Традиционные автодинные датчики, например «Тигель-05», выполняются в гибридно-интегральном или волноводном (объёмном) исполнении [1, 2]. Однако генераторы и автодины в объёмном (волноводном) исполнении с механической перестройкой частоты не удовлетворяют требованиям по степени миниатюризации, технологичности изготовления и стоимости. К настоящему времени в НИИПП накоплен достаточно богатый опыт создания и практического применения автогенераторов и автодинных генераторов в гибридно-монолитном исполнении, разработанных в ходе нескольких НИОКР – «Торонто», «Токио», «Трон», «Томь», «Толедо», «Тангаж» и др. В таких устройствах используются антенны, расположенные на одной печатной плате с активными элементами.
В исследовании печатных антенн для автодинного датчика диапазона КВЧ [3, 4] были промоделированы различные типы излучателей: двухплечевая спиральная антенна, биконический диполь и четырёхэлементная линейная антенная решетка с излучателями резонаторного типа.
Автодинный датчик состоит из антенны, СВЧ-генератора, цепей питания и схемы регистрации автодинного сигнала. В СВЧ-диапазоне длин волн в качестве активного элемента до настоящего времени применяются диоды Ганна, которые могут объединять в одном устройстве функции генератора и смесителя с низкими потерями. Ранее в работах [5–7] уже рассматривались модели активных микрополосковых антенн с включённым активным элементом. Такой выбор обусловлен относительной простотой изготовления, достаточно небольшими потерями, высокой степенью интеграции микрополосковой части с активным элементом и невысокой стоимостью. Один из типов таких антенн – прямоугольная патч-антенна – представляет собой нанесённый на диэлектрик прямоугольный полупроводник с соотношением сторон 3/2. Такое соотношение обеспечивает возбуждение в проводнике моды TM01. В качестве материала для подложки был выбран кварц с диэлектрической проницаемостью 3,8 (наиболее часто использующийся в данном диапазоне). Далее представлены результаты численного моделирования такой антенны в программном пакете CST Microwave Studio, лицензионная копия академической версии которой была предоставлена кафедрой радиофизики.
Наряду с одиночными излучателями широкое применение находят печатные антенные решётки. На рисунке 1 показана простейшая печатная антенная решётка из излучателей резонаторного типа, а на рисунках 2–5 – её характеристики.
Патч-антенна хорошо описана в ряде работ [5–7], поэтому с целью улучшения характеристик антенны было принято решение разместить под слоем диэлектрика вогнутый резонатор с воздушным заполнением. Моделирование антенн проводилось таким образом, чтобы размеры резонаторов не выходили за края антенны. В рамках заданных габаритов решётки был произведён расчёт характеристик антенны с разными конфигурациями и размерами резонаторов и излучателей (см. рис. 6 и 7).
По результатам расчётов можно сделать следующие выводы относительно характеристик получившихся антенн: вогнутые формы нижней пластины в виде участка сферы или параллелепипеда не дают сужения диаграммы направленности или увеличения коэффициента усиления, который остаётся прежним (не превышая 9 дБ), в то время как резонатор в форме усечённой пирамиды с квадратным основанием уменьшил ширину главного лепестка диаграммы на 20° в E-плоскости и на 34° в H-плоскости по сравнению с его параметрами при моделировании антенны без резонатора. Коэффициент усиления составил 11,2 дБ, увеличившись на 2 дБ.
При моделировании и экспериментальном исследовании таких антенн в сантиметровом диапазоне необходимо учитывать влияние согласующих линий и зависимость характеристик антенны от взаимного расстояния между питающими линиями. Результаты расчётов показаны на рисунках 8–10.
Из рисунков 9 и 10 следует, что внесение в конструкцию питающих линий не оказывает влияния на диаграмму направленности, но существенно влияет на коэффициент отражения антенны: при увеличении расстояния между линиями резонансная частота смещается вниз; наилучшие же значения коэффициента отражения достигаются при расстоянии порядка 4,7 мм. Это же значение соответствует наиболее широкой полосе пропускания.
В частотном диапазоне от 9 до 10 ГГц диаграмма направленности совпадает с расчётной с некоторым сдвигом по частоте. Выше и ниже этого диапазона форма диаграммы «разваливается» за счёт существенного роста боковых лепестков. Достигнуть сближения расчётных и экспериментальных данных удаётся корректировкой модели – уменьшением диэлектрической проницаемости на 18% от паспортного значения этой величины для материала диэлектрика, установив её равной 4,1. На рисунке 11 представлены графики зависимостей коэффициента отражения от входа антенны от частоты, полученной при измерениях, моделировании и моделировании с поправкой на величину диэлектрической проницаемости материала. Учитывая, что точность измерения диэлектрической проницаемости составляет 20%, можно сделать вывод о достаточно хорошем совпадении расчётных и экспериментальных данных.
Выводы
При моделировании характеристик резонансных микрополосковых СВЧ-устройств на диэлектрической подложке в академической версии программы CST Microwave Studio с использованием алгоритма расчёта во временно€й области необходимо учитывать возможность отклонения диэлектрической проницаемости материала подложки по сравнению со средним паспортным значением.
Использование полого пирамидального резонатора, выполненного с обратной стороны подложки симметричной патч-антенны с треугольными плечами и не выходящего за габариты антенны, позволяет увеличить коэффициент усиления на 2 дБ по сравнению с антенной без резонатора и на 2 дБ по сравнению с антенной с полусферическим резонатором.
Максимальный коэффициент усиления (18,84 дБ) и минимальную ширину диаграммы направленности (15°) имеет печатная антенная решетка. Минимальный коэффициент отражения (S11 = –26 дБ) получен у биконического диполя и печатной решётки, но у решётки, в отличие от диполя, на частотной характеристике присутствуют побочные минимумы на других частотах.
При всех положительных свойствах антенной решётки существенным её недостатком является наличие в её диаграмме направленности боковых лепестков с отклонением от главного лепестка 30°, величина которых составляет –19 дБ.
ЛИТЕРАТУРА
- Воторопин С.Д., Носков В.Я. и др. Автодинные СВЧ-датчики для бесконтактных измерений и контроля. III Крымская конференция «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». Материалы конференции. Севастополь. 1992. С. 159–164.
- Юрченко А.В., Юрченко В.И., Воторопин С.Д. Автодинные датчики в измерительной технике: монография. Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2009. С. 128.
- Енютин А.В., Козлов К.В., Ларичева Н.А., Лось В.Ф. Оптимизация ширины полосы частот микрополосковой антенны с вогнутой формой пластины. Антенны. № 1. 2008.
- P. Knott. Patch Antenna Design using Microwave Studio. Antenna Engineering. 2007. С. 11–18.
- Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Активные автодинные КВЧ-датчики для контроля различных объектов и технологических процессов. Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2012. С. 217–220.
- Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Оптимизация топологии антенн КВЧ-диапазона для автодинных КВЧ-датчиков. III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»: сб. мат. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2012. С. 94–97.
- Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Подбор архитектуры активных микрополосковых антенн КВЧ-диапазона для автодинных датчиков КВЧ-диапазона. Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. № 9/2. С. 66–67.
© СТА-ПРЕСС
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
