12 Планарные антенны. Принцип работы. Диаграмма направленности. Конструктивное исполнение планарных антенн.

Планарные антенны. Принцип работы. Диаграмма направленности. Конструктивное исполнение планарных антенн.

12.1. Особенности построения печатных антенн

Одной из основных тенденций развития современной радиоэлектроники СВЧ является микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Значительные успехи в этомнаправлении получены при самом широком использовании последних достижений микроэлектроники как в части низкочастотных боков РЭА, так и ее СВЧ модулей. Известно, чтокачественные характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами ее антенно-фидерного устройства (АФУ). Особеннозаметный выигрыш в массогабаритных параметрах РЭА достигается при переходе в СВЧ модулях от планарных интегральных схем (ИС) СВЧ к объемным интегральным схемам (ОИС).Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим,габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам. В особенности это относится к бортовым АФУ, где нередко предельные возможности РЭА определяютсяинженерно-техническим уровнем разработки антенной структуры. Действительно, искусственные спутники Земли и пилотируемые космические корабли 60–70 х гг. имели от 15 до 120 антеннсо сложной и разветвленной фидерной системой.

 При этом АФУ занимало примерно 20% площади объекта. Очевидно, что выполнить многочисленные и жесткие требования к АФУ можно приналичии печатных конформных антенных структур малой толщины.

Микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по технологии ИС, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры,массу.

МПА способны излучать электромагнитные волны с линейной и вращающейся (круговой и эллиптической) поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспеченияработы в двух-или многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие излучатели в антенные решетки и разместить их на поверхностях сложной формы. Коме того, МПА обладаютвысокими аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

Микрополосковые излучатели как самостоятельные МПА и как излучатели антенных решеток (в том числе и фазированных) имеют большое разнообразие и отличаются по принципуработы, конструктивной реализации, характеристикам излучения, наличию гибридных соединенийс другими устройствами ИС СВЧ.

Различные признаки, которые могут быть положены в основу классификации МПА, весьма разнообразны. По конструктивным особенностям и подходу к анализу МПА можно выделитьплоскостные антенны резонаторного типа и антенны, которые состоят из криволинейных микрополосковых структур, к ним относятся антенны спирального и вибраторного типа, а такжеантенны, имеющие составные и нагруженные микрополосковые структуры.

Типичная конструкция МПА представляет собой тонкую (порядка десятков микрон) плоскую проводящую пластину той или иной формы, размещенную на диэлектрическом слое –подложке толщиной h = (0,003 … 0,08)λ, ограниченном снизу проводящей экранной плоскостью. Здесь λ – длина волны в свободном пространстве.

В качестве подложки обычно используются материалы с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 2 … 10, но, в зависимости от приложений, возможен и более широкий спектрзначений ε. Основное требование к материалу подложки – малые потери, характеризуемые тангенсом угла потерь tgδ. Подложки из сотового материала с ε = 1,05 или МПА с воздушным зазоромимеют наименьшие потери и обеспечивают наибольшую эффективность излучения антенны. Увеличение величины ε используемой подложки позволяет создать антенну меньших габаритныхразмеров с более широкой ДН.

Пластины МПА чаще всего имеют прямоугольную или круглую форму, однако принципиально возможна произвольная форма с известной резонансной частотой. Выбором формыпластины можно как существенно улучшить согласование МПА с фидерной линией, так и реализовать круговую поляризацию излучения антенны.

12.1. Принцип работы ихарактеристики печатных антенн

Печатные антенны (ПА) являются резонансными, поэтому могут функционировать в узкой полосе частот, составляющей примерно (1…3) %. Ширина полосы частот ПА известных формприблизительно пропорциональна толщине подложки, квадрату резонансной частоты и обратно пропорциональна квадратному корню из  подложки. Естественный путь увеличенияширокополосности без усложнения конструкции антенны, заключающийся в использовании более толстых подложек при умеренных значениях диэлектрической проницаемости материала,имеет ограниченные возможности, так как с увеличением толщины диэлектрика создаются возможности для возникновения более высоких, типов поверхностных волн, что резко снижаетизлучающую эффективность антенны. Известно, присутствие эффекта резкого снижение эффективности излучения

пространственных волн в момент появления волны LE₁ в ПА электрического и магнитного типов. Увеличение толщины подложки может привести не только к появлению высших типовповерхностных волн во внешней области, но и к возбуждению высших типов волн в ПА. Эти волны могут служить источником значительных кроссполяризационных составляющих поля. Вслучае прямоугольной антенны ближайшим высшим типом может быть тип, ортогональный основному колебанию, который особенно опасен при близких значениях ширины и длины антенны.Существуют различные способы увеличения рабочей полосы частот ПА, например, изменение формы печатного излучателя, создание многослойных связанных резонансных печатныхизлучателей. Такие структуры также могут выполнять роль многочастотных ПА.

При грубых оценках ДН прямоугольного печатного излучателя по полю с основной поляризацией можно рассматривать как ДН двух синфазных торцевых щелей с равномернымраспределением поля. Точно так же ДН по полю с кроссполяризацией определяется как ДН двух противофазных боковых щелей с нечетным распределением поля.

Таким образом, магнитные токи торцевых щелей синфазны и равноамплитудны, а их максимумизлучения будет направлен ортогонально кплоскости пластинки.

На рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 12.1 показаны направления магнитных токов на торцевых и боковых щелях. 

Для определения поля излучения в дальней зоне т. M(x0,y0,z0) воспользуемся векторным

потенциалом   , учитывая, что  

 Для этого необходимо  записать геометрические соотношения для печатного излучателя, производные этих соотношений, а также распределение тока по длине излучателя.

Рис. 12.1 — Направление эквивалентного магнитного тока вдоль боковых граней
печатного излучателя

Для стороны «1»:

где 

 — переменная интегрирования, m= 0...1 — коэффициент описывающий   относительный уровень пъедестала прикосинусоидальном распределении тока. Предельные случаи m = 1 — косинусоидальное распределение тока (эквивалент волновода), m = 0 —равномерное распределение тока; все остальные случаиэто косинусоидальное распределение тока с пъедесталом. 

Для стороны «3»:  

Для стороны «2»:

где — переменная интегрирования, 

Для стороны «4»:

где   — переменная интегрирования.

 Теперь для сторон «1» и «3» можем записать: 

. Решая аналитически интегралы получаем расчетные выражения для щелей «1» и «3»

где

Излучение синфазных токов «1» и «3» можно представить как излучение двухэлементной решетки, диаграмма направленности которой определяется соотношением

По аналогии можно рассмотреть и излучение боковых токов вдоль оси y на стороне «2» можно записать в виде

На стороне «4» распределение будет противофазно токам стороны «2».

где 

. Стороны «2» и «4» также представляем в виде двухэлементной решетки, множитель которой можно записать в виде

После преобразования получим

Окончательно выражение длясторон «2» и «4» можно записать в виде

Переходя к сферической системе координат, для составляющих поля основной поляризации получим соотношения: