Автореферат (Малогабаритные многослойные печатные антенны)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Печатные антенны (ПА) активно исследуются, ссередины ХХ века. Одновременно с появлением ПА возникла задача ихминиатюризации, которая приобрела дополнительную актуальность в связи синтенсивнымразвитиеммобильнойаппаратуры.Такиеустройствапредъявляют жесткие требования к габаритным показателям качества (ПК),используемых в них антенн.Уменьшение размеров антенны является противоречивым процессом,который неизбежно приводит к ухудшению других ПК: росту добротности иснижению коэффициента полезного действия (КПД).

Известно соотношениемежду добротностью и размерами излучателя, получившее название критерияЧу. Это соотношение устанавливает потенциально достижимый пределминиатюризации антенны.Особенностью проектирования ПА является очень большое количествоизвестных конструкций ПА. При этом разные классы ПА находятся на разныхстадиях их исследования и практического использования. Среди миниатюрныхПА можно выделить три класса технических решений: ПА классических форм,малогабаритные однослойные ПА и малогабаритные многослойные ПА.Наименее изученным классом ПА являются малогабаритные многослойныеантенны, поскольку они были предложены сравнительно недавно и ещенедостаточно исследованы.Из множества ПА принято выделять ПА круговой поляризации, имеющиесущественную специфику и большую практическую значимость.

Важнойзадачей проектирования ПА круговой поляризации является выбор схемы еевозбуждения. Существование нескольких схем такого типа дополнительноувеличивает количество вариантов построения ПА.Наличие большого числа технических решений остро ставит передразработчиками задачи объективного сравнения и выбора вариантов внаибольшей степени отвечающих конкретным требованиям техническогозадания.

Указанные задачи невозможно решить без учета множества ПК.3Следует отметить, что до сих пор в данной области преимущественноразвивались методы решения прямых задач анализа, когда по заданнойсовокупности параметров ПА определяется вектор ПК. В тоже время, задачиоптимизации, синтеза и сопоставления технических решений относятся кобратным задачам, методы решения которых в данной области техники развитынамного слабее.Таким образом, можно сделать вывод об актуальности решения задач двухтипов.

Первая группа относится к исследованию новых конструкций ПА многослойных малогабаритных антенн. Вторая группа связана с развитиемметодовоптимизации,синтезапараметровисопоставленияразныхконструкций малогабаритных ПА с учетом совокупности ПК.Цель исследования. Описанная выше ситуация определяет актуальностьобщей цели исследования, которая формулируется следующим образом:развитие методов инженерного проектирования малогабаритных ПА на основеучета множества ПК и исследования новых конструкций многослойныхмалогабаритных ПА.Задачи исследования.

Для достижения сформулированной выше целиисследования необходимо решить следующие частные задачи:- провести исследование малогабаритных многослойных ПА;- разработать методику векторной оптимизации ПА;- разработать методику решения задачи параметрического синтеза ПА;- применить разработанные методики оптимизации и синтеза к ПАлинейной поляризации;- применить разработанные методики оптимизации и синтеза к ПАкруговой поляризации;- применить разработанные методики оптимизации и синтеза к схемамвозбуждения ПА круговой поляризации;- провести сопоставление разных типов ПА линейной и круговойполяризации, а также схем их возбуждения по совокупности ПК;4- сформулировать рекомендации по использованию разных типов ПА, втом числе новых многослойных малогабаритных ПА.Методы решения поставленных задач.

Решение обратных задачневозможно без многократного решения прямых задач анализа ПА, которыеотносятся к граничным задачам электродинамики. В работе эти задачирешаются с использованием современных средств электродинамическогомоделирования,использующихчисленныеметодырешенияуравненийМаксвелла. В работе рассматриваются вопросы адаптации универсальныхалгоритмов для анализа данного класса объектов, исследуется их сходимость ивлияние на решение различных параметров модели.В качестве методической основой для решения обратных задач в работеиспользовалась теория векторной оптимизации (ВО).

При выполненииосновной процедуры ВО – поиска множества нехудших (МНХ) решенийиспользовался безусловный критерий предпочтения (БКП).Такжев работеприменялись различныеметоды аппроксимациимногомерных функций по их значениям в узловых точках.Критическиважныерасчетныерезультатыпроверялисьэкспериментально.Научнаяновизна.Научнаяновизнадиссертационнойработыопределяется следующими полученными в ней оригинальными результатами:- новыми результатами исследования многослойных ПА круговойполяризации, в том числе анализом спектра их основных собственныхколебаний;- методикой решения задач ВО и параметрического синтеза ПА линейнойполяризации;- методикой решение задач ВО и параметрического синтеза ПА круговойполяризации, а также схем возбуждения таких антенн;- результатами сопоставления разных типов ПА друг с другом и скритерием Чу;5-результатамисопоставлениясхемвозбужденияПАкруговойполяризации.Практическая значимость.

Практическая значимость диссертационнойработы определяется следующими результатами:- созданием алгоритма и программы, реализующей ВО и параметрическийсинтез класса ПА линейной поляризации;- созданием алгоритма и программы, реализующей ВО и параметрическийсинтез класса ПА круговой поляризации в совокупности со схемой питания;-разработаннымииполучившимипрактическоеиспользованиеконструкциями малогабаритных многослойных ПА.Апробация результатов работы. Основные положения и результатыдиссертации доложены на следующих конференциях:1.III Всероссийской научно-технической конференции "Радиолокацияи радиосвязь".

2009. Москва. ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.2.Международнаянаучно-техническаяконференция«Физикаитехнические приложения волновых процессов». Россия. Самара, 2008 г.Публикации.Поматериаламдиссертационнойработыимеется8публикаций, в том числе 4 публикации в журналах из списка ВАК.Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав и спискалитературы. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит124 рисунка. Список литературы включает 41 наименование.Положения, выносимые на защиту:1. Построен спектр и разработаны модели основных собственных колебанийдвухслойных малогабаритных двухслойных печатных антенн полоскового ищелевого типов, позволяющие решать задачи инженерного проектированиямалогабаритных печатных антенн.2.

Разработана методика ВО и параметрического синтеза ПА линейной икруговой поляризаций с учетом двух ПК, а также схем возбуждения ПАкруговой поляризации с учетом трех ПК, позволяющая решать прямые и6обратные задачи инженерного проектирования малогабаритных печатныхантенн.3. Двухслойная щелевая малогабаритная ПА круговой поляризациибезусловно лучше двухслойной полосковой ПА и классической квадратной ПАв пространстве ПК добротность – площадь ПА и добротность – габаритныеразмеры ПА, а в пространстве ПК добротность – объем ПА двухслойнаящелевая малогабаритная ПА конкурирует с классической квадратной ПА;4.

Четвертьволновые однослойная и двухслойные ПА безусловно лучше подвумПКполуволновыходнослойнойидвухслойнойПАлинейнойполяризации.5.ОдноточечнаясхемавозбужденияПАкруговойполяризацииэквивалентна двухточечной схеме с реактивным делителем мощности по тремПК и превосходит ее с учетом большей простоты конструкции.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе представлены результаты обзора литературы по темедиссертации, определяется предмет исследования, обосновываются цели изадачи работы, определяется структура диссертации.В обзоре литературы рассмотрены различные конструкции ПА и методыих миниатюризации.

Выделены три типа ПА: ПА классических форм, вкоторых единственным средством уменьшения размеров является увеличениепроницаемости диэлектрической подложки, малогабаритные однослойные ПА,использующие для сокращения габаритов только изменение формы двумерногополоскового проводника и малогабаритные многослойные ПА, использующиеизменения конструкции по всем трем координатам за счет увеличения числаслоев.Во второй главе подробно рассмотрены малогабаритные многослойныеПА круговой поляризации.

Интерес к ним обусловлен тем, что антенны этоготипа предложены сравнительно недавно и исследованы недостаточно глубоко.В тоже время использованный в них оригинальный подход к миниатюризации7ПА представляет большой интерес. В диссертационной работе анализировалисьдвухслойные антенны круговой поляризации. При этом рассматривались двеосновные модификации ПА: щелевая и полосковая, которые показаны на рис. 1а,б.Рис.

1. Щелевая и полосковая ПАИсследованиемногослойныхПАвключаетследующиеэтапы:качественный анализ собственных колебаний антенн с использованием методасимметрии, разработка приближенной модели ПА в виде эквивалентной схемыи ее применение для оптимизации антенны, численное исследованиезависимостей ПК двухслойных ПА от их параметров, численное исследованиевозможностей подавления возбуждения паразитных колебаний полосковой ПАс помощью сложных схем возбуждения, оценка достоверности численноймодели ПА.Исследуемые ПА представляют собой структуры с двумя плоскостямисимметрии. Поэтому их можно анализировать, вводя в соответствии с методомсимметрии в указанные плоскости виртуальные электрические и магнитныестенки. Получаемые при этом парциальные структуры можно относительнопросто анализировать качественно.

В общем случае в обоих ПА могутсуществовать колебания HE,EH,HH и EE типов. Индекс Е соответствуетразмещению в выделенной плоскости электрической стенки, а индекс Нмагнитной. Колебания HE и EH типов являются рабочими колебаниями,излучающими волны ортогональных линейных поляризаций. Колебания HH иEE типов являются паразитными колебаниями. Учитывая, что узкие щели в8полосковых проводниках влияют только на поперечные относительно их осейтоки, делается вывод о том, что в щелевой ПА паразитные колебания имеютчастоты, сильно отличающиеся от резонансных частот рабочих колебаний. Вполосковой ПА колебание EE типа может иметь частоту близкую к частотеосновных колебаний.Длясобственныхэквивалентныхсхем,колебанийкоторыеПАпредложеныпозволяютнамоделикачественномввидеуровнеанализировать и оптимизировать ПА.