Электродинамическое моделирование характеристик антенн бегущей волны СВЧ-диапазона с расширяющимся раскрывом Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.39

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА С РАСШИРЯЮЩИМСЯ РАСКРЫВОМ

Александр Сергеевич Коваленко

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)3462623, e-mail: [email protected]

Александр Александрович Слободяненко

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)3462623, e-mail: [email protected]

Любовь Васильевна Шебалкова

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер-руководитель группы; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, старший преподаватель, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

С применением методов компьютерного моделирования были рассчитаны и исследованы образцы СВЧ антенны Вивальди со ступенчато -расширяющимся раскрывом с изменяемыми геометрическими параметрами. Получены результаты о влиянии количества ступеней в раскрыве на диаграмму направленности и электродинамические характеристики антенны.

Ключевые слова: диаграмма направленности, СВЧ-диапазон, антенна Вивальди, электродинамическое моделирование, печатные антенны

ELECTROMAGNETIC MODELING THE CHARACTERISTICS OF THE X-BAND TRAVELING WAVE ANTENNA WITH A APERTURE ENLARGEMENT

Alexander S. Kovalenko

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, undergraduate Department Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

Alexander A. Slobodyanenko

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, undergraduate Department Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

Lyubov V. Shebalkova

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 53 Pisareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, leading engineer-team manager, Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, senior lecturer, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

With the use of computer simulation, the samples studied short-range microwave antennas with stepped-expanding aperture with variable geometric parameters. Results on the effects of these parameters on the broadband antennas investigated. Obtained pattern, revealed the influence of geometrical parameters on the electromagnetic characteristics of the antenna.

Key words: directional pattern, microwave range, vivaldi antenna, electrodynamic modeling, printed antennas.

Разработка антенн для радиосистем СВЧ-диапазона, удовлетворяющих требованиям широкополосности, узконаправленности, а также компактности и простоте производства, актуальна в связи с растущим рынком радио систем.

Если предположить, что в направляющей структуре распространяется только один тип волны (E или H) и что он не изменяется вследствие изменения поперечного сечения щели, то для анализа излучения антенн с расширяющимися щелями можно использовать известные результаты для расчета параметров симметричной щелевой линии [1].

В данном случае исследовались антенны, для которых изменение поперечного сечения вдоль направляющей структуры антенны является ступенчатым, изменяя количество ступеней до приближения к линейной структуре. Регуляризация для конечного числа участков позволила применить известные модельные представления [1,2] для каждого регулярного участка и по их суммарному вкладу рассчитать диаграммы направленности (ДН) всей антенны [3].

Предполагается, что шаг увеличения ширины щели должен быть много меньшим четверти длины волны:

An

Wn-Wn-1= Wn+1-Wn = ^W «-f , (1)

где - ширина щели п-го регулярного участка направляющей структур антенны, ¿о - длина волны электромагнитных колебаний на входе антенны [4,5]

Результирующее поле в дальней зоне будет определят ься суммированием вклада в излучение, вносимого каждым регулярным участком

№

Е{в,ф)=Х, (2)

П=1

где Еп {0>ф) - вклад в поле дальней зоны п-участком [6,7].

Для сохранения условий бегущей вдоль направляющей структуры антенны волны потребуем, чтобы мощность, проходящая через каждый регулярный участок оставалась постоянной :

Рп-1 = Рп = Рп+1 = C0nst, (3)

Мощность, проходящая вдоль п-участка регулярной структуры может быть определена как

г 2

P

n

V. Zr

(4)

где Уп - разность потенциалов в щели, а ^п - волновое сопротивление.

Заменим Уп на поперечную составляющую поля регулярной симметричной щелевой линии и положим п = 1. Формула (2) с учетом (3) принимает вид:

N _

Е{в,ф)=^^Е0п(в,ф) , (5)

п=1

где Ео п - поле излучения п-участка, которое может быть определено по ка-койОлибо модели антенны с помощью постоянной ширины, а ^п может быть взято из выражения

гв=-

60 х2

ь р1-1

\ w \ w )

л

(6)

Процедура ступенчатой аппроксимации может быть автоматизирована.

Как показано в [8,9], поперечная компонента электрической напряженности электромагнитного поля для ьго регулярного участка антенны определяется следующим выражением:

Апг

w

2 | ' сов е*

J 1 42

-ы Ы 2

2 А— —

\2 ,

^ Г ]к0х совф кхх

х J е 0 г •е

ч .Л .Л 2

;Л I У /Г -]А -]2v

1+е7А F е- ^ (7)

1 у2 ) П V

Построение ДН в главных плоскостях производится с помощью электродинамического моделирования.

Расчеты велись для антенны Вивальди, раскрыв которой был аппроксимирован с помощью ступенек (рис. 1-5), имевшей длину к = 37 5 тт на частоте 14.5 ГГц. Для оценки влияния ступенчатой аппроксимации на качественные характеристики антенны количество регулярных участков было выбрано п=5 п=7 , что

к

соответствует неравенству п > 4 $ и отражает противоположность предположению (1), п=11 и п = 20 согласованны с предположением (1) и удовлетворяют неравенству т- 4 $ .

Ниже представлены модели и объемные ДН для соответствующих антенн.

Рис. 1. Модель и объемная

р^ | ►

Рис. 2. Модель и объемная

|| I *>

г __

Рис. 3. Модель и объемная ДН для 11 регулярных участков

. .1—1—1 I

■:=1! \

Рис. 4. Модель и объемная ДН для 20 регулярных участков

ДН для 5 регулярных участков

ДН для 7 регулярных участков

Рис. 5. Главные сечения диаграммы направленности для различного количества регулярных участков

Исходя из графиков можно сделать вывод, что значение п оказывает ничтожное влияние на ширину главного луча, но значительно сказывается на коэффициенте усиления который снижается при п=5 и п=7 до 6.2 дБ и 8.2 дБ соответственно. КУ при п=11 составил 9.7 дБ, п=20 - 10 дБ. Это связано с значительными обратными потерями, которые появляются при шаге аппроксимации большем "4 , также происходит переизлучение электромагнитной энергии в противоположном направлении. На рис. 6 представлен график коэффициента отражения для различного количества регулярных участков в модели.

Рис. 6. Параметр для построенных моделей в полосе 4-31,5 ГГц

В работе исследовано влияние количе ства ступеней в раскрыве на качественные характеристики антенны.

Из результатов можно сделать вывод о том, что для удовлетворительного построения математической и электродинамической модели антенны Вивальди, с помощью ступенчатой аппроксимирующей функции, необходимо удовлетворение следующего условия : количество регулярных участков должно удовлетворять неравенству: m< 4 б .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Sharma, A. K. An Experimental investigations of Millimeter-Wave Fin Antennas / A. K. Sharma, R. M. Wilson, A. Rosen // IEEE Antennas & Propagation Society APS. - 19B5. - Vol. 6. -P 9V-1GG.

2. Bhat, B. Analysis, design and applications of fin lines / B. Bhat, S. Koul // Artech House. -

19BV.

3. Janaswamy, R. Analysis of the tapered slot antenna / R. Janaswamy, D. Schaubert // IEEE Trans. AP - 19BV. - Vol. 35. - P 1G5B-1G65.

4. Гирич, В. С. Короткие антенны поверхностной волны на симметричной щелевой линии передачи / С. В. Гирич, А. А. Фролов, Ю. А. Домаев // Физика и технические приложения волновых процессов : Тезисы докладов и сообщений / под. ред. В. А. Неганова и Г П. Ярового. - II Международная научно-техническая конференция. Самара, 2GG3.

5. Парпула С.А. Изучение электродинамических характеристик антенн бегущей волны СВЧ-диапазона с линейно-расширяющимся раскрывом / С.А. Парпула, С. В. Гирич, В. П. За-ярный // Известия волгоградского государственного технического университета - 2G13. -Т V. - № 3. -С. 112-115.

6. Фролов, А. А. Информационно-управляющая система для измерения характеристик антенн СВЧ-диапазона / А. А. Фролов, С. В. Гирич, В. П. Заярный // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст / ВолгГТУ - Волгоград, 2GGB. - (Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь» ; вып. 2). - С. VV-BG.

V. Гирич, С. В. Характеристики излучения антенн бегущей волны, созданных на основе симметричной щелевойлинии передачи : дис. ... канд. физ.-мат. наук : G1.G4.G3 /С. В. Гирич. -M., 2GGG. - 116 с.

B. Современное состояние и проблемы / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Л. Б. Бахраха и Д. И. Воскресенского. -М.: Сов. радио, 19V9. -2GB с.

9. Куммер, В. Х. Антенные измерения / В. Х. Куммер, Э. С. Джиллеспи // ТИИЭР -19VB. - Т 66. - № 4. - С. 143-1V3.

О А. С. Коваленко, А. А. Слободяненко, Л. В. Шебалкова, 2017