Печатные двухдиапазонные излучатели дипольного вида с концевым питанием

Введение

Классические дипольные излучатели, питае­мые на центральных, близкорасположенных смежных клеммах, являются элементной ба­зой различных антенных систем, от турникет- ной антенны вплоть до многофункциональ­ных активных фазированных антенных реше­ток [1].

Как правило, при печатном исполнении таких систем используется питание от несим­метричной коаксиальной или полосковой ли­нии, при этом возникает необходимость использовать симметрирующее устройство (СУ) той или иной структуры. СУ - это противо­фазный делитель мощности в отношении 1:1, обеспечивающий такое деление в требуемой относительной полосе частот (рис. 1, а). Но его размещение на подложке вблизи входных центральных смежных клемм диполя, нахо­дящихся в непосредственной близости, неиз­бежно приводит к усложнению компоновочной схемы, возрастанию диссипативных потерь и входного коэффициента отражения излучающего модуля за счет изгибов и поворотов пе­чатных линий передачи внутри самого СУ и между противофазными выходами СУ и вход­ными клеммами диполя. Кроме того, уровень кроссполяризации модуля весьма чувствите­лен к структуре и свойствам СУ, потому что обычно диполь возвышается над заземленным корпусом объекта установки на четверть или б0льшую часть длины волны. В результате этого неприкрытый экраном участок планар­ной структуры СУ участвует в нежелательном («паразитном») излучении наряду с диполем. Несмотря на разработанные для широкого при­менения различные весьма компактные пе­чатные СУ [2], при интенсивных доработках печатных интегрированных дипольных излу­чателей приходится принимать во внимание перечисленные неблагоприятные факторы. За многие десятилетия решение этой ситуации так и не было найдено. Однако экстенсивный поиск путей даже частичного преодоления хотя бы нескольких этих факторов уже пред­ставляет собой достойную усилий научно-тех­ническую задачу.

Отметим, что равноамплитудные проти­вофазные напряжения можно подать не только на центральные близкорасположенные концы половин диполя, но и на их удаленные, суще­ственно разнесенные в пространстве концы [3], формируя тем самым излучатель дипольного вида (ИДВ) с концевым питанием (рис. 1, б). Степень разнесения (т. е. расстояние между концами) может достигать половину длины волны, соответствующей центральной часто­те рабочего диапазона ИДВ, а в ряде случаев может быть и больше [3]. Такой излучатель с цилиндрическими проводниками был успешно применен как для уединенных антенн с волно­водным питанием [4, 5], так и для однодиапа­зонной полосково-стержневой директорной антенны [6].

Цель статьи - исходя из предложенного в работе [3] ИДВ с концевым питанием его объемных цилиндрических проводников, ис­следовать характеристики печатного двухдиапазонного излучающего модуля, позволяю­щего разнести центральные частоты рабочих диапазонов при хорошем согласовании и при­емлемых формах диаграмм направленности на каждом из них.

Системный подход к формированию топологии печатного излучающего модуля на базе двух ИДВ

В соответствии с системным подходом, ре­комендованным в работе [1], анализируемый интегрированный модуль включает в себя широкополосное печатное полосково-щеле­вое СУ [7], перекрывающее полосу частот до трех октав и характеризующееся отсутствием каких-либо сквозных металлизированных от­верстий (рис. 2).

Такие отверстия усложняют технологию изготовления модуля. При их наличии требу­ется провести ряд работ, в числе которых пре­цизионное сверление твердосплавными сверлами, последующая ультразвуковая очистка отверстий от продуктов сверления, металли­ческой стружки и заусенцев для процедуры химико-гальванической металлизации на всю глубину отверстия.

Наличие в СУ фрагмента на основе ще­левой линии автоматически обеспечивает ра­венство и противофазность высокочастотных напряжений на противоположных кромках щели в широкой полосе частот ее одномодо­вого режима, с запасом перекрывающей оба разнесенных сравнительно узкополосных ча­стотных канала, которые формируются каж­дым из ИДВ с концевым питанием. Сами ИДВ реализованы параллельно друг другу. Причем для уменьшения возрастающих с частотой диссипативных потерь ближайшим к полосково-щелевому делителю и, следовательно, к заземленной кромке «а» - «б» его обратной металлизации (см. рис. 2) выполнен ИДВ вы­сокочастотного канала. На рис. 2 введены сле­дующие обозначения:

В, С, w, w_D, l_D, R_D, a_D, s_D, b_D, c_D, d_D, a_T, a_G, L_P, w_P, l, m, m₁, m₂, m₃, m₅, s_M, b_S, b_T, b_P, m₄ – размеры

A - точка пайки штырька разъема.

Габаритный размер излучающей части интегрированного модуля определяется дли­ной именно этого ИДВ, поэтому низкочастот­ный ИДВ приходится свертывать в меандр. Обратная процедура, т. е. растяжение (разне­сение) половин высокочастотного ИДВ за счет увеличения расстояния между разомкнутыми смежными концами его половин, не представ­ляется возможной, так как эти концы должны находиться в непосредственной близости [3].

И хотя свертывание линейного излучателя в меандр не способствует сохранению его «поля­ризационной чистоты» (т. е. высокой линейно­сти поляризации), на сегодняшний день пока нет альтернативы свертывания при компоновке двух параллельных друг другу различных по длине ИДВ.

В результате модуль выполняется на фольгированной с двух сторон заготовке раз­мером В х С из материала ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм (см. рис. 2). В отличие от материалов, использованных в работах [1, 2], в рассматри­ваемом случае отсутствуют какие-либо про­водники и диэлектрики вблизи разомкнутых смежных концов излучающих проводников (за исключением самой подложки). Тем са­мым создаются предпосылки к упрощению компоновочных работ при проектировании многомодульных антенных систем. При этом возбуждающие напряжения подаются на суще­ственно разнесенные в пространстве (на под­ложке) концы излучающих проводников, что снимает ограничения на типы печатных про­тивофазных делителей мощности - они могут быть любыми с подходящей широкополосно- стью. Модуль содержит минимальное число изгибов и поворотов питающих полосковых линий, что способствует заметному снижению входного коэффициента отражения. Почти вся топология лицевой стороны делителя мощно­сти прикрыта проводящим экраном, верхний (ориентация согласно рис. 2) край которого расположен над кромкой «а» - «б» металли­зации обратной стороны подложки.

Два небольших пьедестала размером L_p и w_P необходимы как обратная металлизация верхней части подводящих линий. Оба эти раз­мера вместе с другими варьируются в процессе нелинейной параметрической оптимизации, чтобы одновременно достичь минимума мо­дуля коэффициента отражения на обеих цен­тральных частотах f_0L иf_0H низко- и высоко­частотного каналов соответственно.

При этом излучающие проводники высо­кочастотного ИДВ расположены гораздо ближе к кромке «а» - «б» заземленной металлизации по сравнению с классическим диполем. Это связано со значительной емкостной составляю­щей входного импеданса уединенного ИДВ [3], для компенсации которой приходится при­ближать проводники высокочастотного ИДВ к «земле», чтобы в него вносилась реактивная составляющая индуктивного характера, обу­словленная наведенным током проводимости, текущим вдоль кромки «а» - «б» и локализо­ванном в примыкающей к этой кромке полосе заземленной фольги. Ширина последней за­висит от частоты и соотношения размеров в процессе оптимизации (настройки).

В результате входной коэффициент от­ражения двухдиапазонного модуля и интен­сивность его излучения на основной и кросс­поляризациях целесообразно рассчитывать с по­мощью программы трехмерного электродинами­ческого проектирования, например, CST Studio Suite, доступной в сети Интернет по ссылке [8].

Можно найти все ключевые размеры то­пологии при заданных центральных часто­тах каналов, марке диэлектрика и допусти­мом уровне модуля входного коэффициента отражения на обеих частотах. Для этого ис­пользуем полученную на основе системно­эвристического подхода (в значительной мере зависящего от опыта разработчика) [1] топологию излучающего модуля (см. рис. 2) в ка­честве стартового (начального) облика, за счет встроенного в систему CST Studio Suite пара­метрического оптимизатора.

При этом целесообразно учитывать, что неудачный (непрофессиональный) выбор об­лика начального приближения топологии всего излучателя, как правило, не может быть ком­пенсирован за счет оптимизации размеров, расстояний и параметров диэлектрика подлож­ки [1]. Кроме того, имеющийся опыт работы с излучателями дипольного вида [3-6] позволя­ет авторам полагать, что с большой вероятно­стью диаграммы направленности по основной поляризации на обеих центральных частотах будут вполне приемлемы, если на этих часто­тах будет достигнут минимум модуля входного коэффициента отражения.

Что касается кроссполяризационного из­лучения, то остается только надеяться, что его интенсивность не превысит допустимые уров­ни. Исходя из опыта работы авторов, сформу­лировать и разработать эффективный алгоритм процедуры минимизации кроссполяризационной интенсивности в полном телесном угле 4π стерадиан на этапе параметрической оптимиза­ции топологии печатной заготовки (см. рис. 2) не представляется возможным. Это связано с вре­менными и материальными затратами, а так­же неактуальностью этой процедуры на этапе эскизного проектирования, когда не вполне однозначно определены факторы ближайшей к модулю конструктивно-компоновочной архи­тектуры антенной системы. В этом, по мнению авторов статьи, проявляется сущность метода целенаправленных проб и ошибок, широко применяемого в работах [1, 2] при проектиро­вании симметрирующих устройств и различ­ных излучателей.

Результаты параметрической оптимизации и рабочие характеристики двухдиапазонного излучателя дипольного вида

Итерационная процедура вариации ключевых размеров топологии излучателя (см. рис. 2) ре­ализуется алгоритмом нелинейной оптимиза­ции, встроенном в систему CST Studio Suite [8]. На рис. 3 показана излучающая часть в более крупном масштабе. Выбор этой системы обу­словлен не только доступностью ее компакт­ной версии, упомянутой в работе [8], вполне достаточной для моделирования и оптимиза­ции уединенных печатных антенн, но и тем, что Новосибирский государственный техни­ческий университет приобрел в конце 2019 г лицензию полной версии CSTStudio Suite.

В данной программе можно моделиро­вать многоэлементные ФАР и системы из из­лучателей и материалов практически любого типа (рупоры с внутренними импедансными поверхностями, излучатели Вивальди, диполи всех видов, метаматериалы, графен, зеркаль­ные антенны, ионизированная плазма и т. п.).

При этом существенное значение имеет все еще во многом эвристическая процедура придания тому или иному размеру или параме­тру топологии статуса «ключевой». Неудачное назначение этого статуса кроме возрастания временных затрат на оптимизацию может при­вести к потере перспективного с точки зрения достижения полезного эффекта конечного об­лика излучателя [1]. Рассматривая в качестве ключевых размеры B, C, w, w_D, l_D, R_D, a_D, s_D, b_D, C_D, d_D, a_T, a_G, L_P, w_P, l, m, m₁, m₂, ш₃, m₅, s_M, b_S (см. рис. 2, 3; всего 23 размера), удалось достичь приемлемых показателей на мате­риале ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм для частот f_0L = 2,0 ГГц и f_0H = 2,6 ГГц.

Согласование излучателя с коаксиаль­ным кабелем волнового сопротивления 50 Ом характеризуется зависимостью модуля входно­го коэффициента отражения от частоты (рис. 4, красная линия). Расчетные диаграммы направ­ленности по основной поляризации в плоско­сти вектора Е напряженности электрического поля (сечение xoz) обозначены красными ли­ниями на рис. 5, а в плоскости вектора Н на­пряженности магнитного поля (сечение yoz) - красными линиями на рис. 6. Синими линиями 

на рис. 5, 6 изображены полярные диаграммы интенсивности кроссполяризационного излуче­ния, полученные после оптимизации. При этом значения ключевых и трех вспомогательных технологически обоснованных размеров (мм) составили (см. рис. 2, 3; всего 26 размеров):

Эти размеры были использованы при из­готовлении опытного образца, обследованного в безэховой камере Акционерного общества «НИИ измерительных приборов - Новосибирский завод имени Коминтерна». В ней разме­щены стандартные поворотные и отсчетные устройства, а также векторный анализатор цепей Agilent N5241A (PNA-X), генератор сиг­налов E8257D PSG и рупорные антенны с ли­нейной поляризацией.

При этом подложка излучателя, реа­лизованная согласно рис. 2, была размеще­на в плоском, почти сплошном сборном ме­таллическом корпусе. В нижней узкой стенке корпуса было выполнено локальное прямо­угольное отверстие для обеспечения досту­па к коаксиально-полосковому переходу типа SMA (SubMiniature version A connector). Верх­няя узкая стенка полностью отсутствовала для беспрепятственной установки печатной платы излучателя, выступавшей за пределы верхней части корпуса на весь размер своего излуча­ющего фрагмента (см. рис. 3). В результате верхний край корпуса проецировался на кром­ку «а» - «б» металлизации обратной стороны подложки (см. рис. 2, б).

По результатам измерений рабочих ха­рактеристик сформированы соответствующие зависимости (см. рис. 4-6, зеленые линии). Отличия между экспериментальными и рас­четными характеристиками находятся в при­емлемых границах и свидетельствуют об адекватности описанной методики проектирования двухдиапазонных ИДВ с концевым питанием. И хотя этапы проектирования еще предстоит упорядочить, полученные результаты можно квалифицировать как обнадеживающие. От­метим, что более подробно эти этапы описа­ны в заявке на патент Российской Федерации, положительное решение о выдаче которого получено недавно [9].

С одной стороны, описанные выше ре­зультаты свидетельствуют о возможности за­метного разнесения центральных частот f_0L и f_0H обоих каналов без существенного иска­жения диаграмм направленности по основной поляризации и роста уровня кроссполяризаци- онного излучения.

С другой стороны, возникает необходи­мость оценивать предельные возможности по разнесению центральных частот каналов с ИДВ. Такие оценки можно сформулировать лишь с привлечением статистических подхо­дов. При этом полученные численные методы конкретных значений отношения f_0H / f_0L ап­проксимируются полиномом соответствующей формы и степени при заданных типах диэлек­трика, допустимой степени искажения диа­граммы направленности и уровня кроссполяризационного излучения в пределах телесного угла ее главного лепестка. Так, например, для материала ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм удалось обеспечить разнесение центральных частот, при котором f_0H / f_0L = 1,4.

Надо полагать, что природные свойства уединенных ИДВ в значительной мере будут влиять на разнесение частот двух близко расположенных в пространстве излучателей этого типа. И в этом плане авторы считают целесо­образным рекомендовать работу [3], в кото­рой на основе электродинамического анализа систематизированы ряд свойств уединенных ИДВ, включая частотные характеристики их комплексных входных импедансов и форму диаграммы направленности по основной по­ляризации.

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования ИДВ с кон­цевым питанием при модернизации антенных систем с линейной поляризацией. Выбор концевых клемм обеих половин ИДВ для подачи возбуждающих противофазных напряжений привносит в процедуры проектирования до­полнительные степени свободы как в плане выбора типов симметрирующих устройств, так и в конструктивно-компоновочных аспек­тах. Предложенная топология не требует реа­лизации сквозных переходных металлизиро­ванных отверстий и/или каких-либо проводя­щих межслойных переходов в виде узких по­лосок фольги на торцах платы, припаиваемых к печатным фрагментам лицевой и обратной сторон подложки. Как приведенные результа­ты, так и аналогичные для других частот, мо­гут быть полезны при оперативном принятии решений во время эскизного проектирования, а также при оценивании предельно достижимых (потенциальных) характеристик модернизиру­емых и вновь проектируемых антенных систем.