sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 55
Текст из файла (страница 55)
10.14,б показано распределение напряжения в щели при питании антенны в двух диаметрально противоположных точках резонатора. Напряжение в щели в точке а отличается по фазе на и от напряжения в точке Ь, поэтому при любой длине резонатора 1 Т-волна оказывается подавленной и напряжение в щели распределяется по азимуту по закону синуса. Особый интерес представляет кольцевая щелееая антенна с бегущей по азимуту волной напряжения в щели. В этом случае питание к резонатору (рис.
10.14) подводится в четырех равноотстоящих точках щели с относительным фазовым сдвигом последовательно на — и/2. Если длину резонатора выбрать равной Х,/4 для волин Ны, то напряжение в щели (без учета высших типов волн) изменяется по закону бегущей волны 1)(~р) =()а ехр( — рр). Кольцевая щелевая антенна с бегущей волной напряжения излучает вдоль оси г электромагнитное поле круговой поляризации, подобное полю турникетной антенны (см. рис. !0.8). Как показывают расчеты и эксперименты, ДН такой антенны слабо зависит от размеров и формы металлического корпуса.
Полосковые и микрополосковые антенны выполняют по интеггральной технологии, как и другие устройства СВЧ (делители мощности, фазовращателн, согласующие элементы), К достоинствам этого вида антенн относятся простота, сравнительно небольшие Рис. 10 15.
Прямоугольные микрополосковые антенны с питанием коаксиаль- ной (а) н полосковой линией (б) объем и масса н низкопрофильность, т. е. малое аэродинамическое сопротивление при размещении на поверхности летающих объектов. Составными частями простейшего полоскового излучателя (рис 1О.!5) являются металлическая пластина г', экран 8 и диэлектрическое основание 2 (подложка). Форма металлических пластин-из- лучателей весьма разнообразна.
Наиболее распространены пластины прямоугольной, круглой и эллиптической формы. Возбуждение пластин может осуществляться либо коаксиальной линией через отверстие в экране и подложке (рис. 10.15, а),либо полосковой линией в плоскости пластины (рис. 10.15, б). В первом случае экран коаксиального кабеля присоединяется к экрану, а центральный проводник пропускается через подложку и соединяется с металлической пластиной в специально подбираемой точке. Во втором случае возбуждение к точке питания подводится несимметричной полосковой линией, для чего в пластине делается соответствующий вырез (вырез не обязателен, если точка питания смещена к краю пластины). В качестве диэлектрического основания обычно используются диэлектрики с параметрами: е,=2,5 —:100 и 1ибж10-' —; —: — 1О-'.
Толщина основания й может составлять (0,1 —:001)Х. Микрополосковые излучатели относятся к резонансным антеннам. Упрощенно можно считать, что объемный резонатор микрополоскового излучателя ограничен вертикальными стенками из идеального магнитопроводяшего материала, расположенными по периметру пластины. В прямоугольных микрополосковых антеннах обычно используется низший тип резонанса, при котором (.жХ,/2, где Х,ж)о )/ е, — длина волны в полосковой линии передачи с шириной проводника ш<Х/2. Составляющая электрического поля Е, в поперечном сечении полосковой линии (вдоль координаты у) между пластиной и экраном распределена почти равномерно, а в продольном (вдоль координаты х) — по синусоидальному закону с пучностями на краях пластины. Заметные отклонения от такого идеализированного распределения наблюдаются только вблизи углов пластины и в окрестностях точки питания.
Модель излучающей системы микрополосковой антенны можно строить различными способами. Например, можно учесть поверхностные электрические токи, текущие по пластине и по экрану, а также вертикальные токи электрической поляризации в диэлектрике подложки. Однако нахождение распределения излучающих электрических токов представляет сложную электродинамическую задачу и область растекания этих токов заметно превышает размеры пластины. Поэтому такая модель излучающей системы используется сравнительно редко, в основном при стремлении учесть конечные размеры экрана по методу физической оптики.
Чаще применяют более простую модель излучающей системы, согласно которой микрополосковая антенна трактуется как эквивалентная и1елевпя антенна в плоском бесконечном экране без диэлектрика. Специальные исследования подтвердили, что точность этой модели вполне достаточна для понимания принципа действия антенны и ориентировочных расчетов поля излучения.
Форма эквивалентной щели полагается совпадающей с формой краев металлической пластины. На рис. 10.16 показано распределение магнитных токов /„" и У„" в эквивалентной щели, построенное исходя из картины распре- деления поля Й, в резонаторе прямоугольной микрополосковой антенны. Главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи 7ми, и 7миа, создающие линейно поляризованное излучение с вектором Е, йараллельиым оси х. Токи 7м т и 7маа содержат на каждой боковой стороне пластины по два противофазных участка, из- ППЛ ШШЩ[((((Н лучение которых в значительной степени взаимно компенсируется (точная компеп ~ум кз ласковой антенны.
!1!ВВь л аИ!11! а!п и га(6, гр)=созе з)ц гр — —— и Рнс. 10.16. Распределение магннтиыл токов в пгслевом излучателе, эквивалентном мнкрополосковпя антенне Ут (6, ~Р) =-соз э соз ~Р соз 6 — — Х впи и (асс Мп В)а Х пз — (6еЕ сов В)з где и=0,5регпз(пОсоззр; о=0,5реЕ,созО; ра=2п/)гп.
В выражении для ), первый член в скобках соответствует излучению двух торцевых щелей с равномерным распределением магнитного така, второй член — излучению боковых щелей. Напомним, что размер Е должен определяться из условия резонанса, т. е. из соотношения (.ж ж0,5ле/3' е,. Характерный вид ДН прямоугольной микрополосковой антенны изображен на рис. !0.17. Из-за совместного участия в излучении двух торцевых щелей КНД прямоугольной микрополосковой антенны получается несколько выше, чем КНД односторонней полуволновой щелевой антенны, и составляет 3,5 — 7,0 (меньшим значениям КНД соответствуют более высокие значения диэлектрической проницаемости подложки, уменьшающие размеры пластины и снижающие направленность).
При оценке КПД полосковых антенн следует учитывать трн вида потерь мощности: 1) омические потери в пластине и экране; 2) потери в неидеальномдиэлектрикеподложки; 3) ответвлениечасти подводимой к антенне мощности в возникающую поверхностную волну (диэлектрическая подложка на экране представляет собой замедляющую структуру, способную поддерживать такую волну).
Совместное действие трех факторов снижает КПД до 50 — 80%, причем меньшие значения соответствуют более тонким подложкам. Существенным недостатком одиночного микрополоскового излучателя является узкополосность, связанная с резонансным механизмом действия антенны. Установлено, что добротность квадратной микрополосковой антенны без учета омических потерь — так называемую добротность излучения — можно приближенно оценить с помощью соотношения 1,)к= е>г)(йо/(!бп) ), где ь) — КНД; й — толщина подложки. Характерные значения добротности излучения для одиночных излучателей составляют 30 — 80.
Входное сопротивление микрополоскового излучателя легко регулируется подбором положения точки питания. Входное сопротивление антенны прямоугольной формы максимально при питании на краю (несколько сотен ом) и изменяется пропорционально множителю з)пт (па/Ц при Рпг, 10.17. >«Н микрополосконой антенны с прямоугольной пластиной в плоскости Е (и) и в плоскости Н 16): експеиииеит> — — — расчет расположении точки питания на расстоянии а от центра антенны. Выбор правильного положения точки питания при сохранении настройки на резонанс избавляет от необходимости применять отдельные согласующие устройства.
Микрополосковые антенны могут быть легко приспособлены для излучения волн с круговой поляризацией. В квадратных излучателях для этого необходимо возбудить в резонаторе колебания двух ортогональных линейных поляризаций с равной амплитудой и взаимным фазовым сдвигом -+-и/2, В конструкции рнс, 10.18,а для этого используется 3-дБ квадратурный направленный ответвитель, отдельные и развязанные входы которого соответствуют излучению волн с правым или левым вращением вектора поляризации.
В конструкции рис, 10.18, б точка питания располагается в угле пластины, а размеры сторон пластины несколько отличаются. Вследствие этого резонансные частоты антенны для двух ортогональных линейных поляризаций оказываются выше и ниже рабочей частоты, при'- чем разницу между частотами выбирают исходя из необходимости получения фазового сдвига 90' между колебаниями двух линейных поляризаций.
В конструкции рис. 10.18, в питающая линия возбуждает в микрополосковом резонаторе колебания, соответствующие излучению линейной поляризации. Колебания с ортогональной линейной поляризацией возбуждаются с помощью щели, прорезанной наклонно в металлической пластине антенны. !Цель связи вызывает «расщепление» резонансных частот для двух линейных поляризаций, и при правильном подборе этого «расщепления» удается вы- полнить условия излучения круговой поляризации на средней частоте. В настоящее время происходит интенсивное становление теории и совершенствование технологии микрополосковых антенн, отличающихся большим разнообразием конструкций и пригодных для дхгд! дхгдд дход дход а! а! д! Рнс.
18.18. Способы полученнп круговой полпрнааннн а мнкрополоскоаык антеннах применений в качестве как самостоятельных антенн, так и элементов антенных решеток. Освоенный диапазон частот микрополосковых антенн простирается от 300 МГц до 20 ГГц. Основными направлениями исследований являются создание надежных методов автоматизированного проектирования микрополосковых антенн, объединенных с питающими трактами, совершенствование конструкций излучателей и антенных решеток, расширение рабочей полосы частот, повышение КПД н продвижение в диапазон миллиметровых волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
