новосибирск, 2015 г., XXII Международная научно-техническая конференция
«Радиолокация, навигация, связь» (РЛНС-2016), Воронеж, 2016 г., 11
Международный Форум по Стратегическим Технологиям IFOST-2016,
Новосибирск, 2016 г., 13 международная конференция «Актуальные проблемы
электронного приборостроения» (АПЭП-2016), Новосибирск, 2016 г., XVIII
всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность.
Оборона» (НПО-2017), Новосибирск, 2017 г., 18 Международная конференция
молодых специалистов по микро / нанотехнологиям и электронным устройствам
EDM-2017, Новосибирск, 2017 г., XVIII Международная научно-техническая
конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (ПТиТТ2017), Казань, 2017 г., 24я Всероссийская научная конференция студентовфизиков и молодых учёных (ВНКСФ-24), Томск, 2018 г., а также на проводимых
ежегодно научно-технических конференциях студентов и аспирантов НГТУ
(Новосибирск, 2012-2017 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них 6 статей в
рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 статья, индексируемая в
базе данных «Web of Science», 2 статьи в рецензируемых журналах, 14
публикаций в трудах всероссийских и международных конференций, имеется 1
патент на изобретение и 2 свидетельства о регистрации топологий антенн.
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация
соответствует специальности 05.12.07 – «Антенны, СВЧ устройства и их
технологии». Представленные в ней результаты соответствуют паспорту
специальности: п. 2 «Исследование характеристик антенн и СВЧ-устройств для
их оптимизации и модернизации» и п. 3 «Исследование и разработка новых
антенных систем с существенно улучшенными параметрами».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
разделов, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований
отечественных и зарубежных работ, и двух приложений. Текст диссертации
изложен на 163 страницах, содержит 74 рисунка и 8 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении охарактеризованы место и роль ДА в построении современных
радиотехнических систем и показана степень разработанности проблемы их
проектирования. Рассмотрены ключевые особенности проектирования ДА и
технологии их реализации, а также намечены направления их
совершенствования. Обоснована актуальность темы диссертационного
7
исследования, сформулирована цель работы, поставлены задачи, показаны
научная новизна и практическая значимость результатов работы.
В первом разделе представлен обзор состояния теории и методов
проектирования ДА, свидетельствующий о наличии тенденций, которые, будучи
обобщением классического принципа фокусировки электромагнитного
излучения в выбранном телесном угле дальней зоны Фраунгофера, стимулируют
поиск путей совершенствования ДА за счёт использования различных типов
модернизированных симметрирующих устройств.
Однако эти направления приводят к печатным ДА, в которых центральная
область диэлектрической заготовки в районе смежных клемм полуволнового
диполя насыщена проводящими фрагментами, препятствующими решению
компоновочных задач, особенно при повышении рабочих частот. Между тем,
обзор литературы свидетельствует о неснижающемся внимании разработчиков к
таким ДА, которые, сохраняя своё осевое излучение вдоль подложки, имели бы
улучшенные технические и стоимостные показатели при существующих
технологиях формирования печатных проводящих фрагментов.
Обобщив результаты обзора и сравнительного анализа, в диссертационной
работе предложено рассматривать классический дипольный возбудитель,
питаемый в центре на смежных клеммах, в качестве прототипа. Поставлены
задачи исследований ДА, в компоновочных схемах которых возбудителями
являются создаваемые на основе прототипа и запатентованные на имя НГТУ
излучатели дипольного вида (ИДВ), у которых питание подводится: к смежному
концу одной половины и удалённому концу другой половины излучателя при
пренебрежимо малом зазоре между половинами (Рисунок 1, а); либо к
удалённым концам половин излучателя при том же зазоре (Рисунок 1, б).
а)
б)
Рисунок 1 – Компоновочные схемы возбудителей дипольного вида
Во втором разделе классические выражения теории излучающих структур
были обобщены с целью создания процедур электродинамического анализа
(ЭДА) антенной системы, состоящей из прямолинейных ИДВ цилиндрической
формы,
конфигурация
которых
определяется
геометрическими
и
электрическими параметрами. При условии произвольного числа элементов АС
выбор матричной формы представления параметров был обусловлен
необходимостью повышения эффективности алгоритмизации. Далее в работе во
всех матрицах конфигурации параметры одного плеча ИДВ занимали одну
строку, в том числе в начальной матрице [AS], содержащей параметры,
достаточные для визуализации многоэлементной АС, в предельном случае –
8
одиночного ИДВ (Рисунок 2), и расчёта
распределением тока по излучателям АС.
параметров,
связанных
с
Рисунок 2 – Излучатель дипольного вида и связанные с ним системы координат
Упомянутые параметры включают: x0i , y0i ,z0i – координаты начала плеча в
декартовой системе координат (ДСК); Ti ,Mi – углы ориентации плеча в
сферической системе координат, совмещённой с ДСК; li ,ai – длину плеча и его
радиус; Ni – условное положение клеммы возбуждения (0 или 1 – конец плеча,
соответственно ближний к зазору либо удалённый от него); Ai ,Ii – амплитуду и
фазу гармонического сигнала, возбуждающего плечо ИДВ; mE i ,D i –
коэффициенты фазы и затухания волны тока в плече, определяющие
коэффициент распространения волны тока J i . При размещении АС над
бесконечной идеально отражающей плоскостью в ЭДА включаются
виртуальные копии реальных элементов – их отражения относительно
плоскости; при этом разрядности некоторых матриц удваиваются.
В результате решения внутренней задачи установлено, что функция
распределения тока по плечу ИДВ может быть представлена в виде суммы двух
комплексно-сопряжённых экспонент с независимыми комплексными
амплитудами APi и AOi :
I ( z)
APi e jJ i z AOi e jJ i z .
(1)
Вновь полученные и ранее записанные в матрице [AS] параметры
используются для расчёта продольной и радиальной компонент поля в ближней
зоне излучения АС, которые при J i k имеют вид
EZ
§ z
jW0 °­ ª
jkz
«
¨
jk
A
A
A
A
®
O
P
P
O
2
2
2
2
¨U z
4S k ° «
z
U
©
¬
¯
· º e jk U 2 z 2
¸»
¸» U 2 z2
¹¼
ª
ª
zl
« jk AP e jkl AO e jkl AP e jkl AO e jkl « 2
2
U
(
)
z
l
¬
¬
2
2
jk ( z l ) · º e jk U ( z l ) ½
°
¸»
,
¾
2
2 ¸»
2
2
U ( z l ) ¹ ¼ U ( z l ) ¿°
9
(2)
EU
­ e jk U 2 z 2 ª
º
§ jkz 2
·
W0 °
z2
«
»
¨
¸
(
)
1
(
)
A
A
jkz
A
A
®
P
O
O
P
¨ U 2 z2 U 2 z2
¸
j 4SU k ° U 2 z 2 «
»
©
¹
¬
¼
¯
2
2
ª
e jk U (l z ) §
jk (l - z )2
(l - z )2 º
jkl
jkl
¨ AP e AOe
«1 »
2
2
2
2 ¨
2
2
l
z
(
)
U
U (l z ) ©
U (l - z )
¬«
¼»
jk (l z ) AOe jkl APe jkl
,
(3)
где W0 – волновое сопротивление среды, в которой расположена АС.
В дальнейшем ЭДА на основе полей (2), (3) и тока (1) формируется
матрица собственных и взаимных комплексных импедансов плеч ИДВ,
используемая при расчёте входного импеданса АС на клеммах активного ИДВ
(возбудителя) и коэффициента отражения по его входу. Полученные выражения
позволяют построить графики зависимостей составляющих входного импеданса
одиночного ИДВ Z IN от нормированной длины плеча (Рисунок 3).
а)
б)
Рисунок 3 – Активные (а) и реактивные (б) составляющие входного импеданса ИДВ с
центрально-концевым (- - - -) и концевым (——) питанием
Предварительно рассчитанные соотношения между токами ВДВ и
пассивных элементов позволяют продолжить ЭДА АС в дальней зоне излучения
и определить угломестную и азимутальную компоненты поля АС, суммарное
поле и ДН, сопротивление излучения, коэффициент направленного действия
(КНД) D(T ,M ) и КУ. Для одиночных ИДВ с длиной плеча 0,37Oс , необходимой
для компенсации реактивной составляющей входного импеданса (Рисунок 3, б),
выявлено повышение КНД на 0,6 дБ (центрально-концевое питание) и 0,7 дБ
(концевое питание) относительно КНД классического диполя, настроенного в
резонанс при длине плеча 0,24Oс .
В третьем разделе разрабатываемая методика формирования облика
начального приближения (ОНП) печатных ДА с ВДВ апробировалась на двух-,
трёх-, 4-хэлементных ДА в свободном пространстве и на 3-хэлементных ДА над
бесконечной идеально отражающей плоскостью, при этом рабочая длина волны
всех ДА составляла Oс 10 см. На первом этапе выполнялся параметрический
синтез ДА-прототипов с проводниками цилиндрической формы, в котором на
основе предложенных процедур ЭДА АС аддитивная целевая функция (ЦФ) S
10
с единых позиций задавалась для конфигураций ДА с центральным, центральноконцевым и концевым питанием возбудителя:
S 2 ˜ 50 D R RIN D X X IN D D D(T ,M ) ,
(4)
2ª¬Ом1 º¼ (для возбудителя со смежными
клеммами) либо D R 1ªОм1 º (для ВДВ), D X 3ªОм1 º и D D 0,7
¬
¼
¬
¼
необходимы как для учёта вклада частных критериев в ЦФ (4), так и для
приведения критериев – составляющих входного импеданса и КНД ДА D(T ,M )
– к безразмерным величинам.
Сравнительный анализ характеристик проводных ДА с тремя способами
питания возбудителей при увеличении числа пассивных директоров был
выполнен для ДА с оптимальными размерами, полученными путём
минимизации ЦФ (4) с использованием генетического алгоритма в пакете
расширения «Optimization Toolbox» среды «MATLAB». Была проведена
успешная взаимная верификация входного импеданса и сопротивления
излучения ДА, определены их относительные габариты и полоса рабочих частот
по критерию КСВН≤1,5, построены сечения ДН в плоскостях векторов Е и H ,
выявлено повышение КНД для ДА с ВДВ в среднем на 0,6 дБ относительно
классических ДА. На Рисунке 4 представлены сечения ДН 4-хэлементной ДА с
ВДВ в свободном пространстве (а, б) и 3-хэлементной – над отражающей
плоскостью (в, г).
где весовые коэффициенты D R
а)
б)
в)
г)
Рисунок 4 – Сечения ДН ДА с центрально-концевым (а, в) и концевым (б, г) питанием ВДВ в
свободном пространстве (а, б) и над бесконечной идеально отражающей плоскостью (в, г):
плоскость E (сплошная), плоскость H (пунктир)
11
На втором этапе формирования ОНП печатной ДА должен быть выполнен
синтез равноамплитудного делителя мощности: синфазного – для реализации
центрально-концевого питания возбудителя, и противофазного – для концевого
питания возбудителя. С конструктивной точки зрения питание ДА от
стандартных несимметричных коаксиальных кабелей соответствует её
размещению в свободном пространстве (Рисунок 4, а, б), тогда как при адаптации
известных делителей на основе штыревых либо петлевых волноводных зондов
поверхность волновода является приближением упомянутой плоскости и играет
роль рефлектора (Рисунок 4, в, г).
На третьем этапе методики алгоритм, основанный на методе конформных
изображений, был использован для пересчёта размеров синтезированных ДА с
ВДВ с учётом влияния диэлектрической подложки ( H r 2,5 ) толщиной 1,5 мм.
В Таблице 1 представлены размеры фрагментов печатных эквивалентов ( hdri –
dri
dir1
dir 2
расстояние от отражающей плоскости до ВДВ; dref
, d dri
, ddir
1 – соответственно
расстояния рефлектор-ВДВ, ВДВ-директор №1, директор №1-директор №2; lref ,
ldri , ldir1 , ldir 2 – соответственно длины плеч рефлектора, ВДВ, директоров №1 и
№2), а также показатели проводных прототипов.
Таблица 1 – Параметры печатных эквивалентов ДА с ВДВ и двумя директорами
Оптимальные
Полоса
Входной
Вариант ДА и обозначения её
размеры
рабочих
КНД
импеданс,
печатных ДА,
частот, %
размеров
Ом
(КСВН ≤ 1,5)
мм
3-хэлементная ДА
над отражающей
плоскостью,
dir 2
§l
·
d dir
1
dir 2
¨
¸
dir1
¨ ldir1 d dri ¸
¨¨ l
hdri ¸¸
© dri
¹
С центральноконцевым
питанием
ВДВ
С концевым
питанием
ВДВ
С центрально-
4-хэлементная ДА,
§ ldir 2
¨
¨ ldir1
¨ ldri
¨¨
© lref
dir 2 ·
d dir
1 ¸
dir1 ¸
d dri
¸
dri ¸
d ref
¸
¹
концевым
питанием
ВДВ
С концевым
питанием
ВДВ
§ 10,9 8,3 ·
¨
¸
¨ 15,8 11, 2 ¸
¨ 20,3 12, 6 ¸
©
¹
97,5+j0,1
2,1
12,2
§ 10,5 5,7 ·
¨
¸
¨ 13,6 12 ¸
¨ 20,6 10,1¸
©
¹
102,1-j0,4
1,3
14,4
§ 8,9
·
10,3 ¸
¨
¨ 11,1 13,1 ¸
¨ 20,3
¸
7, 6 ¸
¨
© 24,9
¹
133,8
1,6
9,5
§ 7, 6
·
9, 6 ¸
¨
¨ 11, 6 12,1¸
¨ 20,5
¸
8 ¸
¨
© 26,1
¹
90+j0,1
1,1
9,2
12
Волновое сопротивление питающего кабеля (50 Ом) должно быть в 2 раза
меньше входного импеданса ДА с ВДВ, что, как следует из Таблицы 1,
выполняется. Итогом раздела стали размеры печатных фрагментов ДА с ВДВ,
реализуемых на отечественных листовых фольгированных диэлектриках (ФАФ4Д, ФФ-4), а также технические рекомендации по выбору и адаптации
синфазных и противофазных делителей мощности в печатном и волноводном
исполнениях.
В начале четвертого раздела обоснован системный подход к созданию и
дальнейшей оптимизации характеристик полностью параметризованных
компьютерных моделей печатных ДА с ВДВ в системе «CST STUDIO SUITE», а
также дано описание измерительного оборудования, используемого для
натурной верификации характеристик образцов в лабораторных условиях.
При проектировании двух интегрированных печатно-волноводных ДА с
концевым и центрально-концевым питанием ВДВ были подробно изложены и
обоснованы правила и ограничения, касающиеся согласования размеров
печатных ВДВ и конфигурации делителей мощности на основе двух отводящих
штыревых зондов и прямоугольного волновода.
Итогом проектирования, в котором на завершающем этапе формирования
ОНП использовались ранее полученные размеры печатных фрагментов, а синтез
распределительных структур выполнялся по известным (авторским) методикам,
стало получение моделей пяти печатных и двух интегрированных печатноволноводных ДА новой структуры, оптимальных по минимуму КСВН в
требуемой полосе частот и максимально достижимому КНД при фиксированном
числе директоров. При необходимости оптимизация характеристик
параметризованных моделей для новой частоты / степени направленности
выполняется в короткие сроки с использованием эффективного метода
доверительных областей.
Для экспериментального подтверждения Положений работы были
изготовлены образцы четырёх печатных ДА с ВДВ. На Рисунке 5 представлены
фото лицевой (а) и обратной (б) сторон печатной платы ДА с центральноконцевым питанием ВДВ от развязанного делителя Вилкинсона, с
подключением через сквозное отверстие с обратной стороны подложки.
а)
б)
в)
Рисунок 5 – Лицевая (а) и обратная (б) стороны печатной ДА с центрально-концевым
питанием ВДВ; в – частотная зависимость КСВН модели (- - - - -) и образца (——)
13
На Рисунке 6 представлены фото: лицевой (а) и обратной (б) сторон печатной
платы ДА с концевым питанием ВДВ от щелевого делителя; лицевой (г) и
обратной (д) сторон печатной ДА с концевым питанием ВДВ от делителя с
эллиптическим отверстием; лицевой (ж) и обратной (з) сторон печатной платы
ДА с концевым питанием ВДВ от кольцевого делителя с противофазным входом
«Σ» и синфазным входом «Δ». Использовались разъёмы типа SMA и 7 / 3,04 мм
для кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом, с креплением к торцам либо
обратным сторонам подложек антенн.
а)
г)
б)
в)
д)
е)
ж)
з)
и)
Рисунок 6 – Лицевые (а, г, ж) и обратные (б, д, з) стороны печатных ДА с концевым
питанием ВДВ; в, е, и – частотные зависимости КСВН на входах антенн
Высокая степень совпадения частотных зависимостей КСВН моделей и
образцов характерна для печатных ДА как с центрально-концевым питанием
ВДВ (Рисунок 5, в), так и с концевым питанием ВДВ (Рисунок 6, в, е, и). Частоты
измерения ДН определялись по единственному либо по среднему
14
арифметическому из двух минимумов и составили 3,106, 2,142, 2,8 и 2,7 ГГц в
порядке следования образцов. На Рисунке 7 представлены ДН моделей и
образцов печатных ДА: с центрально-концевым питанием ВДВ в плоскости Е
(а) и Н (б), с концевым питанием ВДВ от щелевого делителя в плоскости Е (в)
и Н (г).
а)
в)
б)
г)
Рисунок 7 – Сечения ДН в плоскостях E (а, в) и Н (б, г) печатных директорных антенн:
а, б – с центрально-концевым питанием ВДВ от делителя Вилкинсона;
в, г – с концевым питанием ВДВ от щелевого делителя
Высокая степень совпадения кривых характерна для всех четырёх образцов
печатных ДА. При этом для ДА с кольцевым делителем (Рисунок 6, ж-и)
минимальное падение КУ при возбуждении с синфазного входа «Δ»
относительно противофазного «Σ» регистрируется в Е -плоскости и составляет
– 7,5 дБ (в модели –5,5 дБ), в направлении нормали –14 дБ.
Сравнительный анализ ключевых характеристик разработанных и известных
печатных ДА с центральным питанием возбудителя позволил сделать вывод о
точности разработанной трёхэтапной методики проектирования новых типов
печатных ДА с ВДВ, достигающей значения 10% как для импедансных
характеристик вблизи рабочей частоты, так и для ДН в пределах главного
лепестка. Наблюдаемые расхождения объясняются недостаточной точностью на
финальных этапах сборки образцов, в т.ч. при пайке разъёмов.
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Результаты диссертации можно квалифицировать как разработку методики
проектирования нового класса директорных антенн с центрально-концевым и
концевым питанием возбудителей дипольного вида.
1.
В
разработанной
математической
модели
классическая
электродинамическая теория системы линейных излучателей обобщена на
антенную систему с излучателями дипольного вида (в т.ч. уединённым), как в
свободном пространстве, так и вблизи бесконечной идеально отражающей
плоскости, и использована для сравнительного анализа ранее изученных и вновь
предложенных конфигураций с центрально-концевым и концевым питанием.
2. Метод синтеза классических ДА с центрально-питаемым дипольным
возбудителем обобщён на новый класс ДА с возбудителями дипольного вида,
питаемыми на смежно-удалённых или удалённых их концах.
3. Нелинейная оптимизация многокритериальной целевой функции позволила
выявить повышение КНД исследуемых антенн относительно классических в
среднем на 0,6 дБ при сопоставимых продольных габаритах, а формирование
обликов начального приближения печатных ДА стало возможным благодаря
адаптации алгоритма учёта влияния диэлектрической подложки.
4. Исходя из требуемых амплитудно-фазовых соотношений исследуемых
возбудителей дипольного вида выявлены особенности компоновочных схем
синфазных и противофазных делителей, позволившие адаптировать последние к
питанию директорных антенн коаксиальным кабелем и прямоугольным/круглым
волноводом.
5. Предложенные облики начального приближения использованы при
создании параметризованных моделей печатных и интегрированных печатноволноводных ДА в САПР «CST STUDIO SUITE», оптимизация которых
позволила получить компактные технологичные конструкции на отечественных
фольгированных диэлектриках.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Бухтияров Д.А., Горбачев А.П. Печатный дипольный излучатель с концевым
питанием // Вопросы радиоэлектроники. – 2014. – Сер. РЛТ. – Вып. 2. – С. 103106.
2. Бухтияров Д.А. Реконфигурируемые сканирующие дипольные излучатели //
Вопросы радиоэлектроники. – 2015. – Сер. ОТ. – Вып. 3. – С. 88-93.
3. Бухтияров Д.А., Горбачев А.П., Шведова А. В. Модифицированная дипольная
антенна, питаемая круглым волноводом с доминантной волной ТЕ11 // Антенны.
– 2015. – №9(220). – С. 44-52.
4. Бухтияров Д.А. V-образные дипольные излучатели с произвольной
фазировкой плеч // Вопросы радиоэлектроники. – 2016. – Сер. ОТ. – Вып. 3. – С.
82-84.
16
5. Бухтияров Д.А., Горбачев А.П. Исследование дипольной антенны с концевым
возбуждением, питаемой прямоугольным волноводом // Известия высших
учебных заведений. Радиофизика. – 2017. – Т. 60. – № 1. – С. 32-40.
6. Бухтияров Д.А., Горбачев А.П. Печатные директорные антенны с центральноконцевым питанием возбудителя дипольного вида // Вопросы радиоэлектроники.
– 2018. – № 4. – С. 19-23.
Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях,
индексируемых в наукометрической базе данных “Web of Science”:
1. Buhtiyarov D.A., Gorbachev A.P., Atuchin V.V. The linearly polarized waveguidefed dipole-like antenna // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. – 2015.
– Т. 29. – №. 13. – С. 1720-1727.
Патент:
1. Патент РФ № 2472261. Дипольный излучатель / Д.А. Бухтияров, А.П.
Горбачев, Ю.О. Филимонова. – Опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.
Свидетельства о государственной регистрации топологий:
1. Бухтияров Д.А., Глазунов В.В., Горбачев А.П., Тарасенко Н.В.
Двухдиапазонная директорная антенна. Свидетельство о регистрации топологии
микросхемы РФ № 2015630076, 7 июля 2015 г.
2. Горбачев А.П., Алексейцев С.А., Бухтияров Д.А., Атучин В.В. Линейно
поляризованная антенна. Свидетельство о регистрации топологии микросхемы
РФ № 2016630135, 3 октября 2016 г.
Публикации в других изданиях:
1. Buhtiyarov D.A., Gorbachev A.P., Zhelezko S.Yu. Improvement of the quasi-yagi
antenna performances by using an ends-fed dipole driver // Universal Journal of
Electrical and Electronic Engineering. – 2014. – Т. 2. – № 1. С. 6-17.
2. Buhtiyarov D.A., Gorbachev A.P., Atuchin V.V. Compact printed microwave filters
for wireless communication applications // Pacific Science Review A: Natural Science
and Engineering. – 2016. Т. 18, № 3, С. 157-161.
3. Buhtiyarov D.A. A novel ends-fed dipole radiator / D.A. Buhtiyarov, A.P.
Gorbachev // APEIE-2012: труды 11 международной конференции, Новосибирск,
2-4 окт. 2012 г.: в 7 т. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. – С. 21-28.
4. Бухтияров Д.А. Дипольные излучатели с наклонной диаграммой
направленности // Интеллектуальный потенциал Сибири: сборник тезисов
докладов Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции,
Новосибирск, 22-23 мая 2014 г. – Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2014. –
Часть 1. – С. 28.
5. Buhtiyarov D.A. Input impedances of dipole and dipole-like antennas with
prescribed phase difference between excitation currents / D.A. Buhtiyarov, A.P.
Gorbachev // APEIE-2014: труды 12 международной конференции, Новосибирск,
2-4 окт. 2014 г.: в 7 т. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. – Т. 1. – С. 304-307.
6. Buhtiyarov D.A. Input impedance of ends-fed dipole radiator with prescribed phase
difference between excitation currents // APEIE-2014: труды 12 международной
17
конференции, Новосибирск, 2-4 окт. 2014 г.: в 7 т. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,
2014. – Т. 1. – С. 297-303.
7. Бухтияров Д.А. Реконфигурируемые сканирующие дипольные излучатели //
Наука. Технологии. Инновации: материалы Всерос. науч. конф. молодых
ученых, Новосибирск, 2-6 дек. 2014 г.: в 11 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014.
– Ч. 11. – С. 23-26.
8. Бухтияров Д.А. Реконфигурируемые сканирующие дипольные излучатели //
МНСК-2015: материалы 53ей международной научной студенческой
конференции, секция «Радиотехника, электроника, связь», Новосибирск, 11-17
апр. 2015 г. – Новосибирск: Изд-во НГУ, 2015. – С. 8.
9. Бухтияров Д.А. Печатные дипольные излучатели с произвольной фазировкой
плеч и линейные антенные решетки на их основе // РЛНС-2016: труды XXII
Международной научно-технической конференции, Воронеж, 19-21 апр. 2016 г.
– Т. 2. – С. 849-855.
10. Buhtiyarov D. The linearly polarized ends-fed magnetic dipole antenna excited by
circular waveguide / Buhtiyarov D., Gorbachev A. // The 11th International Forum on
Strategic Technology IFOST-2016, Novosibirsk, Russia, June 1 - 3 2016, pp. 290-293.
11. Бухтияров Д.А. Электродинамическая модель печатного диполя с
обобщением нестандартного возбуждения плеч, их произвольной ориентации и
фазировки // АПЭП-2016: труды 13 международной конференции, Новосибирск,
3-6 окт. 2016 г.: в 12 т. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. – Т. 12. – С. 71-74.
12. Бухтияров Д.А. Директорные антенны с печатными возбудителями
дипольного вида // НПО-2017: труды XVIII всероссийской научно-технической
конференции, Новосибирск, 19-21 апр. 2017 г.: в 4 т. – Новосибирск: Изд-во
НГТУ, 2017. – Т. II. – С. 236-240.
13. Buhtiyarov D. The Novel Waveguide-Fed Dipole-Like Antenna / Buhtiyarov D.,
Gorbachev A., Khrustalev V. // The 18th International Conference on Micro /
Nanotechnologies and Electron Devices EDM 2017, Novosibirsk, Russia, June 29 July 3 2017, pp. 202-204.
14. Бухтияров Д.А. Печатная директорная антенна с концевым питанием
дипольного возбудителя / Д.А. Бухтияров, А.П. Горбачёв // ПТиТТ-2017:
материалы XVIII Международной научно-технической конференции, Казань,
20-24 ноября 2017 г. – Казань: КНИТУ-КАИ, 2017. – Т. 2. – С. 158-161.
15. Бухтияров Д.А. Интегрированные печатно-волноводные директорные
антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителя / Д.А.
Бухтияров, А.П. Горбачёв // ВНКСФ-24: тр. 24ой Всероссийской научной
конференции студентов-физиков и молодых учёных, Томск, 31 марта - 7 апр.
2018 г. – Томск: Изд-во ТГУ, 2018. – С. 416-417.
16. Бухтияров Д.А. Автоматизация проектирования печатных директорных
антенн с возбудителями дипольного вида // ВНКСФ-24: тр. 24ой Всероссийской
научной конференции студентов-физиков и молодых учёных, Томск, 31 марта 7 апр. 2018 г. – Томск: Изд-во ТГУ, 2018. – С. 451-452.
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
775 Кб
Теги
концевых, вида, печатные, директорные, возбудителей, дипольного, антенны, питание, центральной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа