CC BY
128
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Ключові слова: антена, діелектричний резонатор, мікрохвильова техніка
Трубин А.А. Реализация простой антенны на сферическом диэлектрическом резонаторе в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Показана возможность реализации узконаправленной одно лепестковой антенны на одном диэлектрическом резонаторе сферической формы с колебаниями Н, Е1г ^ ^ (11 >> 1). Установлены условия повышения кпд и коэффициента усиления предложенного типа резонансной антенны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Ключевые слова: антенна, диэлектрический резонатор, микроволновая техника
Trubin O. O. Implementing a simple antenna on a spherical dielectric resonator in the millimeter and submillimeter wavelengths. It’s demonstrated a possibility of realization of narrow one directed antenna on Spherical DR with magnetic or electric H, En г [ mode resonances (71 > > 1,771= 1). Increasing of efficiency and gain factor of presented kinds of antenna in millimeter and terahertz wave-length is established.
Key words: antenna, dielectric resonator, microwave theory
УДК 621.396.67
УЛЬТРАШИРОКОСМУГОВИЙ ЛОГОПЕРІОДИЧНИЙ ОПРОМІНЮВАЧ РЕФЛЕКТОРНОЇ АНТЕНИ ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ 1-20 ГГц
Дубровка Ф. Ф., Долженко Д. С.
В ультраширокосмугових системах передачі інформації, в системах ра-діомоніторингу, радіопротидії тощо, необхідно мати антени, що працюють у мультиоктавних смугах частот з потрібним підсиленням. У таких системах зазвичай використовують рефлекторні антени, робоча смуга частот яких визначається робочою смугою частот опромінювача. В ідеалі діаграма спрямованості (ДС), вхідний опір та положення фазового центру опромінювача не повинні залежати від частоти в робочій смузі частот. Найбільш повно задовольняють цим вимогам опромінювачі на основі логопе-ріодичних (ЛП) антен.
Метою цієї роботи є математичне моделювання та оптимізація характеристик опромінювача рефлекторної антени, побудованого на основі решітки в Н-площині із двох ЛП вібраторних антен [1, 2], що забезпечує в діапазоні частот 1-20 ГГц: КСХН < 2.5 при живленні коаксіальною лінією з хвильовим опором 50 Ом; вісесиметричну ДС; потрібну частотно незалежну ширину ДС на рівні -10 дБ та має надійну конструкцію, добре захищену від атмосферного впливу та механічних пошкоджень.
Результати дослідження
Загальний вигляд моделі конструкції опромінювача, без укриття та з укриттям, зображено на рис. 1. 54
54 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
а б
Рис. 1. Модель конструкції ЛП опромінювана без укриття (а) та з укриттям (б)
Опромінювач складається з двох ідентичних ЛП антен, металевого екрану, опори у вигляді усіченої діелектричної піраміди, відрізка коаксіальної лінії живлення та конусоподібного радіопрозорого укриття. Діаметр екрану - 300 мм. До нього кріпляться пірамідальна опора та конусоподібне укриття. Матеріал цих складових - пінополістирол з відносною діелектричною проникністю 1,2. Планарні ЛП металеві полотна товщиною 0,5 мм закріплені на діелектричних вставках, виготовлених із пінополістиролу.
На рис. 2 зображено високочастотну частину опромінювача з точкою
живлення, яку важко побачити на рис. 1а. Зовнішній провідник коаксіальної лінії живлення приєднується до одного полотна кожної з ЛП антен, а центральний - до іншого полотна. Така конструкція ЛП опромінювача дозволяє отримати вісесиметричну діаграму спрямованості та вхідний опір приблизно 50 Ом, що необхідно для узгодження з 50омною коаксіальною лінією живлення.
Геометрію ЛП полотна наближено визначимо по [2] з урахуванням заданої робочої смуги частот 1-20 ГГц. В результаті вибрано наступні значення параметрів логоперіодичної антени: т = 0.904, а = 0.09, N = 40, Li=162 мм, R1 = 304 мм, R L.
Рис. 2. Високочастотна частина ЛП опромінювача з точкою живлення
де т =
R
П-1
L
П-1
- безрозмірний період, а = Rn(1 т) - коефіцієнт форми, N -
кількість елементів кожної ЛП антени, L1 - довжина найдовшого диполя, R1 - відстань від уявної вершини до найдовшого диполя.
Моделювання реальної конструкції ЛП опромінювача виконано в пакеті програм CST Microwave Studio 2006, що базується на методі скінченних різниць у часі і просторі (FDTD). В результаті проведених обчислень було виявлено, що ширину планарної лінії живлення та ширину плоских вібраторів ЛП полотен можна не змінювати за ЛП законом. Це дозволило вибрати початкову ширину лінії живлення та плоских вібраторів, яка складала, відповідно, 1 мм та 0.5 мм, та лінійно їх збільшувати до кінцевих ширин (відповідно, 20 мм та 8 мм).
У загальному випадку фазові центри ЛП антени знаходяться на фіксованій електричній довжині від точки живлення, яка практично не залежить
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
55
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
від частоти. Це значить, що при зміні частоти фазовий центр опромінювача зміщується по відношенню до точки живлення. Зміщення фазового центру від фокальної точки, розміщеної на осі рефлектора, призводить до появи квадратичної фазової похибки в розподілі поля на апертурі рефлектора. Якщо Д - це зміщення фазового центру від фокальної точки, то різниця фази в розподілі поля на апертурі між центральною частиною рефлектора та
краями приблизно дорівнює
Л ^ ул
-■ (1 -cos^O, де у
А 2
апертурний кут рефлекто-
ра. Максимальне значення цього зміщення не повинно перевищувати 2/8
[3], при цьому коефіцієнт підсилення знижується приблизно на 0,25 дБ. Зміщення фазового центру від фокальної точки при F/D = 0,5 та максимальній похибці не повинно перевищувати 2/3. Тому при проектуванні опро-мінювача для роботи в надширокій смузі частот, фазовий центр повинен розташовуватись в межах 2/3 від вершини.
Таблиця 1
Частота, ГГц Розміщення фазового центру, мм Ширина ДС на рівні -10 дБ, град.
Н-площина Е-площина Н-площина Е-площина
1 287 290 214 219
2 250 260 103 96
3 248 262 105 93
4 270 279 104 96
5 278 288 110 97
6 282 297 100 94
7 291 299 96 90
8 301 304 102 92
9 295 305 92 98
10 303 308 90 95
11 306 308 90 93
12 300 308 88 90
13 306 310 88 88
14 312 312 84 94
15 303 297 88 91
16 316 316 78 93
17 294 297 90 96
18 306 310 82 90
19 298 304 88 91
20 308 318 80 88
В табл. 1 наведено дані щодо розміщення фазового центру опромінювача (в мм) відносно екрану. Очевидно, що ЛП антени не можна вважати ідеальними для використання в якості ультраширокосмугових опроміню-вачів, оскільки фазові центри в Е- та Н-площинах не цілком співпадають і дещо зміщуються з частотою. Однак, можна розташувати ЛП опромінювач
56
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
таким чином, щоб фокус рефлектора знаходився у його високочастотній області. Тоді відстань від фазового центра до фокусу в діапазоні частот не буде перевищувати 2/3, що є прийнятним для багатьох застосувань [3].
Для отримання високого коефіцієнта підсилення та низького рівня бокових пелюстків рефлекторної антени потрібно забезпечити оптимальне значення спадання поля на краях апертури (для будь-якого відношення F/D воно складає в середньому близько 9-10 дБ [4]). Тому, визначимо необхідну ширину головної пелюстки ДС по рівню -10 дБ опромінювача при зада-
f
ному значенні відношення F/D = 0,5 [4]: 2/0 = 4 • arctg((4 •—)-1) = 102.50
В табл. 1 наведено значення ширин ДС на рівні -10 дБ для оптимізова-ного ЛП опромінювача. На всіх частотах у діапазоні 1 -20 ГГ ц різниця між шириною ДС в Е- та Н-площинах не перевищує 10 градусів, крім частот в 5 ГГц та 16 ГГц, на яких цей показник складає 13 градусів.
На рис. 3 наведено залежність коефіцієнта спрямованої дії (КСД) від частоти. Видно, що в середньому КСД опромі-нювача складає 11 дБ, крім діапазону частот від 1 до 2 ГГц, де воно різко спадає від 10,6 дБ до 5,8 дБ.
На рис. 4 наведено залежності КСХН від частоти. Максимальні значення КСХН не перевищують 2,5 у всьому робочому діапазоні частот 1 - 20 ГГц, окрім f = 6,36 ГГц (КСХН = 2,78), f = 7,38 ГГц (КСХН = 2,55),______________________
2 5
КСХН 2 1.5
0 5 LQ 15 20
Частота, ГГц
Рис. 4. Залежність КСХН від частоти
г Sbh> І—4
А J л л А Г і V ї 5 г \ )
Г л ** \ t V і
3
30 1 2 3 4 І 6 7 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1S 19 20 21
Рис. 3. Залежність КСД ЛП опромінювача від частоти
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 57
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
На рис. 5 зображено залежність максимального рівня бічних пелюстків
у діапазоні від 1 до 20 ГГц. В середньому цей показник не перевищує -14 дБ, і лише в діапазоні частот 12-18 ГГц максимальний рівень бічних пелюстків перевищує -12 дБ. Для всіх ДС відношення переднього до заднього випромінювання Рис. 5. Залежність рівня бічних пелюстків від частоти не перевищує -16 дБ.
На рис. 6 зображені
ДС на частотах 2, 8, 14 та 20 ГГц.
ЗО Phi= 90 /'у X dB| ^N4^. 30 У\ Phi=270 -10 /X Ч,
60 / А / '• ■ Л ':\ / '■/- /\ Ч \\ і і - 7/Ч Ь \ 60 -20. / / N. І . ,\ /Ч. \/ \ -зо / X . \ \ \
\ AAjji /
\ N. ''У. ■' у7 /
120 \ Ч \Х / І 120
150^~--\^^ 150
180
Рис. 6. ДС на частотах 2 ГГц, 8 ГГц, 14 ГГц та 20 ГГ ц.
58
Вісник Національного технічного університету України "КПІ Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Висновки
Спроектовано ультраширокосмуговий опромінювач рефлекторної антени з F/D = 0.5, побудований на основі решітки в Н-площині із двох лого-періодичних антен. У діапазоні частот 1-20 ГГц розроблений опромінювач забезпечує КСХН < 2.5 при живленні коаксіальною лінією з хвильовим опором 50 Ом, майже вісесиметричну діаграму спрямованості шириною 900-1000, коефіцієнт спрямованої дії приблизно 11 дБ, прийнятне зміщення фазового центру, завадозахищенність більше 16 дБ. Розроблений опромінювач має надійну конструкцію, добре захищену від атмосферного впливу та механічних пошкоджень. За електричними та механічними параметрами розроблений опромінювач не поступається світовим аналогам і може бути рекомендований для виробництва і застосування в ультраширокосмугових рефлекторних антенах систем радіомоніторингу та ультраширокосмугових радіосистем різного призначення.
Література
1. DuHammel R., Ore D. Logarithmically Periodic Antenna Arrays // 1958 IRE National Convention Record, pp. 161-174.
2. Milligan T.A. Modern antenna design, 2005, p. 613.
3. Imbriale W.A. Optimum Designs of Broad and Narrow Band Parabolic Reflector Antennas Fed with Log-Periodic Dipole Arrays. 1974.
4. DuHammel R., Ore D. Log Periodic Feeds for Lens and Reflectors // 1959 IRE National Convention Record, pp. 128-137.
Дубровка Ф.Ф., Долженко Д.С. Ультраширокосмуговий логоперіодичний опромінювач рефлекторної антени діапазону частот 1-20 ГГц. Представлено результати моделювання та оптимізації електричних характеристик ультра широкосмугового логоперіодичного опромінювана рефлекторної антени, побудованого на основі решітки з двох логоперіодичних антен, призначеного для роботи в діапазоні частот 1-20 ГГц. Ключові слова: логоперіодичний опромінювач, фазовий центр, рефлекторна антена, решітка в Н-площині, плоска логоперіодична вібраторна антена.
Дубровка Ф.Ф., Долженко Д.С. Ультраширокополосный логопериодический облучатель рефлекторной антенны диапазона частот 1-20 ГГц. Представлены результаты моделирования и оптимизации электрических характеристик ультра широкополосного логопериодического облучателя рефлекторной антенны, построенного на основе решетки из двух логопериодических антенн, предназначенного для работы в диапазоне частот 1-20 ГГц.
Ключевые слова: логопериодический облучатель, фазовый центр, рефлекторная антенна, решетка в Н-плоскости, плоская логопериодическая вибраторная антенна.
Dubrovka F.F., Dolzhenko D.S. Ultra wideband reflector antenna log-periodic feed with operating frequency range 1—20 GHz. Results of modeling and optimization of electric characteristics of ultra wideband reflector antenna log-periodic feed, based on two log-periodic antennas array for operating over frequency range 1-20 GHz, are presented.
Key words: log-periodic feed, phase center, reflector antenna, H-plane array, plane log-periodic dipole antenna.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
59
