Модифицированные печатные двухдиапазонные дипольные излучатели

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 f_0L и длина l_L диполя) и высо­кочастотного (соответствующая центральная частота f _OH и длина l_H 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].

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, l_L, l_H, l_P, l_B, w_D, w_S, w_F, w_B, s_f, s_P, s_D (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; l_B = 13,8; s_F = 0,4; b = 74; w_D = 1,8; s_P = 0,9; l_L = 63,2; w_S = 2,4; s_D = 2; l_H = 36,8; w_F = 2,3; l_P = 20,3; w_B = 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 f_0L и f_H на 1,5 ГГц, что позволяет достичь в планиро­вании модификаций топологии модуля (см. рис. 1) большего разнесения, когда значения частот близки к f_0L = 0,5 и f_H = 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.