В статье рассмотрены вопросы моделирования приемо-передающего устройства рупорной антенны, которая будет применятся при построении системы обнаружения людей через препятствие, описан процесс конструирования и моделирования антенны в среде САПР HFSS, приведено сравнение результатов моделирования и типового расчета, построены диаграмма направленности и частотная характеристика антенны.
Ключевые слова: приемо-передающее устройство, рупорная антенна, диаграмма направленности.
На сегодняшний день существует задача нахождения живых людей, оказавшихся под завалами после действия природных и техногенных катастроф. Необходимо оснащение спасательных отрядов высокоэффективными системами для определения местонахождения людей при ликвидации последствий катастроф.
Разработки в этой области ведутся более тридцати лет, но возникновение новой элементной базы и создание прорывных технологий в области электроники значительно упростили ускорили создание беспроводных систем радиосвязи и, тем самым подтолкнули, создание первых систем обнаружения людей — биолакатеров.
В статье будет описан современный подход к проектированию основного узла такой системы — приемо-передающего модуля антенны. Таким методом является использование современных программных продуктов САПР. Одним из лидеров данного кластера является программа HFSS . Используя возможности программного продукта при разработке конструкции приёмо-передающего модуля можно не только рассчитать конструкцию, но и сравнить ее с типовым расчетом без применения методов конечных элементов.
Основное назначение HFSS — это моделирование электромагнитного поля 3 D структур СВЧ объектов и создания объемных изображений с диаграммами направленностями.
При создании приемо-передающего модуля в среде HFSS необходимо создать параметрическую модель модуля и задать его основные размеры (рисунок 1). Вторым этапом является выбор материала антенны и среды распространения — радиация и воздух.
Определим граничные параметры для моделирования: рабочий диапазон частот 0,9 ГГц — 2,1 ГГц; входное сопротивление антенны: не более 50 Ом; усиление приемопередающего модуля: 10 дБ.
Рис. 1. 3D-приемопередающего модуля
По средствам моделирования в среде HFSS получены
1) 3 D -диаграмма направленности приемопередающего модуля для частоты 1,4 ГГц (рисунок 2);
2) 2 D -диаграмму направленности приемопередающего модуля для частоты 1,4 ГГц (рисунок 3);
3) напряженность электромагнитного поля в продольном сечении приемопередающего модуля (рисунок 4);
4) Амплитудочастотная характеристика АЧХ (рисунок 5);
5) график поляризации приемопередающего модуля антенны показан на рисунке 6.
Рис. 2. 3 D -диаграмма направленности при частоте 1,4 ГГц
Рис. 3. 2D-диаграмма направленности при частоте 1,4 ГГц
Рис. 4. Распределение электромагнитного поля при частоте 1,4 ГГц
Рис. 5. Амплитудочастотная характеристика
Рис. 6. График поляризации приемопередающего модуля
Для подтверждения правильности расчётов в среде HFSS проведем сравнительный анализ результатов моделирования и классического расчета. Основной недостаток классических методик расчета — невозможность построение 3D диаграмм и графиков.
Проведем расчет приемопередающего модуля в калькуляторе для создания СВЧ-антенн [3]. Введем исходные данные для расчета рисунок 7.
Рис. 7. Исходные данные для расчета
Результаты классического расчета приведены на рисунке 8.
Рис. 8. Результаты классического расчета
Результатами проведенного анализа и моделирования приемопередающего модуля антенны, является его физическая реализуемость для заданных параметров. И, как следствие, возможность использования в системах обнаружения живых людей за преградой.
Литература:
1 Калинин В. О. Исследование методов повышения помехоустойчивости сверхширокополосных систем радиосвязи: автореф. / О. В. Калинин; М-во связи РФ, Новосибирск, 2016. − 25 с.
2 ГОСТ 24375− 80. Издания. Международная стандартная нумерация книг. введ. 1982–01–01. — Москва, 10 с. — (Радиосвязь термины и определения).
3 Лазоренко О. Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. // Радиофизика и радиоастрономия. / О. Ф. Лазоренко, Л. Ф. Черногор. — Москва, 2008. − т.13, с.166–194.
