CC BY
71
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ КВАЗИФРАКТАЛЬНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ СТРУКТУР, СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕМ- РУПОРОВ
А.В. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский
Синтезированы квазифрактальные излучающие структуры, состоящие из несимметричных ТЕМ- рупоров с постоянным и переменным законами изменения волнового сопротивления вдоль их оси. С помощью численного электродинамического моделирования, основанного на использовании метода конечных интегралов, показано, что подобные структуры могут использоваться в качестве многодиапазонных антенных решеток, функционирующих в ряде сверхширокополосных частотных областей
Ключевые слова: квазифрактальные электродинамические излучающие структуры, несимметричные ТЕМ- рупоры, многодиапазонные антенные решетки
Создание компактных сверхширокополосных антенных устройств, которые могут быть размещены на различных мобильных и бортовых носителях, является актуальной задачей, возникающей при разработке многих современных радиотехнических систем: радиолокации (и, в частности - радиопеленгации), связи, телекоммуникации, навигации, радиоэлектронной борьбы и других. Зачастую возникает потребность в создании антенных систем, способных функционировать в нескольких сверхширокополосных диапазонах волн (в частно -сти, в системах радиоконтроля): дециметровом, сантиметровом и миллиметровом, т.к. они широко используются в системах связи и телекоммуникации (сотовые и спутниковые телефоны, модемы сети Интернет и др.). Одним из специфических требований, предъявляемых к аппаратуре радиоконтроля, является минимизация габаритных размеров используемых антенных систем, которые в ряде случаев размещаются под радиопрозрачным обтекателем, визуально не выделяющимся относительно крыши корпуса носителя (автомобиля, микроавтобуса).
С точки зрения выполнения требований минимизации высоты антенной системы, рационально размещение более высокочастотных подрешеток антенной системы внутри объема пространства, занимаемого низкочастотной подрешеткой. Поэтому актуальным является поиск видов самоподобных антенных структур,
Ашихмин Александр Владимирович - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), д-р техн. наук, тел. (4732) 39-23-00 Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 23-12-46
Попов Игорь Владимирович, ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) канд. техн. наук, тел. (4732)356911 Рембовский Юрий Анатольевич - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), канд. физ.-мат. наук, тел. (495) 615-73-02
вложенных друг в друга и повторяющих геометрию друг друга при изменении масштаба их рассмотрения, способных функционировать в сверхширокополосных диапазонах частот, не мешая друг другу.
В настоящей работе поставлена цель минимизировать габаритные размеры многодиапазонной антенной системы, функционирующей в ряде сверхширокополосных диапазонах частот, используя квазифрактальный принцип построения.
Опубликованные в последнее время обзоры дают достаточно полный обзор исследований в области создания фрактальных антенн [1-3]. Эти исследования можно разделить на две категории: первая, имеет дело с изучением фрактальных антенных элементов (примеры исследований микрополосковых антенн [4,5]) и вторая, занимается использованием фракталов в проектировании антенных решеток (примеры исследований фрактальных антенных решеток [6,7]).
В работе [8] исследованы возможности использования принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхшироко-полосных антенных структур на основе ТЕМ-рупоров, размещенных внутри друг друга. Но в известных публикациях не рассматривается применение фрактального принципа для построения многодиапазонных радиопеленгатор-ных антенных решеток. В качестве базовых элементов проектируемых антенных систем выбраны несимметричные ТЕМ- рупора [9]. На рис.1 показана квазифрактальная антенная структура на основе вложенных друг в друга несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками (среднее значение входного сопротивления каждого элемента - 100 Ом). На рис. 2 показана квазифрактальная антенная структура на основе вложенных друг в друга
несимметричных ТЕМ- рупоров с криволинейными полосками (волновое сопротивление несимметричной полосковой линии, образующей ТЕМ- рупор, изменяется по экспоненциальному закону от 50 Ом в точках ее запитки до 377 Ом в раскрыве; среднее значение входного сопротивления каждого элемента - 50 Ом)
Рис. 1. Квазифрактальная антенная структура на основе вложенных друг в друга несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
б)
Рис. 2. Квазифрактальная антенная структура на основе вложенных друг в друга несимметричных ТЕМ- рупоров с криволинейными полосками
На основе подобных квазифрактальных антенных структур могут быть построены различные варианты многодиапазонных антенных решеток, каждая литера которых функционирует в сверхширокой полосе частот. Расположение ТЕМ- рупоров внутри друг друга не приводит к существенным искажениям структуры электромагнитного поля, т. к. их металлические пластины ориентированы перпендикулярно силовым линиям его электрической компоненты.
Пример топологии полноазимутальной ра-диопеленгаторной антенной решетки, состоящей из вложенных друг внутрь друга несимметричных ТЕМ- рупоров, показан на рис. 3 (методика проектирования и характеристики подобных решеток, состоящих из несимметричных ТЕМ- рупоров приведены в [10]).
Достоинствами предложенного принципа построения радиопеленгаторной антенной системы с круговой зоной обзора на основе вложенных друг в друга ТЕМ- рупоров являются:
Рис. 3. Пример конструкции радиопеленгаторной антенной системы кругового обзора, функционирующей в трех сверхширокополосных диапазонах, построенной на основе вложенных несимметричных ТЕМ- рупоров
- минимизация высоты антенной системы - ее высота определяется соответствующим параметром максимального по размерам элемента;
- удобство запитки всех антенных элементов относительно общей подстилающей поверхности с помощью несимметричной коаксиальной или полосковой линии, возможность обеспечения среднего значения входного сопротивления каждого антенного элемента 50 Ом или 100 Ом;
- возможность использования простых амплитудно-фазовых методов пеленгования в среднечастотном и высокочастотном диапазонах функционирования предложенной антенной системы, метод пеленгования с помощью кольцевой решетки, состоящей из направленных антенн, не имеющих фазового центра, изложен в [9];
- возможность функционирования в нескольких сверхширокополосных диапазонах частот (как непересекающихся, так и пересекающихся между собой) без существенного ухудшения параметров, являющегося следствием взаимовлияния всех элементов (что особенно важно, не происходит существенного ухудшения характеристик внешних элементов).
Отметим также, что вышеперечисленные преимущества стали возможными за счет правильного выбора базовых элементов антенной системы (несимметричных ТЕМ- рупоров) и квазифрактального принципа их взаимного расположения.
Теперь проанализируем основные характеристики антенных структур, показанных на рис. 1 и 2 (для проведения численного анализа использовался метод конечных интегралов Вейланда, реализованный в пространственновременных координатах [11]).
Анализировались ТЕМ- рупоры с треугольными полосками со следующими параметрами: длина внешнего рупора - 200 мм; вы-
сота внешнего рупора - 50.5 мм; ширина рас-крыва внешнего рупора - 100 мм; коэффициент подобия антенных элементов двух соседних размеров составляет 0.25 (рис. 1). Внешний ТЕМ- рупор запитывался от внешнего источника с внутренним сопротивлением 100 Ом, при этом внутренние рупоры были нагружены на сопротивления с тем же номиналом (т.к. каждый антенный элемент должен запитываться от своего источника - каждая частотная литера подключается к отдельному приемному или передающему устройству, функционирующих в различных частотных диапазонах).
Параметры антенных структур, построенных на основе ТЕМ- рупоров с криволинейными полосками: длина внешнего рупора - 200 мм; высота внешнего рупора - 50.5 мм; ширина раскрыва внешнего рупора - 19.4 мм; коэффициент подобия двух соседних антенных элементов - 0.3 (рис. 2). Волновое сопротивление несимметричной полосковой линии, образующей ТЕМ- рупор, изменялось от 50 Ом в точках ее запитки до 377 Ом в раскрыве. Внутренние элементы квазифрактальной антенной структуры были нагружены на сопротивления с номиналом 50 Ом (многие высокочастотные усилители имеют такое среднее значение входного и выходного сопротивления).
Значение волнового сопротивления несимметричной полосковой линии Zн определялось с помощью известных соотношений [12]: гн (Р, а) = гс(2■ Р, а)/2,
7 с (Б, а) = 30
4 ■ 1п| 1 + Р | + 8- Р
а + Р
■- 2
Р
а + Р
где Р - расстояние между полоском и экраном; а - ширина полоска.
Результаты численного моделирования квазифрактальных антенных структур, изображенных на рис. 1 и 2, приведены на рис. 4-8 и 9-13, соответственно.
Было выяснено, что при возбуждении внешнего ТЕМ- рупора внешним источником в месте минимального зазора между экраном и полоском, в анализируемой полосе частот от 1 до 3 ГГц (значение высшей частоты выбрано таким образом, чтобы качество согласования внешнего антенного устройства характеризовалось уровнем коэффициента стоячей волны (КСВН), меньшим или равным 2.0) максимальное значение КСВН не превышает 4-5, рис. 4, 5 и 9, 10.
Рис. 4. Номограмма Вольперта-Смита в полосе частот от 1 до 3 ГГц: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ-рупор с треугольными полосками; 2 - внешний элемент квазифрактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
Рис. 5. Частотные зависимости КСВН, относительно 100 Ом линии: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ-рупор с треугольными полосками; 2 - внешний элемент квазифрактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
Рис. 6. Частотные зависимости коэффициента усиления: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ- рупор с треугольными полосками; 2 - внешний элемент квазиф-рактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
2
а
С, дБ 12 11
10
9 Я
7 6
5
4
3 2
1 О 10 20 30 40 50 60 70 80 90
в,°
а)
С, дБ 12 11 10
9
8 7
6
5
4 3
2
1 О 10 20 30 4) 50 60 70 80 90
б)
Рис. 7. Диаграммы направленности в Е- плоскости: а) - одиночного несимметричного ТЕМ- рупора с треугольными полосками; б) - внешнего элемента квазиф-рактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
При этом в полосе частот от 1.4 до 3 ГГц уровень КСВН на входе внешнего ТЕМ- рупора с треугольным полоском (рис. 1) не превышает 2.2 (рис. 5), а для внешнего антенного устройства с треугольным полоском (рис. 2) значение КСВН практически не превышает 3.0 в полосе частот от 1.2 до 3 ГГц (рис. 10).
Из рис. 4, 5 и 9, 10 также следует, что входные характеристики внешних антенных устройств анализируемых квазифрактальных структур изменяются весьма незначительно, относительно характеристик аналогичных уединенных антенных элементов. Как видно из рис. 4, 5, среднее качество согласования может даже улучшаться, как это имеет место в случае треугольных полосков рупоров и значении коэффициента подобия двух соседних антенных элементов, равном 0.25 (рис. 1).
При несколько большем отношении размеров соседних элементов (0.3) в случае рупоров с криволинейными полосками и волновым сопротивлением, изменяющимся от 50 до 377 Ом по экспоненциальному закону, средний уровень КСВН незначительно увеличивается вследствие наличия вложенных 12 подобных элементов меньших размеров, рис. 10.
а)
в, дБ 12 11 10 9 8 7 6
4
3
о
-2
-3
-4
16 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
б)
Рис. 8. Диаграммы направленности в Н- плоскости: а) - одиночного несимметричного ТЕМ- рупора с треугольными полосками; б) - внешнего элемента квазиф-рактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с треугольными полосками
Рис. 9. Номограмма Вольперта-Смита в полосе частот от 1 до 3 ГГц: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ-рупор с криволинейными полосками; 2 - внешний элемент квазифрактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с криволинейными полосками
КСВН 5
4
3
2
1 1 1.5 2 2.5 3
£ ГГц
Рис. 10. Частотные зависимости КСВН относительно 50 Ом линии: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ-рупор с криволинейными полосками; 2 - внешний элемент квазифрактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ- рупоров с криволинейными полосками
а дБ п 10
9
3
7 б
5
4
3
2
1 1 1.5 2 2.5 3
£ ГГц
Рис. 11. Частотные зависимости коэффициента: 1 -одиночный несимметричный ТЕМ- рупор с криволинейными полосками; 2 - внешний элемент квазифрактальной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ-рупоров с криволинейными полосками
о, дБ 12 11
10
9
г
7 б
5
4
3 2
1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
£?,°
а)
а дБ п
10
9 §
7
6
4 3 2
1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
б)
Рис. 12. Диаграммы направленности в Е- плоскости: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ- рупор с криволинейными полосками; 2 - внешний элемент квазифракталь-ной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ-рупоров с криволинейными полосками
(5, ДБ 12
11 10
9
8
7
6
5 А
3
2 1 0
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -3 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15
16 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
а)
а дБ п
10 9
8 7
6
5
4 3
2 1 0
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -3 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15
16 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
б)
Рис. 13. Диаграммы направленности в Н- плоскости: 1 - одиночный несимметричный ТЕМ- рупор с криволинейными полосками; 2 - внешний элемент квазифракталь-ной антенной структуры на основе несимметричных ТЕМ-рупоров с криволинейными полосками
Было также выяснено, что значение коэффициента усиления внешних антенных элементов уменьшается не более, чем на 1 дБ в случае ТЕМ- рупоров с треугольными полосками (рис. 1) и коэффициенте подобия 0.25 (рис. 6), при использовании же антенных элементов с коэффициентом подобия 0.3, характеризующихся средним значением входного сопротивления 50 Ом (рис. 2), максимальное снижение коэффициента усиления внешнего элемента не превышает 2 дБ (рис. 11). Данное снижение коэффициента усиления внешних элементов квазиф-рактальных структур связано с поглощением энергии в активных сопротивлениях нагрузки внутренних элементов, а также (в меньшей степени) - с незначительным изменением формы диаграммы направленности внешних элемен-
тов, вызванным рассеянием волн на вложенных элементах, рис. 7, 8 и 12, 13. Из рис. 7, 8 и 12, 13 также следует, что наличие внутренних элементов не приводит к заметному повышению уровня бокового и заднего излучения.
Таким образом, в настоящей работе предложен способ построения многодиапазонных антенных решеток, образованных вложенными друг в друга несимметричными ТЕМ- рупорами, позволяющий создавать компактные антенные системы, элементы которые легко запиты-вать в сверхширокой полосе частот с помощью коаксиальных или полосковых линий. Показана перспективность использования исследуемых антенных элементов в мобильных и бортовых системах радиоконтроля.
Рассмотрены варианты конструкций антенных решеток, элементы которых характеризуются средним входным сопротивлением 100 Ом и 50 Ом. Показано, что наличие внутренних антенных элементов несущественно изменяет входные характеристики и направленные свойства внешнего излучателя в сверхширокой полосе рабочих частот.
Путем качественного теоретического анализа и численного электродинамического моделирования показано, что использование ква-зифрактального принципа построения многодиапазонных антенных систем, функционирующих в каждом из диапазонов в сверхширо-кой полосе частот, является перспективным для уменьшения их габаритных размеров.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-02-97504 р_центр_а
Литература
1. J. P. Gianvittorio and Y. Rahmat-Samii, “Fractal Antennas: A Novel Antenna Miniaturization Technique, and
Applications,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 44, no. 1 (February 2002). P. 20-36.
2. D. H. Werner and S. Ganguly, “An Overview of Fractal Antenna Engineering Research,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, no. 1 (February 2003). P. 3857.
3. www.digitalengineeringlibrary.com. J.L. Volakis. Antenna engineering handbook. Digital Engineering Library @ McGraw-Hill Companies. 2007. 1755 P.
4. C. Borja and J. Romeu, “On the Behavior of Koch Island Fractal Boundary Microstrip Patch Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 6 (June 2003). P. 1281-1291.
5. T. G. Spence and D. H. Werner, “Genetically Optimized Fractal Microstrip Patch Antennas,” Proc. 2004 IEEE Antennas and Propagation International Symposium, vol. IV (June 21-26, 2004, Monterey, CA). P. 4424-4427.
6. D. H. Werner, W. Kuhirun, and P. L. Werner, “Frac-tile Arrays: A New Class of Tiled Arrays with Fractal Boundaries,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, no. 8 (August 2004). P. 2008-2018.
7. J. N. Bogard, D. H. Werner, and P. L. Werner, “Optimization of Peano-Gosper Fractile Arrays for Broadband Performance Using Genetic Algorithms to Eliminate Grating Lobes During Scanning,” Proc. IEEE AP-S Int. Symp., vol. 1B (July 2005). P. 755-758.
8. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Исследование возможности использования принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхширокополосных антенных структур на основе ТЕМ- рупоров, размещенных внутри друг друга / Антенны. 2008. № 2(129). С. 32-38.
9. Ашихмин А.В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. - М.: Радио и связь, 2005. -486 с.
10. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Синтез и анализ кольцевых радиопелен-гаторных антенных решеток, состоящих из несимметричных ТЕМ- рупоров / Системы управления и информационные технологии. 2007. № 2.2 (28). С. 285-291.
11. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / Electronics and Communication, 1977. - V. 31. PP. 116-120.
12. T.A. Milligan. Modern antenna design: second edition / New Jersey (USA): IEEE Press, Wiley-Interscience. 2005. 614 P.
Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва ОАО «Концерн «Созвездие»
A STUDY OF QUASI-FRACTAL RADIATING STRUCTURES BASED ON UNBALANCED TEM-
HORN ANTENNAS
A.V. Ashihmin, J.G. Pasternak, I.V. Popov, J.A. Rembovsky
The quasi-fractal radiating structures composed of unbalanced tem-horn antennas with constant and variable law of variation along axis is designed. With numerical electrodynamics simulation based on Finite Integral method is prove that similar structures can be used as multiband antennas array, operational in a number of ultarwideband frequency regions.
Key words: quasi-fractal electrodynamics radiating structures, unbalanced tem-horn antennas, multiband antennas
array
