автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Широкополосные многоэлементные микрополосковые антенные решетки

На правах рукописи

Чон Кен-Хван

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (технический университет)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Петров Александр Сергеевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аристархов Григорий Маркович кандидат физико-математических наук Бойко Сергей Николаевич

Ведущее предприятие — Научно-исследовательский институт точных приборов

Защита состоится «7» октября 2004 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Большой Трехсвятительский пер., д.3/12, зал Ученого Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

Автореферат разослан « »_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследованию микрополосковых антенн посвящено большое количество публикаций. Вышли тысячи оригинальных статей и получено множество патентов на конструкции, имеются развернутые обзоры и около десятка специальных монографий. Ежегодно во всем мире проходят конференции и семинары, на которых также сообщается масса самых свежих материалов по данной тематике. Все это свидетельствует о большом интересе, который привлекают к себе вопросы теоретического анализа и проектирования микрополосковых антенн. В настоящее время можно считать, что микрополосковые антенны уже прочно вошли в арсенал базовых схемно-конструктивных вариантов, используемых инженерами при создании приемо-передающей радиоаппаратуры самого разнообразного назначения.

Общеизвестны достоинства и недостатки печатных излучателей и антенных решеток, создаваемых на их основе. Малые габариты и масса, простота и дешевизна изготовления по групповым технологиям — с одной стороны и узкие полосы рабочих частот, а также увеличенный уровень диссипативных потерь — с другой. За последние годы удалось добиться впечатляющих успехов в решении этих проблем. Что касается расширения полосы рабочих частот, и в первую очередь по импедансному согласованию излучателей с фидерным трактом, то получены, можно сказать, блестящие результаты. Основные усилия исследователей были направлены на модификацию и усложнение конструкций излучателей и зондов, связывающих их с фидерным трактом. Таким образом, расширение полосы частот фактически достигается путем увеличения общих габаритов антенн и усложнения их конструкции. То есть как раз за счет именно тех достоинств, которыми и обладают базовые конструкции печатных излучателей. Таким образом, продолжает оставаться актуальной задача расширения импедансной

ширины полосы частот п р решеток, сконструированных на их

Целью диссертационной работы является расширение импедансной полосы рабочих частот многоэлементных микрополосковых антенных решеток, конструируемых на основе простейших типов планарных излучателей.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

• проведен комплексный анализ описанных в литературе методов расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и многоэлементных антенных решеток, реализованных на их основе;

• выбран основной подход к решению задачи расширения полосы рабочих частот простейших и при этом самых технологичных и дешевых при массовом изготовлении микрополосковых антенн, основанный на синтезе фильтрующих устройств, обеспечивающих согласование комплексного сопротивления излучателя с активным сопротивлением фидера;

• разработана методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа с применением трех типов инверторов, реализованных на основе четвертьволновых отрезков длинных линий, секций связанных линий и емкостных зазоров в микрополосковых линиях;

• получены соотношения и представлены графические зависимости, позволяющие быстро оценивать предельно достижимые полосовые характеристики микрополосковых антенн;

• исследовано влияние резонансного характера входного сопротивления микрополосковых излучателей на полосовые характеристики многоканальных делителей мощности бинарного типа;

• предложен новый метод синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, входящих в состав многоэлементных микрополосковых антенных решеток;

• разработана экспериментальная микрополосковая антенная решетка с числом излучающих элементов равным 256, имеющая расширенный диапазон рабочих частот.

Научная новизна и основные положения выносимые на защиту:

В диссертации применительно к микрополосковым антеннам получил развитие классический подход к синтезу полосно-расширяющих цепей для комплексных резонансных нагрузок; он базируется на теории аналитического синтеза СВЧ цепей по прототипам. Новыми являются и на защиту выносятся следующие основные результаты работы:

• методология оценки предельных полосовых характеристик однослойных микрополосковых антенн с простейшими формами резонаторов;

• методика анализа влияния резонансного характера нагрузки на параметры многоканальных делителей мощности, входящих в состав антенных решеток;

• методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа для планарных микрополосковых излучателей;

• новые идеализированные элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения;

• эффективная методика синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, основанная на применении идеальных делителей тока и напряжения.

Методы исследования. При решении задач, сформулированных в диссертационной работе, использовались методы теории анализа и синтеза электрических цепей, методы электродинамики, теория функций комплексной переменной, матричная алгебра, методы машинного проектирования, экспериментальные методы проверки и апробации полученных результатов с применением современных измерительных приборов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

сравнением результатов синтеза параметров широкополосных микрополосковых излучателей и антенных решеток с результатами анализа, проведенного с помощью программного комплекса Microwave Office;

- результатами многочисленных экспериментов;

- апробацией разработанных методик расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых антенн в составе действующих образцов, разработанных фирмой Microface, республика Корея.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные расчетные соотношения, графические кривые и программные модули дают возможность не только оценивать потенциальные возможности расширения полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и антенных решеток, проектируемых на их основе, но и синтезировать все необходимые для разработки конструктивные параметры.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "ЭМС и интеллектуальные здания", которая проходила в Москве 13-14 ноября 2000 г., на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ, февраль 2001 и 2003 гг., в сообщении на семинаре "ОИС СВЧ и биоэнергоинформационные технологии", организованном при МНТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, март 2001 г.).

Реализация результатов и предложения об использовании.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, внедрены в разработках фирмы Microface (Южная Корея) и фирмы "Антенные системы" (Россия), что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Они также применяются в учебном процессе

Московского государственного института электроники и математики на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" в лабораторных работах, практических занятиях и конструкторском проектировании но курсу "Техническая электродинамика и проектирование СВЧ устройств".

Предложенные методики расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн и проектирования многоканальных делителей-сумматоров мощности могут быть полезны для инженеров-практиков, занимающихся разработкой антенных устройств в диапазоне СВЧ. Введение новых идеализированных элементов — идеальных делителей тока и напряжения дает полезный вклад в теорию электрических цепей.

Публикации. Положения и результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях и трех тезисах докладов на конференциях. На основе полученных результатов опубликованы методические указания по курсовому и дипломному проектированию.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 174 страницы основного текста, включая библиографию из 101 наименования, 84 рисунка, 8 таблиц, два приложения и 2 акта внедрения результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследований, определяются новизна полученных результатов и их практическая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе по многочисленным публикациям, имеющимся в литературе, проведен обзор состояния вопроса и дан детальный анализ

современных методов расширения полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и антенных решеток, сконструированных на их основе. Показано, что методология создания широкополосных микрополосковых антенн может быть классифицирована по нескольким базовым, принципиальным схемно-конструктивным подходам. Среди них: использование подложек, имеющих увеличенную толщину, создание слоистых этажерочных излучающих систем с активным и несколькими пассивными элементами, формирование многоэлементных планарных излучателей, конструирование специальных типов зондовой связи, а также дополнительных резонансных полостей, работающих совместно с активным излучателем, модификация формы планарных излучателей, вырезания в них специальных щелей и установка реактивных шлейфов, создание логопериодических и нерезонансных излучающих элементов спирального типа и щелей с плавно изменяющейся шириной.

Эти методы обладают высокой эффективностью, однако, приводят к усложнению и удорожанию конструкций микрополосковых антенн. Вследствие этого сформулирована основная цель диссертационной работы, состоящая в расширении полосы рабочих частот простейших высокотехнологичных и дешевых при изготовлении однослойных планарных излучающих элементов и антенных решеток, конструируемых на их основе.

Во второй главе рассмотрены две наиболее часто и успешно применяемые на практике модели простейших излучателей прямоугольной, дисковой, кольцевой и треугольной форм. Первая модель в виде отрезка эквивалентной линии передачи, рис.1, применяется только для излучателя прямоугольной формы и во многих случаях дает хорошие практические результаты, особенно при торцевом возбуждении излучателя.

Рис. 1. Модель прямоугольного микрополоскового излучателя в виде отрезка длинной лилии с комплексными проводимостями, подключенными к концам

Вторая модель основана на разложении электромагнитной волны в излучателе по собственным модам соответствующего резонатора при наложении импедансных граничных условий.

С использованием модели длинной линии для прямоугольного излучателя, разработаны методы синтеза его геометрических размеров при заданном значении центральной частоты, размеров подложки и отношения длин сторон прямоугольника. Получены явные выражения для определения входного сопротивления на резонансной частоте параметра

крутизны реактивной составляющей проводимости и ненагруженной добротности которые необходимы для синтеза согласующих цепей фильтрового типа:

(1)

(2)

(3)

где

Сделана общая оценка полосовых характеристик фильтровых схем с резонансными нагрузками и проведен анализ полосовых характеристик схем с микрополосковыми излучателями с помощью теории синтеза

электрических фильтров. Получено соотношение, позволяющее рассчитывать ширину полосы пропускания w схем фильтрового типа, нагруженных на микрополосковые излучатели

T:\-g2 <9,о

6

(4)

где goг ёп — > gn> &+1 - элементы классической лестничной схемы фильтра-прототипа нижних частот,

Результаты полного расчетов всех параметров однослойных микрополосковых излучателей прямоугольной формы (в том числе и относительной ширины полосы пропускания) представлены в удобной графической форме и для широкого интервала изменения центральной частоты рабочего диапазона- от 1 ГГц до 16 ГГц, рис.2. Выбрана подложка, имеющая толщину к =1 мм и относительную диэлектрическую проницаемость = 2,6. Четыре кривые, обозначенные цифрами 1-4, соответствуют резонаторам, имеющим разные отношения ширины излучателя к его длине:

2,0. Видим, что при увеличении отношения W/L имеет место расширение относительной ширины полосы частот, а входное сопротивление излучателя И1пр и ненагруженная добротность £?о уменьшаются. Также видим, что относительная ширина полосы частот w почти линейно увеличивается с ростом частоты. Длина излучателя слабо зависит от отношения размеров его сторон.

Кроме того, на примере схемы, имеющей 256 каналов, исследованы полосовые характеристики схем многоканальных делителей мощности, в качестве нагрузок которых выступают входные сопротивления микрополосковых излучателей, рис.3 —10.

Рис.2. Зависимости от частоты параметров прямоугольного микрополоскового излучателя, расположенного на подложке с Ет — 2,6, И — 1 мм при различных значениях отношения Ш/Ь: \-Ш/Ь = 0,5; 2 - Ш/Ь = 1,0; 3 - Ш/Ь = 1,5; 4 - Ш/Ь = 2,0

№ Л № //.

Рис 7 (5о=4,0 Рис 8 Оо =8,0

//. //« /л

Рис 9 <Зо =16,0 Рис 10 (30=32,0

В третьей главе рассмотрены типовые схемы возбуждения излучающих элементов, входящих в состав многоэлементных антенных решеток, а также широкополосные схемы, реализованные на основе фильтрующих цепей. Введены новые идеализированные элементы - идеальные делители тока и напряжения и исследованы их свойства.

Параллельное разветвление линий передачи характеризуется тем, что в центральной узловой точке напряжение Цо оказывается одинаковым для всех подходящих к нему каналов. Если разветвление на п каналов симметрично и все выходы подключены к одинаковым нагрузкам, то токи во всех выходных каналах /, (1=1 ,..., п) равны между собой Л=/о/п.

Последовательное разветвление линий передачи характеризуется тем, что в центральной узловой точке ток /0 оказывается одинаковым для всех подходящих к нему каналов. Если разветвление симметрично и все выходы подключены к одинаковым нагрузкам, то напряжения во всех выходных каналах и,(1=1,..., п) равны между собой 1]{=и^/п.

Предположим, что имеется симметричное разветвление линий на п каналов параллельного типа, причем, все выходные каналы нагружены на одинаковые сопротивления. Обозначим напряжения и токи во входном плече и1 ,1и а токи и напряжения в выходных плечах Ц2, 12. Для рассматриваемого

разветвления СД =1/2,1/ = и/г и поэтому матрица передачи, связывающая токи и напряжения на входе и одном из выходов, принимает вид:

(5)

где

(6)

Теперь предположим, что имеется симметричное разветвление линий на п каналов последовательного типа, причем, все выходные каналы нагружены на одинаковые сопротивления. Снова обозначим напряжения и токи во входном плече и\ ,Д а токи и напряжения в выходных плечах иг ,/2. Для рассматриваемого разветвления 1}\ =пИг, 1\ - Ь и поэтому матрица передачи, связывающая токи и напряжения на входе и одном из выходов делителя, принимает вид:

где

(7)

(8)

Назовем матрицу Аг - канальной матрицей передачи идеального делителя тока, а Д,- канальной матрицей передачи идеального делителя напряжения. Очевидно, что Ое((А,) = = 1 и, следовательно,

четырехполюсники, соответствующие матрицам передачи идеальных делителей тока и напряжения является невзаимными.

Матрицы Л/1 и Ау1 связывают напряжения и токи на выходе идеальных делителей тока и напряжения с напряжениями и токами на их входе, причем

Смысл введения идеальных канальных делителей тока и напряжения состоит в том, что с их помощью анализ процесса прохождения сигнала с общего входа на какой-либо выход симметричной схемы дендритного типа, изображенной на рис. И и являющейся многополюсником, сводится к анализу каскадной схемы, состоящей из четырехполюсников, рис. 12. То же относится и к анализу прохождения сигнала в обратном направлении — с одного из выходов на общий вход.

Рис. 11. Многоканальный делитель мощности дендритного типа

О-

О-

А А

1хл) А2 — 4(1 хт) - 4г —

-о -о

Рис.12. Эквивалентная схема с идеальными делителями тока, предназначенная для анализа процесса прохождения сигнала с общего входа на один из выходов многоканального делителя мощности, изображенного на рис.11

Матрица передачи всей цепи А^ вычисляется путем простого перемножения матриц передачи отдельных элементов схемы

Введение канальных матриц передачи идеальных делителей тока и напряжения резко упрощает процедуру анализа процессов прямого (и обратного) прохождения сигнала с общего входа на один из выходов симметричных делителей мощности. Этим, чрезвычайно важным в практическом отношении, свойством, в особенности, когда существует необходимость анализа характеристик делителей с большим числом каналов, не ограничивается польза от введения рассматриваемых схем. Показано, что схемы с идеальными делителями тока и напряжения можно проектировать с использованием подходов, применяемых при синтезе электрических цепей, в частности фильтрующих, по прототипам.

При каскадном включении идеальных делителей тока коэффициенты деления перемножаются. Действительно, пусть первый из них имеет коэффициент деления равный пр а второй - п. Тогда результирующая матрица передачи будет иметь вид

(11)

При каскадировании идеальных делителей напряжения получаем

(12)

Из (11) и (12) вытекают два важных для рассмотрения многоканальных схем вывода. Во-первых, любой идеальный делитель с коэффициентом л может быть представлен в виде каскадной схемы соединения нескольких элементарных идеальных делителей с коэффициентами при

этом произведение коэффициентов элементарных делителей должно

совпадать с коэффициентом исходного делителя, то есть п = ]~]и,. Например,

делитель 1x2 имеет коэффициент п = 2, и может быть, конечно же, чисто формально, разбит на схему в виде каскадного соединения двух одинаковых делителей с коэффициентами равными л/2. Ясно, что симметричный делитель с коэффициентом п = не имеет физического смысла, но в диссертации показано, что его введение может потребоваться при синтезе многоканальных устройств. Во-вторых, в любом месте анализируемой схемы могут быть введены два идеальных делителя с коэффициентами п и 1Д поскольку матрица каскадного соединения этих элементов становится единичной.

Входное сопротивление любого четырехполюсника,

характеризующегося матрицей передачи

'А В С И

А =

при условии, что на его выходе подключена нагрузка, имеющая сопротивление как известно, определяется с помощью выражения

лг,„„+в

7 =: Атр

(13)

Для идеального делителя тока А = I, В — О, С = О, D = я, поэтому следовательно, Для идеального делителя

напряжения А - п, В = О, С = О, D = 1, поэтому = ^„ш • Таким образом,

проводимость на входе идеального делителя тока и сопротивление на входе идеального делителя напряжения в п раз превышают соответствующие проводимости и сопротивления, подключенные на их выходах. При обратном направлении прохождении сигнала в схемах идеальных делителей тока и напряжения (от выхода ко входу), очевидно будем иметь и

где штрихами подчеркивается факт обратного направления

прохождения сигнала в схемах инверторов.

При синтезе в области СВЧ электрических и, в частности, фильтрующих, цепей по прототипам часто используются идеальные инверторы сопротивлений. Рассмотрим свойства каскадного соединения двух одинаковых идеальных делителей тока и одного идеального инвертора сопротивления, расположенного между ними, рис.13, с точки зрения трансформирования этой цепочкой импеданса нагрузки.

Рис.13. Каскадная схема сосдинепия двух идеальных делителей тока и инвертора сопротивления

Матрица передачи идеального инвертора сопротивления имеет вид

О ±]К

где К - коэффициент инверсии. Матрица передачи идеального инвертора сопротивления совпадает с матрицей передачи отрезка длинной линии без потерь, имеющей длину, кратную нечетному числу четвертей длин волн / = (2/-1)^/4, / = 1,2,... Коэффициент инверсии, или параметр инвертора,

совпадает с характеристическим импедансом линии 2С. Знак "+" в (14) соответствует нечетному значению г, а знак "-" четному.

Из (13) и (14) следует, что входное сопротивление на входе идеального инвертора сопротивления при подключении нагрузки к его выходу имеет значение

Выражение (15) и определяет основное свойство идеального инвертора сопротивления - трансформирование импеданса нагрузки по инверсному типу с коэффициентом, равным К2.

Покажем, что с точки зрения трансформации импеданса схема, изображенная на рис.13, выступает как одиночный инвертор, имеющий параметр инверсии А. Действительно, матрица передачи схемы, изображенной на рис.13, легко определяется путем перемножения матриц отдельных элементов

(16)

причем Ое1(А,АкЛ,) = п , то есть схема невзаимна. Однако, из (16) и (13) следует, что

(17)

независимо от значения коэффициента п. Поскольку при анализе процесса прохождении сигнала в обратном направлении в схеме, изображенной на рис.13, следует, как об этом было сказано выше, лишь изменить значение коэффициента деления на 1/ п, то формула (17) сохраняет свою силу и в этом случае. Таким образом, мы получаем новый идеализированный элемент -идеальный составной инвертор сопротивления.

Приведены примеры синтеза и анализа параметров многоканальных делителей мощности с использованием идеальных делителей тока и напряжения и, в частности, делителя мощности на 16 каналов, рис.14, восьмиканального делителя мощности для фрагмента микрополосковой антенной решетки и бинарного делителя мощности на 1024 канала, имеющего одинаковые сопротивления на общем входе и на всех выходах. Разработаны методики синтеза фильтрующих цепей, согласующих входное сопротивление излучающих элементов с характеристическим импедансом

фидера. Даны примеры синтеза фильтров с емкостными зазорами и с секциями- связанных линий, согласующих входное сопротивление излучающего элемента с характеристическим импедансом подводящего фидера.

в)

Рис.14. Преобразование эквивалентной схемы симметричного 16-канального делителя мощности бинарного типа с идеальными делителями тока а), б) и сопоставительная схема с 4-ступенчатым трансформатором сопротивлений в)

В четвертой главе приведены результаты проектирования и экспериментальных исследований широкополосных микрополосковых антенных решеток в 10-см и 3-см диапазонах длин волн. Дано описание методики измерения параметров излучателей, знание которых необходимо при проектировании фильтрующих цепей, обеспечивающих согласование входного сопротивления излучателей с характеристическим импедансом фидерного тракта. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности разработанной в диссертации методологии, которая позволяет уверенно конструировать сложные микрополосковые антенные устройства.

Например, при числе звеньев фильтра п = 3, уровне пульсаций АЧХ Ьаг = 0,5 дБ и при значении характеристических импедансов полуволновых

резонаторов = 40 Ом рассчитаны параметры топологии схемы,

изображенной на рис.15. Относительная ширина полосы частот w= 11,87%. Импедансы инверторов 7цму(1) = 376,023 Ом, 2ц,ту(2) =727,713 Ом, 2счу(3) =

209,520 Ом. Размеры элементов топологий приведены непосредственно на рис.15. Очевидно, что указанные значения параметров инверторов невозможно реализовать на основе четвертьволновых отрезков микрополосковых линий, расположенных на рассматриваемой подложке. Поэтому инверторы реализуются либо на основе короткозамкнутых на концах секций связанных линий, либо с помощью емкостных зазоров.

Расчетные частотные зависимости вносимого затухания и коэффициента стоячей волны на входе даны на рис.16 а), б); На рис. 16 в) представлены экспериментальные результаты для схемы, изображенной на рис.15. Потребовалась небольшая подстройка, после которой экспериментальная кривая зависимости КСВ от частоты практически совпала с расчетной.

Рис.15. Топология микрополоскового излучателя, включенного в состав фильтра, имеющего число звеньев п = 3; Ст = 2,5, А = 1,5 мм В данной схеме в качестве первого инвертора Jn использован емкостной зазор в микрополосковой линии, а в качестве второго и третьего инверторов J23 и 134 - секции связанных микрополосковых линий

Рис.16. Расчетные зависимости вносимого затухания и КСВ на входе согласующей цепи от частоты для 3-звенной схемы: а), б) - для схемы, изображенной на рис.15; в) сравнение расчетной (---) и экспериментальной (Д—Д—Д) зависимостей КСВ от частоты для

На рис. 17 дана топология фрагмента микрополосковой антенной решетки с полоснорасширяющими цепями при п = 3. Описание топологий приведено в подписи. Приведена экспериментально измеренная зависимость КСВ от частоты, полученная с учетом подстройки. Видим, что параметры макета весьма близки к расчетным характеристикам 3-звенных фильтров..

Рис 17. Фрагмент топологии микрополосковой антенной решетки с бинарными делителями мощности и с полоснорасширяющими цепями фильтрового типа (по рис 15) с числом звеньев и = 3, е, = 2,5, А = 1,5 мм, размеры четвертьволнового отрезка линии с характеристическим импедансом 7.т = 2с\/2 равняются, ширина РУ? = 2,34 мм, длина Ьт — 16,583 мм, ширина линии регулярного тракта с характеристическим импедансом = Ив

=50 Ом равняется \¥в = 4,225 мм, 6) Сравнение расчетной (---) и экспериментальной

(Д—Д—Д) зависимостей КСВ от частоты для схемы, изображенной на рис.17 а)

В приложении даны описания характеристик антенных решеток для стационарных и мобильных систем спутниковых телекоммуникаций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполненных исследований разработана методика и программа для автоматизированного проектирования элементов планарных широкополосных микрополосковых антенных решеток с помощью ЭВМ.

Перечислим основные результаты, которые были получены в ходе выполнения диссертационной работы.

1. Разработана методология оценки предельных полосовых характеристик однослойных микрополосковых антенн с простейшими формами резонаторов.

2. Проведен анализ влияния резонансного характера нагрузки на параметры многоканальных делителей мощности, входящих в состав антенных решеток.

3. Разработана методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа для планарных микрополосковых излучателей.

4. Введены новые идеализированные элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения.

5. Разработана эффективная методика синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, основанная на применении идеальных делителей тока и напряжения.

Особенность представленной работы состоит в том, что. в ней последовательно применяется методология аналитического синтеза СВЧ фильтров к проектированию широкополосных распределительных схем, входящих в состав многоэлементных антенных решеток.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Чон К.-Х., Петров А.С. Широкополосные микрополосковые антенны // Антенны. — 2001, вып. 3(49), с. 18-33.

2. Чон К.-Х., Петров А.С. Идеальные делители тока и напряжения в симметричных многоканальных СВЧ устройствах распределения мощности // Электромагнитные волны и электронные системы. —2001, т.6,№2-3,с.54-63.

3. Чон К.-Х., Петров А.С. Полосовые характеристики микрополосковых излучателей прямоугольной формы// Электромагнитные волны и электронные системы. —2002. т.7, №1, с.41 - 48.

4. Чон К.-Х., Петров А.С. Параметры многоканальных делителей мощности бинарного типа, входящих в состав микрополосковых антенных решеток. Электромагнитная совместимость и интеллектуальные здания. Сборник науч. Трудов/ Под ред.Л.Н. Кечиева, П.В. Степанова. - М: МГИЭМ, 2000, с. 57-62.

5. Чон К.-Х., Петров А.С. Широкополосные схемы запитки многоэлементных микрополосковых антенных решеток, реализованные на основе фильтрующих цепей. - Электромагнитная совместимость и интеллектуальные здания. Сборник науч. Трудов/ Под ред. Л.Н. Кечиева, П.В. Степанова. - М.: МГИЭМ, 2000, с. 63-68.

6. Чон К.-Х. «Методы расширения импедансной полосы частот микрополосковых антенных решеток» // Тез. докл. конф. МГИЭМ, Москва, февраль 2001 г., с. 220-222.

7. Чон К.-Х. «Синтез полоснорасширяющих цепей для микрополосковых антенн с учетом влияния индуктивности по высшим модам» // Тез. докл. конф, МГИЭМ, Москва, февраль 2001 г., с. 222-224.

8. Чон К.-Х. «Микрополосковые антенные решетки для стационарных и мобильных систем спутниковых телекоммуникаций» // Тез. докл. конф. МГИЭМ, Москва, февраль 2003 г., с.329-330.

ИД №06117 от 23.10.2001

Подписано в печать 01.07.2004.

Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 658-04

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12.

CP /V J Центроперативнойполиграфии МЧЛ1 (095)916-88-04,916-89-25

»13151

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМА И МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ ИМПЕДАНСНОЙ ПОЛОСЫ РАБОЧИХ ЧАСТОТ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК.

1.1. РАСШИРЕНИЕ ИМПЕДАНСНОЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ ПУТЕМ УВЕЛИЧЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОДЛОЖКИ И СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗБУЖДАЮЩИХ ЗОНДОВ, СВЯЗЫВАЮЩИХ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ФИДЕРОМ.

А. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ, ИЗЛУЧАТЕЛИ КОТОРЫХ СВЯЗАНЫ С ФИДЕРАМИ ПРИ ПОМОЩИ ЕМКОСТНОГО ЗОНДА И

ИМЕЮТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР С ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Б. МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫ, ВОЗБУЖДАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ L-ЗОНДА

1.2. РАСШИРЕНИЕ ИМПЕДАНСНОЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН ПУТЕМ МОДИФИКАЦИИ ТОПОЛОГИИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ.

А. ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ И U-ОБРАЗНОЙ ЩЕЛЬЮ НА МИКРОВОЛНОВОЙ ПОДЛОЖКЕ.

Б. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НОВЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ И ШИРОКОПОЛОСНЫХ ОДНОСЛОЙНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН, РЕАЛИЗОВАННЫХ НА РЕЗОНАТОРАХ ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ СО ЩЕЛЯМИ.

1.3. РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН ПУТЕМ СОЗДАНИЯ СЛОИСТЫХ ЭТАЖЕРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

1.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ И ДВУХПОЛОСНЫХ АНТЕНН, СОСТОЯЩИХ ИЗ ПЕЧАТНЫХ ПОЛОСКОВЫХ ДИПОЛЬНЫХ ПАР.

1.5. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СКАНИРУЮЩИЕ В ШИРОКОМ СЕКТОРЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ НА СУЖАЮЩИХСЯ ЩЕЛЯХ.

ВЫВОДЫ.

2. ПОЛОСОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ ПЛАНАРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН.

-32.1. МОДЕЛЬ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ В ВИДЕ ОТРЕЗКА ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ.

А. АКТИВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ПРОВОДИМОСТИ НА РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЕ

Б. ПАРАМЕТР КРУТИЗНЫ РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРОВОДИМОСТИ.

2.2. МОДЕЛЬ, ФОРМИРУЕМАЯ С ПОМОЩЬЮ РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛЕЙ ПО СИСТЕМЕ СОБСТВЕННЫХ МОД РЕЗОНАТОРА.

А. ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ.

Б. ДИСКОВЫЙ, КОЛЬЦЕВОЙ И ТРЕУГОЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛИ.

2.3. АНАЛИЗ ПОЛОСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СХЕМ С МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ С ПОМОЩЬЮ ТЕОРИИ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

A. ОБЩАЯ ОЦЕНКА ПОЛОСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЛЬТРОВЫХ СХЕМ С РЕЗОНАНСНЫМИ НАГРУЗКАМИ.

Б. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ШИРИНА ПОЛОСЫ ЧАСТОТ СХЕМ С

МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ.

B. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЛОСОВЫХ СВОЙСТВ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА.

2.4. ПОЛОСОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ, В КАЧЕСТВЕ НАГРУЗОК КОТОРЫХ ВЫСТУПАЮТ ВХОДНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

ВЫВОДЫ.

3. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СХЕМЫ ЗАПИТКИ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК, РЕАЛИЗОВАННЫЕ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ.

3.1. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК.

3.2. ОБОБЩЕННАЯ ДЕНДРИТНАЯ СХЕМА СИММЕТРИЧНОГО ДЕЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ И ИДЕАЛЬНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.

А. СВОЙСТВА СХЕМ ИДЕАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Б. ПРИМЕРЫ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИДЕАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ ТОКА

И НАПРЯЖЕНИЯ.

В. ВЫДЕЛЕНИЕ ИДЕАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМАХ РАЗВЕТВЛЕНИЙ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ВОЛНОВЕДУЩИХ СТРУКТУР.

3.3. СИНТЕЗ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ, СОГЛАСУЮЩИХ ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИМ ИМПЕДАНСОМ ФИДЕРА.

Б. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ФИЛЬТРА С ЕМКОСТНЫМИ ЗАЗОРАМИ.

3.4. ПРИМЕРЫ СИНТЕЗА ФИЛЬТРОВ С СЕКЦИЯМИ СВЯЗАННЫХ ЛИНИЙ И С ЕМКОСТНЫМИ ЗАЗОРАМИ, СОГЛАСУЮЩИХ ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИМ ИМПЕДАНСОМ ПОДВОДЯЩЕГО ФИДЕРА.

ВЫВОДЫ.

4. СИНТЕЗ ПРАКТИЧЕСКИХ СХЕМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК.

4.1. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА КРУТИЗНЫ И АКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВХОДНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ КСВ В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ.

4.2. ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ФРАГМЕНТЫ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ.

А. РЕЗУЛЬТАТЫ СИНТЕЗА ТОПОЛОГИЙ, АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК И ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ АНТЕНН 10-СМ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН.

Б. ТОПОЛОГИИ АНТЕНН ДЛЯ 3-СМ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН.

ВЫВОДЫ.

Микрополосковые излучатели и многоэлементные антенные решетки, сконструированные на их основе, используются в радиолокации и в телекоммуникационных системах с начала 70-х годов прошедшего века. Главные достоинства микрополосковых антенн состоят в том, что они компактны, просты в изготовлении, дешевы и конформны с поверхностями, на которых размещаются. Одна из самых серьезных трудностей, возникающих при их проектировании, состоит том, что традиционные печатные излучатели удается согласовать с активным сопротивлением подводящего фидера в довольно узкой полосе частот - единицы и даже доли процентов.

За последние годы, в принципе, удалось полностью решить эту сложную проблему. Были предложены: слоистые структуры излучателей с относительной импедансной полосой частот w - 20^40%, разработаны особые конструкции возбуждающих зондов и комбинированные резонаторы, сочетающие планарные и объемные конструкции (w порядка 35%), исследованы широкополосные планарные элементы на основе усложненных форм излучателей (диски, кольца, прямоугольники, треугольники со специальными щелями и реактивными шлейфами), имеющие w около 30%. Наконец, конструируются нерезонансные спиральные, щелевые и логопериодические антенны, обладающие перекрытием по частоте 5:1 и более.

Вместе с тем, недостаточно исследован вопрос о возможностях расширения полосы частот классических, простейших, самых компактных и дешевых планарных излучателей и антенных решеток, сконструированных на их основе. Решению его посвящается исследование, выполненное в настоящей диссертационной работе.

Автор выражает признательность своему руководителю д.т.н., профессору Петрову А.С. и директору фирмы "Антенные системы" Христичу А.Д. за внимание, полезные советы и помощь при выполнении работы.

-6-Введение

Исследованию микрополосковых антенн посвящено большое количество публикаций, как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Вышли тысячи оригинальных статей и получено множество патентов на конструкции, имеются развернутые обзоры и около десятка специальных монографий. Приведенный в диссертации список литературы из порядка ста наименований, в том числе [1] - [7], охватывает лишь небольшую часть общего материала. Так, только в одном американском журнале IEEE Transactions on Antennas and Propagation насчитывается 38 статей, которые были опубликованы в 1999 году и специально посвящены микрополосковым антеннам. Активные исследования проводятся также и во многих других странах. Ежегодно во всем мире проходят конференции и семинары, на которых также сообщается масса самых свежих материалов по данной тематике. Все это свидетельствует о большом интересе, который привлекают к себе вопросы теоретического анализа и проектирования микрополосковых антенн. В настоящее время можно считать, что микрополосковые антенны уже прочно вошли в арсенал базовых схемно-конструктивных вариантов, используемых инженерами при создании приемо-передающей радиоаппаратуры самого разнообразного назначения.

Общеизвестны достоинства и недостатки печатных излучателей и антенных решеток, создаваемых на их основе. Малые габариты и масса, простота и дешевизна изготовления по групповым технологиям - с одной стороны и узкие полосы рабочих частот, а также увеличенный уровень диссипа-тивных потерь - с другой. За последние годы удалось добиться впечатляющих успехов в решении этих проблем. Что касается расширения полосы рабочих частот, и в первую очередь по импедансному согласованию излучателей с фидерным трактом, то получены, можно сказать, блестящие результаты. Основные усилия исследователей были направлены на модификацию и усложнение конструкций излучателей и зондов, связывающих их с фидерным трактом. Таким образом, расширение полосы частот фактически достигается путем увеличения общих габаритов антенн и усложнения их конструкции. То есть как раз за счет именно тех достоинств, которыми и обладают базовые конструкции печатных излучателей. Таким образом, продолжает оставаться актуальной задача расширения импедансной ширины полосы частот простейших планарных излучателей и антенных решеток, сконструированных на их основе. Исходя из этого соображения, и формируется цель работы.

Целью диссертационной работы является расширение импедансной полосы рабочих частот многоэлементных микрополосковых антенных решеток, конструируемых на основе простейших типов планарных излучателей.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

• проведен комплексный анализ описанных в литературе методов расширения импедансной полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и многоэлементных антенных решеток, реализованных на их основе;

• выбран основной подход к решению задачи расширения полосы рабочих частот простейших и при этом самых технологичных и дешевых при массовом изготовлении микрополосковых антенн, основанный на синтезе фильтрующих устройств, обеспечивающих согласование комплексного сопротивления излучателя с активным сопротивлением фидера;

• разработана методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа с применением трех типов инверторов, реализованных на основе четвертьволновых отрезков длинных линий, секций связанных линий и емкостных зазоров в микрополосковых линиях;

• получены соотношения и представлены графические зависимости, позволяющие быстро оценивать предельно достижимые полосовые характеристики микрополосковых антенн;

• исследовано влияние резонансного характера входного сопротивления микрополосковых излучателей на полосовые характеристики многоканальных делителей мощности бинарного типа;

• предложен новый метод синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, входящих в состав многоэлементных микрополосковых антенных решеток;

• разработана экспериментальная микрополосковая антенная решетка с числом излучающих элементов равным 256, имеющая расширенный диапазон рабочих частот.

Научная новизна и основные положения выносимые на защиту:

В диссертации применительно к микрополосковым антеннам получил развитие классический подход к синтезу полосно-расширяющих цепей для комплексных резонансных нагрузок; он базируется на теории аналитического синтеза СВЧ цепей по прототипам. Новыми являются и на защиту выносятся следующие основные результаты работы:

• методология оценки предельных полосовых характеристик однослойных микрополосковых антенн с простейшими формами резонаторов;

• методика анализа влияния резонансного характера нагрузки на параметры многоканальных делителей мощности, входящих в состав антенных решеток;

• методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа для планарных микрополосковых излучателей;

• новые идеализированные элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения;

• эффективная методика синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, основанная на применении идеальных делителей тока и напряжения.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что полученные расчетные соотношения, графические кривые и программные модули дают возможность не только оценивать потенциальные возможности расширения полосы рабочих частот микрополосковых излучателей и антенных решеток, проектируемых на их основе, но и синтезировать все необходимые для разработки конструктивные параметры.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "ЭМС и интеллектуальные здания", которая проходила в Москве 13-14 ноября 2000 г., на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ, февраль 2001 и 2003 гг., на семинаре "ОИС СВЧ и биоэнергоин-формационные технологии", организованном при МНТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, март 2001 г.).

Реализация результатов и предложения об использовании.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, внедрены в разработках фирмы Microface (Южная Корея) и фирмы "Антенные системы" (Россия), что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Они также применяются в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" в лабораторных работах, практических занятиях и конструкторском проектировании по курсу "Техническая электродинамика и проектирование СВЧ устройств".

Предложенные методики расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн и проектирования многоканальных делителей-сумматоров мощности могут быть полезны для инженеров-практиков, занимающихся разработкой антенных устройств в диапазоне СВЧ. Введение новых идеализированных элементов - идеальных делителей тока и напряжения дает полезный вклад в теорию электрических цепей.

Публикации. Положения и результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях и трех тезисах докладов на конференциях. На основе полученных результатов опубликованы методические указания по курсовому и дипломному проектированию.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы

Разработана методика измерения параметров микрополосковых излучателей (активной составляющей и параметра крутизны реактивной составляющей входной проводимости), которые необходимы для синтеза согласующих цепей фильтрового типа, применяемых для расширения импеданс-ной полосы рабочих частот микрополосковых антенн. На основе теоретических методов, изложенных во 2-й и в 3-й главах диссертации, с помощью специально разработанного программного комплекса для ЭВМ проведен синтез топологий серии согласованных микрополосковых излучателей и фрагментов 8-элементных антенных решеток в 10-см и 3-см диапазонах длин волн. Реализованы схемы фильтров с числом звеньев n = 1, 2 и 3. Проведенные экспериментальные исследования макетов широкополосных микрополосковых антенн подтвердили не только факт применимости разработанной методики, но также и ее высокую эффективность. Отличие предложенных подходов от подходов, известных из литературных источников, состоит в том, что в данном случае используются такие согласующие цепи, которые органично вписываются канву топологии дендритного типа, внутренне присущую многоэлементным микрополосковым антенным решеткам. Новая структура широкополосной цепи возбуждения излучающих элементов обязано своим появлением тому обстоятельству, что в диссертации введены новые элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения, а также предложены идеальные диссипативные инверторы сопротивлений и проводимостей. Проведенные эксперименты вполне подтвердили высокую эффективность практического применения предложенных идеальных элементов.

Заключение

В данной диссертационной работе проведено исследование методов создания широкополосных микрополосковых излучателей и многоэлементных антенных решеток, сконструированных на их основе. Сделан обзор большого числа публикаций, в основном зарубежных, посвященных проектированию микрополосковых антенн и методам расширения их импедансной ширины полосы частот. В связи с тем, что большая часть конструктивных решений для широкополосных печатных антенн приводит к усложнению их конструкции, увеличению массогабаритных характеристик и удорожанию производственных процессов был проведен анализ предельных полосовых характеристик простейших типов излучателей. Оказалось, как это и можно было ожидать, что путем соответствующего включения излучателей в состав цепей СВЧ фильтров можно добиваться существенного (от трех до, примерно, пятикратного) расширения относительной ширины полосы частот микрополосковых излучателей. Конечно, фильтровые цепи также занимают определенное место на платах и, кроме того, они вносят дополнительные дисси-пативные потери. Этот недостаток, практически полностью нивелируется, когда излучатели применяются в составе многоэлементных антенных решеток.

В этом случае фильтрующая цепь естественным образом встраивается в составе многоканальных делителей мощности, которые в любом случае приходится использовать в антенных решетках. Поэтому правильно спроектированная согласующая распределительная цепь, сконструированная по фильтровому типу, не занимает практически никакой дополнительной площади. Более того, из формулы С. Кона [80] для диссипативных потерь полос-но-пропускающих фильтров, непосредственно следует, что при фиксированной ненагруженной добротности элементов диссипативные потери обратно пропорциональны относительной ширине полосы частот пропускания. Таким образом, в широкополосных схемах происходит существенное уменьшение диссипативных потерь, что также является их важным достоинством по сравнению с узкополосными схемами при одинаковом общем числе элементов, количество которых, повторяем, определяется самой структурой антенной решетки. В худшем случае будет обеспечено расширение полосы частот по КСВ без дополнительного увеличения вносимых потерь.

В результате выполненных исследований разработаны методики и программные комплексы для автоматизированного проектирования элементов планарных широкополосных микрополосковых антенных решеток. Полученные результаты представляют существенный научный интерес и имеют весомую практическую ценность.

Перечислим основные результаты, которые были получены в ходе выполнения диссертационной работы.

1. Разработана методология оценки предельных полосовых характеристик однослойных микрополосковых антенн с простейшими формами резонаторов.

2. Проведен анализ влияния резонансного характера нагрузки на параметры многоканальных делителей мощности, входящих в состав антенных решеток.

3. Разработана методика синтеза полосно-расширяющих цепей фильтрового типа для планарных микрополосковых излучателей.

4. Введены новые идеализированные элементы цепей: идеальные делители тока и напряжения.

5. Разработана эффективная методика синтеза параметров и анализа характеристик многоканальных делителей мощности дендритного типа, основанная на применении идеальных делителей тока и напряжения.

Особенность представленной работы состоит в том, что в ней последовательно применяется методология аналитического синтеза СВЧ фильтров к проектированию широкополосных распределительных схем, входящих в состав многоэлементных антенных решеток.

Основные положения работы изложены в 5 статьях и 3 тезисах докладов на конференциях.

1. Панченко Б.А., Нефедев Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986. -146 с.

2. James J.R., Hall P.S., Wood С. Microstrip antennas: Theory and design. New York: Peregrinus, 1981.-290 p.

3. James J.R., Hall P.S. Handbook of microstrip antennas. London: Peregrinus Ltd, 1989.- 1312 pp.

4. Garg R., Bhartia P., Bahl I. Microstrip antenna handbook. London: Artech House Books, 2000. 868 pp.

5. Carver K.R., Mink J.W. Microstrip antenna technology. IEEE Trans. AP, 1981, vol.29, N. 1, pp. 2-24.

6. P. Bhartia, К. V. S. Rao, and R. S. Tomar, Millimeter-Wave Microstrip and Printed Circuit Antennas. Boston, MA: Artech House, 1991.

7. Richards W.F., LO Y.T., Harrison D.D, An Improved Theory for Microstrip Antennas and Applications. IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. AP-29, NO.l, January, 1981, p. 38-46

8. Tong K.-F., Luk K.-M., Lee K.-F., Lee R.Q. A Broad-Band U-Slot Rectangular Patch Antenna on a Microwave Substrate IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-48, N.6, JUNE, 2000, pp. 954-960.

9. Lu J.-H., Tang Ch.-L., Wong K.-L. Novel Dual-Frequency and Broad-Band Designs of Slot-Loaded Equilateral Triangular Microstrip vol. AP-48, № 7, July 2000, pp. 1048-1053.

10. Singh D., Kalialakis Ch., Gardiner P., Hall P.S. Small H-Shaped Antennas for MMIC Applications IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-48, NO.7, July, 2000, p.p 1134-1141

11. Waterhouse R. B. Design of Probe-Fed Stacked Patches IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no: 12, December, 1999, pp. 1780-1784.-16712. Waterhouse R. В. Stacked Patches Using High and Low Dielectric Constant

12. Material Combinations IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47,no. 12, December, 1999, pp.1767-1772.

13. Deal W.R., Kaneda N., Sor J., Qian Y., Itoh T. A New QuasiYagi Antenna for Planar Active Antenna Arrays. IEEE Trans, on Microwave Theoiy and Techniques, vol. MTT-48, N.6, June, 2000, pp.910-918.

14. Gonzalez de Aza M. A., Zapata Jv Encinar J.A. Broad-Band Cavity-Backed and Capacitively Probe-Fed Microstrip Patch Arrays. -IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 48, N.5, May, 2000, pp. 784-789.

15. Haddad P.R., Pozar D.M. Analysis of Two Aperture-Coupled Cavity backed Antennas. IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 45, N.12, December, 1997, pp. 1717-1726.

16. Chio T.-H. Schaubert D.H. Parameter Study and Design of Wide-Band Wide-scan Dual-Polarized Tapered Slot Antenna Arrays D.H. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, No. 6, June, 2000, pp. 879-886

17. James J.R., Hall P.S., Wood C., Henderson A. Some Recent Developments in Microstrip antenna Design. IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 29, N.l, January, 1981, pp. 124-127.

18. Dual-Spiral Slot Antennas, IEE Proc. Microwaves, Antennas and Propagat., 21001, 138, N.l, pp. 32-36.

19. Hall P.S. New Wide-Bande Mirostrip Antenna Using Log-Periodic Technique. -Electron. Lett., 1980, 16, N.4, pp.127-128.

20. Conti R., Toth J., Dowling T. The Wire Grid Microstrip Antenna IEEE Trans. AP, 1981, vol.29, N. 1, pp. 157-166.

21. D. M. Pozar, "A review of bandwidth enhancement techniques for microstrip antennas," in Microstrip Antennas. Piscataway, NJ: IEEE Press, 1995, ch. 4.

22. D. M. Pozar and D. H. Schaubert, "Analysis of an infinite array of rectangular microstrip patches with idealized probe feeds," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-32, pp. 1101-1107, Oct. 1984.

23. E. Chang, S. A. Long, and W. F. Richards, "An experimental investigation of electrically thick rectangular microstrip antennas," IEEE Trans. Antennas Propa-gat., vol. AP-34, pp. 767-772, June 1986.

24. F. Zavosh and J. T. Aberle, "Infinite phased arrays of cavity-backed patches," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 42, pp. 390-398, Mar. 1994.

25. M. Davidovitz, "Extension of E-plane scanning range in large microstrip arrays by substrate modification," IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 2, pp. 492-494, Dec. 1992.

26. J. M. Jing and L. Volakis, "A hybrid finite element method for scattering and radiation by microstrip patch antennas and arrays residing in a cavity," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, pp. 1598-1604, Nov. 1991.

27. J.-C. Cheng, N. I. Dib, and L. P. B. Katehi, "Theoretical modeling of cavity-backed patch antennas using a hybrid technique," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 43, pp. 1003-1013, Sept. 1995.

28. K. S. Fong, H. F. Pues, and M. J. Withers, "Wideband multilayer coaxial-fed microstrip antenna element," Electron. Lett., no. 21, pp. 497-499, 1985.

29. P. S. Hall, "Probe compensation in thick microstrip patches," Electron. Lett., no. 23, pp. 606-607, 1987.

30. A. K. Bhattacharyya, "A modular approach for probe-fed and capaci-tively coupled multilayered patch arrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.45,pp. 193-202, Feb. 1997.

31. R. O. Lee, K. F. Lee, and J. Bobinchak, "Characteristics of a two-layer elec-tromagnetically coupled rectangular patch antenna," Electron. Lett., vol. 23, pp. 1070-1072,1987.

32. E. Chang, S. A. Long, and W. F. Richards, "Experimental investigation of »electrically thick rectangular microstrip antennas," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-43, pp. 767-772, 1986.

33. Т. M. Au, K. F. Tong, and К. M. Luk, "Characteristics of aperture-coupled co-planar microstrip subarrays," Inst. Elect. Eng. Proc. Microwave Antennas Propagat., vol. 144, pp. 137-140, 1997.

34. P. S. Hall. "Probe compensation in thick microstrip patches," Electron. Lett., vol. 23, pp. 606-607, 1987.

35. K. F. Lee, К. M. Luk, K. F. Tong, S. M. Shum, T. Huynh, and R. Q. Lee, "Experimental and simulation studies of coaxially fed U-slot rectangular patch antenna," Inst. Elect. Eng. Proc. Microwave Antennas Proposal., vol. 144, pp.354-358,1997.

36. G. A. E. Vandenbosch and A. R. Van De Capelle, "Study of the capac-itively fed microstrip antenna element," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.42,pp. 1648-1652, 1994.

37. К. M. Luk, C. L. Мак, Y. L. Chow, and K. F. Lee, "Broadband microstrip patch antenna." Electron. Lett., vol. 34, pp. 1442-1443, 1998.

38. С L Мак К M. Luk, and К. F. Lee, "Wideband L-strip fed microstrip antenna," in IEEE AP-S Int. Symp. USNC/URSI Nat. Radio Sci. Meet., Orlando, FL, July 1999, pp. 1216-1219.

39. H. Nakano, M. Yamazaki, and J. Yamauchi, "Electromagnetically coupled curl antenna," Electron. Lett., vol. 33, pp. 1003-1004, 1997.

40. Мак С. L., Luk К. M., Lee K. R,. Chow Y. L. Experimental Study of a Microstrip Patch Antenna with an L-Shaped Probe IEEE Trans. Antennas Propagat., VOL. AP-48, N. 5, MAY, 2000, pp.777- 783.

41. T. Huynh and K. P. Lee, "Single-layer single-patch wideband microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 31, no. 16, pp. 1310-1312, 1995.

42. K. F. Lee, К. M. Luk, K. F. Tong, Y. L. Yung, and T. Huynh, "Experimental study of a two-element array of U-slot patches," Electron. Lett., vol. 32, no. 5, pp. 418-420, 1996.

43. K. F. Lee, К. M. Luk, K. P. Tong, S. M. Shum, T. Huynh, and R. Q. Lee, "Experimental and simulation studies of coaxially fed U-slot rectangular patch antenna," Inst. Elect. Eng. Proc. Microwave Antennas Propagat., vol. 144, no. 5, Oct. 1997.

44. Tong K.-F., Luk K.-M., Lee K.-F., Lee R.Q. A Broad-Band U-Slot Rectangular Patch Antenna on a Microwave Substrate IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-48, N.6, JUNE, 2000, pp. 954-960.

45. Lu J.-H., Tang Ch.-L., Wong K.-L. Novel Dual-Frequency and Broad-Band Designs of Slot-Loaded Equilateral Triangular Microstrip Antennas IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-48, № 7, July 2000, pp. 1048-1053.

46. S. Maci, G. Biffi Gentili, P. Piazzesi, and C. Salvador, "Dual-band slot-loaded patch antenna," Proc. Inst. Elect. Eng. Microwave Antennas Propagat., vol. 142, pp. 225-232, 1995.

47. J. H. Lu, "Novel dual-frequency design of single-feed equilateral-triangular microstrip antenna," Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 22, pp. 133-136,July 1999.

48. К. B. Hsieh and K. L. Wong, "Inset-microstrip-line-fed dual-frequency circular microstrip antenna and its application to a two-element dual-frequency micro-strip array," Proc. Inst. Elect. Eng. Microwave Antennas Propagat., pp. 359-361, Oct. 1999.

49. J. Y. Jan and K. L. Wong, "Single-feed dual-frequency circular microstrip antenna with an open-ring slot," Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 22, pp. 157-160, Aug. 1999.

50. K. F. Lee, К. M. Luk, and J. S. Dahele, "Characteristics of the equilateral-triangular patch antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 36, pp. 15101518, Nov. 1988.

51. R. Garg and S. A. Long, "On the resonant frequencies of the triangular patch antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-35, pp. 100-101,Jan. 1987.

52. J. H. Lu, C. L. Tang, and K. L. Wong, "Single-feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization," IEEE Trans. Antennas Propagat, vol. 47, pp. 1174-1178,July 1999.

53. S. C. Pan and K. L. Wong, "Dual-frequency triangular microstrip antenna with a shorting pin," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 45, pp. 1889-1891, Dec. 1997.

54. J. H. Lu, С. L. Tang, and K. L. Wong, "Slot-coupled small triangular micro-strip antenna," Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 16, pp. 371-374. Dec. 1997.

55. Waterhouse R. B. Design of Probe-Fed Stacked Patches IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no: 12, December, 1999, pp. 1780-1784.

56. Waterhouse R. B. Stacked Patches Using High and Low Dielectric Constant Material Combinations IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 12, December, 1999, pp.l 767-1772.

57. D. M. Kokotoff, R. B. Waterhouse, and J. T. Aberle, "On the use of attachment modes in the analysis of printed antennas," Progress Electromagn. Res., Nantes, France, July 1998, p. 450.

58. Ensemble 5.1, Ansoft, 1998.

59. Tefiku F., Grimes G. A. Design of Broud-band and Dual-Band Antennas Comprised of Series-Fed Printed-Strip Dipole Pairs. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-48, № 6, JUNE 2000, pp. 895-900.

60. Mobile Antenna System Handbook, Artech House, Boston, MA, 1994.

61. A. J. Parfitt, D. W. Griffin, and P. H. Cole, "Analysis of infinite arrays of substrate-supported metal strip antennas," IEEE Trans. Antennas Prop-agat., vol. 41, pp. 191-199, Feb. 1993.

62. J. R. Bayard, M. E. Cooley, and D. H. Schaubert, "Analysis of infinite arrays of printed dipoles on dielectric sheet perpendicular to a ground plane," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, pp. 1722-1732, Dec. 1991.

63. B. Edward and D. Rees, "A broad-band printed dipole with integrated balun," Microwave 7., pp. 339-344, May 1987.

64. W. C. Wilkinson, "A class of printed circuit antennas," in IEEE AP-S Int. Symp. Dig, Aug. 1974, pp. 270-272.

65. A. K. Agrawal and W. E. Powell, "A printed circuit cylindrical array antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-34, pp. 1288-1293, Nov. 1986.

66. E. Levine, S. Shtrikman, and D. Treves, "Double-sided printed arrays with large bandwidth," Proc. Inst. Elect. Eng. Microwave—Opt. Antennas, pt. H, vol. 135, pp. 54-59, Feb 1988.

67. D. В. Rutledge, D. P. Neikirk, and D. P. Kasilingam, "Integrated-circuit antennas," in Infrared and Millimeter Waves, K. J. Button, Ed. New York: Academic, 1983, vol. 10, pp. 1-91.

68. F. Tefiku, "A broad-band antenna of double-sided printed strip dipoles," in Int. Symp. Antennas Propagat. (ISAP'96), Tokyo, Japan, Sept. 1996, pp.361-364.

69. F. Tefiku and E. Yamashita, "Double-sided printed strip antenna for dual-frequency operation," in IEEE AP-SInt. Symp. Dig., July 1996, pp.50-53.

70. D. M. Pozar, "Analysis of finite phased arrays of printed dipoles," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 33, pp. 1045-1053, Oct. 1985.

71. L. R. Lewis, M. Fasset, and J. Hunt, "A broad-band stripline array element," in IEEE Int. Symp. Antennas Propagat. Dig., 1974, pp. 335-337.

72. J. Shin and D. H. Schaubert, "Toward a better understanding of wideband Vivaldi notch antenna arrays," in Proc. Antenna Applicat. Symp., Monticello, IL, Sept. 1995.73 .-, "Parameter study of stripline-fed Vivaldi notch antenna arrays," IEEE

73. Trans. Antennas Propagat., vol. 47, pp. 879-886, May 1999.

74. Chio T.-H. Schaubert D.H. Parameter Study and Design of Wide-Band Widescan Dual-Polarized Tapered Slot Antenna Arrays D.H. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, No. 6, June, 2000, pp. 879-886

75. G. J. Wunsch, "Radiation characteristics of dual-polarized notch antenna arrays," Ph.D., Elect. Comput. Eng., Univ. Massachusetts, Amherst, Feb. 1997.

76. H. Holter,, private communication.

77. E. W. Lucas and T. P. Fontana, "A 3-D hybrid finite-element/boundary element method for unified radiation and scattering analysis of general infinite periodic arrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 43, pp. 145-153, Feb. 1995.

78. Pues H.F., Capelle A.R. An Impedance-Matching Technique for Increasing the Bandwidth of Microstrip Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 37 N. 11, November, 1989, pp. 1345-1354.

79. Современная теория фильтров и их применение: Пер. с англ. / Под ред. Г. Темеша и С. Митра. М.: Мир, 1977. 560 с.

80. Маттей Д.Л., Янг Д., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М.: Связь, Т.1. 1971. - 439 е., Т.2. - 1972. - 495 с.

81. Абрамов В.П., Дмитриев В.А., Шелухин С.А. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах. -М.: Радио и связь, 1989. 200 с.

82. Wu Y.S., Rosenboum F.J. Mode Chart for Microstrip Ring Resonators. -IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 1973- Vol. MTT-21, N.7. -pp.487-489.

83. Helszajn J., James D. Planar Triangular Resonators with Magnetic Walls. -IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol. MTT-26, N. 2, February, 1978, pp.95-100.

84. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. М.: Изд-во иностр. Лит., 1948. 641 с.

85. Фано P.M. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов. М.: Сов. радио, 1965. - 69с.

86. E.J. Wilkinson "An N-Way Hybrid Divider", IRE Transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-8, pp.l 16-118, January, 1960.

87. J.J.Taub, B. Fitzgerald "A Note on N-Way Hybrid Power Dividers", IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-12, pp.260-261, March, 1964.

88. H.J. Hindin "Scattering Parameters of Binary Power Dividers" IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-16, pp.568-569, August, 1968.

89. H.F. Chapell "Binary Power-Divider Design Approach", IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-22, pp.580-581, May, 1974.

90. R. J. Mailloux, J. Mcllvenna, and N. Kemweis, "Microstrip array technology," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-29, no. 1, pp. 25-38, Jan. 1981.

91. Петров A.C. Фильтры и цепи дендритового типа // Радиотехника и электроника. 1977. - №2. - с. 253-256.

92. Петров А.С. Многоканальные коммутационные устройства СВЧ // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997. -№9. - с.48-64.

93. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука, 1985.-256 с.

94. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая Школа, 1981. - 295 с.

95. Sobol Н. Radiation conductance of open-circuit microstrip // IEEE Trans. MTT. No.ll, 1971, pp.885-887.

96. Гупта К., Гардж P., Чадха P. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987. 429 с.

97. Zysman G.,I., Johnson А.К. Coupled Transmission Line Networks in an Ing-homogeneous Dielectric Medium IEEE Trans. MTT-17. N.10, 1969, pp.753-759.

98. Петров A.C. Функциональные шаблоны в радиоэлектронике и структурно-параметрический синтез аппаратуры Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1998, JST° 10. - с. 70-77.

99. Farrar A., Adams А.Т. Matrix methods for microstrip three-dimensional problems //. IEEE Trans. MTT-16, N.8, Aug. 1972, pp. 497-504.