Излучатель на основе однополосковой меандровой линии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Излучатель на основе однополосковой меандровой линии

Г.Г. Грачёв, В.А. Калошин

Институт радиотехники и электроники

им. В.А. Котельникова РАН

Аннотация

Предложены и исследованы излучатели на основе отрезка однополосковой ленточной меандровой линии. Рассмотрены излучающие элементы с прямоугольной формой меандра при различной ширине излучателя при фиксированной величине периода и ширины полоска. Теоретическое исследование коэффициента отражения и диаграмм направленности излучения проведено путем численного моделирования методом конечных элементов. Показано существование режима осевого излучения. Результаты моделирования диаграммы направленности излучателя сопоставлены с результатами физического эксперимента.

Ключевые слова: однополосковая меандровая линия, монополь, антенна.

Abstract

Radiators on the base of singlestrip meandered lines are proposed and investigated. Existence of end-fire mode of radiation in such element is demonstrated. The results are obtained by numerical simulations on the base of FEM and compared with physical experiments data.

Keywords: meandered line, radiator.

Введение

Интерес к однополосковой меандровой линии (ЛМЛ) как к базовой линии передачи УКВ, СВЧ и КВЧ диапазонов обусловлен низкими тепловыми потерями [1-3], высокой устойчивостью ее основной моды к излучению на нерегулярностях [4] и простотой изготовления. Особенности геометрии данной линии передачи позволяют строить на ее основе излучающие элементы, простейшим из которых является монополь, т.е. отрезок ЛМЛ над экраном (рис.1). В настоящее время меандровая форма проводников широко используется для уменьшения габаритов излучателей монопольного и дипольного типа [5]. Главным недостатком таких излучателей является их слабая направленность.

Целью данной работы является исследование и определение условий существования различных режимов работы меандровых излучателей, в первую очередь режима излучения вдоль оси с целью реализации высокой направленности.

Будем исследовать излучающий элемент с прямоугольной формой меандра и различными величинами ширины W и длины при фиксированном периоде t=15мм, ширине полоска w=3,5мм и расстоянии от краёв экранов до первого излома полоска l=2мм (рис.1). Для электродинамического моделирования будем использовать метод конечных элементов.

Рис. 1. Модель излучателя на основе ЛМЛ.

1. Основные режимы работы меандрового излучателя

На рис. 2 приведены частотные зависимости величины отражённой мощности в моделях меандровых излучателей возбуждаемых СПЛ с тремя волновыми сопротивлениями: 20 ом, 50 ом и 60 ом, полученные путем численного моделирования. На графике соответствующие кривые показаны красным, синим и зеленым цветом. Можно видеть 4 полосы согласования излучателя с центральными частотами 1,5 ГГц, 3,8ГГц, 5ГГц и 8ГГц. Сначала рассмотрим хорошо согласованную на нижней частоте модель излучателя, возбуждаемого 50-омной симметричной полосковой линией. Она приведена на рис. 2 синим цветом. Диаграмма направленности меандрового излучателя на этой частоте приведена на рис.3. Красным цветом представлена диаграмма направленности в плоскости меандра (XY), синим - в плоскости ортогональной излучателю (XZ), зелёным - в плоскости YZ.

Рис.2. Зависимость коэффициента отражения от частоты.

Рис. 3. Диаграмма направленности меандрового излучателя в дБ на частоте 1,5 ГГц.

Как видно из рисунка, в данном режиме излучение слабонаправленное с провалом вдоль оси излучателя, характерное для классического монополя. Данный вид диаграммы обусловлен тем, что на низкой частоте излучатель представляет собой слабо добротный резонатор, все элементы которого находятся в фазе. Поэтому излучают только продольные токи (излучение поперечных токов, периодически меняющих свое направление на противоположное, практически отсутствует).

Во втором режиме работы на частоте 3.8 ГГц волновое сопротивление излучателя близко к 20 Ом. Сечения диаграммы направленности излучателя в этом режиме работы в трех плоскостях приведены на рис. 4 (выбор цвета кривых здесь и далее на рис.5,6, такой же как на рис.3). Как видно на рисунке излучение направлено под углом 30-50^o к оси излучателя с усилением 2-3 дБ в прямом и -1дБ в обратном направлении.

Рис. 4. Диаграмма направленности меандрового излучателя в дБ на частоте 3,8 ГГц.

Третий режим работы (на частоте 5 ГГц) меандрового излучателя характеризуется высокой направленностью излучения (порядка 6-7 дБ) в направлении, близком к оси излучателя (рис. 5). В данном случае имеет место режим бегущей волны.

Рис. 5. Диаграмма направленности меандрового излучателя в дБ на частоте 5 ГГц.

Рис. 6. Диаграмма направленности меандрового излучателя в дБ на частоте 8 ГГц.

излучатель однополосковый меандровый

Четвертый режим работы (на частоте 8 ГГц) характеризуется более широкой полосой согласования (см. рис. 2). Сечения диаграммы направленности излучения в четвёртом режиме излучателя с 60-омной питающей линией представлены на рис. 6. При возбуждении излучателя линией с волновым сопротивлением Z=100 Ом обеспечивается режим сверхширокополосного согласования (от 7 до 22.5 ГГц по уровню -10 дБ, см. рис. 7). На рис.8 приведены диаграммы направленности меандрового излучателя возбуждённого линией с волновым сопротивлением 100 Ом на частотах - 7, 8, 10, 11 ГГц (на рисунке показаны красным, синим, зелёным и коричневым цветами, соответственно). Сплошные линии на рисунке - и-поляризация в плоскости ц=0^о, пунктирные линии - и-поляризация в плоскости ц=90^о, штриховые линии - ц-поляризация в плоскости ц=90^о.

Рис. 7. Зависимость коэффициента отражения от частоты излучателя, возбуждённого 100-омной линией.

Рис. 8. Диаграммы направленности меандрового излучателя, возбуждённого линией с волновым сопротивлением 100 Ом.

2. Исследование характеристик излучателя в зависимости от геометрических размеров

Зависимости характеристик излучателей от геометрических размеров исследованы для режима бегущей волны с высокой направленностью излучения вдоль оси. На рис. 9 представлены частотные зависимости величины отражённой мощности для трёх моделей излучателей с ширинами меандра w=10мм, 15мм и 17мм возбуждаемых СПЛ с волновыми сопротивлениями соответствующими наилучшему согласованию в режиме осевого излучения - 110, 60 и 50 Ом, соответственно. На рис. 9 эти зависимости показаны зелёным, красным и синим цветом. Как видно из графиков, модели с более широким меандром и, соответственно, меньшим волновым сопротивлением, обладают более узкой относительной полосой согласования , равной 0,22; 0,07 и 0,05, соответственно. Здесь - полоса пропускания излучателя на уровне -10дБ, - резонансная частота. Диаграммы направленности этих излучателей приведены на рис. 10 зеленым (w = 10мм), красным (15мм) и синим (17мм) цветами резонансных частотах 7,55 ГГц, 5,05 ГГц и 4,49 ГГц соответственно. Сплошными линиями представлены сечения диаграмм в плоскости меандра (XY), пунктирными линиями - в плоскости ортогональной излучателю (XZ), штриховыми линиями - в плоскости YZ.

Рис. 9. Зависимость коэффициента отражения от частоты в режиме осевого излучения.

Рис. 10. Диаграммы направленности меандровых излучателей бегущей волны.

Как видно из рис. 10, усиление излучателя с увеличением ширины меандра падает.

3. Исследование характеристик излучателя с экраном

На рис. 11. показана модель излучающего элемента на базе ЛМЛ, возбуждаемого при помощи СПЛ с экраном. Частотная зависимость отражённой мощности в такой модели приведена на рис. 12 синей линией. Отметим, что при ширине меандра w=19мм излучатель с экраном согласуется с СПЛ с Z0 = 9 Ом. Для сравнения приводится характеристика модели аналогичной исследованным выше с шириной меандра w=19мм, то есть с волновым сопротивлением в режиме бегущей волны Z0=50 Ом.

Рис. 11. Модель излучателя на основе ЛМЛ с проводящим экраном.

Рис. 12. Зависимость коэффициента отражения от частоты.

Рис. 13. Диаграммы направленности меандрового излучателя с экраном и без экрана.

На рис. 13 синими линиями приведены диаграммы направленности излучателя с экраном. Сплошными линиями представлены сечения диаграмм в плоскости меандра (XY), пунктирными линиями - в плоскости, ортогональной излучателю (XZ), штриховыми линиями - в плоскости YZ. Для сравнения красными линиями на том же рисунке приведены диаграммы направленности излучателя без экрана.

Из рис. 12 видно, что наличие направляющего экрана приводит к сильному сокращению относительной полосы пропускания излучателя, по уровню -10дБ с 5% до 1,2%. Однако, как можно видеть из рис. 13, введение экрана привело к существенному увеличению направленности, в результате чего коэффициент усиления возрастает с 6,3дБ до 10,3дБ.

4. Экспериментальное исследование

Экспериментально исследовался меандровый излучатель, возбуждаемый СПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом. Ширина меандра была выбрана равной w=19мм из условия наилучшего согласования с измерительным прибором при работе излучателя в режиме бегущей волны. Схема эксперимента представлена на рис. 14. В качестве измерительной антенны использовалась сверхширокополосная поликоническая антенна [6]. В качестве измерительного прибора - анализатор цепей HP 8720С.

Рис. 14. Схема экспериментального исследования меандрового излучателя.

На рис. 15 красной линией показана частотная зависимость измеренной величины коэффициента отражения для меандрового излучателя, возбужденного 50-омной линией. Для сравнения, синей линией показана аналогичная характеристика, полученная численно. Как можно видеть на рисунке, число резонансных провалов в частотных характеристиках коэффициента отражения не совпадает. На экспериментальной кривой имеются дополнительные резонансные провалы, которые можно объяснить присутствием неучтенных в численной модели неоднородностей (например, место пайки коаксиального кабеля).

Рис.15. Зависимость коэффициента отражения от частот.

Рис. 16. Нормированная диаграмма направленности меандрового излучателя в режиме бегущей волны на частоте 4 ГГц.

На рис. 16 красной линией приведены результаты измерения диаграммы направленности меандрового излучателя, возбуждённого СПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом, в режиме бегущей волны. Синей линией приводится диаграмма направленности, полученная численным методом. Для удобства сравнения, диаграммы приведены в нормированном виде. Как видно из рисунка, вблизи оси излучателя, при -20^o< и <20^o графики совпадают с точностью 0,5дБ, однако с увеличением угла и разница между экспериментальными и расчётными данными увеличивается.

Заключение

В работе исследован монополь на основе меандровой линии. Теоретически и экспериментально показано существование режима осевого излучения с достаточно высокой направленностью (6 дБ) при малых электрических размерах излучателя (0.4х0.25 длины волны). Теоретически показано возможность повышения усиления до 10 дБ при использовании экрана.

Литература

1. Арсеньева Е.М, Калиничев В.И., Калошин В.А. Новые типы линий для радиосвязи в УКВ и СВЧ диапазонах. Труды III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/library/3conference/pdffiles/pd007.pdf.

2. Арсеньева Е.М, Калиничев В.И., Калошин В.А. Исследование дисперсионных характеристик поверхностной волны в однопроводниковой меандровой линии. [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. - 2011. - №1. - Режим доступа: (http://jre.cplire.ru/jre/jan11/4/text.pdf).

3. Грачёв Г.Г., Калошин В.А., Базовые элементы интегральных схем СВЧ и КВЧ диапазонов на основе ленточной меандровой линии передачи, Труды V Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2011.

4. Грачёв Г.Г., Калошин В.А. Исследование делителей мощности на основе меандровых линий. [Электронный ресурс] // Журнал Радиоэлектроники. - 2011. - №12 - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/dec11/15/text.html.

5. Juan G. Estrada, Carlos I. Paez, Design Formulas for a Meandered Dipole. Antennas & Propagation Mag., 2011, Vol.53, No. 3, pp. 147-148.

6. Калошин В.А., Мартынов Е.С., Скородумова Е.А., Исследование характеристик поликонической антенны в широкой полосе частот, РЭ. 2011.,Т.56. №9. С.1094-1098.

Размещено на Allbest.ru