Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабораторный практикум АиРРВ.pdf
Скачиваний:
283
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
1.33 Mб
Скачать

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

+

ε1

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