Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Электродинамическое моделирование частотных характеристик направленного ответвителя диаграммообразующей системы фазированной антенной решётки

Полный текст:

Аннотация

Проведено исследование влияния коаксиально-полосковых переходов на частотные характеристики направленного ответвителя. Сделаны выводы о возможности оценки точности при электродинамическом моделировании симметричных устройств.

Для цитирования:


Конов К.И., Жилов В.Г., Осипов А.А. Электродинамическое моделирование частотных характеристик направленного ответвителя диаграммообразующей системы фазированной антенной решётки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):20-28.

For citation:


Konov K.I., Zhilov V.G., Osipov A.A. Electromagnetic simulation of frequency characteristics of the directional coupler beamforming system of phased antenna array. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):20-28. (In Russ.)

Введение

Направленный ответвитель (НО) является од­ним из наиболее широко используемых СВЧ- устройств. Он представляет собой реактивный восьмиполюсник, имеющий две пары идеаль­но согласованных и взаимно развязанных вхо­дов [1]. В работе рассмотрен симметричный НО, используемый в диаграммообразующей системе фазированной антенной решетки.

  1. Геометрия направленного ответвителя на симметричной полосковой линии

Симметричный НО (построенный на осно­ве двух симметричных полосковых линий) в различных проекциях изображён на рис. 1-3. Он расположен (рис. 1) в воздушной коробке, размеры которой: по оси х α=1,29λ0, по оси у b=0,592λ0 (здесь и далее λ0 - длина волны в свободном пространстве на частоте F0).

Из рис. 1-3 видно, что НО обладает дву­мя плоскостями симметрии, проходящими через середины боковых сторон воздушной коробки и параллельными плоскостям X0Z и Y0Z.

 

Рис. 1. Направленный ответвитель, аксонометрическая проекция:

1-4 - порты, в сечении которых происходит возбуждение ответвителя с помощью симметричных полосковых линий

 

 

Рис. 2. Направленный ответвитель, проекция на плоскость Z0Y: w5=0,131λ0 - ширина портов; h=0,0223λ0 - высота портов; l5=0,157λ0 - расстояние от входов до боковой стенки воздушной коробки (на входах возбуждается основная волна полосковой линии - T-волна [7]); t1=2,23·10-4λ0 - толщина проводника

 

 

Рис. 3. Направленный ответвитель, проекция на плоскость X0Y:

w1=0,0327λ0, w2=0,0577λ0, w3=0,0612λ0, w4=6,68 10-3λ0, l1=0,406λ0, l2=0,167λ0, l3=0,218λ0, l4=0,0886λ0

 

  1. Теоретически рассчитанные характеристики направленного ответвителя на симметричной полосковой линии

Моделирование как НО, так и других СВЧ- устройств может быть проведено с помощью различных методов [2-4]. Моделирование рассматриваемого НО проводилось в 3D элек­тродинамическом программном комплексе ANSYS HFSS v. 15 [5, 6]. Расчёт выполнялся в частотном диапазоне от F0-∆f до F0+∆f с шагом 5·10-4Δf, с различной сходимостью мо­дулей элементов матрицы рассеяния Delta S, на ПК с процессором Intel Core i7 с частотой 2,93 ГГц и оперативной памятью 12 Гбайт.

Направления векторов напряжённости электрического поля падающей волны на вхо­де 1 показаны на рис. 4. Векторы напряжённо­сти электрического поля падающей волны на входах 2-4 направлены так же, как на входе 1.

 

Рис. 4. Направление векторов напряжённости электрического поля падающей волны на входе НО

 

2.1.Расчёт характеристик направленного ответвителя без коаксиально-полосковых переходов

Рассчитанные частотные характеристики ко­эффициента стоячей волны (КСВ) для устрой­ства при различных значениях DeltaS приве­дены на рис. 5-7 и в табл. 1-3. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - КСВ.

 

Рис. 5. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО при Delta S = 0,02

 

 

Рис. 6. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО при Delta S = 0,001

 

 

Рис. 7. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО при Delta S = 0,0005

 

 

Таблица 1

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,105

1,117

1,121

1,115

F0

1,089

1,102

1,105

1,098

F0 + ∆f

1,074

1,086

1,087

1,081

 

Таблица 2

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,100

1,100

1,098

1,097

F0

1,081

1,081

1,079

1,078

F0 + ∆f

1,062

1,062

1,060

1,059

 

Таблица 3

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,100

1,099

1,100

1,098

F0

1,081

1,081

1,081

1,080

F0 + ∆f

1,062

1,061

1,062

1,060

Очевидно, что вследствие наличия двух осей симметрии топологии НО значение КСВ на всех входах должно быть одинаковым. На­блюдаемый разброс значений можно объяс­нить недостаточной точностью расчёта.

Для увеличения точности значение Delta S уменьшено до 0,001 (рис. 6, табл. 2).

При значении параметра Delta S = 0,001 разброс величин КСВ, рассчитанных для раз­ных входов, становится меньше, чем при зна­чении параметра Delta S = 0,02.

Значение параметра Delta S уменьшено до 0,0005 (рис. 7, табл. 3).

При Delta S = 0,0005 разница между значениями КСВ на входах НО наблюдается в третьем знаке. Эту разницу можно исполь­зовать в качестве оценки точности вычисле­ний программного комплекса (для конкретной Delta S).

Рассчитанные частотные характеристи­ки модулей коэффициентов отражения НО при Delta S = 0,0005 приведены на рис. 8. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - значения модулей коэффициентов отраже­ния в дБ. На частоте F0 значение модуля коэф­фициента отражения составляет: - 22,203 дБ для 1-го входа, - 28,240 дБ для 2-го, - 28,172 дБ для 3-го и - 28,331 дБ для 4-го.

 

Рис. 8. Рассчитанные частотные характеристики мо­дулей коэффициентов отражения НО при Delta S = 0,0005 

 

Рассчитанные характеристики фаз коэф­фициентов отражения НО при значении па­раметра Delta S = 0,0005 приведены на рис. 9. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - фаза коэффициентов отражения (в градусах). На частоте F0 значение фазы коэф­фициентов отражения составляет 93,677° для 1-го и 2-го входов и 93,763° - для 3-го и 4-го.

 

Рис. 9. Рассчитанные частотные характеристики фаз коэффициентов отражения НО при Delta S = 0,0005

 

На рис. 10-12 приведены рассчитанные частотные характеристики коэффициентов прохождения при Delta S = 0,0005. По оси аб­сцисс отложена частота, по оси ординат - зна­чения коэффициентов прохождения в дБ.

 

Рис. 10. Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов прохождения L12, L21, L34, L42 НО

 

 

Рис. 11. Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов прохождения L14, L23, L32, L41 НО

 

 

Рис. 12. Рассчитанные частотные характеристики коэффициентов прохождения L13, L24, L31, L42

 

Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов прохождения Z12, L21, L34, L42 со входов 1, 2, 3, 4 на входы 2, 1, 4, 3 соответ­ственно приведена на рис. 10. Значения коэф­фициентов совпадают с высокой точностью. На частоте F0 значение коэффициентов про­хождения составляет - 0,7838 дБ.

Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов прохождения L14, L23, L32, L41 со входов 1, 2, 3, 4 на входы 4, 3, 2, 1 соответствен­но приведена на рис. 11. Как и в предыдущем случае, значения коэффициентов совпадают и составляют -8,0216 дБ на частоте F0.

На рис. 12 показаны коэффициенты про­хождения L13, L24, L31, L42 со входов 1, 2, 3, 4 на входы 3, 4, 1, 2 соответственно. На частоте F0 значение коэффициентов прохождения L13, L31 составляет - 28,3464 дБ, значение коэф­фициентов прохождения L31, L42 составляет - 28,2507 дБ.

В табл. 4 приведено количество тетраэ­дров, используемых для численного модели­рования, и время расчёта при различных зна­чениях параметра Delta S.

Как видно, при переходе от Delta S = 0,02 к Delta S = 0,0005 количество тетраэдров, используемых для расчёта, увеличивается в 9 раз, время расчёта - в 16 раз.

 

Таблица 4

Значение Delta S

Количество тетраэдров

Время расчёта

0,02

17593

1 мин 31 с

0,001

81010

3 мин 36 с

0,0005

155666

24 мин 15 с

2.2. Геометрия направленного ответвителя на симметричной полосковой линии с коаксиально-полосковыми переходами

Рассмотренный выше НО соединяется с дру­гими составными частями диаграммообразу­ющей системы ФАР с помощью коаксиальных кабелей. Поэтому в состав НО необходимо включить коаксиально-полосковые переходы.

Коаксиально-полосковый переход (КПП) состоит из центральной жилы коаксиала B ди­аметром d1=6,7-10-3 λ0 и фторопластовой шай­бы C диаметром d2=0,0187λ0. Центральная жила находится внутри воздушного цилиндра диаметром d2=0,0156λ0 (рис. 13).

 

Рис. 13. Коаксиально-полосковый переход, проекция на плоскость Z0Y

 

Центральная жила коаксиального ка­беля крепится на полосковую линию НО на расстоянии l6=4,45-10-4λ0 от боковой стороны воздушной коробки. Расстояние от полоско­вой линии до верхней кромки центральной жилы коаксиального кабеля t2=2,94-10-3λ0. Так как КПП расположены по обеим сторонам устройства (рис. 15), длина корпуса прибора a увеличивается на 2 l6.

 

Рис. 15. Коаксиально-полосковые переходы, аксонометрическая проекция 

 

На рис. 14 изображен КПП в проекции на плоскость XoY. Расстояние между кор­пусом прибора и фторопластовой шайбой l7=4,01-10-3λ0. Фторопластовая шайба С сжи­мает жилу коаксиального кабеля до диаме­тра d4=5,57-10-3λ0. В верхней части шайбы предусмотрен воздушный зазор шириной s=4,45-10-4λ0. Её конструктивное назначение - поддержка центральной жилы коаксиально­го кабеля. Длина коаксиального кабеля, рас­положенного внутри прибора, - l8=0,0338λ0, длина кабеля до фторопластовой шайбы - l9=0,0334λ0.

 

Рис. 14. Коаксиально-полосковый переход, проекция на плоскость Z0Y

 

Изображение коаксиально-полосковых переходов на корпусе прибора в аксонометри­ческой проекции приведено на рис. 15. Пере­ходы находятся на расстоянии l10=0,146·10-3λ0 между их геометрическими центрами перехо­дов по оси 0Y друг от друга.

2.2. Расчёт характеристик направленного ответвителя с коаксиально-полосковыми переходами

Направления векторов напряжённости электрического поля падающей волны на входе 1 показаны на рис. 16. Векторы напряжённости электрического поля падающей волны на вхо­дах 2-4 направлены так же, как на входе 1.

Рассчитанные частотные характеристи­ки КСВ для устройства при различных значе­ниях Delta S приведены на рис. 17-19 и табл. 5-7. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - КСВ.

 

Рис. 16. Направление векторов напряжённости электрического поля падающей волны на коаксиальном кабеле

 

 

Рис. 17. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО с коаксиально-полосковыми переходами с КПП при Delta S = 0,02

 

 

Рис. 18. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО с КПП при Delta S = 0,001

 

 

Рис. 19. Рассчитанные частотные характеристики КСВ НО с КПП при Delta S = 0,0005

 

 

Таблица 5

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,224

1,229

1,219

1,229

F0

1,177

1,184

1,176

1,184

F0 + ∆f

1,127

1,139

1,132

1,137

Как и в случае с НО без КПП, наблюда­ется разброс значений КСВ.

Значение Delta S уменьшено до 0,001 (рис. 18, табл. 6).

 

Таблица 6

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,197

1,196

1,196

1,196

F0

1,158

1,157

1,157

1,156

F0 + ∆f

1,117

1,116

1,116

1,116

Значение Delta S уменьшено до 0,0005 (рис. 19, табл. 7).

 

Таблица 7

Частота

Вход 1

Вход 2

Вход 3

Вход 4

F0 - ∆f

1,195

1,195

1,194

1,194

F0

1,156

1,156

1,155

1,155

F0 + ∆f

1,116

1,116

1,115

1,115

Видно, что исчезла разница между КСВ на входах, расположенных на одной полоско­вой линии.

Рассчитанные частотные характеристи­ки модулей коэффициентов отражения НО с коаксиально-полосковыми переходами при Delta S = 0,0005 приведены на рис. 20. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - значения модулей коэффициентов отражения в дБ. На частоте F0 значение модуля коэффи­циента отражения составляет: - 22,788 дБ для 1-го и 2-го входов, - 22,853 дБ - для 3-го и 4-го.

 

Рис. 20. Рассчитанные частотные характеристики мо­дулей коэффициентов отражения НО с КПП при Delta S = 0,0005

 

Рассчитанные характеристики фаз коэф­фициентов отражения НО при значении па­раметра Delta S = 0,0005 приведены на рис. 21. По оси абсцисс отложена частота, по оси ординат - фаза коэффициентов отражения (в градусах). Значения фаз коэффициентов от­ражения для различных входов отличаются крайне незначительно: на частоте F0 значение фазы коэффициентов отражения составляет 129,650° для 1-го и 2-го входов и 129,606° - для 3-го и 4-го.

 

Рис. 21. Рассчитанные частотные характеристики фаз коэффициентов отражения НО с коаксиально-полоско­выми переходами при Delta S = 0,0005

 

На рис. 22-24 приведены рассчитанные частотные характеристики коэффициентов прохождения при Delta S = 0,0005. По оси аб­сцисс отложена частота, по оси ординат - значения модулей коэффициентов прохождения в дБ.

 

Рис. 22. Рассчитанные частотные характеристики ко­эффициентов прохождения L12, L21, L34, L43 НО с КПП

 

 

Рис. 23. Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов прохождения L14, L23, L32, L41 НО с КПП

 

 

Рис. 24. Рассчитанная частотная характеристика коэффициентов L13, L24, L31, L42 НО с КПП

 

На рис. 22 приведены рассчитанные частотные характеристики коэффициентов прохождения L12, L21, L34, L43 с входов 1, 2, 3, 4 на входы 2, 1, 4, 3 соответственно. На часто­те Fo значение коэффициентов прохождения L12, L21 составляет -0,7894 дБ, коэффициентов прохождения L34, L43 составляет -0,7891 дБ.

Коэффициенты прохождения L14, L23, L32, L41 со входов 1, 2, 3, 4 на входы 4, 3, 2, 1 соот­ветственно приведены на рис. 23. Как видно, различия между L14, L23, L32, L41 незначитель­ны. Значение коэффициента прохождения на частоте Fo составляет -8,1248 дБ.

На рис. 24 показаны коэффициенты про­хождения L13, L24, L31, L42 со входов 1, 2, 3, 4 на входы 3, 4, 1, 2 соответственно. На частоте Fo значение коэффициента составляет -30,2603 дБ.

В табл. 8 приведено количество тетраэ­дров, используемых для численного модели­рования, и время расчёта при различных зна­чениях параметра Delta S.

 

Таблица 8

Значение Delta S

Количество тетраэдров

Время расчёта

0,02

28296

2 мин 42 с

0,001

194099

30 мин 0 с

0,0005

294437

54 мин 39 с

Как видно, при переходе от Delta S = 0,02 к Delta S = 0,0005 количество тетраэдров, используемых для расчёта, увеличивается в 10 раз, а время расчёта - в 20 раз.

  1. Анализ влияния коаксиально-полоско­вых переходов на частотные характеристи­ки направленного ответвителя на симме­тричной полосковой линии

В табл. 9 представлены сравнительные резуль­таты моделирования НО без КПП и НО с КПП при различных значениях сходимости моду­лей элементов матрицы рассеяния. Приведён максимальный разброс частотных характери­стик в полосе частот от F0-∆f до F0+∆f.

 

Таблица 9

Наименование параметра

Значение максимального разброса

Delta S = 0,2

Delta S = 0,001

Delta S = 0,0005

без КПП

с КПП

без КПП

с КПП

без КПП

с КПП

Max КСВ

1,121

1,229

1,100

1,197

1,100

1,195

Min КСВ

1,081

1,127

1,059

1,116

1,060

1,115

φmax, град.

100,706

- 123,048

101,440

- 121,285

101,470

- 121,176

φmin, град.

85,228

- 140,351

86,008

- 138,178

85,995

138,054

Max (L11, L22, L33, L44) дБ

- 24,852

- 19,782

- 26,445

- 20,946

- 26,416

- 21,016

Min (L11, L22, L33, L44) дБ

- 28,998

- 23,887

- 30,823

- 25,257

- 30,653

- 25,305

Max (L12, L21, L34, L43), дБ

- 0,839

- 0,865

- 0,770

- 0,770

- 0,758

- 0,765

Min (L12, L21, L34, L43), дБ

- 0,910

- 0,928

- 0,829

- 0,825

- 0,815

- 0,820

Max (L14, L41, L32, L23), дБ

- 7,546

- 7,622

- 7,846

- 8,034

- 7,917

- 8,058

Min (L14, L41, L32, L23), дБ

- 7,771

- 7,735

- 8,053

- 8,161

- 8,122

- 8,185

Max (L13, L31, L24, L42), дБ

- 23,203

- 25,612

- 25,372

- 27,504

- 25,649

- 27,505

Min (L13, L31, L24, L42), дБ

- 28,171

- 28,754

- 31,643

- 31,635

- 32,073

- 31,676

Заключение

По результатам расчётов, представленным в виде графиков и таблиц, проведён сравни­тельный анализ частотных характеристик НО без коаксиально-полосковых переходов и НО с коаксиально-полосковыми переходами.

Из результатов моделирования следует, что даже для расчёта частотных характери­стик такого устройства как НО необходимо выбирать достаточно маленькое значение Delta S. Однако и при малых значениях Delta S, таких как 0,0005, наблюдается разброс ча­стотных характеристик НО. Учитывая, что НО построен на основе двух симметричных полосковых линий и обладает двумя плоско­стями симметрии, частотные характеристики, рассчитанные для разных входов, должны со­впадать. Поэтому полученные результаты мо­гут быть использованы для косвенной оценки точности моделирования более сложных си­стем в том случае, когда для сокращения вре­мени моделирования выбирается недостаточ­ное значение параметра сходимости модулей элементов матрицы рассеяния.

Список литературы

1. Сазонов Д. М., Гридин А. Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1981. 149 с.

2. Klimov K. N., Kustov V. Yu., Sestroretsky B. V., Shlepnev Yu. O. Efficiency of the impedance-network algorithms in analysis and synthesis of sophisticated microwave devices // Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 23-25 August, 1994. P. 26-30.

3. Sestroretsky B. V., Kustov V. Yu., Klimov K. N., Shlepnev Yu. O. Limit theorems and new technology of design of microwave filters // Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 23-25 August, 1994. P. 441-446.

4. Sestroretsky B. V., Kustov V. Yu., Shlepnev Yu. O., Vlasov E. A., Klimov K. N. 90-dB diplexers for satellite communication systems // Proc. of 27th Conference on Antenna Theory and Technology (ATT'94), Moscow, Russia, 23-25 August, 1994. P. 342-345.

5. Банков С. Е., Курушин А. А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS // Журнал «Радиоэлектроники». 2009. № 7 : http://jre.cplire.ru. URL: http://jre.cplire.ru/win/library/7/text.pdf (Дата обращения 01.12.2014).

6. Сестрорецкий Б. В., Кустов В. Ю., Шлепнев Ю. О., Климов К. Н. Электродинамическое моделирование широкополосной антенной решетки // Направления развития систем и средств радиосвязи: науч.-техн. конф., Воронеж: ОАО "Концерн "Созвездие". 1993. С. 105-107.

7. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. М.: Высш. шк., 1980. 399 с.


Об авторах

К. И. Конов
АО «НПО «ЛЭМЗ»
Россия

Конов Кирилл Игоревич – инженер

Область научных интересов: общие проблемы естественных наук, электродинамический анализ СВЧ-устройств.

г. Москва



В. Г. Жилов
ФГУП «МНИИРИП»
Россия

Жилов Владимир Георгиевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Область научных интересов: создание алгоритмов и программ электродинамического анализа для проектирования СВЧ трактов и антенн, проектирование СВЧ-устройств.

г. Мытищи Московской обл.



А. А. Осипов
ФГУП «МНИИРИП»
Россия

Осипов Александр Анатольевич – младший научный сотрудник

Область научных интересов: создание алгоритмов и программ электродинамического анализа для проектирования СВЧ трактов и антенн, проектирование СВЧ-устройств.

г. Мытищи Московской обл.



Для цитирования:


Конов К.И., Жилов В.Г., Осипов А.А. Электродинамическое моделирование частотных характеристик направленного ответвителя диаграммообразующей системы фазированной антенной решётки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):20-28.

For citation:


Konov K.I., Zhilov V.G., Osipov A.A. Electromagnetic simulation of frequency characteristics of the directional coupler beamforming system of phased antenna array. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):20-28. (In Russ.)

Просмотров: 33


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)