Исследование щелевой антенной решетки

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Институт электронных и информационных систем Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Пояснительная записка к дипломной работе по специальности 210 201 — Проектирование и технология радиоэлектронных средств НУРК.464 657.005 ПЗ

Аннотация В данной дипломной работе представлено исследование щелевой антенной решетки в пакете прикладных программ MICROWAVE OFFICE. Дипломная работа содержит 65 страниц и 26 иллюстраций. Данные исследования могут быть использованы в дальнейшем для разработки конструкции рассматриваемого устройства.

В пояснительной записке имеются разделы по безопасности жизнедеятельности, калькуляции затрат на проведение исследований и экологическая справка.

В разделе «Безопасность условий труда» представлены все вредные факторы, возникающие при работе на компьютере, и сделаны необходимые решения для безопасной работы оператора.

В разделе «Технико-экономическое обоснование» проекта представлен расчёт затрат при исследовании щелевой антенной решетки.

Раздел «Экологическая справка» даёт представление о вредных факторах, возникающих при проведении работы и влияющих на окружающую среду.

The summary

In the given degree work research of a slot-hole antenna lattice in a package of applied programs MICROWAVE OFFICE is presented. Degree work contains 65 pages and 26 illustrations. The given researches can be used in the further for development of a design of the considered device.

In an explanatory note there are sections on safety of ability to live, accounting of expenses for carrying out of researches and the ecological information.

In section «Safety of working conditions «the harmful factors arising at work on a computer are presented all, and necessary decisions for safe work of the operator are made.

In section «Feasibility report» on the project calculation of expenses is presented at research of a slot-hole antenna lattice.

Section «the Ecological information «gives representation about the harmful factors arising at carrying out of work and influencing an environment.

Введение

1. Анализ потребности

2. Выбор схемотехнического решения и конструктивной реализации

2.1 Основные технические требования к антенным решеткам

2.2 Выбор схемного решения

3. Описание среды проектирования Microwave Office

3.1 Программы, входящие в состав пакета Microwave Office

3.2 Расчет характеристик антенн

4. Моделирование в пакете прикладных программ MICROWAVE OFFICE

4.1 Расчет делителя мощности

4.2 Построение схемы делителя мощности

4.3 Частотный анализ делителя мощности

4.4 Проектирование антенной решетки

4.5 Частотный анализ модели

5. Безопасность условий труда

5.1 Основные положения

5.2 Микроклимат

5.3 Освещение рабочего места

5.4 Вентиляция

5.5 Характеристика помещения при работе с ПК

5.6 Защита от электрической опасности 51

5.7 Излучения

5.8 Механические опасности

5.9 Пыль

5.10 Противопожарные меры

5.11 Непредвиденные факторы

5.12 Эргономические требования к рабочему месту

6. Экологическая справка

7. Технико — экономическое обоснование проекта

7.1 Затраты на материалы

7.2 Затраты на использование компьютера и программных продуктов

7.3 Заработная плата

7.4 Отчисления на социальные нужды

7.5 Арендная плата за помещение

Заключение

Список литературы

Введение

микроэлектроника антенный программа В диапазон СВЧ микроэлектроника начала внедряться в последнюю очередь, примерно в середине 60-х годов прошлого века. В первую очередь это связано с трудностью создания твердотельных СВЧ активных приборов. При проектировании микроэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона редко удается разделить электрический расчет схемы, разработку конструкции, топологию и даже технологию изготовления. Как правило, это единый процесс.

Несмотря на эти трудности в развитии микроэлектроники СВЧ диапазона на сегодня имеются заметные успехи. Применение получили различные твердотельные генераторы и приемники СВЧ. Широкое развитие получили различные микрополосковые устройства: смесители, делители мощности, направленные ответвители и мостовые схемы, частотно-избирательные и невзаимные устройства, фазовращатели, многоканальные коммутаторы и другие узлы радиоаппаратуры СВЧ диапазона.

Бурное развитие микроэлектроники и её достижения нашли своё отражение и в антенной технике. В последние годы широко стали использоваться интегральные полосковые узлы, полосковые и микрополосковые линии передачи и различные устройства СВЧ, выполненные на них. Однако потенциальные возможности уменьшения массы и объема микроэлектронной радиоаппаратуры реализуются при соответствующем построении антенн, отказе от традиционных их типов и переходе к антенным решеткам.

Актуальность исследования заключается в необходимости применения моделирования СВЧ устройств, так как все методики расчетов являются приближенными, а реальное изготовление опытных образцов является очень дорогостоящим и часто не оправданным, а также во внедрении в производство новых технологий и программных продуктов, таких как, например, Microwave Office (MWO), который является наиболее доступным и относительно недорогим, достаточно простым в применении, и позволяет выполнить сквозное проектирование СВЧ устройства, начиная от схемы электрической принципиальной и заканчивая, проверенной с помощью встроенного имитатора режимов работы, виртуальной моделью.

Моделирование и проектирование фазированных антенных решеток является актуальной задачей во многих приложениях, в частности, для создания т.н. «умных» смарт — антенн в сотовой связи.

Целью дипломной работы является исследование щелевой антенной решетки и построение диаграмм направленности с помощью пакета прикладных программ MICROWAVE OFFICE.

1. Анализ потребности С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задач возрастают требования к антенным характеристикам, и в ряде случаев они становятся противоречивыми и совсем неразрешимыми при попытке разработать новые антенны по аналогии с существующими и находящимися в эксплуатации. Например, стремление увеличить дальность действия и точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и масс. Увеличение скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скорости движения луча в пространстве. Совместить требования увеличения направленности и скорости движения луча в антеннах с механическим сканированием не представляется возможным из-за инерционности их конструкции. Подобные противоречия возникают и при попытках обеспечить одновременно высокую направленность и требуемые частотные и пеленгационные характеристики. Эти обстоятельства заставляют отказаться от антенн традиционного типа для данного класса радиосистем и переходить к антенным решеткам.

Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик.

Многощелевые антенны представляют собой решетки из многих излучающих щелей, питаемых общим фидером, и применяются преимущественно в качестве бортовых остронаправленных антенн на скоростных самолетах вследствие возможности выполнения их заподлицо с металлической поверхностью обшивки. Чаще всего используются полуволновые резонансные щели, расположенные различным образом на широкой или узкой стенках прямоугольного и круглого волновода, внешней проводящей оплетке коаксиального кабеля или прорезанные в экранирующей пластине полосковой линии.

2. Выбор схемотехнического решения и конструктивной реализации

2.1 Основные технические требования к антенным решеткам В качестве объекта исследования выбрана антенна 3-сантиметрового диапазона в виде решетки из 4 X 4 щелей, выгравированных на одной из двух внешних сторон трех — плоскостной передающей линии с питанием синфазными сигналами равных мощностей, подводимыми к каждой щели. Решетка из 4 X 4 щелей была выбрана, во-первых, потому, что ее размеры являются почти наименьшими, при которых еще не наблюдается асимметрия диаграммы направленности, и, во-вторых, потому, что можно было применить делители мощности с четным числом плеч. Делители мощности с нечетным числом плеч менее удобны, так как плечи их получаются неравной длины, что нарушает синфазное возбуждение щелей. В качестве диэлектрического материала, используемого в этой разработке [2], были выбраны листы из волокнистого тефлонового стекла, во-первых, потому что это был единственный имеющийся в продаже диэлектрик с медным покрытием, с подходящими электрическими свойствами в сантиметровом диапазоне, и, во-вторых, из-за величины его диэлектрической постоянной. Вопрос о величине диэлектрической постоянной заслуживает внимания, так как проведенный анализ показал, что идеальная антенна для оптимального поперечно-излучаемого и минимального продольно-излучаемого сигнала должна была бы иметь щели, разнесенные на расстояние половины длины волны в воздухе и питаемые от делителя мощности, плечи которого разнесены на длину волны в применяемом диэлектрике. К сожалению, эти идеальные условия нельзя осуществить, если диэлектрическая постоянная материала не равна 4, потому что, поскольку основным видом колебаний, действующих в трехплоскостной линии, являются колебания вида ТЕМ, длина волны изменяется как корень квадратный из диэлектрической постоянной. Величина диэлектрической постоянной пластинки из волокнистого тефлонового стекла, равная приблизительно 2,40, считается удовлетворительной для поддержания надлежащего фазового соотношения как в воздухе, так и в диэлектрике.

Для экспериментирования была выбрана частота 9375 МГц, главным образом из-за наличия соответствующей измерительной аппаратуры Первым шагом в разработке решетки из 4 X 4 щелей был расчет, удовлетворительного излучающего элемента.

Однако для успешной работы недостаточно было выгравировать щель в одной из внешних поверхностей линии. Было очевидно, что возбуждение могло осуществляться в этом случае благодаря разрывам токов на внешней пластине, но в то же время возникали нежелательные виды колебаний, как результат «разбаланса» напряжений, создаваемого на внешних пластинах этим асимметричным устройством, что подтвердилось также и на опыте. Первая щель, которая использовалась при опытах, имевшая длину ½ ло и ширину 1/20 ло, показала заметную боковую утечку от внешних пластин, обусловленную присутствием плоскопараллельного вида колебаний, подавление которого было существенным для надлежащей работы излучающего элемента. На основе предыдущего опыта по технике подавления отдельных видов колебаний было установлено, что короткозамыкающие штырьки вдоль центрального проводника в областях входа и выхода щели поддерживают надлежащий баланс напряжений между внешними пластинами.

Наряду со значительным подавлением нежелательных видов волн, существующих в линии, эти штырьки оказывают значительное влияние на сопротивление щели, вокруг которой они установлены. Так как расчет истинного сопротивления щели вне зависимости от параметров, влияющих на него, является достаточно трудоемким, было решено осуществить согласование этой одиночной связанной щели целиком экспериментальными средствами. Окончательная конструкция излучающего элемента представляла собой щель длиной 3/5 ло и шириной 1/20 ло, включенную последовательно с трехплоскостной линией, с волновым сопротивлением 90 ом, нагруженную на расстоянии 1/10 ло от центра щели сопротивлением холостого хода.

Щель, согласованная с воздушным пространством при КСВН 1,1 на частоте 9375 МГц, имеет при связи с отрезком волновода размерами 25,4X38,1 мм и при согласованной нагрузке КСВН 1,6. Эта величина приблизительно равна отношению их характеристических сопротивлений: для воздуха 377 ом и для волновода 235 ом на 9375 МГц. Щелевые переходы такого рода успешно использовались при экспериментах.

2.2 Выбор схемного решения СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ПЛОСКОСТИ Е И Н После разработки подходящего излучающего элемента необходимо было определить лучший метод подачи энергии правильной величины и фазы к решетке из этих элементов. Благодаря удобству формы трехплоскостная линия может быть использована для получения почти бесконечного числа видов делителей мощности. Простейший делитель мощности представляет собой соединение, в котором линия с характеристическим сопротивлением Zo разделяется на две параллельные линии, каждая из которых имеет характеристическое сопротивление 2Zo.

а б Рисунок 2.1 — Двухканальные делители мощности, а —Т-образный; б — линейный Две возможные конфигурации этого типа показаны на рисунке 2.1, а и б. Рисунок 2.1, а представляет Т-образное соединение, являющееся полосковым аналогом коаксиального Т-образного соединения. На рисунке 2.1,б показано линейное соединение, которое более удобно для передающих линий полоскового типа. Сравнивая формы этих двух сочленений, можно видеть, что линейный тип представляет более плавный переход, чем Т-образный. Это подтверждается кривыми на рисунке 2.2, которые выражают зависимость КСВН от частоты в 12%-ой полосе частот со средней частотой 9375 МГц. Согласование линейного делителя осуществлено с КСВН, меньшим 1,10 в 5%-ной полосе частот и меньшим 1,18 во всей 12%-ной полосе, в то время как лучшее согласование, полученное с Т-образным делителем, было всего 1,22. Следует отметить, что впадина в центре каждой кривой обусловлена, по крайней мере, частично тем, что наилучшее согласование нагрузки произведено на средней частоте диапазона. Однако КСВН нагрузки во всем диапазоне был меньше 1,12.

Комбинация трех столь простых двухканальных линейных соединений может быть использована для синфазной передачи равных количеств мощности четырем отдельным линиям (рис. 2.3,а).

Рисунок 2.2 — График зависимости КСВН от частоты для соединений, а и б на рис. 2.1

Развитие такого подхода может происходить в направлении создания делителя мощности для питания линий, число которых кратно двум, с сохранением эквифазной характеристики делителя мощности.

Трехканальный делитель с равным расщеплением мощности может быть выполнен расщеплением линии с характеристическим сопротивлением Zo на три линии, каждая из которых имеет характеристическое сопротивление 3Zo. Из рассмотрения трехканального делителя мощности на рисунке 2.3,б очевидно, что центральная ветвь в такой системе короче двух внешних. Эта асимметрия, нарушающая эквифазную характеристику соединения, может быть устранена простым искривлением центральной ветви так, чтобы сделать ее длину равной длине внешних ветвей. Делитель мощности, показанный на рисунке 2.3,б, обладает изменением мощности между плечами менее чем 0,3 Дб при измерении в 10%-ной полосе частот со средней частотой 9375 МГц.

а — четырехканальный делитель мощности; б — трехканальный делитель мощности Рисунок 2.3

Следующим шагом в разработке способов питания щелевых антенных решеток было получение разветвителя мощности, который мог бы делить мощность в любой желаемой пропорции. Подобное устройство, которое в дальнейшем будет называться прогрессивным делителем мощности, показано на рисунке 2.4, а рядом со щелевой решеткой, которую он должен питать (рис. 2.4, б). Все соединения этого делителя мощности должны быть рассчитаны так, чтобы удовлетворять основному уравнению параллельной цепи:

Измерения с прогрессивным делителем мощности этого типа показали, что максимальное отклонение составляет только 0,6 Дб в 10%-ой полосе частот на 9375 МГц.

а б

Рисунок 2.4 — 4-х щелевая решетка в плоскости Н (б) с питанием при помощи прогрессивного делителя мощности (а) В процессе разработки антенной решетки из 4 X 4 элементов, щели которой в плоскости Е, так же как и в плоскости Н, могли бы питаться сигналами, одинаковыми не только по мощности, но и по фазе, был выполнен делитель мощности, показанный на рисунке 2.5, а, который является устройством, не зависящим от частоты и возбуждающим все щели Е-плоскостной решетки, подавая на них синфазные сигналы. Это осуществляется за счет того, что все сигналы проходят пути равной длины от точки разветвления делителя мощности до питаемых ими щелей. Эквифазное возбуждение в плоскости Н с делителем мощности, изображенным на рисунке 2.4, будет осуществляться только на той частоте, на которой значение лL равно расстоянию между плечами по 90 ом. Поэтому на расчетной частоте 9375 МГц это расстояние делается равным лL.

а б Рисунок 2.5 — 4-х щелевая решетка в плоскости Е (б) с питанием при помощи четырехканального делителя мощности (а) Система делителя мощности, используемая для питания окончательной конструкции антенной решетки, состоящей из 4X4 щелей, представляет собой комбинацию делителей мощности, показанных на рисунке 2.4 и 2.5, и состоит из сочетания четырех прогрессивных делителей мощности, каждый из которых питает четыре связанные щели плоскости Н. Каждый из прогрессивных делителей мощности связан синфазно с одним плечом четырехканального делителя мощности.

3. Описание среды проектирования Microwave Office

3.1 Программы, входящие в состав пакета Microwave Office

Microwave Office (MWO) представляет собой полностью интегрированный пакет программ, предназначенный для разработки устройств СВЧ. Набор программ включает модуль VoltaireLS для линейного моделирования схем в частотной области, модуль VoltaireXL для нелинейного моделирования схем и модуль EMSight для трехмерного электромагнитного моделирования многослойных структур, а также разработанный позже модуль Artisan для проектирования печатных конструкций и топологии ИС. Последний продукт VSS (Visual System Simulator), выпущенный в начале 2002 г., позволяет выполнять моделирование систем связи на основании библиотек, состоящих более чем из 700 элементов устройств аналогово-цифровой обработки сигналов (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 — Структура пакета прикладных программ Microwave Office

Программа моделирования линейных или квази-линейных схем носит название VoltaireLS. Она прочно интегрирована в систему Microwave Office и активируется каждый раз, когда запрашиваются результаты анализа, которые можно получить без использования нелинейных моделей.

При добавлении какой-либо новой зависимости к отображаемым результатам, в общем случае, не требуется повторного перезапуска системы на расчет — она сразу появится на графике. Однако перезапуск понадобится, если эта зависимость выходит за рамки ранее выбранного метода анализа.

В пакете Microwave Office, за счет использования объектно-ориентированного подхода, система уравнений формируется непосредственно из схематического представления проекта без дополнительного преобразования в файл списка соединений.

Наличие инструмента Tuner позволяет наглядно демонстрировать поведение системы в зависимости от изменения того или иного номинала элемента или какого-либо физического параметра и, тем самым, глубже понять сущность исследуемых физических явлений. При назначении того или иного параметра элемента схемы на изменение не происходит никаких лишних действий со схемой, а значит, отклик схемы на изменение положения движка инструмента Tuner происходит почти мгновенно. Чем быстрее рассчитывается схема, тем динамичней и наглядней отображается полученная характеристика.

Модуль линейного анализа в частотной области включает обширную библиотеку моделей (более 450) сосредоточенных и распределенных элементов. Сюда входят полосковые, микрополосковые и копланарные, а также многие другие распространенные элементы, используемые для построения высокочастотных схем.

Программа нелинейного анализа называется VoltaireXL. Она также глубоко интегрирована в систему Microwave Office, как и линейный VoltaireLS, и активируется всякий раз, когда на отображение назначаются результаты нелинейного анализа, или когда в приближенной линейной задаче какой-либо параметр схемы требует нелинейного расчета.

В результате, пользователи имеют возможность настраивать и оптимизировать параметры схем в режиме реального времени. Это — одна из наиболее примечательных способностей продукта VoltaireXL. Простым щелчком мыши вы можете изменить, например, длину шлейфа, а затем наблюдать изменение характеристик схемы на диаграмме Смита или прямоугольных графиках в зависимости от того, как вы двигаете мышью.

При создании пакета Microwave Office стало возможно настраивать несложные нелинейные схемы фактически в реальном времени. Кроме того, основные модели элементов специально адаптированы для использования в методах нелинейного анализа. Например, узел между двумя последовательно включенными конденсаторами никогда не окажется неопределенным по постоянному току, как это было ранее в некоторых подобных программах.

В случаях, когда правильная модель используемого устройства отсутствует или эффект близкого расположения элементов подрывает точность модели, пользователи могут обратиться к модулю EMSight для проведения полного электромагнитного анализа, который представляет собой графическую среду для быстрого анализа электромагнитного поведения различных структур, наиболее часто встречающихся в высокочастотных интегральных схемах (RFIC), монолитных СВЧ микросхемах (MMIC), микрополосковых антеннах и высокоскоростных цифровых печатных платах.

Мощные графические возможности модуля EMSight позволяют пользователю наблюдать цветное трехмерное анимационное изображение токов высокой частоты, на котором отображается не только амплитуда, но и направление этих токов, что позволяет получить новое представление о поведении СВЧ структур. Кроме того, имеется широкий набор «традиционного» представления расчетных данных, таких как диаграммы Смита, графики в прямоугольной и полярной системах координат и таблицы данных.

Благодаря встроенному интерфейсу импорта/экспорта программа может сохранять данные в стандартных форматах промышленных систем, например Touchstone, что делает возможным использование их другими популярными системами линейного и нелинейного анализа производства компаний Ansoft, HP EEsof, Optotek и др. Также EMSight импортирует и экспортирует файлы системы Sonnet Geo, что делает его идеальным графическим редактором для пользователей системы Sonnet EM.

Значительное внимание в пакете уделяется анализу СВЧ антенн. Как правило, это плоские микрополосковые антенны, однако ничто не мешает моделировать более сложные объемные излучающие структуры в виде комбинации полигонов и проводящих межслойных соединений, не забывая соблюдать основное правило — толщина каждого такого слоя должна быть много меньше длины волны.

Помимо передаточных характеристик, в результате расчета возможно построение диаграмм направленности в дальней зоне (RHCP, LHCP, EPhi и ETheta) на разных частотах. При наличии внешних цепей запитки антенны, построенных на основе библиотечных моделей, возможно применение инструмента Tuner для отслеживания изменения диаграммы направленности антенны в зависимости от параметров этих цепей.

Выглядеть, однако, это будет не столь эффектно, как в простых линейных или нелинейных задачах, так как электродинамический анализ занимает обычно несколько минут. Для удобства использования электромагнитных модулей в них можно вводить так называемые внутренние порты.

Обычно они используются для включения в электродинамически анализируемую подложку СВЧ интегральной схемы внешней модели кристалла полевого транзистора или для подключения микрополосковой антенны к симметричной линии, так как в этих случаях оба вывода порта остаются незаземленными.

3.2 Расчет характеристик антенн Поскольку EMSight рассчитывает поля внутри металлического бокса, необходимо сделать несколько предположений, учитываемых при вычислении функции излучения. Одно из них состоит в том, что боковые стенки корпуса расположены достаточно далеко и что они не имеют значительного влияния на электрическое поле на границах корпуса. Всегда желательно просмотреть электрическое поле на верхней границе корпуса после анализа антенны. Это позволяет быстро проверить справедливость высказанного предположения. Если величина электрического поля вблизи стенок корпуса очень мала, то высказанное предположение справедливо. Если же электрическое поле на ближней грани относительно велико, то поля взаимодействуют с боковыми стенками, и это предположение не имеет силы.

Угломестная диаграмма направленности E-Phi (при изменении Тета): PPC_EPhi

Эта характеристика (рис. 3.2) определяется как срез по горизонтальной плоскости или развертка по углу, поляризованная по E, эта характеристика устанавливает значения частоты и Phi при изменении от -90 до 90 или от — /2 до /2 в радианах.

Задание на расчет характеристики PPC_EPhi

Имя EM структуры Подсхема от 1 до1000 портов

Фиксированные (градусы) Реальное значение от -90 до 90

Индекс частоты Целое число от 1 до 1000

Эта характеристика имеет комплексное значение, которое представляет нормированное излучение поля в дальней зоне в указанном направлении и с заданной поляризацией. Она пропорциональна мощности излучения антенны (3.1):

(3.1)

Эта характеристика не учитывает рассогласование или резистивные потери. Результат — эквивалент волновой переменной в указанном направлении, такой, что |result|2 является частичной направленностью в этом конкретном направлении. Это позволяет создавать антенные решетки этих элементов, просто суммируя комплексные результаты нескольких элементов. Важно, что фазовый центр измерения зафиксирован в центре верхней поверхности корпуса. Результат может быть отображен как реальное значение, определяя модуль, угол, реальную или мнимую составляющую. Это значение может также быть отображено в dB, выбирая опцию «dB». Независимая ось для этого измерения находится в угловых единицах.

Рисунок 3.2 — Угломестная диаграмма направленности антенны

Это комплексная характеристика может быть отображена в таблице. Модуль, угол, реальная или мнимая составляющие могут также быть отображены на диаграмме направленности, прямоугольном графике или таблице. Левосторонняя круговая поляризация (изменение Тета): PPC_LHCP

Эта характеристика (рис. 3.3) является диаграммой направленности по срезу горизонтальной плоскости при левосторонней поляризации или при развертке угла при фиксировании значения частоты и и изменении от -90 до 90 или от -/2 до /2 в радианах. Левосторонняя круговая поляризация — линейная комбинация E и E, как определено ниже:

Для расчета характеристики необходимо задать Имя EM структуры Подсхема от 1 до1000 портов

Фиксированный угол (градусы) от -90 до 90

Индекс частоты от 1 до 1000

Эта характеристика является комплексной величиной, которая представляет нормированное поле излучения в дальней зоне в указанном направлении и заданной поляризации. Этот результат пропорционален интегральной мощности и рассчитывается по формуле:

(3.2)

Эта величина не отражает влияние рассогласования или резистивных потерь. Результат — эквивалент волновой переменной в указанном направлении, такой, что |result|2 является частичной направленностью в этом конкретном направлении. Это позволяет создавать антенные решетки этих элементов, непосредственно прибавляя комплексные результаты нескольких элементов. Важно, что фазовый центр измерения зафиксирован в центре верхней поверхности корпуса. Результат может быть отображен как реальное значение, определяя величину, угол, реальную или мнимую составляющую в диапазоне измерения.

Рисунок 3.3 — Угломестная диаграмма направленности левосторонней поляризации антенны Эта комплексная характеристика может быть отображена в таблице. Модуль может быть отображен на чертеже антенны, прямоугольной сетке или таблице. Угол, реальная или мнимая составляющие могут также быть отображены на прямоугольном графике или таблице.

Правостороння круговая поляризация (развертка по): PPC_RHCP

Блок развертки с правосторонней круговой поляризацией. Это измерение устанавливает значения частоты и Phi при перемещении от -90 до 90 или от — /2 до /2 в радианах. Правосторонняя круговая поляризация — линейная комбинация E и E как определено ниже.

Для расчета характеристики необходимо задать Имя EM структуры Подсхема от 1 до1000 портов

Фиксированные (градусы) Реальное значение от -90 до 90

Индекс частоты Целое число от 1 до 1000

Это измерение возвращает комплексное значение, которое представляет нормированное излучение поля в дальней зоне в указанном направлении и поляризации. Этот результат нормализован к интегральной мощности (для всех типов поляризации) в верхнем полушарии:

(3.3)

Измерение не отражает влияние рассогласования или резистивных потерь. Результат — эквивалент волновой переменной в указанном направлении, такой, что |result| 2 является частичной направленностью в этом конкретном направлении. Это позволяет создавать антенные решетки этих элементов, непосредственно прибавляя комплексные результаты множества элементов. Важно, что фазовый центр измерения зафиксирован в центре верхней поверхности корпуса. Результат может быть отображен как реальное значение, определяя величину, угол, реальную или мнимую составляющую в диалоге измерения. Это значение может также быть отображено в dB, выбирая опцию «dB».

4. Моделирование в пакете прикладных программ MICROWAVE OFFICE

4.1 Расчет делителя мощности При разработке устройств СВЧ различного назначения широкое применение находят делители и сумматоры мощности. Делители мощности распределяют мощность, поступающую на вход, между несколькими выходными каналами. Сумматоры обеспечивают сложение мощностей, поступающих на несколько входных каналов, в общей нагрузке. Делители и сумматоры мощности являются, как правило, взаимными устройствами, т. е. могут выполнять и деление, и суммирование мощности. В зависимости от назначения делители мощности осуществляют равное или неравное деление на два или большее число каналов. К делителям и сумматорам мощности могут предъявляться самые разнообразные требования, которые определяются их применением. Делители мощности фазированных антенных решеток должны обеспечивать в выходных плечах заданное амплитудно-фазовое распределение, которое формирует требуемую диаграмму направленности решетки. Делители могут быть выполнены на основе последовательных или параллельных схем. Выбор того или иного схемного решения производится исходя из технических требований к устройству, с учетом технологических возможностей их реализации.

Рисунок 4.1 — Топология делителя мощности на основе гладких переходов Делитель мощности последовательного типа является одним из наиболее простых делителей на гладких переходах (рис. 4.1). Условие согласования такого делителя

Yi = Yi+1 + Yi+2,

где Y — волновые проводимости соответствующих линий. Распределение мощности зависит от соотношения волновых проводимостей выходных линий передачи. В частности, равномерному распределению мощности соответствует

Y2 = Y4 = Y6 (Y5 = Y6).

Для согласования на входе и выходах этого делителя могут быть включены трансформирующие четвертьволновые секции. Недостатком делителя на основе гладких переходов является низкое переходное затухание между каналами.

Простейшей схемой параллельного типа является делитель мощности, выполненный в виде многолучевой звезды. На рисунке 4.2 показана схема делителя, входные и выходные плечи которого имеют равные волновые сопротивления Z0. Согласование осуществляется с помощью четвертьволнового отрезка линии передачи, волновое сопротивление которой

где N — число входных плеч.

Рисунок 4.2 — Электрическая схема делителя мощности в виде многолучевой звезды Делитель мощности, используемый в данной работе, включает в себя оба вида, представленных на рисунках 4.1 и 4.2.

Все соединения делителя на основе гладких переходов мощности были рассчитаны так, чтобы удовлетворять основному уравнению параллельной цепи:

Линия на входе этой системы имеет характеристическое сопротивление 22,5 Ом и питает, с делением мощности 3:1, две линии, с характеристическим сопротивлением 30 и 90 Ом. Линия с сопротивлением 30 Ом делится в свою очередь на линию 45 Ом и вторую линию 90 Ом, создавая в этом случае деление мощности 2:1. Наконец, мощность в линии 45 Ом снова делится на две равные части в двух линиях по 90 Ом.

Для согласования и распределения мощности между стандартным портом на 50 Ом и четырьмя линиями по 22,5 Ом необходимо рассчитать сопротивления всех участков и четвертьволновых отрезков согласующих линий.

При расчете согласующих линий воспользуемся формулой:

где Z01 — сопротивление согласующего отрезка; Z1, Z2 — сопротивления согласуемых отрезков.

На рисунке 4.3 показаны значения характеристических сопротивлений всех отрезков делителя мощности.

Рисунок 4.4 — Значения характеристических сопротивлений всех отрезков делителя мощности Для согласования участков в 90 Ом и 22,5 Ом хорошо подходит трех конечный делитель с сопротивлением участков по 45 Ом. Входной порт имеет расчетное сопротивление 45 Ом. При моделировании рассмотрим вариант с использованием порта в 50 Ом и при необходимости добавим согласующий отрезок.

По имеющимся данным можно рассчитать геометрические размеры делителя, с помощью приложения TxLine.

Для того, чтобы открыть это приложение нужно открыть Tools=>TxLine, после чего откроется окно, приведенное на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 — Окно TxLine

Перемещаясь по вкладкам данного приложения можно выбрать нужную структуру линии.

Для проведения расчета необходимо задать параметры диэлектрика и проводника: в графе Material Parameters выбираем диэлектрик и проводник. Если в предложенных вариантах нет выбранных материалов, то их параметры можно задать самому: у диэлектрика задаем диэлектрическую проницаемость и тангенс потерь, а у проводника — только проводимость.

В графе Electrical Characteristics задаем: нормированное волновое сопротивление, частоту и длину волны.

В графе Physical Characteristic задаем только толщину диэлектрика и толщину проводящего слоя.

Аналогичный расчет проводим для всех отрезков с различными сопротивлениями.

Проведенный расчет для полосковых линий при заданных условиях: частота (f = 9375 МГц), диэлектрическая проницаемость (е = 2,4), тангенс угла диэлектрических потерь (Tang = 0,003), толщина диэлектрика (В = 1 мм), толщина полосков (Т = 0,05 мм) дал следующие результаты, приведенные в таблице 4.1

Таблица 4.1 — Геометрические размеры

4.2 Построение схемы делителя мощности В данном пункте приведены модели делителя мощности, полученные в двух модулях программы Microwave Office: EM Structure (рис. 4.9) и Circuit Schematics (рис. 4.5).

Для начала, на рабочее поле выносится вид микрополосковой линии, из которой строится вся схема. В поле, где находится дерево проекта, открываем вкладку Elem и выбираем заголовок Substrates, в открытой библиотеке находим SSUB и перетаскиваем на рабочее поле при помощи мыши.

Щелкнув два раза по одному из значений параметров МПЛ можно изменить все значения, полученные в расчетах.

Для построения самой схемы используются элементы из папки Microstrip => Lines => SLIN.

Для добавления порта открываем Draw => Add Port после чего, при помощи мыши, помещаем его на рабочее поле. Для поворота порта используется правая клавиша мыши.

а б

Рисунок 4.5 — Делитель мощности, а — схема электрическая принципиальная; б — топология При расчете были рассмотрены два варианта толщин диэлектрика и проводящих дорожек. При увеличении толщины диэлектрика с 1 мм до 2 мм и толщины проводящих дорожек с 0,05 мм до 0,1 мм происходит изменение характеристик с ухудшением примерно в 2,5 раза. После использования оптимизации габаритов, для получения наиболее лучших характеристик, получены результаты, что увеличение длин всех участков с 5,16 мм до 6,7 мм, дают более высокие характеристики.

Построение модели делителя мощности в модуле EM Structure производится по данным, полученным после моделирования в модуле Circuit Schematics.

Установим необходимые настройки: зададим размеры корпуса; толщины и электрические параметры диэлектриков, проводящих материалов и металлизации.

Для задания размеров корпуса, в окне Project, откроем вкладку Enclosure, откроется диалоговое окно Substrate information

Зададим размеры корпуса (60×65 мм) и разбиение на элементарные ячейки по двум координатам (X;Y), получаем шаг координатной сетки = 0,1 мм.

Рисунок 4.6 — Диалоговое окно Substrate information

Для задания параметров диэлектрических слоев открываем вкладку Dielectric Layer.

Здесь мы задаем для каждого слоя толщину, диэлектрическую проницаемость, тангенс потерь, толщину проводника и кратность увеличения толщины для просмотра 3D-модели.

Слой 1 — воздух; слой 2 — диэлектрик (2,4); слой 3 — диэлектрик (2,4).

Рисунок 4.7 — Вкладка Dielectric Layer

В данной вкладке производится выбор толщины материалов для проводников. Для задания их параметров в окне Project, откроем вкладку Materials и, выбрав нужный материал, зададим его параметры в открывшемся диалоговом окне. В данном окне необходимо задать только физические параметры материала: его толщину и проводимость; электрические параметры рассчитываются автоматически. Также есть возможность изменить цвет отображения материала по своему усмотрению.

Рисунок 4.8 — Диалоговое окно для задачи свойств проводящего материала После установки всех необходимых параметров приступаем к созданию топологии в ЕМ Structure.

Заблаговременный расчет координат каждого отрезка на поле корпуса значительно облегчает создание топологии.

Выбираем слой 3 для создания топологии делителя мощности.

На панели задач выбираем Draw=>Add Rect Conductor

Выносим курсор на поле ЕМ Structure и нажимаем на клавиатуре TAB, в появившемся окне задаем первую точку четырехугольника:

Поле задания координат опять нажимаем на клавиатуре TAB и задаем его размеры по координатам X и Y:

Подобную операцию проделываем с каждым отрезком, после выделяем все с помощью мыши и правой кнопкой, открыв окно Mesh/Material Properties=>Conductor Properties выбираем нужный материал. Для установки порта нужно выделить участок, куда будет установлен порт, и выполнить Draw=>Add Via Port. После установки задаем его размер с помощью мыши, вытягивая его на нужную длину.

а б Рисунок 4.9 — Делитель мощности, а — топология в EM Structure;

б — объемная топология

4.3 Частотный анализ делителя мощности Основными характеристиками делителя мощности являются КСВН и равномерность деления мощности, которую можно проверить с помощью S — параметров.

Для проверки созданной топологии на соответствие выходных и заданных характеристик используется анализатор, симулирующий реальную работу такого устройства на заданных частотах.

Для задания параметров анализа откроем Options=>Project Options

и зададим стартовую, конечную частоту и шаг. Настройки остальных вкладок можно оставить по умолчанию.

После задачи частот, на которых будет проводится анализ, нужно запустить Simulate=>Analyze.

После проведенного анализа и вывода результата проделанной работы, нужно добавить графики и указать, какие диаграммы добавить.

Откроем Project=>Add Graph. В открывшемся окне ничего изменять не надо, по желанию можно изменить название графика. После откроем Project=>Add Measurement. В данном окне выбирается график, на который нужно добавить диаграммы, после откроется окно, в котором надо указать вид диаграммы:

Meas. Type=>Linear

Measurement=>VSWR

Data Source Name=> Schematic или EM Structure

Проведенный анализ структуры делителя мощности в модуле Circuit Schematics, при расчетной длине всех участков равной 5,16 мм дает КСВН равный 1,87 (рис. 4.10)

Рисунок 4.10 — КСВН при L=5,16

При увеличении длин этих участков до 6,7 мм КСВН, на частоте 9,375 ГГц, уменьшается до 1,04 (рис. 4.10). После моделирования данной структуры в модуле EM Structure и проведения частотного анализа — КСВН=1,14 (рис. 4.11, 4.12). Эту разницу в полученных результатах можно объяснить отличием механизма анализа в обоих модулях Microwave office. В модуле EM Structure проводится анализ электромагнитных полей действующих в каждой ячейке структуры, в модуле Circuit Schematics производится анализ протекающих токов.

Рисунок 4.11 — КСВН при L=6,7

Рисунок 4.12 — КСВН при L=6,7 в EM Structure

При рассмотрении коэффициентов деления воспользуемся S — параметрами (рис. 4.13). На графиках видно, что мощность равномерно распределяется между всеми плечами делителя.

Рисунок 4.13 — Распределение мощности

4.4 Проектирование антенной решетки Щели, прорезанные на верхней стенке микрополосковой линии, создают некоторую неоднородность и вызывают соответствующие отражения волн. При расположении соседних щелей на расстоянии d, равном, указанные отражения будут складываться и сильно увеличивать КСВ в начале волновода, что затрудняет решение задачи согласования, особенно в полосе частот. Такие антенны называются резонансными. Для устранения указанного недостатка, можно осуществлять согласование каждой отдельной щели, например, с помощью реактивных штырей, или выполнять антенну из щелей, расположенных на расстоянии d не равном. В последнем случае на конце волновода во избежание отражений, приводящих к возрастанию боковых лепестков, устанавливается неотражающая нагрузка и щели возбуждаются бегущей по волноводу электромагнитной волной с некоторым сдвигом фаз, зависящим от. В поглощающей нагрузке теряются 5 — 20% входной мощности антенны. При отражения от антенных щелей в значительной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок к единице в полосе частот. Щелевая антенна с согласованной нагрузкой называется нерезонансной и обладает лучшими диапазонными свойствами, чем резонансная щелевая антенна.

Размеры щели выбираем из отношений длины л/2 и ширины л/20. При проведении анализа рассмотрим вариант с коротко замыкающими штырями и без.

Рисунок 4.14 — 3D топология антенны

4.5 Частотный анализ модели Для частотного анализа были выбраны следующие характеристики:

— PPC_EPhi — Диаграмма направленности в азимутальной плоскости (при изменении);

— PPC_LHCP — Левосторонняя круговая поляризация;

— PPC_RHCP — Правосторонняя круговая поляризация (при изменении).

Вывод частотной характеристики.

Угломерная ДН EPhi (при изменении), ДН Е- (развертка), полная мощность излучения (развертка по).

Для просмотра ДН добавьте новый график:

1. Выберите Project > Add Graph. Появляется диалог Create Graph.

2. Выберите Antenna Plot как Graph Type и кликните ОК.

3. Кликните на Graph правой кнопкой мыши.

4. Выберите Project > Add Measurement. Появляется диалог Add Measurement.

5. Выберите Antenna в Meas. Tape, выберите Antenna как Data Source, Name, выберите PPCEPhi в Measurement кликните ADD, аналогично поступаем с PPC_LHCP и PPC_RHCP, затем ОК.

Угломестная диаграмма направленности E-Phi (при изменении): PPC_EPhi

Эта характеристика (рис. 4.15) определяется как срез по горизонтальной плоскости или развертка по углу, поляризованный по E. Эта характеристика устанавливает значения частоты и Phi при изменении от -90 до 90 или от — /2 до /2 в радианах.

Задание на расчет характеристики PPC_EPhi

Имя EM структуры Подсхема от 1 до1000 портов

Фиксированные (градусы) Реальное значение от -90 до 90

Индекс частоты Целое число от 1 до 1000

Рисунок 4.15 — Диаграмма направленности антенны

— с короткозамыкающими штырями

— без короткозамыкающих штырей При добавлении короткозамыкающих штырей удалось уменьшить боковые лепестки и увеличить основной.

Левосторонняя круговая поляризация (изменение): PPC_LHCP

Эта характеристика (рис. 4.16) является диаграммой направленности по срезу горизонтальной плоскости при левосторонней поляризации или при развертке угла при фиксировании значения частоты и и изменении от -90 до 90 или от -/2 до /2 в радианах. Левосторонняя круговая поляризация — линейная комбинация Eи и E?:

Для расчета характеристики необходимо задать Имя EM структуры Подсхема от 1 до1000 портов

Фиксированный угол (градусы) от -90 до 90

Индекс частоты Целое число от 1 до 1000

Рисунок 4.16 — Диаграмма направленности с левосторонней круговой поляризацией антенны Правосторонняя круговая поляризация (развертка по): PPC_RHCP

Блок развертки с круговой правосторонней поляризацией. Это измерение устанавливает значения частоты и ц при перемещении от -90 до 90 или от — /2 до /2 в радианах. Круговая правосторонняя поляризация — линейная комбинация E и E.

Для расчета характеристики необходимо задать

Имя EM структуры Подсхема от 1 до 1000 портов

Фиксированные (градусы) Реальное значение от -90 до 90

Индекс частоты Целое число от 1 до 1000

Рисунок 4.17 — Диаграмма направленности с правосторонней поляризацией антенны

Сравним результаты расчетов диаграмм направленности, полученные с помощью пакета прикладных программ Microwave Office с диаграммой направленности реальной антенны (рис. 4.18), полученной экспериментально.

Рисунок 4.18 — ДН реальной антенны, полученная экспериментально Пакет Microwave Office рассчитывает нормированные диаграммы направленности. Но, тем не менее, из проведенного сравнения видно, что по форме диаграммы направленности совпадают, разница в ширине лепестков.

5. Безопасность условий труда

5.1 Основные положения Целью данного раздела является анализ санитарно-гигиенических условий труда, идентификации, оценке опасных и вредных производственных факторов рабочего места, включающего персональную электронно — вычислительную машину (ПЭВМ) и принятии защитных мер.

Основным законом трудового законодательства является закон о труде (ЗОТ). ЗОТ содержит основные положения об охране труда, устанавливает рабочее время для рабочих и служащих, время отдыха, условия труда для женщин и несовершеннолетних. ЗОТ устанавливает ответственность администрации предприятия за травматизм на производстве, порядок надзора и контроля за выполнением требований по технике безопасности. Техника безопасности, являющаяся основной частью охраны труда, предусматривает технические и организационные мероприятия, обеспечивающие безопасный труд. Для отрасли электронной промышленности разработаны специальные правила безопасности, которые утверждены Госкоминспекцией, Госэнергонадзором, Главным управлением пожарной охраны (ГУПО).

Процесс выявления и анализа санитарно-гигиенических условий труда, опасных и вредных производственных факторов рабочего места начинается с выявления опасных и вредных производственных факторов, характеристика которых приведена в таблице.

Символами «О» и «Н» в таблице отмечены факторы опасности соответственно «опасно» и «нормально». В первый столбец записываются вредности и опасности, обнаруженные на аналогичном рабочем месте предприятия. Во втором столбце соответствующие количественные показатели обнаруженных опасностей, в третьем — информация, которая характеризует осуществляемые проектные условия.

Таблица 5.1 — Характеристика санитарно-гигиенических условий труда, опасных и вредных производственных факторов на рабочих местах в фактических условиях и по проекту.

5.2 Микроклимат Несоблюдение нормативных параметров микроклимата приводит к быстрому общему утомлению, возникновению простудных заболеваний и заболеваний органов дыхания.

Рабочее место удовлетворяет нормальным условиям труда по ГОСТ 12.1.005−88 легкая Iб:

В помещении обеспечиваются следующие нормы:

содержание пыли в воздухе не более 0.2 мг/м3;

температура х: +21−23 °С температура т: +22−24 °С скорость движения воздуха <0,1 м/с относительная влажность 40−60%

абсолютная влажность 10 г/м3

высота помещения соответствует общепринятым санитарным нормам (3 метра);

в помещении происходит четырехкратный обмен воздуха в час.

Микроклиматические условия в рабочей зоне помещения определены в соответствии с ГОСТ ССБТ 12.1.005−88.

Для поддержания нормативного микроклимата в помещении предусмотрены стандартные системы отопления и вентиляции, а также кондиционирования.

5.3 Освещение рабочего места Освещение в помещении может быть естественным и искусственным.

Естественное освещение в дневное время обеспечивается через оконные проемы. В вечернее время помещение освещается с помощью люминесцентных ламп. Освещение на рабочем месте обеспечивается не менее 500 лк, что соответствует СНиП 23−05−95. В зоне размещения ЭВМ с монитором с малой интенсивностью свечения уровень освещенности должен быть в пределах 300−500 лк.