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. (In Russ.) 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


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. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-46-50

Просмотров: 117


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


ISSN 2542-0542 (Print)