книги / Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели методы математического моделирования
.pdf4.Микрополосковые антенны с пластинами
иподложками из нетрадиционных материалов. Активные микрополосковые антенны
4.1.Антенны с высокотемпературными сверхпроводящимиматериалами
Верхняя граница температуры, при которой некоторые материалы достигают сверхпроводящего состоя ния, в настоящее время превышает температуру кипения жидкого азота 77 К. Переход к охлаждению азотом позволяет сделать экономически целесообразным использование многих СВЧ-устройств, в том числе и антенн, созданных на основе сверхпроводящих материалов, в целом ряде не только космиче ских, но и бортовых радиосистем. Кроме того, применение таких приборов уменьшает на один-два по рядка габариты и массу, существенно улучшает технические характеристики по сравнению с приборами, созданными по обычной технологии.
Обзор основных результатов применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в об ласти антенн приведен в [165-173], где сделан вывод о целесообразности использования указанных ма териалов в следующих приложениях:
антеннах малых электрических размеров и цепях их согласования; цепях возбуждения и согласования антенн ММ-диапазона;
цепях возбуждения и согласования компактных сверхнаправленных антенных решеток.
При создании этих конструкций следует учитывать технологические особенности освоенных на се годняшний день высокотемпературных проводников, представляющих собой тонкие (толщиной едини цы микрон) пленки, напыляемые на нагретые до 700.. .750° С подложки. Именно материал подложек яв ляется критическим параметром для эффективного применения сверхпроводящих пленок (СПП) — он должен выдерживать указанные температуры, не препятствовать росту СПП и обладать чрезвычайно низкими потерями. В настоящее время наиболее употребительными материалами для подложек являют ся оксид магния MgO (е = 9 ,6 на частоте 10 ГГц при температуре 77 К) и алюминат лантана ЬаАЮз (е = 23,8 на частоте 6,2 ГГц ) с тангенсом потерь tgS ~ 610'5.
Недостатком MgO является гигроскопичность и увеличение значения tg5 по мере поглощения вла ги, а ЬаАЮз проявляет неоднородность диэлектрической проницаемости £ порядка нескольких процен тов в пределах типичных размеров подложки 1 Ох 10 мм.
Малыми потерями обладает также сапфир, но на подложки из этого материала требуется напыление буферных слоев для предотвращения деградации свойств СПП.
Целесообразность использования СПП определяется эффективностью излучения антенн при согла
совании их с передатчиком |
(40) |
Tj = Rlwl/(RnM + Rlip+ R j, |
где ЛИЗл - сопротивление излучения; Лир и Лд— сопротивления, учитывающие мощность потерь в прово дящих частях и диэлектрике антенны, а также в согласующих цепях на подложке.
Видно, что существенный выигрыш при использовании высокотемпературных сверхпроводящих материалов, позволяющих уменьшить Л,|р можно ожидать для антенн с /?1ф + ЛД> Л„ш и R„p>>Ra. Пер вое условие в общем случае имеет место для антенн, размеры которых малы по сравнению с рабочей длиной волны, второе — обуславливает необходимость использования высококачественных подложек с весьма малыми потерями.
Поверхностное сопротивление реализованных к настоящему времени эпитаксиальных высокотем пературных сверхпроводящих тонких пленок при температуре 77 К по крайней мере на два порядка меньше, чем у меди для частот ниже 10 ГГц.
Если определить полосу частот излучения комплексно-сопряженной антенны с центральной частотой/р в виде Д/г =f pRl0jX t, а результирующую полосу частот в виде ДГ= toо (Лим + Л„р+ Л^/Л",, то с уче том (40) имеет место равенство т\ ДС= &ft, т.е. любое увеличение эффективности антенны за счет исполь
71
Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материален. Активные ...
зования высокотемпературных сверхпроводников сопряжено с уменьшением полосы частот Д / Стрем ление излучить заметную мощность через антенну малых электрических размеров неизбежно связано с необходимостью генерации весьма больших токов в согласующей цепи, представляющей собой по су ществу резонатор (близкий по длине к четверти длины волны) с сильной связью на входе и слабой - на выходе. Величина токов может ограничивать пригодность антенн с применением ВТСП для передачи больших мощностей, поскольку в таких приложениях одновременно предъявляются высокие требования и к эффективности излучения ц .
Для приемных антенн более важным, чем 1] параметром является отношение сигнал-шум. Высокий уровень атмосферных и индустриальных шумов на частотах ниже 30...50 МГц (область потенциального применения электрически коротких антенн ) приводит к тому, что отношение сигнал-шум практически не зависит от значения эффективности TJ . Следовательно, целесообразность использования антенн с
ВТСП-материалами для таких случаев не очевидна [165].
В [167] приведены теоретические и экспериментальные результаты определения rj миниатюрной МПА (общая длина— 6 мм) с/ р=2,4 ГГц на подложке из LaA103 с е = 25.
Здесь уменьшение размеров МПА достигнуто не только за счет использования подложки с е = 25, но и выбором формы прямоугольной пластины в виде Я-резонатора (рис. 128): полная длина в Ag/2- резонатора длинной линии значительно уменьшается при замене его на “ступенчато-импедансную" структуру, образованную высокоимпедансным (Zj) отрезком длины 6 - 2d, расположенным симметрич но между двумя разомкнутыми низкоимпедансными (Z2 < Z() секциями длиной d каждая. Для d = Ы4 общая длина 6 определяется из соотношения tg2( ^ 6/2Ag) = Z2/Z|. При Z2/ Z i « l, tgx=x и
b =2XgyJZ2lZ x Ы . МПА той же частоты с прямоугольной пластиной на такой же подложке имела бы
длину 6„ =12,5 мм и 6„ = 6 мм в варианте Я-пластины, а при 6„ = 6„ потребовалась бы новая подложка с диэлектрической проницаемостью е = 110.
Возбуждение Я-пластины МПА для удобства регулировки коэффициента связи осуществлялось ра зомкнутой коаксиальной линией, положение внутреннего проводника которой относительно нижней плоскости подложки варьировалось в пределах 0... 1 мм.
Экспериментально исследована эффективность излучения TJ МПА с пластинами и экранными
плоскостями как из YBa2Cu30 7 -« (сокращенно YBCO), так и из меди (Си) для двух значений толщин подложек 0,5 и 1,0 мм. Остальные указан ные на рисунке размеры были выбраны равными 6 = 6 мм; </=1,5 мм; w = 0,15 мм;
|
|
|
|
|
^= 10 мм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Антенны размещались на охлаждаемом |
|||
|
|
|
|
|
основании в стеклянном сосуде Дюара. |
|
||
|
|
|
|
|
Экспериментально определенные зна |
|||
|
|
|
|
|
чения 7} приведены в табл. 16. |
|
||
|
|
|
|
|
Видно, что эффективность rj МПА |
|||
|
|
|
|
|
определяется главным образом материалом |
|||
|
|
|
|
|
пластины. Следует отметить также, что по |
|||
Таблица 16 |
|
|
|
скольку экспериментально была выявлена |
||||
|
|
|
нелинейная зависимость коэффициента ан |
|||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
ц.% |
|
|
тенны от мощности источника — резкий |
|||
|
|
|
|
|
спад имел место при плотностях тока по |
|||
И, мм |
Пластина-YBCO. |
Пластина-YBCO. |
Пластнна-Си, |
рядка 2-106 А/смг , то результаты в случае |
||||
ЭП-Си |
пластины из YBCO получены при умень |
|||||||
|
||||||||
|
ЭП-YBCO. |
ЭП-Си. |
|
|
шенных значениях входной мощности, для |
|||
|
Т - 77» К |
Г= 77° К |
Г= 77° К |
Г=300°К |
||||
|
которых нелинейность еще не проявляется. |
|||||||
|
|
|
||||||
0.5 |
35-48 |
35-45 |
1.5-3.0 |
0.8-1.5 |
Данные |
теоретического анализа |
эф |
|
фективности |
TJ МПА в зависимости |
от |
||||||
1.0 |
55-65 |
55-65 |
4.0—6.0 |
1.0-3.0 |
72
Микрополосковые антенны с мостинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные ...
толщины подложки А (в предположении бесконечно протяженных подложки и экранной плоскости, а также возбуждении антенны гене ратором напряжения в центре узкой части Я-пластины) приведены на рис. 129 и 130. Кривые рис. 129 отличаются значениями поверх ностного импеданса Z„, причем кривая 1 соответствует идеальному проводнику (Z, = 0), 2 — проводящему материалу из YBCO при Т = 77 К с Z„ = (4,5 + у'500)К Г 5 Ом, 3 — проводнику из меди при Т - 77 К с Z„ = 6(1 +j) 1СП3 Ом. Тангенс потерь диэлектрика подложки с £ = 25 во всех случаях выбран равным 10 s . На рис. 130 для МПА из YBCO при Т = 77 К кривые отличаются значением тангенса угла
потерь подложки с е =25, причем кривая 1 соответствует значению |
Рис. 129. Зависимости расчетных |
||
значений эффективности антенны |
|||
tg5=10"5,2 — lgS =5 10'5 и 3 — tg$=10~V |
|
||
|
оттолщины подложки А для пластин |
||
В [167] приведена приближенная формула для эффективности |
из материалов с разным |
||
МПА |
|
поверхностным импедансом: |
|
7](A,tg5,/?(I) = [l + 0.8tg5l04 /A + 4,5/?„/A2 + FnB(A)]-1 , |
(41) |
2—YBCO при77К Zj=(-(.5 +/500) |(Г1: |
|
позволяющая оценить влияние толщины подложки А (выраженной в |
3—Сипри77К,2(-6 (1 +у) КГ5 |
||
|
|||
мм), поверхностного сопротивления R„ = ReZ„ (выраженного в мОм) |
|
||
и tg5 подложки. Здесь Япв(А) — функция, учитывающая влияние |
/ , Я |
||
поверхностных волн. |
|
||
Для А < 1,25 мм и R„ > 10'2 мОм численные результаты хорошо |
|||
описываются выражением (41) при Fns = 0. |
|
/ /> |
|
В экспериментах по определению TJ описанные выше МПА ис |
|||
пользовались в качестве передающих антенн в канале длиной около |
АУ |
||
1 м, приемной антенной служил широкополосный рупор с ребрами. |
V |
||
Зависимость относительного коэффициента передачи от абсолютной |
|
||
температуры Г(К) для МПА с толщиной подложки А = 1 мм и экран |
Рис. 130. Зависимости расчетных |
||
ной плоскости из меди приведена на рис. 131. Антенна настраивалась |
|||
значений эффективности антенны |
|||
таким образом, что коэффициент отражения |5ц| равнялся нулю при |
|||
от толщины подложки А для разных |
|||
температуре Г = 70 К. Значительный спад при Т > 83 К обусловлен |
значений тангенса угла потерь |
||
как уменьшением ц из-за возрастания потерь в проводнике пласти |
|
||
ны, так и увеличением коэффициента отражения 5ц на входе антен |
|
||
ны. Ширина полосы по уровню половинной мощности при Т = 77 К |
5 |
||
составляла около 3 Мгц на частотеf f = 2,45 ГГц или 0,12 % . |
|
||
В [170] исследована возбуждаемая МП-линией четырехэлемент |
|||
ная МПА с пластинами прямоугольной формы из ВТСП YBCO на |
|
||
подложке из ЬаАЮз, рассчитанная на частоту 30 ГГц. Проведенное |
|
||
экспериментальное сравнение эффективности этой антенны с эффек |
|
||
тивностью аналогичной по конструкции, но изготовленной из золота |
|
||
методом напыления МПА, показало увеличение т\ на 2 дБ при тем- |
Рнь 131 измеренные з> |
||
пературе 7’= 70 К и не менее чем на 3,5 дБ при 7’=40 К. Зависимость |
относительной излученной мощности |
||
относительного КУ от абсолютной температуры аналогична приве- |
в зависимости от температуры антенны |
денной на рис. 131. Отмечено также, со ссылкой на [172], что в линейной антенной решетке (АР) из ВТСП с числом элементов Л/И00 на частоте 35 ГГц можно ожидать увеличения КУ на 8...10 дБ по сравнению с аналогичной АР, излучающие элементы которой изготовлены из меди.
Обзор методов и устройств охлаждения в криоэлектронике приведен в [174].
Отметим также, что поверхностное сопротивление сверхпроводящих слоев и, тем самым, эффек тивность излучения МПА изменяется не только от температуры, но и от окружающего антенну магнит ного поля. Это обстоятельство может быть использовано для оперативного управления эффективной по верхностью рассеяния (ЭПР) электрически малых антенн, что подтверждено теоретически на примере малой круглой петлевой антенны, изготовленной из YBCO [173]. Показано, что такой метод существен
73
Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...
ного уменьшения ЭПР не столь эффективен, как при изменении температуры и проявляется в довольно сильных полях (например, для ослабления ЭПР на 10...20 дБ требуется магнитное поле с индукцией В 0,3... 1,0 Тл), однако он более приемлем для практической реализации, поскольку позволяет значи тельно уменьшить инерционность систем.
Более сложные микроволновые устройства и системы, созданные на основе ВТСП-пленок, рас смотрены в специальном выпуске [175] и обстоятельном обзоре [176], где приведена и обширная биб лиография работ последних лет.
4.2.Микрополосковыеантенны на ферритовых подложках
При использовании в качестве подложек ферритовых материалов, характерной особенностью которых является тензорная природа магнитной проницаемости, сравнительно большое значение и сильная зави симость от частоты в ОВЧ- и УВЧ-диапазоне эффективной магнитной проницаемости д эфф (©), можно
реализовать ряд новых и важных для практики качеств МПА, не достижимых в антеннах с рассмотрен ными выше диэлектрическими подложками.
Особенности распространения электромагнитного поля в ферритовых материалах и его постоянные за висят от взаимной ориентации магнитного вектора Н высокочастотного поля и вектора Ноприложенного по ля смещения. При |Я0| = 0 или параллельности векторов Н и Нов феррите, как и в диэлектрике распростра
няется обыкновенная волна, поляризованная перпендикулярно Н0. При Н ± Н0 и Е || Н0 в феррите распро страняется так называемая необыкновенная волна с эффективной магнитной проницаемостью
ДэффИ = ДoJ^L^ - . |
(42) |
где До = 4я10"7 Гн/м; fi = 1+ щ ат/((о1 ~®2) : £ = ©©,„/(©о -fit)2) ; со0 = уц0Н0; |
соН1=уМ ИК; |
у =1,759-1011 Кп/кг— гиромагнитное отношение; Мнк— индукция насыщения феррита; й>0 = уд 0Я 0-
Из (42) видно, что при ^со0 (©0 +а>,„) < © < ©0 + © „ эффективная магнитная проницаемость
Дэфф (со) < 0. В этой полосе частот постоянная распространения необыкновенной волны при отсутствии
потерь в феррите становится чисто действительной величиной и поэтому такая волна экспоненциально затухает вдоль направления распространения. Это обстоятельство позволяет управлять рассеивающими свойствами антенн на ферритовых подложках.
Для обыкновенной волны значения д ^ (©) много больше единицы на частотах до 0,8 ГГц и быст
ро уменьшаются с ростом ©, что позволяет существенно уменьшить размеры МПА на ферритовых под ложках и создать многочастотный режим работы на основной моде, поскольку резонансный размер
МПА обратно пропорционален произведению |
• а зависимость д^ф (©) от частоты такова, что |
|
равенства fp |
= const оказываются возможными одновременно для нескольких частот при фиксиро |
ванном размере антенны. Так, в [177] экспериментально подтверждено, что круглые МПА диаметра d = 20 и 32 мм на подложках толщиной h - 2 мм из феррита Nii.o62 Со0.ог F e^ e 0 4 с измеренными на частоте 200 МГц материальными постоянными е = 15; д = 14,74; tg 8 я = 0,0476; tg<5M= 0,0062 без магнитного смещения резонируют и излучают в режиме основной моды в первом случае на частотах 231 МГц (Дэфф.р=112.44; Д)ффт = 110.76; дЭШ1 = 14,3), 485 МГц ( дэфф.р = 25,5; доффл = 24,58; дзксп = 15,8), 661 МГц
(Дэф*.р= 13,732; Дэффт = 13,95; д , ^ = 16,7), 1048 МГц ( Дэфф.р= 2,337), во втором соответствующие час тоты равны 102, 412, 667 и 1015 МГц. Здесь ц ^ р — расчетное значение эффективной магнитной про
ницаемости, получаемое из соотношения ( d - схпт j ( я /р ^£эффДзфф )), где — т-й корень производ ной функции Бесселя «-го порядка; дэффт — теоретически рассчитанное для dlh = 10 значение эффек
74
Микрополосковые антенны с изастинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные...
тивной магнитной проницаемости; ц 1КСП — экспериментально измеренная относительная магнитная
проницаемость.
Экспериментально получено значение относительной ширины полосы частот 12,4 % по уровню КСВН = 1,45 для антенны диаметром 20 мм на частоте/р = бб1 МГц.
Дополнительные степени свободы, связанные с выбором направления и величины постоянного магнитного поля смешения Но, позволяют осуществлять электронную перестройку частоты, управлять эффективной площадью рассеяния, подавлять поверхностные волны, управлять формой ДН и сканиро вать лучом, повышать КУ антенны. В [178], например, экспериментально исследована зависимость из менения резонансной частоты / р МПА с прямоугольной пластиной от ориентации поля НоПластина МПА с размерами 14x18 мм располагалась на подложке из железо-итгриевого граната (ЖИГ) Trans-Tech G-113 толщиной 1,27 мм с е = 15 и индукцией смешения 4тгМн =1720 гаусс. Антенна возбуждалась
коаксиальным зондом вблизи края пластины в центре стороны 18 мм и при Н0 имела резонансную час тоту Л = 4,6 ГГц. В работе получены следующие результаты: при изменении поля смешения Н0. ориен тированного вдоль оси х (перпендикулярной стороне 18 мм) или z (по нормали к подложке) от нуля до 650 гаусс резонансная частота возрастала от 4,6 до 5,5 ГГц, а при ориентации Н0 вдоль оси у (перпенди кулярной резонансному размеру пластины 14 мм) / р убывала от 4,6 до 2,8 ГГц, причем во всей полосе перестройки значение КСВН не превосходило 2. Также приведены формы ДН в £- и Я-плоскостях на частотах 2,81, 3,47 и 4,60 ГГц, слабо различающиеся в передней полусфере.
Соответствующим выбором параметров феррита, частоты и величины магнитного поля смещения можно добиться значительного изменения и, тем самым, резонансной частоты^. Так, в [179] тео
ретически показано , чтоf pможно перестраивать в полосе частот до 3 октав.
Возможности управления ЭПР МПА на ферритовых подложках исследованы в [180-183], где про веден анализ полей рассеяния антенны как основной, так и кроссполяризационной составляющих. Пока зано, что при положительных ф максимальные значения ЭПР наблюдаются на резонансных частотах
антенны. При увеличении поля смещения Н0 подложек резонансные частоты основной поляризации, как отмечено выше, смещаются почти пропорционально Н0 а соответствующие им ЭПР остаются практиче ски неизменными. Значения ЭПР кроссполяризационных составляющих полей рассеяния не зависят от НоПредложенный в [181, 182] метод уменьшения ЭПР состоит в предварительном определении часто ты облучающего поля (например, с помощью спектроанализатора или специального приемника) и опе ративного изменения частоты / р МПА вышеописанным способом. Согласно [180, 181] величина ЭПР МПА в режиме холостого хода может быть уменьшена указанным методом на 25...35 дБ по сравнению с максимальным значением на резонансной частоте. Расчеты проведены для антенны с размерами пласти ны 11x13 мм на подложке из ЖИГ толщиной 1,27 мм с е = 15 и индукцией насыщения 0,178 Тл в поло се частот 2,5.. .5,5 ГГц для двух значений напряженности поля смещения— Но - 0 и 7960 А/м.
Намагничивание подложки до состояния, при котором значения становятся отрицательными
при ориентации Но вдоль нормали к пластине МПА, позволяет значительно уменьшить максимальные
значения ЭПР и вв |
на основной поляризации в широкой полосе частот. При этом кроссполяризационная |
компонента ЭПР |
хотя и больше овв, но значительно меньше максимального значения без намагни |
чивания подложки [182]. Аналогичные исследования проведены для антенн с ферритовыми укрытиями (обтекателями) [183,184] и с подложками в полости экранной плоскости [185].
Отмеченные выше особенности распространения обыкновенной и необыкновенной волн в феррите можно использовать также при управлении направлением поляризации излучения в антеннах с одной точкой возбуждения. Так, в [186] экспериментально исследована МПА с квадратной пластиной разме ром 11 мм, размещенной на подложке из тонких (толщиной 75 мкм) пленок легированного галлием ЖИГ с индукцией насыщения 0,125 Тл, нанесенных для жесткости конструкции на обе стороны диэлек трической пластины толщиной 0,5 мм из гадолиний-галлиевого граната с е =13. Антенна излучала орто гонально поляризованные поля сf p = 5,975 ГГц основной поляризации и /р = 5,75 ГГц— кроссполяриза ционной, причем приложенное в плоскости пластины поле смещения Но оказывало воздействие только на кроссполяризационную составляющую поля излучения. Варьированием соотношения фаз ортого
75
Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...
нально поляризованных полей можно управлять направлением поляризации результирующего поля. В работе экспериментально определено, что при увеличении магнитной индукции поля смещения В0 • 103 = = 0; 0,7; 5,0; 30,0; 60,0 Тл резонансная частота кроссполяризационной составляющей/ рк = 5,75; 5,86; 5,93; 5,97; 6,0 ГГц.
Несомненной привлекательностью тонких ферритовых пленкок является то обстоятельство, что они могут хорошо интегрироваться с твердотельной технологией.
Простой и удобный для практического использования метод изменения направления вращения поля излучения в антеннах круговой поляризации путем смены полярности поля смешения, исследован в [187], где рассмотрена МПА с квадратной пластиной размером 6,1 мм на подложке толщиной 1,27 мм из ЖИГ с е =15 и индукцией насыщения 0,065 Тл, возбуждавшаяся в середине одного из краев пластины. Показано, что в такой МПА можно получить излучение с круговой поляризацией левого и правого вра щения с разными/р при ориентации поля смешения Но по нормали к пластине. При увеличении Н0 от 0 до 95,5103 А/м резонансная частота одного из направлений вращения изменялась примерно от 5,30 до 5,65 ГГц, а другого — от 6,65 до 7,50 ГГц. Найдено, что КУ антенны равен 4,5 дБ, а эффективность из лучения примерно 70 % и слабо зависит от поля Но.
Сканирование ДН МПА с ферритовым укрытием экспериментально исследовано в [188].
4.3.Микрополосковые антенны на подложках из киральных материалов
Киральные материалы СВЧ-диапазона являются сравнительно новыми искусственными взаимными гиротропными композиционными материалами, проявляющими различные свойства по отношению к рас пространяющимся в них электромагнитным полям с левым и правым направлениями вращения плоско сти поляризации, т.е. обладают материальными характеристиками, во многом схожими с характеристи ками ферритов. Практический синтез киральных сред СВЧ-диапазона осуществляется добавлением в изотропный диэлектрик хаотически ориентированных зеркально-асимметричных элементов типа ма леньких металлических или керамических спиралей.
Анализ электродинамических свойств киральных, а также более общих биизотропных и бианизотропных сред приведен в [189]. Значительный интерес к этим материалам был вызван сообщениями о перспективности их для создания неотражающих покрытий. Однако проведенные разработчиками МПА строгие исследования не подтвердили объявленных ранее преимуществ антенн на подложках из кираль ных материалов, в частности — в отношении подавления поверхностных волн [190]. Показано, что при увеличении кирапьного адмиттанса £ материала подложек (значение £ = 0 соответствует обычному диэлектрику) эффективность излучения т/ уменьшается. Например, для МПА с квадратной пластиной на подложке из материала с е = 4 и относительной толщиной А/А = 0,05 7J = 0,7 при %= 0 и ?} = 0,5 при £ =0,005. Уровень кроссполяризационной составляющей поля излучения возрастает от очень малых значений при £ = 0 до минус 10 дБ при £ = 0,005. Кроме того увеличиваются примерно на 8 % при тех же вариациях параметра £ и резонансные размеры пластины МПА.
4.4. Микрополосковые антенны на подложках из электромагнитных полосно-запирающих материалов
Электромагнитные полосно-запирающие материалы (ЭПЗМ) являются новым классом искусственных материалов, образуемых пространственно-периодическим чередованием металлических, диэлектриче ских или смешанных структур и проявляющих частотно-избирательные свойства в отношении коэффи циентов отражения и прохождения при падении на них электромагнитных волн. Известные методы практической реализации ЭПЗМ состоят либо во включении вещества одного сорта в другое (основу), либо же, наоборот, в периодическом удалении (перфорации) тех или иных объемов материала основы.
Если рассеивающие свойства неоднородностей (включений или отверстий) существенно отличают ся от свойств материала основы, то имеет место интерференция полей рассеяния от неоднородностей и основы, зависящая также от геометрии искусственного кристалла. Теоретически подходящим выбором параметров структуры можно добиться значительного затухания электромагнитных волн в одних, зара
76
Мчкрополоскоиые антенны с юааттаии и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные ...
нее предписанных полосах частот и беспрепятственное их распространение— в других. Реализация же ука занных требований на практике, как показал накопленный опыт, оказывается весьма непростой задачей.
При независимости полос режекции от направления прихода электромагнитной волны они получи ли название “полос запрета”, а ЭПЗМ — Photonic band gap (PBG) материалов.
Отмеченные привлекательные свойства ЭПЗМ стимулировали разработку методов их изучения ис следователями из разных областей радиофизики и радиотехники, в том числе и разработчиками антенн. Примеры использования ЭПЗМ в качестве подложек МПА для увеличения коэффициента усиления ан тенны и управления формой ее ДН приведены в [191].
Преимущества использования ЭПЗМ в МПА заключается в следующем. Антенна, размещенная на границе воздух-диэлектрик, более охотно излучает в сторону диэлектрика, чем воздуха, что способству ет, как отмечено ранее, возникновению спектра поверхностных волн в подложке и уменьшению, тем са мым, эффективности излучения.
Использование подложек из ЭПЗ-материалов, препятствующих проникновению электромагнитных волн с частотами в пределах рабочей полосы частот МПА в подложку, позволит решить эту проблему. Это особенно важно в отношении основной поверхностной волны Щ ) в большинстве практических конструкций МПА, которая может возникать в подложках произвольно малой толщины, поскольку ее частота среза равна нулю. Применение ЭПЗМ в качестве подложек антенных микрополосковых элемен тов ФАР и АФАР потенциально может решить также проблему “ослепления” ДН антенных решеток в требуемом секторе углов сканирования и способствовать упрощению схемных и аппертурных решений распределительных систем ФАР благодаря возможному расширению этого сектора.
Способность ЭПЗМ перераспределять излучение электромагнитных волн в пространстве использу ется для управления характеристиками МПА, что отмечено в ряде работ. Так, в [192] теоретически пока зано, что КУ элементарного диполя Герца, расположенного как на слое ЭПЗМ, так и под ним на обыч ной диэлектрической подложке, может быть существенно увеличен в направлении углов, совпадающих с направлением максимума излучения вытекающей волны ЭПЗМ, полученного сквозным перфорирова нием квадратными отверстиями с размером сторон 3 мм и пространственным периодом S мм слоя ди электрика толщиной 1 мм из материала с е =10. В варианте расположения диполя Герца на слое ука
занного ЭПЗМ коэффициент усиления достигает 14,5 дБ под углом 37° к нормали в Е-плоскости на час тоте 28 ГГц. Однако сектор углов с таким значением мал (около 3°), за его пределами КУ быстро уменьшается до минус 10 дБ и более по мере отклонения от нормали. В плоскости с произвольным ази
мутальным углом |
приращение КУ убывает с ростом угла <р и при |
|
(р =тг/2 (Я-плоскость) обращается в ноль. Противоположная ситуация |
|
|
имеет место при расположении диполя Герца на диэлектрической подлож |
|
|
ке толщиной 1,5 мм с е = 2,2 под слоем указанного ЭПЗМ: КУ возрастает |
|
|
до 15 дБ в Я-плоскосга под углом около 27° от нормали и не изменяется |
|
|
в Е-плоскости. |
|
|
Использование в структуре ЭПЗМ отрезков проводников с активными |
|
|
приборами типа /и'и-диодов или полевых транзисторов позволяет опера |
|
|
тивно изменять длину отрезков проводников и, тем самым, электроди |
|
|
намические свойства материала. В частности, этим способом можно из |
|
|
менять форму ДН и осуществлять сканирование луча, [194,195]. |
|
|
4.5. |
Активные микрополосковые антенны |
Рис. 132. Схемы включения |
активныхантенн: |
||
Активными (интегральными) антеннами, в отличие от используемой |
а. 6—двухполюсная; |
|
в— трехполюсная;г— чешрехлолюсни |
обычно комбинации пассивной антенны с предварительным усилитель ным каскадом, принято называть устройства, в которых элементы антенной структуры до такой степени
являются составными частями усилительной схемы (активного многополюсника), что их разделение не возможно без потери работоспособности устройства в целом.
Включение активного многополюсника в состав активной антенны осуществляется, в зависимости от типа используемого активного прибора, по схеме двух-, трехили четырехполюсника (рис. 132).
77
Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...
Интеграция слабонаправленных излучателей с активными приборами оказалась плодотворной кон цепцией, воплощение которой на практике при разработке, например, аппаратуры линий связи, модулей активных ФАР, систем встроенного контроля и т.п., позволило успешно решить вопросы существенного уменьшения габаритных размеров как самих излучателей, так и высокочастотной части передающих устройств, улучшить их энергетические характеристики, а также расширить рабочую полосу частот.
Результаты отечественных и зарубежных исследований в этой области до 1984 г. проанализированы и обобщены в [196, 197], где проведена обстоятельная классификация активных антенн, приведены ос новные методы расчета и конструирования активных щелевых, вибраторных, рамочно-вибраторных и проволочных антенн и обширная библиография.
Конструкции большинства рассмотренных выше МПА также допускают размещение в них актив ных приборов, что может быть осуществлено сравнительно просто.
Проектирование активных передающих или приемных МПА сводится по существу к выбору и раз работке подходящего усилителя, позволяющего реализовать постоянство усиления в требуемой полосе частот. Эта проблема включает в себя синтез согласующих цепей, компенсирующих вариации коэффи циента отражения активного прибора и согласующих быстрые изменения входного импеданса излу чающего элемента в полосе частот. Этот импеданс вне сравнительно узкой рабочей полосы частот МПА подобен импедансу большой индуктивности или емкости и создает на выходе усилителя режим, близкий к короткому замыканию или холостому ходу. Такие условия, как известно, весьма благоприятны для пе рехода усилителя в режим генерации, поэтому основной проблемой является обеспечение устойчивости услителя как в пределах, так и вне рабочей полосы частот.
Результаты исследований приемных и передающих активных МПА с диодами Ганна и полевыми транзисторами в качестве активных приборов приведены в [198-209]. Эти результаты относятся, в ос новном, к частотам менее 10 ГГц, но по мере совершенствования новых активных приборов разрабаты ваются активные МПА в более высокочастотных диапазонах, вплоть до миллиметрового. Так, в [210] приведены результаты моделирования и экспериментального исследования активной МПА с осциллято ром на диоде Ганна DGB8266 (фирмы Alpha Industries) в конфигурации отражательного усилителя с вы ходной мощностью антенны 9,26 мВт на частоте 63,24 ГГц.
Зависимость электрических характеристик диодов Ганна и других активных приборов от напряже ния смещения позволяет достаточно просто осуществлять в известных пределах электронную пере стройку рабочей частоты. Реализованная ширина полосы перестройки в указанной работе составила 1 ГГц или примерно 1,6 % от несущей частоты.
Рассмотренный выше упрощенный метод реальных частот для синтеза согласующих цепей может быть распространен и на задачи синтеза активных МПА. Результаты разработки и характеристики активных ан тенн, реализованных с помощью этого метода, приведены в [208]. На рис. 133 приведена геометрия актив
|
ной передающей МПА в виде двухсторонней |
||||
|
структуры с экранной плоскостью /, актив |
||||
|
ной двухкаскадной СЦ 2 на транзисторах |
||||
|
MGF-1402 по одну сторону от ЭП и излучаю |
||||
|
щей квадратной пластиной - по другую. Такая |
||||
|
конструкция позволяет, как отмечалось ранее, |
||||
|
выбирать |
оптимальным образом |
параметры |
||
|
подложек 3, 4, 5 излучателя и СЦ, а также |
||||
Рис. 133. Геометрия активной МПА: |
уменьшить нежелательное влияние цепей воз |
||||
а — вид сверху; б — видсбоку |
буждения на ДН антенны. |
|
|
||
|
Для |
расчетов использовалась |
зависи |
||
|
мость входного импеданса от частоты, опре |
||||
|
деленная по модели длинных линий [2 1 1 ] для |
||||
|
указанной |
геометрии с толщиной |
0,5 мм |
||
|
подложки |
3 |
из диэлектрика с |
е= 2,17и |
|
|
tg<5 =0,0009. |
Слой пенопласта 4 имел тол |
|||
Рис. 134. Электрическая схема активной МПА |
щину 6,35 мм и диэлектрическую проницае- |
78
Микрополосковые антенны с мостинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные...
мость £ = 1,03. Возбуждение пластины осуществлялось зондом б диаметром 1,27 мм в точке, отстоящей от края пластины на 4,93 мм вдоль средней линии. Отверстие диаметром 4 ,1 мм для зонда в ЭП толщи ной 5 мм было заполнено диэлектриком с е =1,975. Подложка 5, на которой размещена синтезирован ная СЦ, имела толщину 1,575 мм и е = 2,17.
Электрическая схема активной МПА приведена на рис. 134, где указанные емкости и индуктивности
имеют следующие значения: С, =2,384 |
пФ , 4 =1,331 |
нГн, Q =4,940 пФ, 4=2,463 нГн, Q=1.676пФ. |
4=4,015 нГн, СА=1.620 пФ, Ц = 3508 нГн, |
4=3861 нГн, |
|
4 =3.021 нГн. Четыре шунтирующих резистора с номи |
|
|
налом R = 390 Ом предназначены для обеспечения ус |
|
|
тойчивого режима работы в полосе частот 3,1...3,5 ГГц. |
|
|
Топология практической реализации СЦ приведена |
|
|
на рис. 135, где использованы следующие обозначения: |
|
|
1 — полевой транзистор, 2 — резистор, 3 — раздели |
|
|
тельный конденсатор, 4 — безкорпусной конденсатор, 5 |
|
|
— площадка заземления, 6 — короткозамыкающий |
|
|
штырь, 7 — место соединения СЦ с зондом возбужде |
|
|
ния пластины антенны, 8 — цепь смещения затвора |
|
|
транзистора, 9 — цепь питания стока, 10— линия пита |
|
|
ния, 11 — индуктивность. Металлизированные площад |
Рис. 135. Топология практической реализации |
|
ки 5 соединены с экранной плоскостью и предназначены |
активной МПА |
для обеспечения хорошего контакта выводов транзисторов с заземлением.
С этой активной МПА получены следующие результаты. Относительная ширина полосы рабочих частот Д/7 /о составила по критерию неравномерности ±0,7 дБ передаточной функции T(f) примерно
25 % против 12 % у аналогичной по конструкции пассивной антенны.
Зависимость от частоты приведена на рис. 136, где пунктирная кривая соответствует расчетным значениям, а сплошная — измеренным.
Коэффициент усиления активной МПА больше КУ пассивной МПА на 24 дБ.
Дальнейшее улучшение характеристик апертуррно-свяэанных (см. рис. 1,в) активных и пассивных МПА возможно путем оптимизации формы апертуры связи, а также числа и топологии возбуждающих ее МП-линий. Например, при (/-форме апертуры связи и Г-образном окончании МП-линии возбуждениядаже в пассивной МПА с одной прямоугольной пластиной удалось реализовать относительную ширину полосы пропускания свыше 76 % по критерию КСВН < 2,0 [212]. Отмечено, что в этой конструкции длина попе речной части Г-терминала МП-линии и ее смещение относительно края внутренней части (/-образной апер туры являются весьма критическими параметрами.
Введение дополнительных портов в схему возбуждения активной АС МПА (рис. 137) может придать антенне новые качества. Например, изменением электрической нагрузки на дополнительных портах можно
79
Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...
управлять частотой излучения без изменения эффективности связи с пластиной МПА. Более того, развязка МП-линий возбуждения по постоянному току упрощает схему размещения электронно-управляемого реак тивного элемента типа варактора. Вариант простой реализации частотного модулятора на основе четырех портовой схемы возбуждения приведен на рис. 138, где вариация частоты достигается при помощи pin- диода, изменяющего электрическую длину и, тем самым, нагрузку соответствующей МП-линии под воздействием внешнего управляющего сигнала.
Явления внешней синхронизации в активных МПА. Экспериментально подтверждено, что в актив ных МПА имеет место явление синхронизации частоты излучения антенны внешним сигналом, потен циально важное для систем пространственного сложения мощностей отдельных модулей в антенных решетках. Интересно отметить, что это явление наблюдается не только в окрестности основной частоты антенны, но и на ее гармонике и субгармонике, причем ширина полосы захвата частоты зависит от гар монического отношения частот синхронизации и собственно антенны. На примере активной МПА с фактической частотой излучения 9,82 ГГц, пластина которой натружена на краю полевым транзистором NEC 71084 GaAs MESFET, экспериментально показано, что полосы захвата как на гармонике, так и на субгармонике примерно на порядок меньше аналогичной величины на основной частоте, которая в дан ном случае равна примерно 200 МГц или 2 % от несущей частоты, [213]. При этом расхождение фаз сигналов в окрестности основной частоты является примерно линейной функцией относительной рас стройки частот с отрицательным коэффициентом наклона порядка 1 0 ° на 1 % изменения частоты.
Автор признателен Л. Д . Бахраху за данные советы, которые были учт ены автором, а т акж е редакт ору Г. С. Лонь за помощь в подготовке издания, профессору Е. Г. Зелкину за просмотр рукописи и ценны е замечания, профессору В. С. Филиппову за предоставление ряда информационных мат ериалов и канд. (риз.-мат. наук
М.В. Лось — за большую информационную и техническую поддерж ку.
Список сокращений
АР — антенная решетка АС — апертурно-связанная (антенна)
АФЗП — антенна-френелевская зонная пластинка АФУ — антенно-фидерное устройство БЛ — боковые лепестки ВВР — всеволновые решения ВЛ — возбуждающая линия
ВПП — волновод из параллельных пластин ВТСП — высокотемпературные сверхпроводники ГА — генетический алгоритм ГТД — геометрическая теория дифракции
ДВС — диаграмма Вольперта-Смита ДН — диаграмма направленности
ДР— диэлектрические резонаторы ДРА — диэлектрическая резонаторная антенна ЖИГ — желеэо-итгрневый гранат ЗП — зонная пластинка
ИУСП — интегральное уравнение смешанных потенциалов КНД — коэффициент направленного действия КП — круговая поляризация
КСВН — коэффициент стоячей волны по напряжению КУ — коэффициент усиления КЭ — коэффициент эллиптичности
ЛПА — логопериодическая антенна МВЦ — многовходовые цепи МДП — модель длинных линий ММ — метод моментов
МП (Л) — микрополосковая (линия)
МПА — микрополосковая антенна МПВ — микрополосковый вибратор
МП1ЦА — микрополосковая щелевая антенна МРЧ — метод реальных частот МС — магнитная стенка П — подложка
ПКП — последовательное квадратичное программирование
ППП — пакет прикладных программ ПС — плоскость симметрии ПФ — полосовой фильтр
РЭА — радиоэлектронная аппаратура САПР — система автоматизированного программирования СВЧ — сверхвысокие частоты
СПП — свспрхпроводящис пленки СЦ — согласующая цепь
ТЕ, ТМ,— поперечно-электрическая и поперечно магнитная (волна)
ТЕМ — поперечная электромагнитная (волна)
ФГ— функция Грина ЦПК — цепь проводимости края
ЧНА — частотно-независимые антенны ЭП — экранная плоскость
ЭПЗМ — электромагнитные полосно-эапирающие материалы ЭПР — эффективная поверхность рассеяния
ЭС — электромагнитно-связанная (антенна)