
- •1.1. Введение, теоретические сведения
- •1.2. Экспериментальная установка
- •1.3. Лабораторный эксперимент
- •1.4. Контрольные вопросы
- •1.5. Содержание отчета
- •2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
- •2.1. Введение. Теоретические сведения
- •2.2. Экспериментальная установка
- •2.3. Проведение измерений
- •2.4. Контрольные вопросы
- •2.5. Содержание отчета
- •3. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ РУПОРНОЙ АНТЕННЫ
- •3.1. Теоретические сведения
- •3.2. Методика измерения коэффициента усиления антенны
- •3.3. Лабораторный макет
- •3.4. Проведение измерений
- •3.5. Обработка результатов измерений
- •3.6. Контрольные вопросы
- •3.7. Содержание отчёта
- •4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
- •4.1. Введение. Принцип действия зеркальной антенны
- •4.2. Теоретические сведения
- •4.2. Экспериментальная установка
- •4.3. Эксперимент
- •4.4. Обработка результатов эксперимента.
- •4.5. Контрольные вопросы
- •4.6. Содержание отчета
- •5. ВЛИЯНИЕ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН
- •5.1. Идея метода зеркальных изображений
- •5.2. Применение метода зеркальных изображений к антеннам, размещенным над проводящей плоскостью
- •5.3. Обобщение на антенны с произвольно поляризованным излучением
- •5.4. Интерференция полей антенны и ее зеркального изображения
- •5.5. Частные случаи
- •5.6. Интерференционные множители
- •5.7. Экспериментальная установка
- •5.8. Проведение измерений
- •5.9. Обработка результатов и теоретические расчеты
- •5.10. Контрольные вопросы
- •5.11. Содержание отчета
- •6. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ «ВОЛНОВОЙ КАНАЛ»
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Математическое описание вибраторных антенных решеток
- •6.2.1. Система связанных интегральных уравнений для многоэлементной антенной решетки ВК
- •6.2.2. Решение системы связанных ИУ
- •6.2.3. Метод наведенных ЭДС
- •6.3. Описание лабораторного макета
- •6.4. Задание и указания к выполнению работы
- •6.4.1. Измерение КСВ ВК1 и ВК2 в полосе частот 2…3 ГГц
- •6.4.2. Экспериментальное исследование ДН ВК1 в Е- и в Н-плоскостях на заданных дискретных частотах из интервала 2.35…2.45 ГГц
- •6.4.3. Расчет основных характеристик ВК на основе электродинамического моделирования в специализированных пакетах
- •6.5. Требования к содержанию отчета
- •6.6. Контрольные вопросы
- •7. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Математическое описание МПА
- •7.3. Лабораторный макет
- •7.4. Программа работ
- •7.4.1. Измерение КСВ МПАР в полосе частот 3.0…4.0 ГГц
- •7.4.2. Экспериментальное исследование ДН МПАР
- •7.4.3. Расчет ДН МПАР на основе приближенной модели
- •7.4.4. Измерение отношения «вперед/назад»
- •7.4.5. Измерение ДН по кросс поляризации (выполняется по указанию преподавателя)
- •7.4.6. Расчет характеристик МПАР на основе моделирования в специализированном пакете
- •7.5. Требования к содержанию отчета
- •7.6. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Оглавление

7. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Цели работы – экспериментальное исследование характеристик простой 9-элементной МПАР: диаграммы направленности в основных сечениях, частотной зависимости КСВ на входе, уровне боковых лепестков, ширины главного лепестка ДН, а также теоретический расчет диаграммы направленности на основе упрощенной математической модели или с помощью стандартных универсальных пакетов программ.
7.1. Общие сведения
Микрополосковые (печатные) антенны (МПА) и микрополосковые антенные решетки (МПАР) в последнее время получили заметное распространение в массовых телекоммуникационных системах. Прежде всего это обусловлено 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. Сущ е- ственным недостатком простейших однослойных МПАР, ограничивающим их применение, является узкая полоса рабочих частот.
Применяются МПА разнообразных форм, из которых наиболее распространенными являются прямоугольная (рис. 7.1,а – вид излучателя, б – распределение тока по излучателю) или дисковая (рис. 7.2). В большинстве случаев
z |
θ |
(.)М |
|
||
|
|
W |
L |
y |
ϕ |
|
|
x |
ε |
|
h |
|
|
a |
|
б |
Рис. 7.1
78

прямоугольная или дисковая МПА, имеющая одну точку питания, создает поле линейной поляризации. Это видно из картины распределения токов (рис. 7.1, б).
Для улучшения направленных свойств простейшие МПА объединяют в антенные решетки, примером является МПАР миллиметрового диапазона, выполненная по параллельной схеме питания (рис. 7.3).
Рис. 7.2 |
|
Рис. 7.3 |
|
|
|
В данной лабораторной работе иссле- |
|
|
дуются характеристики МПАР из девяти пря- |
||
|
моугольных элементов, выполненной по па- |
||
|
раллельно-последовательной схеме (рис. 7.4). |
||
|
|
Представление о конструкции исследу- |
|
|
емой МПАР дает фото на рис. 7.5. Материа- |
||
|
лом подложки является пенополиэтилен с |
||
|
относительной диэлектрической проницае- |
||
Рис 7.4 |
мостью около единицы и толщиной 5 мм. |
||
Металлизация антенны (медь) нанесена на |
|||
|
|||
тонкий слой диэлектрического |
материала (стеклотекстолит с толщиной |
||
0.2 мм) (рис. 7.5). |
|
|
Рис. 7.5
79
Одиночные прямоугольные элементы МПАР имеют размер по узкой стороне около половины длины волны (с учетом замедления волны в диэлектрике подложки) и при питании 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. 7.1,б), создавая в дальней зонеполе 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.
7.2. Математическое описание МПА
Математическое моделирование МПА следует выполнять на основе решения интегрального уравнения относительно двумерного распределения токов по плоскости антенны с ядром, зависящим от свойств материала подложки, такой подход является наиболее точным и реализован в ряде стандартных пакетов (MWOffice, Agilent и др.). Вместе с тем, существует ряд упрощенных подходов к расчету характеристик МПА, позволяющих с инженерной точностью оценить основные полевые характеристики. Одним из таких подходов является метод, разработанный Дернеридом, сводящийся к аналогии между МПА и отрезком длинной линии, нагруженным с двух сторон на резистивные и емкостные элементы. Резистивные элементы эквивалентны потерям на излучение, двух щелей с длиной равной ширине МПА W (рис. 7.1, а), расположенных на расстоянии равном длине элемента L, емкостные элементы описывают краевой эффект (емкость между концом полосковой линии передачи и проводящим основанием).
Резонансная частота Fr прямоугольной МПА зависит от геометрии антенны (прежде всего длины элемента L) и диэлектрической проницаемости
80

подложки и определяется по формуле F = |
с |
|
|
, где с – скорость света; |
|
|
|
||
r |
2Le |
εe |
||
|
Le – эффективная длина излучателя; εe – эффективная диэлектрическая про-
ницаемость, которая отличается от проницаемости материала подложки, поскольку поле МПА присутствует как в диэлектрике, так и в воздухе. Эти величины вычисляется по формулам:
|
εe = |
ε+1 |
+ |
ε−1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|||
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
1+10 |
|
h |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
h |
|
|
(εe +0.3) |
|
|
|
+0.262 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
L |
= L 1+0.824 |
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
e |
|
|
L |
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
( |
εe −0.258) |
|
|
|
+ |
0.813 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
Здесь ε – диэлектрическая проницаемость материала подложки; L – длина элемента; h – толщина подложки.
Увеличение диэлектрической проницаемости подложки при фиксированной геометрии элемента приводит к понижению резонансной частоты. В ряде случаев в целях уменьшения габаритов антенных систем прибегают к использованию материалов подложки с относительной диэлектрической проницаемостью от 2 до 10. Одновременно с этим уменьшение размеров МПА ведет к сужению полосы рабочих частот и уменьшению КНД.
|
|
|
Диаграмма |
|
направленности |
МПА |
определяется |
|
как: |
Fэл(θ,φ) = |
||||||||||||||||||||||
= |
|
|
E (θ,φ) |
|
2 |
+ |
|
E (θ,φ) |
|
2 |
|
, где |
|
E |
|
иE |
– угломестная и азимутальная компо- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
θ |
|
|
|
|
|
φ |
|
|
|
|
|
θ |
φ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ненты поля излучения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
−(sinθ) |
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E (θ,φ) = −iE |
|
f (θ,φ)cosφ |
|
|
|
; |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
θ |
0 |
|
|
|
|
ε−(sinθcosφ) |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
E |
|
(θ,φ) = iE f (θ,φ)cosθsinφ |
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
; |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
φ |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε−(sinθcosφ) |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kW |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
2 |
sin θsinφ |
|
kL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (θ,φ) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
(7.1) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
2 |
sinθcosφ |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kW |
sin θsinφ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
81