Одиночный элемент антенной решетки станции дифференциальных поправок GPS в микрополосковом исполнении

К радиотехническим устройствам, работающим в СВЧ диапазоне, предъявляются весьма жесткие требования по снижению себестоимости, уменьшению габаритов и веса, повышению надежности. Использование миниатюризации элементов и узлов на СВЧ в современной радиоэлектронике остается актуальной задачей.

Если сравнить микрополосковые схемы и обычную аппаратуру, то первыеболее трудоемки в разработке.Связь между элементами схемы более трудно поддается учету за счет краевых полей и полей излучения, расчет многих элементов схемы производится приближенно изатруднена подстройка готовых схем. Поэтому окончательные размеры всех конструкций приходится отрабатывать путем перебора множества вариантов.

Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией. Допускаются удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах. Это легко позволяет объединить многие элементарные излучатели в ФАР и расположить их на поверхностях сложной формы.

Использование дифференциальной DGPS (Global Position System) позволяет значительно повысить точность глобальной системы местоопределения (рис. 1). Однако DGPS также имеет свои ограничения. Наземная станция рассчитывает дифференциальную корректировку для собственного расположения и времени.

Рис. 1. Использование дифференциальной корректировки

в глобальной системе местоопределения

Антенна, предназначенная для системы определения координат DGPS, должна обладать определенными свойствами: равномерным излучением в верхней полуплоскости, а также иметь круговую поляризацию.

Для качественного покрытия зоны обслуживания станциями дифференциальных поправок GPS в городских условиях достаточно использовать антенны с узкой диаграммой направленности (ДН) в вертикальной плоскости. Сужение ДН с ростом коэффициента усиления (КУ) может быть реализовано в вертикальной антенной решетке.

В отличие от традиционных резонансных МПИ широкополосные излучатели позволяют реализовать полосу рабочих частот от 30% до 100 % и больше (и не только по входному сопротивлению) [1]. Проанализировав известную научно-техническую литературу, к сожалению, не удалось выявить подходящих конструкций МПИ с необходимыми характеристиками.

Микрополосковое антенное устройство часто представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины с нанесенным с обеих сторон тонким медным покрытием. На одной стороне изготовлены излучающий элемент, цепи питания, управления и согласования. Другая металлическая сторона антенной платы служит экраном [2, 3].

В рамках этой работы предпочтение было отдано конструктивно более технологичным однослойным МПИ (на одной, возможно подвешенной диэлектрической подложке). Несмотря на простоту таких МПИ, известны различные способы значительного расширения их рабочей полосы частот [1].

В докладе рассматривается одиночный микрополосковый элемент антенной решетки станции DGPS , функционирующего в полосе частот 1,8…2,4 ГГц (рис. 2).

Конструкция МПИ рассчитана методом конечных элементов (FEM - Finite Element Method), положенным в основу работы программного пакета Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) [4]. Пакет Ansoft HFSS общепризнан как достоверный высокопроизводительный инструмент проектирования самых различных трехмерных микрополосковых, волноводных и антенных структур на строгом электродинамическом уровне [5].

Моделирование МПИ в HFSS проводилось в частотной области с адаптивным итерационным методом решения граничной задачи[6]. Начальная сетка тетраэдральных конечных элементов генерировалась с помощью базовых примитивов HFSS. Затем она уплотнялась в области решения задачи до полной сходимости решения. Критерием сходимости задавалась максимальная величина Δ≤0,02 изменения модулей S-параметров между двумя последовательными итерациями решения задачи.

Особенностью рассмотренной модели МПИ является коаксиальное питание. Между питающей коаксиальной линией и излучателем вводится слабая емкостная связь, что обеспечивает широкополосность (рис. 3).Достоинство МПИ - решетка таких излучателей может быть реализована на единой однослойной подложке.

Основными частями элемента антенной решетки являются излучатель и устройство возбуждения. Излучатель (1)имеет модифицированную форму(рис. 2). Он располагается на тонком диэлектрическом слое (2) с проводящей подложкой (3). Возбуждение осуществляется при помощи прямоугольного полоска с коаксиальной линией (4). На обратной стороне проводящей подложки расположен отражающий экран (5).

Рис.2.Модель МПИ

1- излучатель, 2 – диэлектрическийслой, 3 – проводящая подложка,

4 – питающий полосок с коаксильной линией, 5 – отражающий экран

Рис. 3. МПИ, небольшой питающий прямоугольный полосок

и центральная жила вертикального коаксиального входа

Параметризация этой модели проводилась также для обеспечения заданной полосы рабочих частот по уровню КСВН не более 2…2,5. Изменялись следующие параметры модели:

- длина L микрополоскового излучателя;

- ширина w микрополоскового излучателя;

- ширина S малого полоска;

- толщина g пенопластового слоя под диэлектрической подложкой;

- расстояние d между излучателем и малым питающим полоском;

- расстояние Ds от края микрополоска до края подложки.

Рассчитанные в результате параметризации изменения основных характеристик излучателя (КСВН, |S₁₁|, КНД) и поведение токов в модели приведены на рисунках 4 – 7.

Рис.4. КСВНМПИ

Показано, что одиночный МПИ хорошо согласован - КСВН не более 2,0...2,5 в полосе частот 1,8…2,4 ГГц (рис. 4).

Рис. 5. Частотная характеристика |S₁₁|МПИ

Важным параметром антенны является ширина полосы. Эффективность и направленность в диапазоне частот комбинируется с полосой по усилению.

Рис.6. Трехмерная диаграмма КНДМПИ на частоте 2,4 ГГц. КНД_max=7,8dB

По рисунку 6 видно, что в верхней полуплоскости излучение равномерно. Это удовлетворяет свойствам антенн стандарта GPS.

Рис. 7. Линии поверхностного тока на излучателе (на частоте 2,4 ГГц)

Таким образом, разработана конструкция микрополоскового излучателя антенной решетки станции дифференциальных поправок GPS в микрополосковом исполнениина диэлектрической подложке (ε_r=3,66), позволяющая обеспечить хорошее согласование (КСВН не более 2,0...2,5) в полосе частот 1,8…2,4 ГГц. Размеры одиночного элемента компактны и составляют 87мм˟67мм˟17мм.

Литература:

1. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны, Москва «Радио и связь», 1986, 144 с.

2. Учебное пособие. Проектирование полосковых устройств СВЧ, Ульяновск, 2001, 129 с.

3. Kumar G., Ray K. P., Broadband Microstrip Antennas, Artech House, Norwood, Mass, USA, 2003.

4. www.ansoft.com.

5. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft-М, ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009, 256 с.

6. Банков С.Е., Курушин А.А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР, Москва, 2008, 276 с.