Диссертация (Малогабаритные многослойные печатные антенны)

2СОДЕРЖАНИЕстр.1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ................................ 52. МАЛОГАБАРИТНЫЕ ПА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ........................ 312.1. Конструкции ПА круговой поляризации ............................................ 312.2. Собственные колебания полосковой ПА ............................................. 332.3.

Собственные колебания щелевой ПА .................................................. 382.4. Эквивалентные схемы рабочих колебаний .......................................... 402.5. Численное моделирование свернутых ПА ........................................... 442.6 Особенности возбуждения малогабаритных многослойных ПАкруговой поляризации..................................................................................

522.7. Оценка достоверности численной модели ПА .................................... 583.ВЕКТОРНАЯОПТИМИЗАЦИЯИСИНТЕЗПАЛИНЕЙНОЙПОЛЯРИЗАЦИИ .............................................................................................. 743.1. Представление технического объекта в теории ВО ............................ 753.2. Математическая модель ПА и построение МСД ............................... 783.3. Построение МНХ ..................................................................................

843.4. Параметрический синтез ПА линейной поляризации ......................... 893.5. Сравнение разных типов ПА, структурный синтез ПА линейнойполяризации ....................................................................................................... 923.6. ВО и синтез ПА круговой поляризации ...............................................

983.7. Сравнение миниатюрных ПА круговой поляризации разных типов:ПА классической формы, многослойных ПА, однослойных ПА1054. ОПТИМИЗАЦИЯ И СИНТЕЗ СХЕМ ПИТАНИЯ ПА КРУГОВОЙПОЛЯРИЗАЦИИ ............................................................................................... 1144.1. Способы возбуждения поля круговой поляризации в ПА ..................

1144.2. Определение показателей качества ...................................................... 11834.3. Модель ПА ............................................................................................. 1224.4. Сопоставление ПА с двух- и четырехэлементными схемамипитания ......................................................................................................... 1254.5. Оптимизация одноэлементной схемы по совокупности ПК ............... 1294.6.

Оптимизация по совокупности ПК двухэлементной схемы с РДМ ... 1364.7. Оптимизация по совокупности ПК двухэлементной схемы с БДМ ... 1384.8. Сопоставление ПА с разными схемами питания ................................. 1395. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПА ИИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ............................................................ 1435.1. Свернутая ПА с воздушным заполнением ........................................... 1435.2. Двухслойная полосковая ПА в составе двухдиапазонной антенны ... 1525.3. Свернутая ПА с воздушным заполнением в металлической полости 159Список использованных источников ............................................................... 1664Список принятых сокращенийMWS- CST Microwave Studio;АФУ- антенно-фидерное устройство;БДМ- балансный делитель мощности;БКП– безусловный критерий предпочтения;ВО- векторная оптимизация;ДМ- делитель мощности;ДН– диаграмма направленности;КПД- коэффициент полезного действия;КСВ– коэффициент стоячей волны;КУ- коэффициент усиления;КЭ- коэффициент эллиптичности;МДМ- многоканальный делитель мощности;МНХ– множество нехудших решений;МСД– множество строго допустимых решений;ПА– печатная антенна;ПВ- плоский волновод;ПК- показатель качества;РДМ- реактивный делитель мощности;СВЧ- сверхвысокие частоты;51.

Обзор литературы и постановка задачиАктуальностьработы.Печатныеантенны(ПА),получившиеванглоязычной литературе название patch антенн активно исследуются,начиная с пятидесятых годов ХХ века [1]. В русскоязычной литературеиспользуется термин микрополосковая антенна [2]. Их можно обоснованноотнести к числу одних из наиболее хорошо изученных типов СВЧ антенн.Стимулом для исследования микрополосковых антенн, в частности,послужило активное развитие космической техники, где вопрос снижениягабаритов стоит особенно остро.

Искусственные спутники Земли 60-70-хгодов имели до 120 антенн со сложной и разветвленной антенно-фидернойсистемой. При этом она занимала до 20% площади объекта. Очевидно, чтовыполнить многочисленные и жесткие требования к антенно-фидернойсистеме можно при наличии печатных конформных антенн малой толщины.Микрополосковые антенны обеспечивают высокую повторяемость размеров,низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, стоимость.Благодаря печатной технологии изготовления стало проще наладитьсерийный выпуск антенн.Практически одновременно с появлением ПА возникла задача ихминиатюризации, которая в последнее время приобрела дополнительнуюактуальностьперсональных[2].Этосвязанорадиоэлектронныхсинтенсивнымсистем,развитиемфункционирующихтехникивСВЧдиапазоне: мобильных телефонов, персональных навигаторов, систембеспроводного доступа в Интернет и т.д.

Эти системы работают на частотах1-2 ГГц, на которых классические типы ПА, о которых мы будем говоритьниже, имеют недопустимо большие размеры.Следуетотметить,чтоминиатюризацияантенныявляетсяпротиворечивым процессом, который неизбежно приводит к росту еедобротности и сужению полосы рабочих частот. Кроме того, увеличение6добротности сопровождается снижением коэффициента полезного действия(КПД) антенны. Фундаментальная для теории антенн с электрически малымиразмерами связь между добротностью и размерами установлена в работахХаррингтона и Чу [3]. Полученное ими соотношение получило названиекритерия Харрингтона – Чу.

Этот критерий устанавливает потенциальнодостижимый предел миниатюризации излучателя при фиксированной полосерабочих частот.В настоящее время известен ряд способов уменьшения габаритов ПА.Они будут рассмотрены ниже. Разные методы миниатюризации ПАнеэквивалентны друг другу, так как ПА, реализованные с их помощью,имеют разные совокупности показателей качества (ПК). Поэтому созданиеновых подходов к решению задачи миниатюризации ПА, позволяющихулучшить совокупность основных ПК, является актуальной научнотехнической проблемой, решению которой посвящена данная работа.Конструкции ПА и методы их миниатюризации. Рассмотрим далеерешения, существующие в данной области антенной техники.

В качествепервого шага проанализируем наиболее распространенные варианты ПА,которые можно назвать классическими.ПА классических форм. К ним относится, в первую очередь, полуволноваяпрямоугольная ПА (см. рис. 1.1), которая имеет максимальный габаритныйразмер a , приближенно определяемый следующим соотношением [2]:a2 ,(1.1)где  - длина волны на рабочей частоте,  - относительная диэлектрическаяпроницаемость материала, из которого выполнена ПА.

Также к ПАклассической формы следует отнести круглую и кольцевую ПА.7Рис. 1.1. Полуволновый излучательВидно, что на частотах 1-2 ГГц ПА с малой диэлектрическойпроницаемостью  =2-3 имеют размеры порядка 70-100 мм, что недопустимов большинстве перечисленных выше приложений. Соотношение (1.1)показывает один из возможных путей миниатюризации ПА, который состоитв увеличении  . В качестве примера можно сравнить две ПА (рис. 1.2)настроенных на центральную частоту навигационной системы GPS(1575 МГц).Рис. 1.2. Печатные антенны на подложках из разных материалов8Первая антенна (рис. 1.2 а) выполненная на материале с относительнойдиэлектрическойпроницаемостью=3имеет длинуиширинуприблизительно в три раза большие, чем у антенны (рис. 1.2 б)изготовленной с применением материала с  = 28,2. Эти значения довольноточно совпадают с формулой (1.1) из которой следует, что увеличениедиэлектрической проницаемости в n раз приводит к уменьшению длиныизлучателя вn раз.В качестве одного из способов миниатюризации антенн классическихформ возможно рассматривать переход от полуволновых излучателей кчетвертьволновым.

У четвертьволнового излучателя на одном концепроводники соединены с помощью металлической стенки (см. рис. 1.3).Рис. 1.3. Четвертьволновый излучательТакое изменение конструкции ПА позволяет сократить ее габаритный размерa почти вдвое по сравнению с полуволновой антенной.Помимо замыкающей стенки возможно использование замыкающегоштыря или замыкающей пластины (рис. 1.4 а – в). В зависимости от выборазамыкающего элемента резонансная частота может быть выше или ниже.9Рис. 1.4. Варианты четвертьволновых ПАПолуволновые ПА классической формы могут использоваться какантенны линейной, так и круговой поляризаций. Четвертьволновые ПАработают только на волнах линейной поляризации.Необходимо сказать, что в ПА рассматриваемого типа практическиединственным средством уменьшения геометрических размеров являетсяприменение диэлектрических материалов с высокой проницаемостью.

В10настоящее время известны различные типы СВЧ керамик с диэлектрическойпроницаемостью  = 100 и выше с приемлемыми значениями тангенса углапотерь tgδ в пределах 0.001. Тем не менее, следует отметить, чтоиспользование диэлектриков с большой проницаемостью создает рядтехнологическихпроблем,связанныхсосложностьюмеханическойобработки таких материалов, нанесением на их поверхность полосковыхпроводников, настройкой антенн и т.д.

Их решение приводит к заметномуснижению технологичности ПА и их удорожанию.Однослойные миниатюрные ПА. Другое направление миниатюризации ПАусловно можно назвать «сворачиванием». Можно выделить два разныхспособасворачивания:сворачиваниевплоскостиимногослойноесворачивание. Сворачивание в плоскости поясняется на рис. 1.5.Рис. 1.5. Сворачивание в плоскостиС помощью щелей, выполненных в проводнике ПА, удлиняется путь,который проходят токи от одной кромки проводника до другой [4].