4 Вплив допусків і розкиду параметрів матеріалу на характеристики мсв.

Зміна геометричних параметрів випромінювача й відхилення діелектричної проникності матеріалу і товщини підшарка спричиняють розбіжність поміж розрахунковими й дійсними щирими значеннями параметрів МСВ. Це насамперед стосується резонансної частоти.

Оскільки смуга робочих частот МСВ становить зазвичай лише кілька відсотків від середньої частоти, то визначення дійсного значення резонансної частоти є надто важливе при проектуванні МСВ й, відповідно, мікросмужкових антен.

Точність виготовлення пластини МСВ визначається способом виробництва і при використанні сучасних технологічних методів може бути вельми високою ([3] стор. 161...163). Листові діелектричні матеріали промислового виробництва на базі поліетилену й полістиролу мають допуски на відносну діелектричну проникність та на товщину (див. табл. I).

Вплив допусків на резонансну частоту прямокутної МСА, що функціонує в режимі основного типу коливань, може бути оцінено за методикою, викладеної в [3].

Резонансна частота МСВ визначається співвідношеннями

(20)

де , визначається за формулою (3), а означає швидкість світла у вакуумі.

На підставі виразу (20) для резонансної частоти дістано розрахункову формулу для відносної девіації частоти:

. (21)

Звичайно і членом нехтують. Вхідні до (21) частинні похідні визначаються за формулами

;

.

При проектуванні МСВ слід обирати параметри у такий спосіб, щоби робоча смуга частот дещо перевищувала задану. Це дозволить компенсувати девіацію резонансної частоти, зумовлену розкидом параметрів.

Іі Расчет микрополосковых излучателей и антенн

Ведущим направлением развития современной радиоэлектроники является микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. При этом качественные показатели этой аппаратуры в значительной мере определяются электродинамическими свойствами и конструктивными особенностями ее антенно-фидерного тракта. Микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по технологии интегральных схем, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры , массу. Микрополосковые антенны способны излучать электромагнитные волны с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, позволяют создавать многоэлементные фазированные антенные решетки, обладают высокими аэродинамическими характеристиками.

1 Полосковые линии передачи

Конструктив­ная основа и технология изготовления микрополосковых излучате­лей (МПИ) и ПЛ одинаковы, а эффективность излучения МПА и их согласование определяются выбором линий питания. Поэтому зна­ние принципов работы ПЛ необходимо при изучении курса антенн. Теория полосковых линий (ПЛ) и основ их проектирования яв­ляется важным разделом прикладной электродинамики.

При конструировании МПА чаще других применяют ПЛ, изобра­женные на рис. I.

Рисунок 1  Конструкции полосковых линий:

1 –экран, 2 – диэлектрик, 3 – полоска

Симметричные ПЛ (СПЛ) (рис. 1,а) представляют собой трех­проводную линию, в которой пространство между проводниками запол­нено диэлектриком. Они обладают хорошей экранировкой, однако сложны в изготовлении и настройке, требуют строгой симметрии, а их центральный проводник недоступен для регулировки.

Несимметричная ПЛ (НПЛ) – это двухпроводная линия (рис. 1,6). Она проста в изготовлении и практическом применении. Недостатками НПЛ являются отсутствие экранировки и, как следствие, повышен­ные потери и восприимчивость к внешним полям

Щелевая полосковая линия (ЩПЛ) представляет собой двухпроводную линию, в которой электромагнитная волна распространяется вдоль щели между проводящими поверхностями, нанесенными на одну сторону диэлектрика.

1.1 Терминология, определения и расчетные формулы

Регулярной называется линия передачи, имеющая неизменные форму, размеры поперечного сечения и электрические параметры.

В полосковых линиях могут существовать волны типов Т, Е, Н, НЕ (гибридные волны). В СПЛ и НПЛ основной является так называемая квази-Т волна. Основным типом волны в ЩПЛ является Е-волна.

Структура поля некоторых из перечисленных волн показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Структура электрического поля волн в полосковых линиях

Волновое сопротивление W [Ом] регулярной линии без потерь, работающей в режиме бегущей волны в произвольном сечении, определяется отношением напряжения и тока. При заданных параметрах волновое сопротивление НПЛ определяется формулами

(1)

при и

(2)

при ,

где относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки. Для нахождения НПЛ можно также воспользоваться графиком, приведенным на рис. 3.

Рис. 3 - График для определения волнового сопротивления в НПЛ.

Эффективная диэлектрическая проницаемость численно рав­на отношению квадрата скорости света в вакууме к квадрату фазо­вой скорости в линии . Для НПЛ эта величина может быть опре­делена по формулам

(3)

при и

(4)

при .

а также по графикам рис. 2.44 и 2.45 [2] .

Фазовая скорость - скорость перемещения фронта волны вдоль продольной оси регулярной линии.

Длина волны [м] - равна расстоянию, которое проходит фронт волны за время одного периода колебаний. Для Т - волн она определяется соотношениями: в НПЛ , где - длина волны в безграничном вакууме.

Постоянная распространения [1/м] - численно равна фазовому сдвигу, приобретаемому волной, при прохождении расстояния единич­ной длины

, .

Коэффициент затухания - величина, обратно пропор­циональная расстоянию, которое должна, пройти волна вдоль регу­лярной линии , чтобы ее амплитуда уменьшилась в раз. Коэффици­ент затухания рассчитывается в предположении, что структура по­лей в линии при наличии потерь и без них одинакова.

Коэффициент затухания волны основного типа в НПЛ рассчитывается по формуле

где определяется потерями в проводнике, определяется по­терями в диэлектрике, определяется наличием излучения из ПЛ. Эти величины, в свою очередь, рассчитываются по формулам

[1/м], где [Ом]; (5)

[1/м]; (6) [1/м]. (7)

Рабочая полоса частот. Со стороны низких частот применение ПЛ ограничено размерами полосковых резонансных элементов, а со стороны высоких частот – требованиями допусков на изготовление и ростом потерь.

Считается также, что на частотах свыше 30 ГГц га­баритно-весовые преимущества ПЛ по сравнению с волноводами отсут­ствуют. Рабочую частоту ПЛ следует выбирать ниже частоты среза (критической частоты) поперечной поверхностной волны самого низ­кого порядка. Частота среза определяется по формуле [1]

, ГГц

На частотах ниже 100 МГц применять ПЛ не рекомендуется

1.2 Выбор основных геометрических параметров ПЛ.

Ширина экрана (основания) несимметричной ПЛ выбирается исходя из условия . Ширину проводящей полоски следует уменьшать (для уменьшения габаритов ПЛ и подавления волн выс­ших типов). Однако следует учитывать, что уменьшение приводит к росту потерь.

Толщину подложки следует выбирать малой для обеспечения малых потерь на излучение. Однако следует принимать во внимание, что для со­хранения постоянного волнового сопротивления уменьшение долж­но сопровождаться уменьшением ширины полоски , что ведет к рос­ту потерь в проводнике. Таким образом толщину подложки следует выбирать в результате компромиссного решения.

Толщина полоски должна быть, по крайней мере, в три раза больше глубины скин-слоя, при этом обеспечивается малый уровень потерь.