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

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. 7.5

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

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:

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.

81