Анализ инженерных методик расчета характеристик полосковых антенн на основе излучателя прямоугольной формы.

Исследуемая антенна представляет собой прямоугольный элемент, расположенный над экраном. Излучение такой антенны обеспечивается подключением коаксиальной линии питания (см. рис. 1.1). Для обеспечения процесса излучения с формированием поля линейной поляризации необходимо реализовать согласованное питание структуры в заданном диапазоне частот.

Для использования антенны в составе оборудования стандарта WCDMA необходимо обеспечить функционирование антенны в диапазоне частот (1850…1990) МГц. В этом случае средняя частота диапазона определяется из выражения

,

где и — минимальная и максимальная частоты диапазона частот.

Таким образом, средняя дина волны заданного диапазона составляет

= 0,156 м,

где — скорость распространения электромагнитных колебаний в свободном пространстве.

В соответствии с [1], ширина излучателя должна быть выбрана из соотношения

,

где ε₁ — относительная диэлектрическая проницаемость заполнения антенны, в случае воздушного заполнения ε₁=1.

Рис. 2.1.1 — Геометрия полосковой антенны прямоугольной формы

Излучатель расположен на расстоянии H от экрана. С целью формирования однонаправленной диаграммы направленности (ДН) линейный размер экрана должен быть выбран не менее (1…3)λ. Расстояние до экрана было выбрано исходя из соображений удобства практической реализации антенны (H =5 мм) и возможности реализации при необходимости полоскового режима питания структуры.

Система питания выполнена в виде отрезка коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Центральная жила кабеля подключается к излучающему элементу, а экран кабеля к экрану антенны. Такое подключение отличается простотой и не требует применения дополнительных элементов симметрирования.

Точка подключения коаксиальной линии выбиралась методом анализа характеристик антенны при изменении места подключения коаксиального кабеля. В результате предварительного анализа, было установлено, что антенна обладает наилучшими характеристиками согласования, если точка питания отстоит от центра излучателя на четверть длины диагонали излучающего элемента, как показано на рис. 2.1.1

На первом этапе исследования были получены характеристики антенны, показавшие необходимость увеличения габаритов антенны, в связи с обеспечением режима согласование в области частот несколько выше заданного диапазона. Проанализировав результаты, было принято решение увеличить размеры излучающего элемента пропорционально отношению средней частоты заданного диапазона и средней частоты диапазона, в котором обеспечивался режим согласования.

В соответствии с [1], микрополосковая антенна трактуется как эквивалентная щелевая антенна в плоском бесконечном экране без диэлектрика. Специальные исследования подтвердили, что точность этой модели вполне достаточна для понимания принципа действия антенны и ориентировочных расчетов поля излучения. Форма эквивалентной щели полагается совпадающей с формой краев металлической пластины.

На рис. 2.1.2 показано распределение магнитных токов и в эквивалентной щели, построенное исходя из картины распространения поля Е_z в резонаторе прямоугольной микрополосковой антенны.

a

b

Рис. 2.1.2 — Распределение магнитных токов в щелевом излучателе, эквивалентном микрополосковой антенне

Главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи и , создающие линейно поляризованное излучение с вектором , параллельным оси x. Токи и содержат на каждой боковой стороне пластины по два противофазных участка, излучение которых в значительной степени взаимно компенсируется (точная компенсация имеет место в плоскостях zOx и zOy). Пользуясь методикой расчета полей излучения антенн, можно получить следующее выражение для ДН прямоугольной микрополосковой антенны:

;

, ,

где — волновое число; — ширина элемента; b — длина элемента; q — угловое направление на точку наблюдения, отсчитываемое в угломестной плоскости; j — угловое направление на точку наблюдения, отсчитываемое в азимутальной плоскости.

Используя программу для математических расчетов MathCad 15, построим ДН антенны в Е и Н плоскостях. Результаты расчета ДН для Е -плоскости ДН изображены на рис. 2.1.3, для Н -плоскости ДН — на рис. 2.1.4. Расчет выполнен для средней частоты диапазона f ₀=1920 МГц.

Рис. 2.1.3 — ДН прямоугольного излучателя в Е- плоскости

Рис. 2.1.4 — ДН прямоугольного излучателя в Н- плоскости

Результаты расчетов показывают, что ширина диаграммы направленности по уровню –3 дБ составляет 40 в E- плоскости и 80 в H- плоскости. Форма ДН однонаправленная, в E -плоскости наблюдается сформировавшееся боковое излучение. Важно отметить, что данная методика не позволяет точно определить изменение характеристик направленности в зависимости от изменения геометрических размеров излучателя.

Согласно [2], при расчете направленных свойств антенн все антенные характеристики определяются на основе решения задачи электромагнитного возбуждения слоистой структуры сторонними токами. Такие токи могут быть поверхностными электрическими и протекать по площади пластины. Расчет характеристик излучения с использованием сторонних токов проводится в рамках «токового» метода.

Поле излучения для прямоугольного излучателя на однослойной подложке имеет вид:

,

где — результат Фурье-преобразования для поверхностных сторонних электрических токов;

, — волновые функции;

— вспомогательная функция G, учитывающая структуру диэлектрической подложки;

— вспомогательная функция F, учитывающая структуру диэлектрической подложки;

— функциональный коэффициент, учитывающий свойства подложки.

Используя программу для математических расчетов MathCad 15, рассчитаем ДН излучателя в Е и Н плоскостях (см. рис. 2.1.5, 2.1.6.).

, град

Рис. 2.1.5 — ДН прямоугольного излучателя в Е- плоскости

, град

Рис. 2.1.6 — ДН прямоугольного излучателя в Н- плоскости

Сравнивая методы расчета [1] и [2], следует обратить внимание на то, что во втором случае учитываются свойства и структура диэлектрической подложки, и потенциально возможна оценка поляризационной эффективности антенны. Соответственно ширина главного лепестка ДН рассчитанной по методу токов составляет 60°, что на 20° больше чем ширина ДН рассчитанной «резонаторным» методом.

Для Н- плоскости ширина главного лепестка ДН при расчете «резонаторным» и «токовым» методом совпадает.

Однако результаты расчетов по инженерным методикам не позволили определить наилучшую конфигурацию антенны, что требует дальнейшей экспериментальной проработки либо исследование с применением средств электродинамического проектирования.

Дата добавления: 2015-11-16