Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Маркина Юлия Ивановна
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ устройства и их технологии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог-2012
Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств Радиотехнического факультета
ФГАОУ ВПО Южного Федерального Университета
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент Семенихина Диана Викторовна
(Южный федеральный университет, каф. АиРПУ)
Официальные оппоненты:
Габриэльян Дмитрий Давидович,
доктор технических наук, профессор,
ФГУП Федеральный научный производственный центр РНИИРС, зам. начальника НТК по науке
Горин Алексей Михайлович
кандидат технических наук, доцент
ФГУП Таганрогский научно-исследовательский институт связи, ведущий научный сотрудник
Ведущая организация:
ФГУП ГКБ аппаратно-программных систем Связь,
г. Ростов-на-Дону
Защита диссертации состоится 13 декабря 2012 года в 1420, в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южный федеральный университет по адресу пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу:
ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, 344065.
Автореферат разослан 12 ноября 2012 года
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.208.20,
к.т.н., доц. В.В. Савельев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На сегодняшний день во многих системах пеленгования источников излучения, комплексах радиомониторинга и радионаблюдения широкая полоса их рабочих частот и прием сигналов с любой линейной поляризацией обеспечиваются за счет применения спиральных антенн. Среди прочих антенн спиральные антенны имеют больший потенциал для расширения полосы частот. Более современной и технологичной оказывается комбинация различных типов спиралей.
Спиральные антенны, в отличие от большинства современных антенн другого типа, являются наименее изученными. Теоретические сведения о них ограничиваются свойствами регулярных бесконечных Архимедовой и логарифмической спиралей. Наиболее известными являются работы В. Рамзея и О.А Юрцева, А.В. Рунова, А.Н. Казарина, которые содержат некоторые пояснения по теории бесконечных регулярных спиралей. В то же время известно, что спиральные антенны обладают наибольшей широкополосностью и могут принимать волны произвольной поляризации. Поэтому в диссертационной работе ставится задача изучения основных закономерностей излучения электромагнитных волн конечными комбинированными спиральными антеннами с учетом влияния их конструктивных и электродинамических параметров (экрана, поглотителей, нагрузок, формы спиралей, тела вращения, на которое намотана спираль). Задача решается численно путем электродинамического моделирования. Проводится исследование и сравнительный анализ характеристик антенн, таких как широкополосность и сектор углов одновременного обзора. В работе показывается, что на основе выявленных закономерностей возможно построение приемных спиральных антенн эллиптической поляризации, работающих в диапазоне частот от 0,8 до 25 ГГц (более 5 октав), и имеющих в этом диапазоне сектор углов одновременного обзора не менее 57.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является изучение возможности получения расширенного частотного диапазона спиральных антенн с широким сектором углов одновременного обзора путем исследования моделей модифицированных спиральных антенн, анализа конечных спиральных структур и построения этих антенн на поверхностях тел вращения, оптимизации их заполнения.
Объектом исследования являются модифицированные спиральные антенны, характеристики их дальних и ближних полей.
Предмет диссертационной работы
В диссертационной работе проводится исследование конечных комбинированных спиралей, осуществляется анализ влияния конструктивных и электродинамических параметров на характеристики излучения, ведется разработка конструкций сверхширокополосных спиральных антенн, которые могут быть применены на практике.
Задачами исследования в диссертационной работе являются:
- исследование конечных спиральных структур;
- разработка конструкций спиральных антенн;
-выявление основных закономерностей излучения конечных комбинированных спиралей;
- моделирование антенн, анализ полученных характеристик моделей;
- изготовление опытного образца антенны и сравнение характеристик, полученных при моделировании, с экспериментально полученными данными.
Научная новизна
1. На основе изучения модифицированных спиральных антенн показано, что комбинирование различных типов спиралей позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны до 5Е6 октав при секторе углов одновременного обзора, равном 57. Расширения сектора углов обзора и диапазона частот антенны можно добиться, выбирая угол конусности антенны в пределах 12-15, и угол намотки спирали на теле вращения, равный 2, в антенне на усеченном конусе - 10. Разработаны рекомендации по выбору параметров конструкции для достижения требуемого диапазона частот.
2. Произведен сравнительный анализ характеристик конечных комбинированных спиральных антенн и спиральных структур, показанных в литературе. Выявлены различия характеристик бесконечных структур, описанных ранее в литературе и конечных спиралей.
3. Разработана и изучена поглощающая структура для модифицированой спиральной антенны, которая также влияет на диапазонность антенны. Обнаружено изменение характеристик спиральных антенн при изменении параметров поглощающей структуры: аксиального отношения от -15 дБ до -0,9 дБ и ширины сектора углов одновременного обзора от 57 до 83 на частоте 800 МГц.
Практическая значимость
1. При расчетах конечных спиралей могут быть использованы установленные закономерности их излучения: подтверждено наличие дисперсии в конечной спирали, установлено, что периметр резонансного витка в конечной антенне не соответствует теоретически рассчитанному периметру резонансного витка бесконечной структуры, рекомендованы углы намотки спиралей и углы конусности антенны.
2. В работе даны рекомендации по выбору параметров поглощающей структуры антенны. Найденные зависимости коэффициента отражения от частоты для различных поглощающих структур могут быть использованы при проектировании сверхширокополосных модифицированных спиральных антенн.
Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ФГУП КНИРТИ в рамках научно-исследовательской работы Запарка при разработке конструкции сверхширокополосной спиральной антенны.
Материалы работы использованы в проекте Создание высокотехнологичного производства по изготовлению информационно-телекоммуникационных комплексов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS/Galileo, выполняемого по постановлению правительства РФ №218.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применяется метод электродинамического моделирования, лежащий в основе пакета HFSS v.10, и метод моментов, являющийся основным в пакете FEKO v. 5.2.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов моделирования антенн подтверждается совпадением характеристик смоделированных антенн в пакетах САПР СВЧ HFSS v.10 и FEKO v. 5.2.
Достоверность расчетов также подтверждается проведенными измерениями опытного образца антенны и сравнением измеренных характеристик с данными, полученными при математическом моделировании.
Апробация диссертационной работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 международных (международная научная конференция Излучение и рассеяние электромагнитных волн, Дивноморское, 2011, международная научно-техническая и научно-методическая интернет-конференция в режиме offline Проблемы современной системотехники, Таганрог, 2009) и 3 всероссийских конференциях, а также конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры Антенн и Радиопередающих устройств Технологического института Южного Федерального университета 2008-2011 гг.
Публикации
По материалам настоящей диссертационной работы опубликовано 6 статей, из них три статьи в журналах и сборниках, утвержденных ВАК (одна статья в журнале Антенны, одна - в журнале Известия ЮФУ. Технические науки, одна - в журнале Инженерный вестник Дона).
Положения, выносимые на защиту:
- электродинамические модели комбинированных спиральных антенн, обеспечивающих работу в диапазоне частот 700МГц-25ГГц в секторе углов одновременного обзора 57;
- установленные закономерности излучения конечных спиральных антенн с различными углами намотки спирали на телах вращения разной формы;
- основные закономерности влияния экрана, нагрузок, а также количества и электродинамических параметров слоев поглощающей структуры, на характеристики антенны;
- количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн в смысле их широкополосности;
- разработанные конструкции спиральных антенн, отвечающие заданным требованиям по диапазону рабочих частот и сектору углов одновременного обзора;
- результаты измерений характеристик опытного образца спиральной антенны.
ичный вклад автора. Автору принадлежит: анализ спиральных антенн и их моделей; исследование комбинированных спиральных антенн, количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн, полученные исходя из результатов работы; формулировка выводов и положений, выносимых на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре раздела основной работы и заключение. Работа содержит 140 с., в том числе 128 с. основного текста, 128 рисунков, список литературы из 51 наименования использованных источников на 6 с.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы основные цели и задачи работы, обозначены положения, выносимые на защиту.
Первый раздел
В первом разделе работы проведен обзор типов антенн, применяемых в системах мониторинга на предприятиях как самостоятельные антенны или в составе антенных систем для пеленгования сигналов. Осуществлена оценка полосы частот, в которой работают те или иные типы антенн, а также сектор углов обзора, в котором антенны принимают сигналы.
Также рассмотрены способы расширения частотного диапазона антенн и принципы построения частотно-независимых антенн, поскольку именно такие антенны могут работать в диапазоне частот с перекрытием от 2Е4 до 5Е6 октав.
Описаны способы реализации однонаправленного излучения спиральных антенн. Рассмотрены типы поглотителей и экранирующих материалов. В результате анализа сделаны выводы, что существующие типы спиральных антенн либо недостаточно широкополосны, как, например, модулированные и извилистые спиральные антенны, либо, как синусоидальные антенны, излучают поле линейной поляризации, либо, при комбинировании плоских логарифмической и синусоидальной спиралей, имеют сравнительно небольшой сектор углов одновременного обзора. Исходя из этого, в диссертационной работе сформулированы следующие задачи:
- построить модели конечных двухзаходных спиральных структур с комбинированными спиралями;
- выявить основные закономерности достижения постоянства их характеристик с изменением частоты и расширения их частотных диапазонов и секторов углов одновременного обзора;
- спроектировать поглощающие слои, для того чтобы обеспечить однонаправленное излучение антенны;
- на основе выявленных закономерностей спроектировать спиральные антенны круговой поляризации, отличающиеся от известных большим диапазоном частот и сектором одновременного обзора, чем известные антенны.
Второй раздел диссертационной работы посвящен разработке и моделированию конструкций спиральных антенн.
Проведенный обзор и анализ типов антенн показал, что наибольшей широкополосностью обладают спиральные антенны, а комбинация различных типов спиралей позволяет добиться расширения диапазона частот антенны.
Для проектирования широкополосной антенны была выбрана конструкция спиральной антенны, включающая комбинированную двухзаходную архимедову, логарифмическую и коническую равноугольные спирали. Архимедова спираль обеспечивает работу антенны на верхних частотах диапазона, логарифмическая и коническая спирали необходимы для работы антенны на средних и нижних частотах.
Для того чтобы осуществить моделирование антенны, проведено математическое описание ветвей спиралей в декартовой и сферической системах координат.
Габаритные размеры антенны выбраны с учетом заданного частотного диапазона (от 700 МГц до 25 ГГц) с возможностью расширения этой полосы. Для того чтобы снизить габариты антенны, решено плоскую часть спиральной антенны совместить с усеченной конической антенной (рисунок 1).
а) б)
Рисунок 1 - Конструкция антенны; а) внутреннее устройство; б) вид сверху:
1 - диэлектрический конус, 2 - спираль, 3 - слой радиопоглощающего материала (РПМ), 4 - слой диэлектрика, 5 - металлический экран;
Внутри конструкции располагается цилиндр из диэлектрика, через который прокладывается кабель к основаниям ветвей спирали.
Для поглощения волны поверхностного тока, отраженной от концов спиралей, в конструкцию антенны включены согласованные нагрузки на концах спирали.
Важной частью проектирования антенны является выбор её режима питания. В ходе анализа предпочтение отдано противофазному режиму, при котором на ветви спирали поступают токи с противоположными фазами. Этот способ подключения обеспечивает осевой режим излучения, при котором диаграмма направленности антенны имеет максимум, расположенный на оси антенны. Отсечка токов в противофазном режиме работы наблюдается на витках, периметр которых больше длины волны.
Для обеспечения режима бегущей волны и однонаправленного излучения антенны разрабатываются и рассчитываются поглотители, состоящие из однородных слоев диэлектрических и поглощающих материалов и металлического экрана. На основе имеющегося решения задачи об отражении электромагнитных волн (ЭМВ) от плоских однородных слоев (в приближении бесконечной структуры), при помощи пакета MathCAD в зависимости от толщин, электродинамических параметров и количества слоев N рассчитываются коэффициенты отражения поглотителя. Исследуются частотные характеристики поглощающих структур, включающих различное количество слоев при нормальном падении волны. В результате отбираются структуры поглотителей с наименьшим коэффициентом отражения в заданном диапазоне частот.
Первый вид поглощающей структуры. Нижний слой структуры Црадиопоглощающий материал марки ПМ-24, толщина которого по технологии производства равна 6,2 мм. Диэлектрическая проницаемость материала , магнитная проницаемость , где - тангенс угла диэлектрических потерь, - тангенс угла магнитных потерь.
Следующие шесть слоев составляют диэлектрики. Диэлектрические проницаемости слоев равны 2,95; 2,53; 2,13; 1,78; 1,51; 1,3. Толщины диэлектрических слоев увеличиваются с каждым последующим слоем и равны 4,4 мм, 4,7 мм, 5,1 мм, 5,6 мм; 6,1 мм, 6,5 мм.
Второй вид поглощающей структуры. Структура состоит из восьми чередующихся слоев радиопоглощающего материала и диэлектрических слоев. Радиопоглощающий материал марки ПМ-24, толщина слоев 6,2 и 12,4 мм (первый и последний слой). Диэлектрические слои имеют проницаемость = 2,95. Толщина слоев составляет 2,2 мм.
Третий вид поглощающей структуры. Структура состоит из шести слоев. Три слоя радиопоглощающего материала марки ПМ-24 толщиной 6,2 мм чередуются с тремя слоями диэлектрика толщиной 5 мм и проницаемостью 2,95.
На графике коэффициента отражения для третьей структуры (рисунок 2) видно, что на нижних частотах (до 2 ГГц) коэффициент отражения варьируется от минус 8 дБ до минус 24 дБ, а с ростом частоты становится равным -10 дБ при любом количестве слоев, кроме 4 и 6. Увеличение количества слоев до 6 позволяет уменьшить скачки на нижних частотах и получить провал коэффициента отражения до минус 14 дБ на частотах 15-16 ГГц (рисунок 2, а).
а) б)
Рисунок 2 - ЧХ коэффициента отражения для третьего вида поглощающей структуры при четном (а) и нечетном (б) количестве слоев;
на рис: 2 (а): от двух слоев (пунктирная линия), от четырех слоев (штрихпунктирная линия), от шести слоев (сплошная линия);
на рис. 2 (б): от одного слоя (штрихпунктирная линия), от трех слоев (пунктирная линия), от пяти слоев (сплошная линия)
Таким образом, коэффициент отражения для 6 слоев оказывается наименьшим в заданном диапазоне частот.
Для того чтобы избежать больших погрешностей в расчетах при практической реализации антенны, необходимо получить сведения об излучении конечных спиральных структур. Это возможно благодаря современным САПР, позволяющим проводить электродинамический анализ устройств СВЧ с помощью прямых и непрямых математических методов. Одной из таких САПР является пакет программ High Frequency Structure Simulator (HFSS). Для решения уравнений электродинамики в HFSS используется один из прямых математических методов - метод конечных элементов (Finite Element Method). Этот метод применяется для решения как трехмерных, так и двумерных задач.
Далее показаны этапы разработки HFSS-моделей спиральных антенн, отличающиеся углом намотки спирали и телом вращения, на которое она намотана.
Третий раздел
Для оценки характеристик смоделированной антенны в третьем разделе решены следующие задачи:
- проведено исследование антенны как замедляющей системы;
- исследованы характеристики антенн с различным углом конусности антенны, углом намотки спиралей;
- проанализировано влияние поглощающих и диэлектрических слоев на широкополосность антенны;
- исследованы характеристики антенн при изменении величины сопротивлений на концах спиралей;
- проведен анализ характеристик антенны на различных телах вращения;
Основой для проектирования спиральной антенны в приближении бесконечных спиралей являются исследования спирали как замедляющей системы, в результате которых получены дисперсионные уравнения в замкнутой форме. Аналогичные уравнения для конечных спиралей неизвестны.
В разделе проведен расчет и построены зависимости коэффициента замедления фазовой скорости поверхностной волны тока от частоты в одной из рассматриваемых моделей антенн.
Для расчета дисперсионной характеристики была выбрана модель антенны на усеченном конусе (см. рисунок 1).
Вычисление коэффициента замедления проведено по фазовой характеристике, рассчитанной для плоской части конуса антенны. На рисунке 6,аа показаны характеристики для частот 1 ГГц, 1.2 ГГц, 1.4 ГГц, 1.6 ГГц, 1.8 ГГц, 2 ГГц, график полученного коэффициента замедления фазовой скорости представлен на рисунке 3, б.
а) б)
Рисунок 3 - Фазовая (а) и дисперсионная (б) характеристики антенны
Из дисперсионной характеристики видно, что в полосе частот от 1 ГГц до 2 ГГц коэффициент замедления меняется от 1,22 до 1,5 в зависимости от частоты.
Для того чтобы проверить теорию резонансного витка в спиральной антенне, построена картина поверхностного тока на частотах 2 ГГц, 4 ГГц и 6 ГГц. Исследование показало, что периметры резонансного витка в конечной антенне и бесконечной спирали не совпадают. Результаты различаются из-за различных фазовых соотношений для поверхностных токов. Этот фактор может сыграть важную роль при разработке миниатюрной антенны. Таким образом, радиус конечной антенны можно выбирать меньше вычисляемого радиуса витка на нижней частоте диапазона .
Известно, что симметричной диаграммы направленности, а также расширения частотного диапазона антенны можно достичь, изменяя угол конусности спиральной антенны. В литературе представлены теоретические данные об анализе диаграмм направленности эквиугольных бесконечных антенн с углами конусности 9-12. Также рассмотрены диаграммы направленности антенн с углами конусности более 20, которые показывают, что увеличение угла конусности приводит к расширению диаграммы направленности и уменьшению излучения в нижнюю полуплоскость антенны. С целью получения аналогичных результатов проведены расчеты конечных антенн с углами конусности, указанными в литературе.
В работе рассмотрены основные характеристики спиральной антенны при изменении угла конусности от 10 до 25. Расчеты произведены в частотном диапазоне от 800 МГц до 25 ГГц.
Расчеты показали, что с уменьшением угла конусности антенны на частоте 800 МГц возрастает коэффициент усиления и расширяется сектор углов обзора. Самый высокий коэффициент усиления наблюдается при угле конусности 11, однако в этом случае сужается сектор углов обзора до 50. Самый широкий сектор углов обзора наблюдается при угле конусности 17. Оценка направленных и поляризационных свойств показывает, что антенна с углом конусности 12 превосходит по совокупности характеристик остальные антенны: сектор углов обзора равен 55, коэффициент усиления в зените минус 7,2 дБ. Таким образом, на частоте 800 МГц предпочтительна антенна с углом конусности 12.
На частоте 25 ГГц в антенне с углом конусности 10 наблюдается самый широкий сектор углов одновременного обзора 42, коэффициент усиления в зените в этом случае составил 8,55 дБ.
При разработке широкополосной антенны необходимо выбирать такой угол конусности, при котором наблюдается незначительное изменение характеристик во всем диапазоне частот. Исследование показало, что характеристики антенны с углом конусности 15 мало меняются с изменением частоты по сравнению со всеми исследуемыми антеннами. Сектор углов обзора антенны в исследуемом диапазоне частот не менее 38 с поглотителем третьего вида, а значение коэффициента усиления лежит в пределах от -8 дБ до 10 дБ. Представленная выше оценка характеристик антенн с различными углами конусности может быть полезна разработчикам.
Исследование влияния отражающего экрана и поглощающих слоев на характеристики антенны на различных частотах направлено на изучение возможности расширения частотного диапазона антенны в зависимости от количества, толщины и электродинамических параметров слоев, а также дает возможность сравнить теоретические результаты, известные для бесконечных антенн, с рассчитанными характеристиками конечной антенны.
Рассмотрены модели спиральной антенны на усеченном конусе без отражающего экрана; с экраном; с экраном и радиопоглощающим слоем; с экраном, тремя радиопоглощающими слоями и тремя слоями диэлектрического материала, которые находятся между слоями радиопоглощающего материала. Расчеты проведены на частоте 800 МГц. Сектор углов одновременного обзора оценивается по уровню 5 дБ аксиального отношения. Некоторые результаты расчетов показаны на рисунках 4 и 5.
а) б)
Рисунок 4 - Характеристики антенны с экраном (сплошные линии) и без экрана (пунктирные линии): а) коэффициент усиления, б) аксиальное отношение
а) б)
Рисунок 5 - Диаграммы КУ (а) и аксиального отношения (б), рассчитанные для углов наблюдения φ=0, 30, 60, 90, 120, 150:
сплошные линии - для антенны с экраном и одним слоем РПМ;
точечные линии - для антенны с экраном;
инии с длинными штрихами - для антенны с экраном, двумя слоями РПМ и одним слоем диэлектрика;
пунктирная линия - для антенны с экраном, тремя слоями РПМ и тремя слоями диэлектрика
На нижних частотах диапазона (в данном случае частота 800 МГц) антенна без экрана и поглощающих слоев не может применяться на практике ввиду высокого аксиального отношения и очень низкого коэффициента усиления.
В антенне с экраном с добавлением поглощающих и диэлектрических слоев наблюдается снижение аксиального отношения осей эллипса поляризации и расширение сектора углов одновременного обзора. При наличии поглощающих слоев антенна пригодна для применения, как в составе систем, так и как самостоятельная антенна.
В литературе проведен анализ характеристик спиральных антенн при изменении угла намотки спирали. Из представленных результатов видно, что для расширения диаграммы направленности необходимо уменьшать угол намотки спирали. Однако и при больших углах намотки (более 20) можно получить антенны, применимые для радиолокационных систем. В литературе интервалы значений угла намотки представлены для бесконечных спиральных антенн. Поэтому ставится задача исследования характеристик конечных спиральных антенн при изменении угла намотки спирали.
Рассмотрены модели спиральных антенн на теле вращения с углами намотки спирали 2, 12 и 21 (рисунок 6) на частотах 800 МГц, 2 ГГц, 15 ГГц и 20 ГГц и антенн на усеченном конусе с углами намотки 10 и 35 (рисунок 7).
Модели исследуемых антенн показаны на рисунке 6.
а) б) в)
Рисунок 6 - Модели антенн на теле вращения с различным углом намотки спирали:
а) 2, б) 12, в) 21
а) б)
Рисунок 7 - Модели антенн на усеченном конусе с углом намотки спирали 10 (а) и 35 (б)
Диаграммы коэффициента усиления антенны на теле вращения при углах наблюдения =0, 30, 60, 90, 120, 150 , и аксиального отношения, рассчитанных на частоте 800 МГц, показаны на рисунке 8.
а) б)
Рисунок 8 - Диаграммы КУ (а) и аксиального отношения (б) на частоте 800 МГц антенн с углом намотки спирали 2 (пунктирные линии), 12 (сплошные линии), 21 (длинные пунктирные линии)
Диаграммы коэффициента усиления и аксиального отношения для антенн на усеченном конусе с углами намотки спирали 10 и 35, представлены на рисунке 9.
а) б)
Рисунок 9 - Диаграммы КУ (а) и аксиального отношения (б) на частоте 800 МГц антенн с углом намотки спирали 10 (сплошные линии), с углом намотки спирали 35 (длинные пунктирные линии)
Таким образом, проведенные исследования позволяют оценить влияние геометрических параметров антенны, таких как угол намотки спирали и формы тела вращения, на которое намотана спираль, на характеристики антенн.
При проектировании широкополосных антенн предпочтительны антенны с небольшим углом намотки (2 на теле вращения сложной формы и 10 на усеченном конусе), так как именно в них наблюдается постоянство характеристик с ростом частоты, а также широкий сектор углов обзора.
Достоверность полученных в HFSS характеристик антенн подтверждена расчетами антенны в пакете САПР СВЧ, использующем другой метод решения граничных задач. Таким программным продуктом является FEKO 5.2. Базовым методом решения интегральных уравнений в FEKO является метод моментов (MOM).
а) б)
Рисунок 10 - Диаграммы направленности (а) и коэффициента усиления (б) антенн, рассчитанных FEKO (сплошные линии), HFSS (пунктирные линии) на частоте 1 ГГц
Из графиков на рисунке 10,а видно, что ДН антенны на частоте 1 ГГц, рассчитанные в пакетах FEKO и HFSS, практически не различаются в секторе углов 60. Коэффициент усиления антенны в зените, рассчитанный в HFSS, на 0,01 дБ выше, чем КУ рассчитанной антенны в FEKO (рисунок 10, б).
С повышением частоты характеристики антенн различаются сильнее, однако характер излучения в обоих случаях одинаков. Разница в значениях коэффициента усиления антенн в зените на частоте 20 ГГц составляет 2,1 дБ при среднем КУ 0,256 дБ.
Четвертый раздел посвящен результатам моделирования модифицированных сверхширокополосных спиральных антенн с заданными характеристиками: диапазон рабочих частот антенн - от 700 МГц до 25 ГГц, сектор углов одновременного обзора не менее 50. Совокупность результатов проведенных исследований, а именно, влияния угла конусности антенны, угла намотки спирали, влияния сопротивления нагрузок и поглощающих слоев явились основой для моделирования сверхширокополосных спиральных антенн и создания опытного образца компактной антенны. Выработаны рекомендации по применению антенн в составе систем. В разделе также содержатся результаты моделирования антенны, на основе которых создан опытный образец и осуществлено сравнение характеристик опытного образца спиральной антенны и характеристик антенны, полученных при моделировании.
Проведен расчет моделей антенн, показанных на рисунках 6 и 8.
На частоте 700 МГц наиболее широким сектором углов одновременного обзора обладает антенна с углом намотки спирали 2 - 68. На средних частотах от 5 ГГц самый широкий сектор углов наблюдается в антенне с углом намотки спирали 35 - 84. На частоте 15 ГГц в антенне с углом намотки 2 ширина сектора углов составляет 68. На частоте 25 ГГц самый широкий сектор углов одновременного обзора наблюдается в антенне с углом намотки 35 - 57.
Таким образом, в заданном диапазоне частот лучшими характеристиками обладают антенны с углом намотки спирали 35 и 10 на усеченном конусе. Антенна с углом намотки спирали 35 имеет больший потенциал к расширению диапазона частот. С ростом частоты сектор углов обзора расширяется, и растет коэффициент усиления.
Для подтверждения достоверности результатов исследования конечных спиральных антенн был разработан опытный образец антенны и проведены измерения ее характеристик.
Модель антенны диапазона 1 ГГцЕ16 ГГц (рисунок 11) включает плоские комбинированные спирали, которые состоят из Архимедовой и логарифмической спиралей; полуоткрытый резонатор диаметром 40,5 мм и высотой 20 мм; слой поглощающего материала толщиной 9,15 мм марки ПМ-3.2 (номинальная толщина выпускаемых пластин поглотителя - 1,83 мм) с относительной диэлектрической проницаемостью и относительной магнитной проницаемостью в диапазоне частот от 1 до 2 ГГц, а также слой диэлектрика - тефлона толщиной 3 мм с относительной диэлектрической проницаемостью
Рисунок 11 - Плоская спиральная антенна
Ниже показаны характеристики модели антенны на частоте 1,6 ГГц (рисунок 12). КПД модели равен 0,12.
а) б)
Рисунок 12 - Диаграммы КУ антенны (а) и аксиальное отношение (б) на частоте 1,6 ГГц
Разработанный опытный образец антенны представлен на рисунке 13. Спираль методом травления нанесена на диэлектрическую подложку марки ФЛАН-2,8. Для питания антенны выбран коаксиальный кабель РК75-2-22. Поглощающая конструкция находится в цилиндрическом стальном резонаторе, выполненном токарным способом.
Рисунок 13 - Опытный образец спиральной антенны
Измерения характеристик антенны проведены в безэховой камере (БЭК) при помощи сверхширокополосного автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса (АИВК).
Рисунок 14 - Характеристики антенны на частоте 1,6 ГГц; пунктирными линиями отмечены расчетные характеристики, сплошными линиями - экспериментально измеренные
На частоте 1,6 ГГц (рисунок 14) ширина диаграммы в вертикальной плоскости по уровню -3 дБ составила 75, в горизонтальной плоскости - 119. Ширина ДН, полученная для модели на этой частоте равна 98. Измеренный КНД антенны составляет 5,9 дБ.
Измеренные характеристики антенны практически совпали с расчетными данными модели.
В заключении показаны основные научные и практические результаты, а также намечены перспективные направления дальнейших исследований, направленных на развитие теории об излучении конечных спиральных антенн.
Основные результаты диссертации
1. Электродинамические модели комбинированных спиральных антенн, обеспечивающих работу в диапазоне частот 700МГц-25ГГц в секторе углов обзора 57.
2. Установленные закономерности излучения конечных спиральных антенн с различными углами намотки спирали на телах вращения разной формы.
- Основные закономерности влияния экрана, нагрузок, а также количества и электродинамических параметров слоев поглощающей структуры, на характеристики антенны.
- Разработанный опытный образец плоской спиральной антенны и экспериментальные результаты.
Основные публикации по теме диссертации
- Павлов В.П., Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Моделирование спиральной антенны в частотном диапазоне 800МГц-21ГГц // Труды международной научной конференции Излучение и рассеяние ЭМВ (ИРЭМВ-2009). Таганрог, 2009. С. - 342-346.
- Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Проектирование широкополосной спиральной антенны в пакете САПР СВЧ HFSS v.10 // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - №12. - С. 46-50.
- Семенихина Д.В., Павлов В.П., Маркина Ю.И Моделирование сверхширокодиапазонной спиральной антенны в САПР СВЧ HFSS v.10 // Антенны. - 2010. - № 12. - С.63-64.
- Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Проектирование спиральной антенны в частотном диапазоне 800 МГц - 25 ГГц // Рассеяние электромагнитных волн. Таганрог, 2010. Вып.16. - С. 44-52.
- Семенихина Д.В., Маркина Ю.И. Излучение комбинированной спирали на частоте 800 МГц // Труды международной научной конференции Излучение и рассеяние ЭМВ (ИРЭМВ-2011). Таганрог, 2011. - С. 143-146.
- Маркина Ю.И. Антенна GPS круговой поляризации в диапазоне 1,2-1,6 ГГц // Инженерный вестник Дона. - 2012. - №3. С. 2.
Типография Южного Федерального Университета
Пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
Тираж 100 экз.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям