2. Исследование микрополосковой антенной решетки

Цель работы состоит в экспериментальном исследовании характеристик простой 9-ти элементной МПАР: диаграммы направленности в основных сечениях, частотной зависимости КСВ на входе, уровне боковых лепестков, ширины главного лепестка ДН, а также в теоретическом расчете диаграммы направленности на основе упрощенной математической модели или с помощью стандартных универсальных пакетов программ.

1. Общие сведения

Микрополосковые (печатные) антенны (МПА) и микрополосковые антенные решетки (МПАР) являются в настоящее время наиболее распространенным типом антенн массовых телекоммуникационных систем. Это обусловлено, прежде всего, их низкой стоимостью, высокой технологичностью, малой массой. Благодаря этим качествам МПАР в ряде случаев (прежде всего в тех радиосистемах, где не требуется высокий уровень излучаемой мощности и широкая полоса частот) успешно конкурируют с антенными решетками других типов – волноводными, волноводно-щелевыми, вибраторными и т.д. Существенным недостатком простейших однослойных МПАР, ограничивающим их применение, является узкая полоса рабочих частот.

Рис.1. a) Геометрия прямоугольного печатного излучателя, б) Распределение тока в прямоугольном печатном излучателе.

Применяются МПА разнообразных форм, из которых наиболее распространенными являются прямоугольная (рис.1а, б) или дисковая (рис. 2). В большинстве случаев прямоугольная или дисковая МПА, имеющая одну точку питания создает поле линейной поляризации, это видно из картины распределения токов (рис.1, б).

Для увеличения направленных свойств простейших МПА их объединяют в антенные решетки, примером является МПАР миллиметрового диапазона, выполненная по параллельной схеме (рис. 3).

Рис.2. Печатный двуслойный излучатель с расширенной рабочей полосой частот.

Рис. 3. МПАР миллиметрового диапазона с параллельной схемой питания.

В данной лабораторной работе исследуются характеристики МПАР из девяти прямоугольных элементов, выполненной по параллельно-последовательной схеме (рис.4).

Рис.4. Топология исследуемой МПАР.

Представление о конструкции исследуемой МПАР дает фото на рис. 5. Материалом подложки является пенополиэтилен с относительной диэлектрической проницаемостью около единицы и толщиной 5 мм. Металлизация антенны (медь) нанесена на тонкий слой диэлектрического материала (стеклотекстолит 0.2 мм), рис.5.

Р ис.5 Фрагменты конструкции МПАР.

Одиночные прямоугольные элементы МПАР имеют размер по узкой стороне около половины длины волны (с учетом замедления волны в диэлектрике подложки) и при запитке подводящей микрополосковой линией с широкой стороны имеют довольно высокое входное сопротивление (около 160-300 Ом в зависимости от ширины элемента и электрической толщины подложки). При этом токи по элементу текут в направлении, параллельном узкой стенке (рис.1,б), создавая в дальней зоне поле линейной поляризации.

Последовательное включение таких элементов через отрезок линии длиной около половины длины волны обеспечивает синфазное возбуждение всех излучателей. Для согласования входных сопротивлений трех последовательно соединенных элементов с питающей линией применен согласующий четвертьволновый трансформатор.

Три последовательные линейки включены параллельно, средняя линейка элементов имеет специально изогнутый отрезок линии, длина которого подобрана определенным образом с целью обеспечения синфазности токов в каждой линейке. Таким образом, все девять элементов данной МПАР возбуждены синфазно с амплитудным распределением незначительно отличающимся от равномерного.