Электродинамический анализ излучающих структур лабиринтного типа

Актуальность работы. В антенной технике получение высокой направленности, уменьшение габаритов антенн и увеличение их диапазонности являются основными руководящими принципами [1,2].

Малогабаритные и конформные антенные устройства остаются насущной потребностью для средств радиосвязи самого различного назначения.

Современные средства подвижной радиосвязи нуждаются в простых и надежных антенных устройствах, способных по своим характеристикам стать альтернативой традиционным штыревым излучателям, а также обладающих рядом преимуществ, таких как малогабаритность, возможность скрытного размещения на объекте. В ряде случаев требуются антенно-фидерные устройства, не раскрывающие свою принадлежность к системам специальной радиосвязи.

Кроме того, в практике разработки антенн необходимо решать сложные вопросы повышения механической прочности, снижения веса, достижения относительной простоты конструкции.

Объекты подвижной радиосвязи в настоящее время оснащаются, как правило, большим количеством радиостанций. Поэтому все большую актуальность приобретает проблема размещения значительного количества антенно-фидерных систем на площади ограниченных размеров.

Одним из путей решения перечисленных проблем является использование малогабаритных излучателей и антенных решеток на их основе.

Трудности, связанные с уменьшением размеров антенн, которые когда-то представлялись принципиальными, в настоящее время преодолены путем использования новых подходов к построению и анализу излучающих структур.

В антенной технике нашли свое отражение результаты миниатюризации различных узлов радиотехнической аппаратуры, что привело к широкому использованию на СВЧ микрополосковых антенн и антенных решеток на их основе [3,4].

Построение электродинамических моделей рассматриваемых излучающих структур проводится с использованием методов теории волноводов [5,6] и универсальных численных методов решения задач электродинамики [7,8].

В ряде монографий [9−16] глубоко и полно освещены особенности построения и анализа характеристик микрополосковых антенн.

Проблема миниатюризации АФУ на УКВ заключается в следующем. Традиционные электрически малые антенны (короткие вибраторы), как отмечено в [17,12,11], имеют небольшое сопротивление излучения, большую реактивную составляющую входного сопротивления и, как следствие, узкую полосу частот и низкий КПД. Использование низкопрофильных антенн (НПА) в виде металлического диска над проводящим экраном не дает большого выигрыша в габаритах, так как становятся велики поперечные размеры АФУ. Кроме того, по коэффициенту усиления они проигрывают четвертьволновому штырю.

Актуальным для диапазона УКВ представляется использование нетрадиционного подхода к построению излучающих элементов, суть которого — в использовании в излучающем элементе лабиринтной структуры в виде взаимосвязанных объемных резонаторов определенной конфигурации.

Известно достаточно большое количество вариантов конструктивного исполнения малогабаритных низкопрофильных излучателей, построенных по этому принципу, отличающихся своими диапазонными свойствами, видом формируемой диаграммы направленности (ДН), массо-габаритными характеристиками [18−32]. Наиболее полный перечень таких устройств, защищенных авторскими свидетельствами, представлен в [33].

Из-за сложности строгого решения задачи об излучении в рамках электродинамической теории достаточно полное теоретическое исследование подобных излучателей можно провести численно, используя обоснованные электродинамические модели. Развитие такого метода теоретических исследований определили работы [7,8,34−36], а также приведенные в [36].

По совокупности предъявляемых к антенно-фидерным устройствам требований наибольший интерес с точки зрения использования в составе систем мобильной радиосвязи на стационарных и подвижных объектах представляют [18,19,28]. Эти излучающие структуры и малоэлементные антенные решетки на их основе исследовались теоретически и экспериментально в настоящей работе, что можно считать продолжением решения задач в рамках исследовательских направлений, сформулированных в [37,33].

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является: построение электродинамических моделей дисковой и цилиндрической излучающих структур лабиринтного типа;

— учет ограниченных размеров экранирующей поверхности, на которой размещена излучающая структура;

— проведение электродинамического анализа характеристик как отдельных излучателей, так и малоэлементных антенных решеток с учетом взаимного влияния между элементами и ограниченности экрана.

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, предусматривают решение следующих задач:

1. Анализ излучающих структур, перспективных с точки зрения использования в мобильных системах связи.

2. Построение математических моделей дисковой и цилиндрической излучающих структур лабиринтного типа.

3. Решение задачи о возбуждении конического вибратора с тонким металлическим диском.

4. Решение задачи о возбуждении цилиндрической излучающей структуры лабиринтного типа.

5. Оценка влияния ограниченных размеров экранирующей поверхности на характеристики излучения.

6. Анализ электродинамических характеристик малоэлементной АР с учетом взаимного влияния между излучателями.

7. Экспериментальные исследования рассматриваемых излучающих структур и антенных решеток на их основе.

Результаты и положения, выносимые на защиту. Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать основные положения и результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

1. Эффективные на электродинамическом уровне строгости математические модели дисковых излучающих структур лабиринтного типа.

2. Решение задачи о возбуждении конического вибратора с диском на вершине в приближении заданного распределения поверхностного тока.

3. Решение задачи о возбуждении цилиндрической излучающей структуры лабиринтного типа на основной моде возбуждения на основе математического аппарата тензорных функций Грина.

4. Оценка взаимного влияния и влияния ограниченных размеров экранирующей поверхности на характеристики дисковых излучателей и малоэлементных антенных решеток на их основе.

5. Методика инженерного расчета электродинамических характеристик малоэлементных антенных решеток на основе дисковых излучающих структур лабиринтного типа.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

— на электродинамическом уровне строгости получено решение задачи о возбуждении конического вибратора с диском на вершине;

— в строгой постановке построена электродинамическая модель цилиндрической излучающей структуры лабиринтного типа на основной моде возбуждения;

— исследовано излучение дисковой структуры, расположенной на ограниченном экране прямоугольной формы;

— на основании разработанной электродинамической модели проведена оценка взаимного влияния дисковых излучателей;

— в приближении малоэлементных антенных решеток построена электродинамическая модель и исследованы характеритики плоской решетки из дисковых излучателей лабиринтного типа с учетом ограниченного экрана и взаимного влияния между элементами.

Реализация результатов. Представленные в диссертационной работе электродинамические модели излучающих структур лабиринтного типа использовались при анализе характеристик АФУ, разрабатываемых для средств подвижной радиосвязи в рамках НИОКР в Воронежском

НИИ «Вега» и ФНПЦ «Воронежский НИИ связи», что подтверждено актами внедрения.

Использование результатов работы позволило провести расчет и анализ характеристик малогабаритных излучающих структур, что определило в дальнейшем возможность практической реализации оригинальных схемотехнических решений на основе этих излучателей.

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при разработке малогабаритных антенно-фидерных систем, в том числе для средств подвижной радиосвязи, а также в качестве учебного материала по курсу теории антенн.

Краткое содержание работы. Глава 1 посвящена электродинамическому анализу дисковых излучающих структур лабиринтного типа. С использованием аппарата тензорных функций Грина построены математические модели рассматриваемых излучающих структур в двух режимах излучения как на бесконечном экране, так и на ограниченном. Учет ограниченных размеров экрана особенно актуален для излучающих устройств систем подвижной радиосвязи, где геометрические размеры объекта размещения соизмеримы с рабочей длиной волны. Проанализировано влияние конструктивных размеров излучателей на их характеристики. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований дисковых излучающих структур лабиринтного типа.

В главе 2 в строгой постановке решена задача об излучении цилиндрической излучающей структуры лабиринтного типа. На основе представления тензорной функции Грина для ограниченных областей получено распределение поверхностной плотности электрического тока и сопротивление излучения на основной моде возбуждения антенны.

Исследовано влияние конструктивных размеров излучающей структуры на характер распределения плотности поверхностного тока и сопротивление излучения. Показано наличие медленно убывающего по амплитуде поверхностного тока вдоль проводящего цилиндра, приводящего к искажению формы диаграммы направленности и к смещению положения максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Полученные теоретические результаты сопоставлены с экспериментальными данными. Рассмотренная задача представляет большой практический интерес при построении коллинеарной антенны.

Глава 3 посвящена исследованию особенностей построения и анализу характеристик малоэлементных антенных решеток на основе излучающих структур лабиринтного типа.

Исследовано электромагнитное взаимодейтвие между дисковыми излучателями лабиринтного типа методом поэлементного учета (с помощью модели пары взаимодействующих излучающих структур).

Рассмотрены особенности построения малогабаритной антенной решетки на основе дисковых излучателей лабиринтного типа, обоснован выбор ее структуры. Изложена программно реализуемая методика расчета основных параметров АР.

Приведены результаты анализа влияния количества излучателей при нескольких вариантах построения малогабаритной антенной решетки для подвижного объекта на ее КНД и КПД. На основе полученных расчетных данных выбрана оптимальная с точки зрения направленности излучения структура АР.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы опубликованы в [38−54] и доложены на: di

Научно-практич. конф. «Интегральные волноводные и полосковые СВЧ элементы систем связи» (Куйбышев, 1987);

— Республ. науч.-техн. конф. «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости» (Винница, 1987);

— XVI, XVII отраслевых науч.-техн. конф. (Воронеж, 1987;1989);

— Всес. науч.-техн. семинаре «Технические средства обеспечения ЭМС подвижной службы связи» (Севастополь, 1988);

— III Всес. науч.-техн. конф. «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем на объемных интегральных схемах» (Суздаль, 1989);

— Международном симпозиуме «Разработка и использование персональных ЭВМ — ИНФО 89» (Минск, 1989);

— LV научной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 2000);

— I Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2001);

— VI, VII, VIII Международной НТК «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2000;2002);

— X Международной Школе-семинаре «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот» (Фрязино, 2002).

Выводы по главе.

В третьей главе работы проведено исследование особенностей построения и анализ характеристик малоэлементных АР на основе дисковых излучающих структур лабиринтного типа. Для достоверного расчета характеристик АР необходимы адекватные реальным устройствам электродинамические модели.

С целью построения модели малоэлементной антенной решетки из дисковых излучателей теоретически проведена оценка электромагнитного взаимодействия между ними в составе решетки. При этом взаимодействующие элементы рассматриваются попарно, а учет взаимного влияния между ними построен на использовании матрицы взаимных проводимостей, при расчете элементов которой использовано приближение заданного распределения тока. Приведено выражение для оценки взаимной проводимости дисковых излучателей с дисками радиуса а, расположенных на расстоянии р (между центрами дисков).

Полученные результаты позволили оценить, что взаимодействие между дисковыми излучателями при радиусе, а = 0,05 X существенно на расстоянии р0 < 0,7. В результате электромагнитного взаимодействия между излучателями в составе АР амплитудно-фазовое распределение (АФР) на излучателях отличается от АФР на входе решетки. Кроме того, изменяется Zex и ДН каждого излучателя в зависимости от его положения в плоскости раскрыва. Возможность количественной оценки этих изменений позволяет их компенсировать, используя согласующие (СУ), фазосдвигающие устройства.

В третьей главе также изложена программно реализуемая методика расчета основных параметров АР из дисковых излучателей, предусматривающая учет влияния размеров экрана, на котором размещены элементы, электромагнитное взаимодействие между ними и конкретное положение каждого элемента на экране. Приведены теоретические и экспериментальные результаты анализа характеристик АР.

Заключение

.

В работе проведено исследование дисковых и цилиндрических излучающих структур лабиринтного типа, а также малоэлементных антенных решеток на основе дисковых излучателей. Следует отметить, что поставленные в работе исследовательские задачи непосредственно связаны с практикой разработки антенно-фидерных устройств.

Подводя итог проведенной работы, необходимо привести следующие ее результаты.

1. Разработаны электродинамические модели дисковых излучающих структур лабиринтного типа, более полно отражающие их реальные излучающие свойства. Рассмотрены основные характеристики излучающей структуры лабиринтного типа на основной и первой моде возбуждения в условиях бесконечной экранирующей поверхности. Полученные численно-аналитические модели позволяют проследить зависимость основных характеристик рассмотренных излучающих структур от конструктивных параметров.

2. В приближении заданного распределения тока на излучателе проведен анализ характеристик излучения дисковой структуры на основной моде при использовании конического вибратора в излучающей части. Отмечено, что использование конического вибратора позволяет еще больше сократить габариты излучателя, расширить рабочую полосу частот в 1,5−2 раза и на 10−18% повысить КПД.

3. Приведены выражения для поля излучения дисковой структуры на ограниченной экранирующей поверхности произвольной формы, полученные с использованием ряда допущений, связанных со строгостью постановки задачи. Проведено исследование характеристик дискового излучателя на нулевой моде возбуждения в случае размещения на прямоугольной экранирующей поверхности. Показан характер изменения формы и направления максимума ДН с уменьшением размеров экрана. Возможность учета конечных размеров металлического экрана позволяет отразить в электродинамических моделях реальные условия размещения излучателей.

4. На основании строгого электродинамического подхода проведен анализ цилиндрической излучающей структуры лабиринтного типа. Применяя метод тензорной функции Грина к анализу излучающей структуры, ограниченной в продольном направлении, решена задача о распределении поверхностного тока для цилиндрического излучателя лабиринтного типа.

5. С использованием полученных выражений проведен анализ излучающих свойств цилиндрической структуры (ДН, сопротивление излучения) в зависимости от конструктивных размеров. Показано существенное отличие этого излучателя от полуволнового вибратора, которое состоит в появлении при определенном соотношении диаметров цилиндров противофазных участков тока и искажении ДН даже при малых длинах цилиндров (/"А/2).

6. Теоретически проведена оценка взаимного влияния дисковых излучателей в составе малоэлементной антенной решетки. С использованием приближения заданного распределения тока получены расчетные выражения для собственных и взаимных проводимостей излучающих структур на основной моде возбуждения. Использование приближения заданного тока позволяет существенно упростить алгоритм решения, обеспечив достаточную для практического использования точность расчетов.

7. Получены характеристики излучения антенной решетки из дисковых излучателей на ограниченном экране с использованием е>5 реального амплитудно-фазового распределения, отличающегося от АФР на выходе ДОС из-за взаимного влияния.

8. Проведен анализ работы линейной и кольцевой антенной решетки для системы подвижной радиосвязи и оценка оптимального количества излучателей. Показано преимущество кольцевой решетки с позиции получения большей направленности для любых азимутальных углов. Из приведеных зависимостей параметров кольцевой решетки от числа излучающих элементов следует, что при равноамплитудном распределении токов возбуждения и синфазном сложении полей КНД достигает максимального значения для АР диаметром 0,5Я при четырех излучающих элементах, диаметром в одну длину волны — при шести излучающих элементах, диаметром 1,5Я — при двенадцати излучающих элементах. При этом значение КНД в максимуме равно 6 дБ, 7.9 дБ и 9.8 дБ соответственно.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность построенных электродинамических моделей реальным излучающим структурам.

Решения задач об излучении рассмотренных структур получены в виде, пригодном для непосредственного использования в прикладных целях для анализа и оптимизации характеристик реальных устройств.