Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Модифицированные печатные двухдиапазонные дипольные излучатели

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

Полный текст:

Аннотация

Описаны модифицированные двухдиапазонные печатные дипольные излучатели, которые реализуются как интегрированные излучающие модули, содержащие компактную печатную версию нового коаксиального симметрирующего устройства в форме «ласточкина хвоста» и два печатных диполя, реализованные как соответствующие продолжения питающей полосковой линии и разомкнутого шлейфа. Рассмотрены некоторые особенности структурной реализации и технологического исполнения. Представлены оптимизированные геометрические параметры топологии печатной реализации. Предлагаемый подход подтвержден экспериментальными результатами, способствующими оцениванию предельно-достижимых показателей излучателей

Для цитирования:


Алексейцев С.А., Горбачев А.П., Тарасенко Н.В. Модифицированные печатные двухдиапазонные дипольные излучатели. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):46-50. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

For citation:


Alekseytsev S.A., Gorbachev A.P., Tarasenko N.V. Modified printed two-band dipole radiators. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):46-50. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

Введение

Известно, что печатные дипольные излуча­тели составляют элементную базу при реа­лизации различных многодипольных антенн с круговой или линейной поляризацией, на­пример турникетных, директорных, лого­периодических, а также многоэлементных фазированных антенных решеток [1]. Одной из современных тенденций в проектирова­нии таких антенн является реализация двух- и многочастотного режима работы, когда с од­ной конструктивно-компоновочной единицы (базового излучателя) обеспечивается форми­рование требуемых диаграмм направленности на двух и больших частотах при приемлемом согласовании с источником сигнала на каждой из них. По этой причине оправдано стремле­ние усовершенствовать уже имеющиеся тех­нологические решения или выявлять новые подходы к реализации двух- и многочастотно­го режима работы дипольных излучателей.

Цели работы - усовершенствование пре­дыдущих технических решений и выявление предельно-достижимых показателей модифи­цированного варианта печатного двухдиапа­зонного дипольного излучателя, защищенного патентом Российской Федерации [2], который позволяет реализовать заметное разнесение центральных частот рабочих диапазонов при сохранении формы диаграммы направленно­сти на каждой из них.

Топология печатного излучателя

Предлагаемый излучатель выполнен как инте­грированный излучающий модуль [2], вклю­чающий в себя печатную версию компактного коаксиального симметрирующего устройства, еще раньше защищенного патентом [3], реа­лизованную в соответствии с методикой опти­мизации, изложенной в работе [4]. В резуль­тате модуль выполняется на двухсторонней фольгированной заготовке размерами a х b из материала ФАФ-4 толщиной 1,5 мм (рис. 1).

В отличие от материалов работы [5] пред­лагаемая топология допускает беспрепятствен­ное фрезерование продольного паза на всю глу­бину печатного фрагмента симметрирующего устройства в форме «ласточкина хвоста». Паз необходим для построения печатных скрещен­ных дипольных излучателей в системах с по­ляризационной селективностью за счет пере­ключения коммутационными диодами p-i-n плоскостей поляризации излучения, ориенти­рованных ортогонально друг другу, и печатных турникетных антенн с близкой к круговой по­ляризацией излучения в главном направлении.

В случае однодиапазонного излучателя все ключевые геометрические размеры топо­логии рассчитываются по материалам рабо­ты [4]. Используется описанный в ней деком­позиционный алгоритм анализа произвольных плоских металло-диэлектрических структур и поиска экстремума целевой функции при нелинейной параметрической оптимизации, а также метод сопряженных градиентов. Од­нако для двухдиапазонного режима работы, когда задействованы два расположенных в не­посредственной близости печатных диполя низкочастотного (соответствующая централь­ная частота f0L и длина lL диполя) и высо­кочастотного (соответствующая центральная частота f OH и длина lH диполя) каналов (см. рис. 1), процедура формирования упомянутого декомпозиционного алгоритма существенно усложняется из-за необходимости учитывать взаимное влияние диполей. В связи с этим це­лесообразно задействовать одну из программ трехмерного электродинамического модели­рования, например WIPL-D, которая представ­лена в свободной продаже на рынке в виде приложения на компакт-диске к работе [6]. Используя полученную на основе системно­эвристического (другими словами, в значи­тельной мере зависящего от опыта работы исследователя-проектировщика) подхода то­пологию излучателя (см. рис. 1) в качестве стартового (начального) облика, за счет встро­енного в систему параметрического оптимиза­тора можно найти все ключевые размеры топо­логии. При этом целесообразно подчеркнуть, что неудачный (непрофессиональный) выбор облика начального приближения топологии из­лучателя, как правило, не может быть компен­сирован за счет оптимизации размеров, рассто­яний и параметров диэлектрика подложки [1].

 

Рис. 1. Топология двухдиапазонной антенны: а - лицевая сторона подложки; б - обратная сторона подложки;

a, b, lL, lH, lP, lB, wD, wS, wF, wB, sf, sP, sD  - размеры; A - точка пайки центрального штырька разъема

 

Оценивание предельно-достижимых показателей

Такое оценивание целесообразно проводить, применяя метод целенаправленных проб и ошибок, успешно использованный в рабо­тах [1, 4, 5]. Вариации ключевых размеров и параметров подложки излучателя (см. рис. 1) формируются соответствующими алгорит­мами нелинейной параметрической оптими­зации, встроенными в систему WIPL-D. При этом существенное значение имеет все еще во многом эвристическая процедура придания тому или иному размеру или параметру то­пологии (см. рис. 1) статуса «ключевой». Не­удачное назначение этого статуса может при­вести к неоправданному росту временных и денежных затрат на вычисления при оптими­зации или к потере перспективного с точки зрения достижения полезного эффекта конеч­ного облика излучателя [7]. В связи с этим це­лесообразно максимально внимательно и взы­скательно оптимизировать ключевые размеры уединенного излучателя для того, чтобы при оценивании параметров многоэлементной ан­тенной системы (например, эквидистантной фазированной антенной решетки) не сомне­ваться в предельных показателях уединенно­го излучателя и все внимание сосредоточить на ключевых размерах компоновочной схемы антенной системы в целом с учетом объекта установки и климатического районирования территории эксплуатации.

Рассматривая в качестве ключевых раз­меры a, b, lL, lH, lP, lB, wD, wS, wF, wB, sf, sP, sD (см. рис. 1), удалось достичь предельных показателей на подложке ФАФ-4 толщиной 1,5 мм, остающихся, по мнению авторов, при­емлемыми. Согласование излучателя с коак­сиальным кабелем волнового сопротивления 75 Ом характеризуется зависимостью обрат­ных потерь от частоты (рис. 2).

Диаграммы направленности по основ­ной поляризации в плоскости вектора E напряженности электрического поля (сече­ние yoz) обозначены красными линиями на рис. 3, в плоскости вектора H напряженности магнитного поля (сечение xoy) - красными ли­ниями на рис. 4. Синими линиями на рис. 3, 4 показаны полярные диаграммы интенсивно­сти кросс-поляризационного излучения. При этом значения ключевых размеров состави­ли (мм): a = 80; lB = 13,8; sF = 0,4; b = 74; wD = 1,8; sP = 0,9; lL = 63,2; wS = 2,4; sD = 2; lH = 36,8; wF = 2,3; lP = 20,3; wB = 4,4.

Экспериментальные исследования опыт­ного образца с заданными размерами прово­дились в безэховой камере Акционерного общества «НИИ измерительных приборов - Новосибирский завод имени Коминтерна». В ней были размещены поворотные и отсчет- ные приспособления, включая векторный анализатор цепей Agilent N524A (PNA-X), стандартную рупорную антенну и генератор сигналов E825D PSG. Измеренные уровни кросс-поляризационного излучения в области у > 0 (см. рис. 1) местами были хуже результа­тов оптимизации на 4...5 дБ, а в области у < 0 (см. рис. 1) - на 6.8 дБ, хотя по некоторым направлениям кросс-поляризация была лучше результатов оптимизации на 5.6 дБ.

Отметим, что кросс-поляризационные измерения весьма чувствительны к качеству закрепления антенн в поворотных устройствах и люфтам в них, точности наведения облучаю­щего рупора и ориентации его плоскости поля­ризации в процессе измерений, устойчивости контактных соединений в коаксиальных и ко­аксиально-полосковых соединителях. Учиты­вая это, авторы данной статьи сочли степень соответствия кросс-поляризационных резуль­татов моделирования и измерений в целом приемлемой, поэтому эти эксперименталь­ные зависимости не отображены на рис. 3, 4. Экспериментальные исследования опытного образца с этими размерами служат подтверж­дением возможности достижения вышеупомя­нутых показателей по основной поляризации (голубые линии на рис. 2-4).

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют об успешном разнесении частот f0L и fH на 1,5 ГГц, что позволяет достичь в планиро­вании модификаций топологии модуля (см. рис. 1) большего разнесения, когда значения частот близки к f0L = 0,5 и fH = 3 ГГц со­ответственно. Представленные результаты могут быть полезны при оперативном приня­тии решений по предельно-допустимым (по­тенциальным) характеристикам в эскизном проектировании печатных двухдиапазонных многомодульных антенных устройств в поло­се частот 2...3,5 ГГц.

Список литературы

1. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2012. 744 с.

2. Патент на изобретение № 2432646. Двухдиапазонная печатная дипольная антенна // А.П. Горбачев, Т.А. Евдокимов, А.Г. Хлопина. Опубл.: 27.10.2011. Бюл. № 30. 21 с.

3. Патент на изобретение № 2255393. Симметрирующее устройство // А.П. Горбачев, Е.В. Чубарь. Опубл.: 27.06.2005. Бюл. № 18. 10 с.

4. Gorbachev A.P., Egorov V.M. The dipole radiating integrated module: experimental results. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Nov. 2007. Vol. 55. No. 11. Pp. 3085-3087.

5. Doane J.P., Sertel K., Volakis J.L. A wideband wide scanning tightly coupled dipole array with integrated balun (TCDA-IB). IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Sept. 2013. Vol. 61. No. 9. Pp. 4538-4548.

6. Kolundzija B.M., Ognjanovic J.S., Sarkar T.K. WIPL-D microwave: circuit and 3D EM simulation for RF & microwave applications. Software and User’s Manual. Artech House, 2005. 400 p.

7. Горбачев А.П., Тарасенко Н.В. Двухдиапазонные директорные антенны. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. 231 с.


Об авторах

С. А. Алексейцев
Новосибирский государственный технический университет
Россия


А. П. Горбачев
Новосибирский государственный технический университет
Россия


Н. В. Тарасенко
Новосибирский государственный технический университет
Россия


Рецензия

Для цитирования:


Алексейцев С.А., Горбачев А.П., Тарасенко Н.В. Модифицированные печатные двухдиапазонные дипольные излучатели. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):46-50. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

For citation:


Alekseytsev S.A., Gorbachev A.P., Tarasenko N.V. Modified printed two-band dipole radiators. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):46-50. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

Просмотров: 249


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


ISSN 2542-0542 (Print)