Диссертация (1137142), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Данная диаграмманаправленности является линейной комбинацией составляющих E иE:LHCP ( , ) РезультирующаяE  jE(5.1)2характеристикапредставляетсобойнормированное поле излучения в дальней зоне в указанномнаправлении и поляризации.result 1Reгде Pср 8LHCP ( ,  )2  / 2240Pср  const,180o  180o  ( E H  E H ) sin dd0(5.2)- суммарная мощность0излучения (всех поляризаций) в верхнем полушарии, разделенная на4.138В случае правосторонней круговой поляризации получим:RHCP( ,  ) result E  jE(5.3)2RHCP( ,  )oo240Pср   const,180  180(5.4)Необходимо отметить, что полученные формулы (5.1) – (5.4) неучитывают влияния рассогласования и резистивные потери вструктуре. Поэтому |result|2является частичной направленностью взаданном направлении.

Реальные значения в дБ определяются как20lg|result|.Результатымоделированиядиаграммнаправленностимикрополосковой спиральной антенны в плоскости XY , полученные спомощью программы AWR Design Environment (Microwave Office)(рисунки 5.16-5.17), наглядно демонстрируют градации изменениялевостороннейкруговойполяризацииприпрактическинеменяющейся правосторонней поляризации, задаваемой рисункомтопологии спиралей. Так на рисунке 5.16 слева даны диаграммынаправленности прототипа – двухзаходной спиральной антенны слогарифмической намоткой на однослойной плате с относительнойдиэлектрической проницаемостью =9,8. Такая антенна обладаетправосторонней круговой поляризацией при слабо выраженнойлевосторонней поляризации.Увеличение числа слоев подложки с линейно возрастающим отплоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновымсопротивлением в случае трехслойной платы с 1=9,8; 2=5,6; 3=2,4(рисунок 5.16 справа) приводит к «выравниванию» левостороннейкруговой поляризации, которая при дальнейшем увеличении числаслоев обеспечивает суммарную линейную поляризацию.139Рисунок 5.16 - Диаграммы направленности микрополосковой спиральнойантенны на однослойной подложке (слева) и трехслойной подложке(справа)Нарисунке 5.17показаныдиаграммынаправленностиспиральной антенны с линейной поляризацией на десятислойнойподложке (1=16,0; 2=9,8; 3=7,2; 4=5,6; 5=4,2; 6=3,8; 7=3,2; 8=2,8;9=2,4; 10=2,33) в плоскостях XY и XZ.Рисунок 5.17 - Диаграммы направленности микрополосковой спиральнойантенны на десятислойной подложке в плоскостях XY(слева) и XZ(справа)Достоинством предложенной антенны является постоянноеотношение периметра первого «резонансного» кольца к длине волны,140что позволяет сохранить направленные свойства резонансной системыв широком диапазоне длин волн.Экспериментальное исследование диаграмм направленности иКСВН макета микрополосковой спиральной антенны проводилось припомощи измерительной установки на основе рассмотренного вышескалярного анализатора цепей Р2М-18А.

Макет антенны выполнен натрехслойной плате из ФЛАНа с 1=9,8; 2=5,6; 3=2,4 и габаритнымиразмерами 40х40 мм.Для оценки диаграммы направленности антенна помещалась навращающуюся платформу для изменения угла поворота плоскостипринимающей антенны относительно плоскости излучающей.Результаты экспериментальных исследований представлены нарисунках 5.18 - 5.20.На рисунке 5.18 показаны участки диаграмм направленностиотдельно для случаев левосторонней и правосторонней поляризаций.Рисунок 5.18 -. Экспериментальные диаграммы направленности макетаспиральной антенны на трехслойной подложкеНа рисунках 5.19, 5.20 даны схема и результаты измеренияКСВН в зависимости от относительной частоты. Из рисунка 5.20141видно, что согласование макета антенны достигается на частотепримерно 0,96 от резонансной, составляющей 915 МГц.

При этомКСВН не хуже 1,5. Данная погрешность объясняется недостаточнойточностью изготовления топологии макета.Рисунок 5.19 - Схема измерительной установки на базе Р2М-18АРисунок 5.20 -Результат измерения КСВН макета антенны142Экспериментальныехарактеристики,представленныенарисунках 5.18, 5.20 показывают участки диаграмм направленности,обеспечивающиесуммарнуюлинейнуюполяризацию,чтоподтверждает результаты компьютерного моделирования.

Данныерасчетаиэкспериментанаходятсявпределахдопустимойпогрешности, не превышающей 2%.5.4 Исследование развязывающего фильтра намногослойном метаматериалеВ последние годы рядом отечественных и зарубежных фирмпроявлен интерес к исследованиям и разработкам СВЧ устройств наметаматериалах – искусственных периодических структурах смодифицированными значениями диэлектрической и магнитнойпроницаемости, позволяющих обеспечивать управление законамираспространения и дисперсии электромагнитных волн [106].Изменение основных параметров метаматериалов – формы,размеров, постоянного и переменного периода электродинамическойструктуры–даетвозможностьсоздаватькомпозитныевысокоимпедансные поверхности, находящие применение в качестверезонаторов, фильтров, фазовращателей, направленных ответвителей,антенных и других СВЧ устройств.

К наиболее интересным и важнымсвойствам метаматериалов следует отнести возможность полученияна их основе отрицательного коэффициента преломления, которыйдостигается при одновременных отрицательных диэлектрической имагнитной проницаемостях структуры [107-109].Применение композитной высокоимпедансной поверхности ввиде конструкции, образованной металлическими элементами вформе «грибочков», размер каждого из которых много меньше143рабочей длины волны и импеданс, значительно превосходящийволновоесопротивление120π = 376,7 (Ом),свободногопозволяетпространства,использоватьеедляравноесозданиямалогабаритного развязывающего фильтра СВЧ диапазона.Такой развязывающий фильтр содержит экранированную содной стороны однослойную или многослойную диэлектрическуюплату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, вкаждом из которых закреплены идентичные металлические элементыввидераспределенныхколебательныхконтуров,связанныхемкостными зазорами и имеющих геометрические размеры, многоменьшие рабочей длины волны.

Каждый колебательный контурпредставляет собой импедансный проводник, выполненный в видеквадрата, разорванного по углам, противоположные стороны которогосоединены в центре крестообразным импедансным проводником,закрепленнымв отверстиидиэлектрическойплатына полойметаллической ножке, соединенной с экраном.Конструкцияитопологияразвязывающегофильтранаметаматериале, выполненная на диэлектрической подложке изстеклотекстолитаFR4сотносительнойдиэлектрическойпроницаемостью 4,6 и габаритными размерами 100х100 мм, показанынарисунке 5.21,гдецифрой1обозначенаэкранированнаядиэлектрическая плата, цифрой 2 – колебательные контуры сраспределенными параметрами, цифрой 3 – емкостной зазор в видедвухмикрополосковыхлиний,возбуждающийструктуруметаматериала, цифрой 4 – профиль металлических элементовконструкции фильтра (диэлектрическая плата не показана), цифрой 5– образование эквивалентных индуктивности и емкости между двумяраспределенными колебательными контурами.144Рисунок 5.21 –Конструкция и топология развязывающего фильтрана метаматериалеКомпозитная поверхность метаматериала фильтра возбуждаетсяс помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельнымимикрополосковымилиниями3,расположеннымипокраямдиэлектрической платы 1 (рисунок 5.21).

Конструктивные размерыкаждого из колебательных контуров 2, образующих метаматериал,много меньше рабочей длины волны возбуждения. Распределенныеколебательные контуры метаматериала могут быть представленыэквивалентной схемой 5, содержащей индуктивности, образованныеполыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными сэкраном, и емкости, сформированные между соседними контурами.Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачис отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой145скоростью и положительной групповой скоростью.

Каждый изидентичных колебательных контуров, образующих метаматериал,обладает собственной добротностью Q>100 и при изменениигеометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до100 ГГц.Проведемсравнениевысокоимпеданснойзатухания,поверхностьюобеспечиваемого(метаматериала)фильтра,иимпедансной металлической поверхностью, имеющей аналогичныегабаритныеразмеры.Прирасположениипараллельнорассматриваемым поверхностям СВЧ – излучателя, например,горизонтального вибратора, в нем возникает зеркально отраженныйток, эквивалентный наличию второго излучателя. Причем этот токбудет противофазен току при наличии импедансной металлическойповерхности и синфазен в случае поверхности, образованнойметаматериалом.

Таким образом, при синфазных токах наличиеотражения усиливает излучение вибратора, а при противофазныхтоках излучение вибратора будет компенсироваться. Следует такжеподчеркнуть еще одно преимущество метаматериала – поверхностныйтокнезатекаетдиэлектрическойизлучение,наплаты,всегдаобратнуючтосторонуполностьювозникающеевэкранированнойуничтожаетизлучающейобратноеструктуресимпедансной металлической поверхностью.Проведенныйсравнительныйанализподтверждаетсярезультатами численного эксперимента, полученными с помощьюпрограммныхсредствAWRDesignEnvironment(MicrowaveOfficev.9.0). На рисунке 5.22 показаны зависимости комплексногокоэффициентаразвязывающегопередачифильтраотS21счастоты,импеданснойполученныедляметаллическойповерхностью (кривая 1) и фильтра с метаматериалом, выполненного146по рисунку 5.21 (кривая 2).

Сравнение данных характеристикпоказывает более чем двукратный рост затухания колебаний уметаматериала 121,2 – 115,1 дБ против 55,4 – 34,8 дБ, обеспечиваемыхимпедансной металлической поверхностью в диапазоне 4020 4150 МГц.Рисунок 5.22 –Зависимости параметра S21 в дБ от частоты в МГцдля развязывающего фильтра на метаматериалеРезонансная природа метаматериала не позволяет обеспечиватьразвязку в широкой полосе частот. Так рассмотренная вышеконструкция фильтра обеспечивает полосу пропускания 130 МГц.Расширение полосы достигается применением многослойных плат срасположениемвпромежуточныхслояхмеждукаждымколебательным контуром и экраном импедансных проводников в видеразрезанных по диагоналям квадратных площадок (рисунок 5.23) иликольцевых разомкнутых резонаторов (КРР), представляющих собойвложенные друг в друга и разомкнутые с противоположных сторонизолированные кольца (рисунок 5.24).147Рисунок 5.23 –Топология развязывающего фильтра наметаматериале с расширенной полосой пропусканияРисунок 5.24 –Топология развязывающего фильтра наметаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами148Такиепромежуточныевысокоимпедансныеслоиповерхности,такжепредставляюткоторыевсобойсочетаниискомпозитной поверхностью из колебательных контуров позволяютсоздавать развязывающие фильтры на объемных метаматериалах,обеспечивающие расширение полосы пропускания и возможность ееперестройки.Использованиеприводитктакихнебольшомумногослойныхконструкцийснижениюдобротностиэлектродинамической структуры фильтра, увеличивая эквивалентныепараметры индуктивности и емкости каждого колебательного контураметаматериала, что и позволяет расширить полосу пропускания.На рисунке 5.25 показаны результаты численного эксперимента,полученногодляразвязывающегофильтрастопологией,изображенной на рисунке 5.24 (кривая 3), в сравнении с топологиейфильтра по рисунку 5.21 (кривая 4).Рисунок 5.25 –Зависимости параметра S21 в дБ от частоты в МГцдля развязывающего фильтра на метаматериале с расширенной полосойпропускания149Сравнение результатов демонстрирует полосу пропускания 3960– 4230 МГц для фильтра на метаматериале с КРР, при затухании 84,3– 94,7 МГц.

Характеристики

Список файлов диссертации