Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Печатные многоэлементные дипольные антенны с разностными диаграммами направленности. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
А. П. ГОРБАЧЕВ, А. А. КОЛЕСНИКОВ
ПЕЧАТНЫЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ
ДИПОЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
С РАЗНОСТНЫМИ ДИАГРАММАМИ
НАПРАВЛЕННОСТИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2025
УДК 621.396.674-025.13(075.8)
Г672
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. П. Разинкин
д-р техн. наук, профессор В. А. Хрусталёв
Работа подготовлена на кафедре «Радиоприемные и радиопередающие
устройства» для студентов факультета радиотехники и электроники
по направлениям 11.03.01 – Радиотехника
и 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Горбачев А. П.
Г672 Печатные многоэлементные дипольные антенны с разностными
диаграммами направленности : учебное пособие / А. П. Горбачев,
А. А. Колесников. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2025. – 43 с.
ISBN 978-5-7782-5453-4
Рассматриваются ключевые этапы автоматизированного проектирования печатных антенн дипольного вида с суммарно-разностными диаграммами направленности. Электродинамический анализ сконцентрирован на
основополагающих вопросах эскизного проектирования высокой степени
готовности, не нашедших должного освещения в учебной литературе последних лет. Кроме того, в пособии используются недавно полученные
результаты исследований печатных многолучевых и суммарно-разност
ных антенн, выполненных при финансовой поддержке продолжающегося
гранта Российского научного фонда (РНФ) № 24-29-20048, а также правительства Новосибирской области, Соглашение № р-77. В излагаемых материалах широко используется принцип перестановочной двойственности, теоремы перемножения и обратимости в электродинамике, а также
метод наводимых электродвижущих и магнитодвижущих сил (ЭДС и МДС).
Представлены
дур формирования алгоритмов нелинейной параметрической оптимизации ключевых размеров печатных топологий проектируемых антенн
(другими словами, их настройки) при условии использования серийно
выпускаемых листовых фольгированных диэлектриков. Используемые
при оптимизации целевые функции содержат ограничения, конструктивные и технологические требования серийного производства, действующие на предприятиях, прописанные в стандартах
В пособии описываются особенности общения проектировщика с интерфейсом системы CST Studio Suite, бессрочная лицензия на использование
которой приобретена НГТУ в 2019 году. Это позволит сократить время
при проектировании антенн для радиотехнических и инфокоммуникационных систем различного назначения, включая спутниковые навигационные проекты.
ISBN 978-5-7782-5453-4 © Горбачев А. П., Колесников А. А., 2025
© Новосибирский государственный
технический университет, 2025
базовые интегродифференциальные соотношения проце-
ЕСКД и ЕСТПП.
УДК 621.396.674-025.13(075.8)
-
ВВЕДЕНИЕ
Дипольные антенные системы (ДАС) находят широкое применение
в радиотехнических и телекоммуникационных комплексах с линейной
поляризацией излучаемых радиоволн. Такие комплексы востребованы
при реализации современных радиолокационных и радионавигационных проектов с повышенными требованиями к показателям миниатюризации радиоизлучающих устройств и с обеспечением соответствующего уровня их производственной и эксплуатационной технологичности за счет
производства. В значительной мере эти требования реализуются при
печатном исполнении элементов и узлов, входящих в ДАС.
За истекшее с эпохи изучения элементарных дипольных излучателей время (конец ХIX века, опыты Генриха Герца) методики проектирования ДАС достигли высокой степени совершенства: имеются обширные
граммы, вычислительные алгоритмы и системы автоматизированного
компьютерного проектирования, в том числе ресурсы Интернета, систематизирующие результаты исследований и описывающие серийно
выпускаемые отечественной радиоэлектронной промышленностью
антенные системы.
Настоящее учебное пособие посвящено основам компьютерного
проектирования элементов и узлов перспективных ДАС с суммарноразностными диаграммами направленности, защищенных патентами
Российской Федерации за последние 5 лет, в которых патентообладателем является Новосибирский государственный технический университет (НГТУ). Эти ДАС характеризуются печатным исполнением
на отечественных фольгированных листовых диэлектрических материалах, обеспечивающим дополнительные степени свободы при кон-
повышения процента выхода годных изделий в процессе
аналитические и справочные материалы, различные номо-
3
струировании и компоновке на различных носителях, включая сушу,
воздушное пространство и водную поверхность. При этом для питания
ДАС применяются стандартные коаксиальные кабели с характеристическим сопротивлением 50 или 75 Ом. Кроме того, в пособии используются инновационные результаты поисковых исследований, выполненных в НГТУ при финансовой поддержке продолжающегося в 2025
году гранта Российского научного
фонда (РНФ) № 24-29-20048, а также правительства Новосибирской области (Соглашение № р-77). Результатом проектирования ДАС в полноволновой системе трехмерного
электродинамического моделирования CST Studio Suite будут выходные файлы, включающие в себя:
оптимизированный трехмерный облик ДАС;
частотные характеристики рабочих (эксплуатационных) характе-
ристик по соответствующим входам ДАС;
трехмерные суммарно-разностные диаграммы
направленности
ДАС с сечениями в плоскостях электрического и магнитного вектора.
Данные этих файлов должны быть использованы в должным образом оформленных отчетах и пояснительных записках, которые будут
играть ключевую роль в балльно-рейтинговой системе аттестации
по дисциплине. При этом оформление текстовых и графических документов должно быть выполнено в полном соответствии
со стандартами
ЕСКД, ЕСТПП и правилами оформления документов на факультете
радиотехники и электроники (РЭФ) независимо от того, выполняются
ли они на бумажном носителе или в электронной форме. Материалы,
оформленные с нарушениями этих требований, предписываемых учебными планами НГТУ, не оцениваются и не возвращаются студентам.
Они остаются у преподавателя для того,
чтобы потом сравнить
и увидеть, какие доработки выполнены студентами и достаточны ли
они для положительной оценки работы.
4
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ УЕДИНЕННОГО
ИЗЛУЧАТЕЛЯ ДИПОЛЬНОГО ВИДА
1.1. ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДИПОЛЬНОГО ВИДА
С ЦЕНТРАЛЬНО-КОНЦЕВЫМ ПИТАНИЕМ
В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Модель исследуемого излучателя дипольного вида с центрально-
концевым питанием (ИДВЦКП) представлена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Модель одиночного ИДВЦКП
Примем, что излучатель расположен в однородном пространстве
с относительной диэлектрической
и магнитной r проницаемо-
r
стью и соответствующим характеристическим импедансом
W В соответствии с общепринятой методикой анализа
/.
00
rr
любых излучателей [1.1] сначала решается внутренняя задача, позво-
5
ляющая найти распределение токов по излучающим элементам, а за-
J
тем в процессе решения внешней задачи определяются выражения,
описывающие такие характеристики излучателя, как диаграмма
направленности, сопротивление излучения и комплексное входное сопротивление.
1.2. РЕШЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЗАДАЧИ
Расположим центр декартовой системы координат на оси ИДВЦКП
(в центре зазора между смежными концами его плеч). Примем, что выполняется условие «тонкоцилиндровости» и малости зазора
b,
, , , ala blb , где – длина волны на рабочей частоте,
поэтому поверхностные электрические токи на плечах ИДВЦКП имеют только продольную составляющую с комплексной амплитудой
э
плотности тока ()
Кроме того, касательная составляющая
ностным током, на боковой поверхности проводников
ется в нуль (
z . Не учитывается также влияние торцевых токов.
z
()Ez , создаваемая поверх-
кас
()a обраща-
– радиальная координата цилиндрического основания
ИДВЦКП).
ээ
() 2 ()
Поверхностный электрический ток
только в интервале
.lzl Как и в анализе электрического диполя
с центральным типом возбуждения, примем, что в интервале
функция тока непрерывна по координате
Iz aJz существует
zz
lzl
z и обращается в нуль на
концах плеч ИДВЦКП, удаленных от клемм генератора. Пренебрегая
величиной b, можно записать:
э
(00)0,
Iz
z
э
()0
Izl
z
(1.1)
и
(, ρ )0.Ez a
кас
6
(1.2)
э
E
E
(),
Необходимо определить ток проводимости
Iz
который создает
z
на боковых поверхностях плеч ИДВЦКП векторный потенциал
э
(, , )Axyz с проекцией э(),
Az имеющий также только продольную
z
составляющую. Эта составляющая порождает продольную составляющую вектора напряженности электрического поля
(),Ez которая
кас
является одновременно составляющей, касательной к боковой поверхности цилиндрических плеч ИДВЦКП, и определяется как
где
zE z z j A z j zA z
0 кас 00 0
, – электрическая и магнитная постоянные вакуума соответ-
00
() ωμ μ ( ) grad div ( )
ээ
rz z
1
ωε ε
0
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
r
ственно:
⎡⎤
Ф
12
ε 8,85 10
0
– круговая частота;
Выражение (1.3) получено из общего выражения вектора электрического поля (, , )
xyz
z
– единичный орт оси z.
0
в произвольной точке пространства (, , ),Px y z
;
⎢⎥
м
⎣⎦
μ 410
0
определяемого векторным потенциалом
тока и векторным потенциалом
м
(, , )Axyz магнитного тока в плечах
7
э
(, , )Axyz
⎡⎤
Гн
, (1.4)
⎢⎥
м
⎣⎦
электрического
излучателя дипольного вида [1.1, с. 15]:
(, , ) ωμ μ (, , )
xyz j A xyz
1
j
grad div ( , , ) rot ( , , ),
ωε ε
r
0
эм
⎡⎤
Axyz A xyz
⎣⎦
э
r
0
(1.5)
, (1.3)
причем при выполнении условия
в зазоре между плечами излучателя можно пренебречь. Из этого сле-
дует, что
м
(, , ) 0.Axyz
При этом
bl кольцевым магнитным током
э
(, , )Axyz
7
и плотность тока
J
R
J
x
J
x
э
(, , )
xyz
в каждой точке (, , ),Qx y z
принадлежащей плечам из-
лучателя, связаны следующим выражением [1.1, с. 17]:
jkR
ээ
( , , ) ( , , ) ,
A x y z J x y z dx dy dz
1
∫∫∫
4
V
'
s
e
R
s
(1.6)
в котором 2/λk – волновое число окружающего пространства;
222
()()()
xx yy zz
– длина разностного вектора точки
s
наблюдения (, , )Px y z и точки интегрирования (, , );Qx y z
ем пространства, в котором существуют токи проводимости с плот-
ностью
внутри объема
динатам
э
(, , );
xyz
V
, , .
yz
интегрирование в (1.6) осуществляется только
проводников ИДВЦКП по «штрихованным» коор-
V
– объ-
Так как ток проводимости характеризуется только продольной составляющей
и расстояние
эээээ
(, , ) ()
xyz xJ yJ zJ zJ z
2b не учитывается в рамках допущения о максимальной
0000
xyzz
(1.7)
близости смежных концов плеч ИДВЦКП (рис. 1.1), из (1.6) получим
эээээ
(, , )
Axyz xA yA zA zA
ll
11
zJza dzzIz dz
00
44
ээ
()2 () .
zz
∫∫
ll
Учитывая тот факт, что векторный потенциал
0000
jkR jkR
ss
ee
RR
ss
yz z
э
имеет проекцию
A
(1.8)
только на ось z, на основе (1.2) и (1.3) можно сформировать интегро-
8
дифференциальное уравнение с входящим в него искомым распреде-
f
лением электрического тока излучателя:
jkR
ωμ μ
jIzdz
1
jIzdz
4 ωε ε
0
l
0
r
∫
4
l
2
⎡⎤
⎢⎥
2
zR
⎢⎥
rs
⎣⎦
s
e
э
()
z
l
∫
R
s
jkR
s
e
э
() 0.
z
l
(1.9)
Выполнив эквивалентные математические преобразования и перейдя
от «штрихованных» координат к «нештрихованным» в соответствии
с рекомендациями [1.2, с. 57], получим
2 э
()
Iz
z
2
z
где B – произвольное вещественное число;
2 ээ
() χ (),
kI z Bf I z z
zz
⎡⎤
⎣⎦
э
⎡⎤
Izz
z
⎣⎦
, (1.10)
(),
– функционал
тока; χ – параметр, учитывающий свойства «тонкоцилиндровости»
излучающих проводников:
χ
1
. (1.11)
2ln( )ka
При стремлении радиуса излучателя к нулю (1.10) преобразуется
к следующему виду:
2 э
()
Iz
z
2
z
2 э
() 0.
kI z
z
9
(1.12)
Данное уравнение является линейным дифференциальным уравнением
p
2-го порядка. Решением такого уравнения будет выражение вида
11 2 2
,yCy Cy
(1.13)
Далее запишем характеристический полином
2022
() () .
xpx k (1.14)
12
Корни этого полинома будут чисто мнимыми, дающими общее решение дифференциального уравнения для тока проводимости э()
Iz,
z
текущего по плечам диполя. Убрав символ «э» с целью сокращения
записи здесь и далее, получим
где
, СС – константы, которые необходимо определить исходя из
12
граничных условий, накладываемых на распределение тока
() cos( ) sin( ),
Iz С y С y С kz С kz (1.15)
z
11 2 2 1 2
().
Iz
z
1. На свободных от генератора концах плеч излучателя ток прово-
димости равен нулю. Запишем это как
Iz предел слева
(00)0( ),
z
Izl
()0.
z
(1.16)
2. На концах левого и правого плеча диполя, подключенных
к клеммам генератора, амплитуда тока проводимости равна
(00) ( ),
Iz Iпредел справа
zl
().
Iz l I
zl
10
(1.17)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]