Дифракционные решетки в антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Юдин В.И., Пастернак Ю.Г

вибраторного типа или объемные металлические тела). Принцип работы таких антенн заключается в высокоэффективном преобразовании поверхностных волн в объемные.

Расширение полосы рабочих частот ПАДТ возможно путем исключения из фазо-частотных спектров излучателей антенны гармоник нечетного порядка. Основой данной ПАДТ служат полосковые модулированные по форме излучатели, возбуждаемые бегущей волной. При размерах ПАДТ 1000 1000 20 мм3 ее коэффициент усиления на средней частоте рабочего диапазона волн f=11.3 ГГц составляет 39 дБ, что соответствует максимальной эффективности 44.5 %. Ширина полосы рабочих частот ПАДТ при уменьшении значения коэффициента усиления на ее краях на 3 дБ составляет 750 МГц (что весьма непросто обеспечить при достаточно высоком значении коэффициента усиления).

Одним из быстро развивающихся в настоящее время направлений является создание плоских антенных решеток (ПАР) активного типа для применения как в радиотехнических системах специального назначения, так и в бытовой аппаратуре (например, в составе СТВР).

В качестве излучающей апертуры плоской дифракционно-отража- тельной антенны с вынесенным рупорным облучателем используется двумерно-периодичная решетка, составленная из полосковых вибраторов, нанесенных на верхний диэлектрический слой (всего слоев 4, нижний слой является металлизированным). Ряды вибраторных излучателей располагаются на секторах эллипсов разной степени кривизны, т. к. облучатель формирует волну, близкую к сферической. Параметры ПАДТ выбираются исходя из необходимости оптимального преобразования мощности падающего поля в отраженно-дифракционную волну и минимизации прямой отраженной волны. Недостатки ПАДТ очевидны: сложность автоматизированного проектирования, настройки и оптимизации параметров; громоздкость конструкции; дороговизна, обусловленная использованием многослойных диэлектриков с разными электрическими параметрами, низкая технологичность и наличие выступающего облучателя, что ограничивает эксплуатационные возможности антенны.

Единственной серийно выпускаемой ПА с электронным управлением поляризацией излучения является антенна BAS-50 фирмы «Katrein» (ФРГ). ПА имеет следующие параметры: коэффициент усиления 34.7 дБ на рабочих частотах 10.9 11.7 ГГц, КПД=65 % для двух фиксированных линейных поляризаций (горизонтальной и вертикальной). Размеры ПА составляют 501 501 65 мм3, масса - 6.5 кг. Устройство предназначено для индивидуальных систем приема программ спутникового телевидения. В антенне использована двухъярусная конструкция (верхний слой является практически прозрачным для излучения нижнего), излучение же верхнего слоя незначительно проникает в нижний. Недостатком данной антенны является сложность конструкции, отражающаяся на ее стоимости, и высокий уровень кросс-поляризационной компоненты, связанный с наличием двух излучающих слоев.

В печати сообщается о МПА, состоящей из 8 подрешеток, питаемых прямоугольными металлическими волноводами. Подрешетки состоят из

64-х микрополосковых элементов квадратной формы, нанесенных на подложки из пенополиэтилена. Размеры антенны, предназначенной для работы в X-диапа- зоне волн составляют 680 360 мм2, коэффициент усиления - 34 дБ при значении КИП около 60 %.

Антенные решетки функционирующие в миллиметровом диапазоне частот, позволяют электронным способом сканировать главным лепестком диаграммы направленности (в том числе и по двум координатам в секторе, достигающем 40 0 от нормали к плоскости апертуры при коэффициенте усиления более 30 дБ), однако, в них отсутствует возможность управления поляризацией.

Широко исследованны ПАДТ на основе отражательной металлической

дифракционной решетки (ДР) и планарного диэлектрического волновода

(ПДВ). Подобные структуры могут иметь эффективность преобразования

энергии поверхностных волн в объемные, достигающую 98 % (введением

неоднородной связи между ДР и ПДВ можно добиться требуемого

амплитудного распределения). Известна, например, линейная дифракционная

антенна миллиметрового диапазона волн со степенью развязки между

входным и выходным каналами, достигающей 70 дБ. При этом ПАДТ очень

технологична и обладает низкой стоимостью.

Методы математического моделирования волноводно-щелевых ПАДТ достаточно разнообразны. Одни из них позволяют вычислять характеристики ПАДТ бесконечной длины со щелями (или полосковыми излучателями) произвольной формы посредством решения методом моментов интегрального поверхностного уравнения относительно гармоник токов на щелях (полосковых излучателях). Другие – анализировать двумерные щелевые антенные решетки произвольной конфигурации с поверхностями конечных и бесконечных размеров, возможен учет краевых эффектов.

Разработан метод поперечного резонанса. Существующие для него алгоритмы численного анализа позволяют моделировать волноводно-щелевые антенны (ВЩА) любой степени сложности, при этом могут быть учтены внешняя и внутренняя связи ЭМП щелей.

Щелевые ПАДТ нередко анализируются на основе модели радиального

волновода. Следует отметить, что для анализа данной структуры

используются различные подходы: в простейшем из них вводится

усредненный поверхностный импеданс, характеризующий излучающую

апертуру антенны, затем вычисляется комплексный коэффициент

распространения путем решения соответствующего дисперсионного

уравнения. Более строгий вариант анализа предполагает решение методом

моментов интегрального уравнения относительно составляющих токов

смещения на щелях и токов проводимости на металлической поверхности.

Существуют строгие методы анализа конечномерных и полубесконечных

структур различной конфигурации, однако, для большинства практических

случаев их применение весьма затруднительно вследствие весьма высоких

порядков получающихся граничных систем линейных алгебраических

уравнений, достигающих 3000 10000.

Для анализа МПА используется широкий спектр методов: метод моментов Галеркина, метод конечных элементов, модификации метода интегральных уравнений, семейство методов частичных областей и переразложения функций, вариационные методы анализа, метод РиманаГильберта (восстановления аналитической функции по сумме ее предельных значений на границе в комплексной плоскости). Последний метод является применимым только для структур с бесконечно тонкими полосками.

Одна из часто применяемых на практике разновидностей полосковых решеток, возбуждаемых бегущей волной, - ДР из парных полосковых вибраторов, нанесенных на слой диэлектрика, который размещен в желобковом металлическом волноводе. Зная полный спектр активной и реактивной составляющих сопротивления тонких диполей, можно применить для анализа структуры аппарат теории цепей на сосредоточенных элементах.

Таким образом, на основе вышеизложенного можно отметить следующее.

1) Широкое разнообразие видов ДР, используемых в антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов, говорит о том, что до настоящего времени не созданы ПАДТ, по всем техническим и эксплуатационным параметрам близкие к оптимальным (в частности, особенно остро стоит проблема совмещения высоких значений

эффективности использования излучающей апертуры (выше 55 60 %) и широкой полосы рабочих частот (не менее 10 %)).

2) Серьезной проблемой является создание математических моделей, которые могут быть положены в основу математического обеспечения систем автоматизированного проектирования дифракционных антенн, предназначенных для использования на персональных компьютерах.

1.2. Программные продукты, предназначенные для электродинамического моделирования антенн и СВЧ устройств

Сложность используемых в настоящее время антенно-фидерных и СВЧ устройств и систем может быть столь высока, что их эффективная разработка и модернизация невозможны без широкого применения современных систем автоматизированного проектирования. Иллюстрацией особой важности развития систем и средств автоматизированного проектирования антеннофидерных и СВЧ устройств и систем служит тот факт, что разработчики подобного программного обеспечения являются одними из самых высокооплачиваемых технических специалистов в США, странах Западной Европы и Японии.

Рассмотрим особенности используемых в настоящее время в России и за рубежом систем автоматизированного проектирования (САПР) антеннофидерных и СВЧ устройств. Среди зарубежных фирм, занимающих лидирующее положение в области разработки пакетов электродинамического моделирования, можно выделить следующие: Hewlett-Packard, Ansoft и Applied Wave Research (AWR). Бесспорное первенство в данной области принадлежит фирме Hewlett-Packard. Ее программная продукция используется для создания антенно-фидерных и СВЧ устройств, создаваемых оборонными предприятиями США. САПР, разработанные фирмой Hewlett-Packard, отличают повышенная степень универсальности и надежности, обратной стороной чего, однако, является очень высокая стоимость программных продуктов.

Весьма солидную репутацию в области создания САПР антенных и СВЧ устройств имеет фирма Ansoft. Фирма AWR, несмотря на свою «молодость», предприняла попытку изменить расстановку сил на рынке САПР в области технологии СВЧ устройств, выпустив в 1998 году пакет программ Microwave Office. Этот электродинамический симулятор (моделирующая программа) функционирует в среде Windows персональных IBMсовместимых компьютеров, что дает возможность использовать его широкому кругу пользователей, разрабатывающих антенную и СВЧ технику (в то время как программные продукты фирм Hewlett-Packard и Ansoft в основном создавались под операционную систему Unix для использования на мощных рабочих станциях).

Помимо трех вышеупомянутых фирм, программное обеспечение для моделирования, оптимизации параметров и автоматизированного проектирования СВЧ техники и антенн выпускают корпорации ACCEL Technologies, ZIEGLER Informatics, CCT, Protel Technology, HyperLinkx, Quad Design Technology, Compact Software, Advanced CAM Technologies, Router Solutions. Среди вышеназванных фирм особой популярностью пользуется у разработчиков антенно-фидерной и СВЧ техники фирма Compact Software. К наиболее часто используемым программным продуктам можно отнести System View, SIMULINK, LabView, SysCalk, APLAC.

Среди отечественных САПР в области антенно-фидерных и СВЧ устройств и систем наибольшей известностью пользуются программные продукты, разработанные коллективами авторов под руководством Д. И. Воскресенского, В. В. Никольского, Д. М. Сазонова, А. А. Кириленко, Я. С. Шифрина, Б. В. Сестрорецкого. Весьма популярны в нашей стране и за рубежом СВЧ пакеты программ TAMIC, разработанные фирмой «Вега-Стар» (г. Москва) под руководством Б. В. Сестрорецкого. Особенностью математического аппарата последних является использование концепции импедансных сеток и введение топологических ограничений, позволяющих сводить трехмерный анализ электродинамического объекта к двумерному. Программы семейства TAMIC составляют серьезную конкуренцию лучшим зарубежным программным продуктам.

Каковы особенности и возможности некоторых наиболее известных САПР антенно-фидерных и СВЧ устройств и систем? Пакет прикладных программ (ППП) НР Momentum фирмы Hewlett-Packard позволяет и проектировщикам значительно расширить число и диапазон параметров анализируемых пассивных цепей, моделей и схем СВЧ. ППП НР Momentum при моделировании эффектов взаимного влияния и паразитных излучений учитывает реальные проектные параметры (нормы топологии), может анализировать многоуровневые объекты произвольной конфигурации. Используемые в данном пакете двумерные математические модели фундаментальных анализируемых объектов накладывают ограничение на область его применимости, так как он специально разрабатывался для моделирования планарных схем.

Система НР Momentum работает в сочетании с СВЧ линейными симуляторами семейства НР Ееsof. Она используется для вычисления S-, Y- и Z- параметров планарных СВЧ схем: микрополосковых и полосковых линий передач, измерительных линий, компланарного волновода и других схемных топологий. Уровни схемы можно соединить, применив перфорацию и воздушные мосты. Это позволяет пользователям моделировать многоуровневые СВЧ печатные и гибридные схемные платы. При их анализе программой HP Momentum выходные данные сразу же становятся доступными для других схемных симуляторов, которые могут образовывать сложные системы.

Универсальность математического аппарата, использованного в пакете НР Momentum, делает его незаменимым в тех случаях, когда отсутствует

модель анализируемой схемы. Часто разработчики производят неоптимальное удаление экранирующих плоскостей СВЧ модулей, в результате чего неоправданно увеличиваются габаритные размеры проектируемой аппаратуры либо, напротив, усиливается паразитная емкостная связь между участками схемы и экраном, по которому могут протекать токи значительной величины, что негативно сказывается на уровне потерь.

Система НР Momentum способна моделировать отдельные металлические участки так же легко, как и цельнометаллические объекты, в этом заключается одно из ключевых преимуществ данной программы. Например, это позволяет программе HP Momentum выполнить эффективный анализ компланарных волноводных цепей и схем. Пакет автоматически предотвращает ситуации резонансных взаимодействий между элементами СВЧ схем и модулей, а также паразитные связи вследствие существования поверхностных волн на отдельных участках схем. Использование пакета дает возможность снизить уровень паразитных излучений. Система позволяет моделировать схемы с автоматической подстройкой параметров (например, амплитуды, фазы и частоты). В HP Momentum используется интерполяционный алгоритм, автоматически выбирающий частотные модели анализируемых устройств. Пакет осуществляет моделирование (а также разработку и дизайн) схемы в условиях открытых границ. Используя условие открытых границ, можно проводить моделирование плоских антенн в режиме излучения. Версия 2.0 системы позволяет визуализировать структуру электромагнитного поля излучающей плоской антенны в дальней зоне. Удобным для проектировщика является то, что порты (устройства ввода-вывода информации и управляющих сигналов) можно располагать на любых участках модели, включая внутренние, а не только по периметру объекта. В пакете имеется генератор моделей SPICE, который позволяет строить эквивалентные схемы сложных СВЧ устройств.

Важным преимуществом программы HP Momentum перед другими планарными электромагнитными симуляторами является ее полная интеграция в НР Series IV и среду проектирования MDS. Это позволяет пользователям схемных симуляторов фирмы НР Momentum быстро получить доступ к другим программам электромагнитного анализа.

Интерфейс пользователя НР Momentum сочетает в себе гибкость и доступность. Главное меню структурирует основные шаги, необходимые для логического и интуитивного подхода. Например, при анализе элементов СВЧ схем используется единичная команда для просмотра их S- параметров. Для опытных пользователей внедрены горячие клавиши, сочетания клавиш и спускающиеся меню, обеспечивающие высокую продуктивность работы.

Программное обеспечение HP Momentum Visualization –

дополнительный продукт, позволяющий пользователям программы HP Momentum просматривать характер токов в схемах. Получаемые изображения легко анализируются (используется эффект анимации) при изображении тока, проходящего через цепь (схему). Поверхностные токи и заряды также можно

подвергнуть анимации. Визуализация обеспечивает физическое представление

опроцессах в СВЧ схемах, источниках отражений и перекрестных искажений.

ПППНР Momentum поддерживает множество форматов передачи файлов, которые используются в масочной генерации и компоновке плат. Программа может также считывать и записывать S-, Y- и Z- параметральные файлы данных в CITфайловые и Touchstone/Libra форматы. Для чтения и записи файлов в GDS II, IGES и других форматах доступны дополнительные трансляторы СВЧ схем, которые позволяют получить быстрый доступ к симулятору НР Momentum другим совместимым компоновочным средствам.

В табл. 1.1 приведена сравнительная характеристика электромагнитных симуляторов НР Momentum и НР 85180А.

Наличие фундаментальных отличий в принципах построения делает данные ППП взаимодополняющими. Пакет НР 85180А необходимо использовать там, где требуются возможности полной трехмерной симуляции. Типичные примеры включают: волноводные схемы, резонаторы, коаксиальноволноводные адаптеры, соединители и другие непланарные структуры.

Для функционирования системы НР Momentum необходима одна из следующих компьютерных платформ: НР Аpollo 9000 серий 300, 400 или 700; рабочая станция типа Sun SPARC; IBM RS/6000; рабочая станция типа

DEC.

Минимально рекомендуемая конфигурация системы – 32 Мб ОЗУ и 400 Мб свободного дискового пространства. Для программы визуализации требуется как минимум 64 Мб ОЗУ. При наличии всего пакета программного обеспечения могут быть проанализированы объекты сложной конфигурации в объеме доступной физической памяти.

Другим известным электромагнитным симулятором фирмы HewlettPackard является программа E-Syn/DOS. Данная программа может выполнять следующие функции:

автоматический синтез согласующих СВЧ цепей;