МЕТОД ОЦЕНКИ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ ПЕЧАТНЫХ АНТЕНН НА ОСНОВЕ НЕОДНОРОДНОЙ ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ

April 14, 2012 by admin Комментировать »

Головков А. А., Калиникос Д. А., Киселев Б. А., Криницкая Е. Ю., Пивоваров И. Ю. Электротехнический университет (ЛЭТИ), Санкт-Петербург – 197376, Россия Тел.: (812) 3464516; e-mail: Iab16@vilan.spb.ru

Аннотация – В докладе предлагается метод предварительной оценки диапазонных свойств излучателей бегущей волны на основе неоднородной щелевой линии. Метод позволяет проводить предварительную оценку рабочей полосы излучателя с помощью эквивалентных схем без электродинамического моделирования. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований излучателя Вивальди в диапазоне 0.5 – 4 ГГц.

I.  Введение

В настоящее время в технике СВЧ широко применяются неоднородные щелевые антенны бегущей волны, [1-4]. Достоинством таких антенн, называемых обычно антеннами Вивальди независимо от формы раскрыва, являются широкие рабочие диапазоны частот и возможность интегрирования с активными и пассивными элементами. При расчете таких антенн важно иметь алгоритм, позволяющий быстро оценить импедансные характеристики излучателя. Методика, предложенная в данной работе, позволяет проводить предварительную оценку рабочей полосы выбранной геометрии раскрыва излучателя методом эквивалентных схем. Электродинамический анализ выполняется в этом случае только для оптимального варианта.

II.  Основная часть

В основу методики положено упрощающее допущение, предполагающее излучение из щелевой линии только при значении волнового сопротивления равного волновому сопротивлению свободного пространства. В этом случае антенну Вивальди можно рассматривать как трансформатор на основе неоднородной линии, согласующий сопротивление 377 Ом с внутренним сопротивлением возбуждающего генератора. При таких грубых допущениях диапазонность антенны будет ограничена частотной дисперсией волнового сопротивления и электрической длины в неоднородной щелевой линии. Изменение с частотой параметров отрезка неоднородной щелевой линии приводит к существенному изменению ее иммитансных характеристик в рабочем диапазоне частот. Это изменение иммитансных характеристик приводит к существенному уменьшению полосы частот, в которой выполняются условия согласования волнового сопротивления свободного пространства с внутренним сопротивлением возбуждающего генератора.

Для оценки предельного диапазона частот излучателя в одномодовом приближении профиль излучателя Вивальди представляется в виде ступенчатого эквивалента [5] из отрезков однородных щелевых линий. Синтез можно выполнить, например, в пакете Microwave Office, при этом эквивалентная излучателю цепь будет выглядеть как показано на рис.1. Здесь волновое сопротивление каскадно включенных отрезков последовательно уменьшается с 377 до 100 Ом – сопротивления генератора. Частотная зависимость параметров каждого из отрезков щелевых линий, влияет на характеристики антенны в разной степени. Определив коэффициенты чувствительности характеристики передачи ступенчатого эквивалента антенны Вивальди к частотной зависимости параметров каждого из составляющих ее отрезков линий, и рассчитав, насколько меняется каждый из этих параметров в диапазоне рабочих частот, можно вычислить, как влияет дисперсия в щелевой линии на свойства антенны в целом.

Рис. 1. Общий вид схемотехнического ступенчатого эквивалента экспоненциального трансформатора.

Fig. 1. General view of the exponential transformer schematic equivalent

Изменение с частотой электрических характеристик каждого отрезка щелевой линии можно получить, разложением выражений для них в ряд Тейлора вокруг значений характеристик на средней частоте рабочего диапазона. Поскольку вклад в изменение передачи вносят все п элементов ступенчатого эквивалента, то изменение характеристики излучающей части антенны можно определить разложением ее в многопараметрический ряд Тейлора вокруг точки номинальных параметров:

где S, Д S/S – иммитансная (передаточная) характеристика эквивалента антенны при номинальных значениях параметров и ее относительное изменение при смене электрических параметров в рабочем диапазоне частот; Z, 9 – волновое сопротивление и электрическая длина отрезка щелевой линии на средней геометрической частоте диапазона; Bz, Be – коэффициенты чувствительности характеристики S к изменению волнового сопротивления и электрической длины.

Вычислив суммарный уход характеристики, можно спрогнозировать частотные свойства данного профиля излучателя. Точность методики во многом определяется точностью представления геометрии раскрыва излучателя ступенчатым эквивалентом. Чем меньше будет приращение импеданса от шага к шагу, тем больше элементов будет в ступенчатом эквиваленте, и тем выше будет точность. С другой стороны большое число ступеней требует большого времени счета. На рис.2 изображена зависимость, характеризующая точность приближения ступенчатым эквивалентом и времени счета в зависимости от пошагового приращения импеданса (ЛZ).

Fig. 2. Run time and total drift S21 dependencies on impedance stepping

Как видно из рис.2, шаг равный 3% является оптимальным, т.к. при нем еще сохраняется разумное время счета, а точность уже соответствует погрешности исходных выражений.

Методика была проверена на множестве описанных в литературе и экспериментально исследованных антенн Вивальди различных диапазонов частот [1-4],

[6]    . Расчетные и экспериментальные значения относительного ухода S21 совпадали достаточно хорошо.

III. Заключение

Полученные результаты свидетельствуют, что предложенный в работе алгоритм грубой оценки широкополосности раскрыва излучателя Вивальди с помощью коэффициентов чувствительности качественно правильно отражает основные свойства раскрыва и его можно использовать для оценки свойств раскрыва на этапе предварительного проектирования, особенно для антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов, где дисперсия в щелевой линии меньше. Дальнейшие исследования этого вопроса позволят разработать методику оптимизации частотных характеристик антенны на схемотехническом уровне при одновременной максимизации коэффициента передачи и минимизации коэффициентов чувствительности для параметров отдельных ступенек.

IV. Список литературы

[1 ] Lewis L. R. A broadband stripline array element / L. R. Lewis, M. Fassett, J. Hunt // Proc. IEEE Antennas Propagat. SymP. Dig. — 1974. — Vol. 17, №6. — P. 737-740.

[2]    Gazit E. Impruved design of the Vivaldi antenna / E. Gazit // IEE Proc. — 1988. —135H, №2. — P.89-92.

[3]    HolterH. Elimination of impedance anomalies in single- and dual polarized endfire tapered slot phased arrays / H. Holter, Т. H. Chio, D. H. Shaubert // IEEE Trans. Antennas Propagat. — 2000. — Vol. AP-48, №1. — P. 122- 124.

[4]    Holter H. Experimental results of 144-element dual-polar- ized endfire tapered-slot phased arrays / H. Holter, Т. H. Chio, D. H. Shaubert // IEEE Trans. Antennas Propagat.

—           2000. — Vol. AP-48, № 11. — P. 1707-1718.

[5]    Фельдштейн A. Jl. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / А. Л. Фельдштейн, Л. Р. Явич.

—           М.: Связь, 1971, —С. 108-118.

[6]    Проектирование печатной антенны диапазона 0.5-

4 ГГц для радиотелескопа РАТАН-600 / А. А. Головков,

Е. Ю. Голубева, Д. А. Калиникос и др.// Проектирование и технология электронных средств, №1, 2002, с. 3-9.

METHOD OF ESTIMATION THE WIDEBAND CHARACTERISTICS OF PRINTED ANTENNAS ON THE BASIS OF NON-UNIFORM SLOT LINE

Рис. 2. Зависимость времени счета и суммарного ухода S21 от пошагового приращения импеданса.

Golovkov A. A., Kalinikos D. A., Kiselev B. A., Krinitskaya E. Yu., Pivovarov I. Yu. Electrotechnical university (LETi)

St.-Petersburg – 197376, Russia phone: (812) 346-45-16; e-mail: Iab16@viian.spb.ru

Abstract – A new method of preliminary estimation the wideband properties for traveling-wave radiators based on the in- homogeneous slot line is proposed. The method permits a preliminary estimation the operation frequency band of mentioned radiator using the equivalent schemes and without electrodynamic modeling. Theoretical and experimental results for a Vivaldi radiator in 0.5 – 4 GHz frequency band are presented.

I.  Introduction

The inhomogeneous traveling-wave slot antennas [1-4] find now wide application microwave engineering. The advantages of these antennas usually named as Vivaldi antennas independently on the aperture shape are wide operational frequency band and their integration capability with active and passive components. To calculate antenna performances it is important to have an algorithm of fast estimation the impedance characteristics of radiator.

Calculation principles proposed in the paper permit a preliminary estimation of operation frequency band for given geometry of radiator aperture by the equivalent circuit method. In this case the equivalent circuit method is followed by electrodynamic analysis only for optimum preliminary version.

II.  Main part

The method is based on the simplifying assumption that radiation from a slot line occurs only when the antenna impedance is equal to that of free space. In this case the Vivaldi antenna is considered to be the inhomogeneous line transformer matching the 377 Ohm impedance and internal impedance of master oscillator. Under these rough assumptions the antenna bandness is limited by the frequency dispersion of both the impedance and electric length of the inhomogeneous slot line. The latter causes the essential variation of immittance characteristics of length of the inhomogeneous slot line within operational frequency band. And this in turn leads to the essential narrowing of the frequency band where the impedances of free space and of master oscillator are matched. To estimate the ultimate frequency band of radiator under single mode approximation the Vivaldi radiator profile is approximated as its stepped equivalent [5] made of homogeneous slot line lengths. Analytical synthesis made with Microwave Office leads to the equivalent circuit shown in Fig.1. Frequency dependence of parameters in each segment in stepped equivalent makes different effects on antenna characteristics.

After calculation the coefficients of sensitivity to the frequency dependent parameters of each length in stepped equivalent and then after calculation these parameters variation within frequency band it is possible to estimate how the dispersion in slot line effects the total antenna performance. Thus it is possible to evaluate band properties of the given radiator profile. Accuracy of this method depends on accuracy of sensitivity coefficients definition. The method is experimentally tested in 1- 4 GHz frequency band [6]. Accuracy of this method depends upon a number of elements in radiator equivalent of Fig. 2 , and the 3% step is optimal so impedance transformer will be represented by a step equivalent of 44 elements.

III.  Conclusion

The results show, that the offered method correctly evaluates main antenna properties and can be used for antenna characteristics estimation at a preliminary designing phase. In the following step of method development maximization of a transmission factor and minimization of sensitivity coefficients will be in progress simultaneously.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты