Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей

Предмет и цель работы: Цель настоящей работы заключается в распространении ранее разработанной авторами методики расчета микрополосковых антенн на случай двухслойной антенной решетки из прямоугольных излучателей и исследовании ее электродинамических характеристик при расширении рабочей полосы частот...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Селезнев, Д.Г., Резник, И.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2018
Schriftenreihe:	Радиофизика и радиоастрономия
Schlagworte:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150190
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей / Д.Г. Селезнев, И.И. Резник // Радиофизика и радиоастрономия. — 2018. — Т. 23, № 3. — С. 203-211. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-150190
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1501902019-04-03T01:25:54Z Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей Селезнев, Д.Г. Резник, И.И. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Предмет и цель работы: Цель настоящей работы заключается в распространении ранее разработанной авторами методики расчета микрополосковых антенн на случай двухслойной антенной решетки из прямоугольных излучателей и исследовании ее электродинамических характеристик при расширении рабочей полосы частот. Предмет і мета роботи: Мета роботи є поширення раніше розробленої авторами методики розрахунку мікрострічкових антен на випадок двошарової антенної решітки з прямокутних випромінювачів та дослідження її електродинамічних характеристик з розширенням робочої смуги. Purpose: The purpose of this paper is to propagate the methodology earlier developed by the authors for calculating microstrip antennas for the case of a two-layer antenna array of rectangular radiators, to study its electrodynamics characteristics with expanding its bandwidth. 2018 Article Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей / Д.Г. Селезнев, И.И. Резник // Радиофизика и радиоастрономия. — 2018. — Т. 23, № 3. — С. 203-211. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1027-9636 PACS numbers: 41.20.Jb, 84.40.Ba DOI: https://doi.org/10.15407/rpra23.03.203 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150190 621.396.677.8 ru Радиофизика и радиоастрономия Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
spellingShingle	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Селезнев, Д.Г. Резник, И.И. Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей Радиофизика и радиоастрономия
description	Предмет и цель работы: Цель настоящей работы заключается в распространении ранее разработанной авторами методики расчета микрополосковых антенн на случай двухслойной антенной решетки из прямоугольных излучателей и исследовании ее электродинамических характеристик при расширении рабочей полосы частот.
format	Article
author	Селезнев, Д.Г. Резник, И.И.
author_facet	Селезнев, Д.Г. Резник, И.И.
author_sort	Селезнев, Д.Г.
title	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
title_short	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
title_full	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
title_fullStr	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
title_full_unstemmed	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
title_sort	двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150190
citation_txt	Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей / Д.Г. Селезнев, И.И. Резник // Радиофизика и радиоастрономия. — 2018. — Т. 23, № 3. — С. 203-211. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT seleznevdg dvuhslojnyemikropoloskovyeantennyerešetkiizprâmougolʹnyhizlučatelej AT reznikii dvuhslojnyemikropoloskovyeantennyerešetkiizprâmougolʹnyhizlučatelej
first_indexed	2025-07-12T23:51:17Z
last_indexed	2025-07-12T23:51:17Z
_version_	1837487132387573760
fulltext	ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 203 Радіофізика і радіоастрономія. 2018, Т. 23, № 3, c. 203–211 © Д. Г. Селезнев, И. И. Резник, 2018 ÀÍÒÅÍÈ, ÕÂÈËÅÂÎÄÈ ² ÊÂÀÇ²ÎÏÒÈ×ÍÀ ÒÅÕÍ²ÊÀ Д. Г. СЕЛЕЗНЕВ, И. И. РЕЗНИК Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Мистецтв, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: sad@rian.kharkov.ua ÄÂÓÕÑËÎÉÍÛÅ ÌÈÊÐÎÏÎËÎÑÊÎÂÛÅ ÀÍÒÅÍÍÛÅ ÐÅØÅÒÊÈ ÈÇ ÏÐßÌÎÓÃÎËÜÍÛÕ ÈÇËÓ×ÀÒÅËÅÉ Предмет и цель работы: Цель настоящей работы заключается в распространении ранее разработанной авторами методики расчета микрополосковых антенн на случай двухслойной антенной решетки из прямоугольных излучателей и исследовании ее электродинамических характеристик при расширении рабочей полосы частот. Методы и методология: Методика исследований основывается на применении спектрального метода в приближении заданного распределения плотности поверхностного тока на излучателях решетки, при котором распределение плот- ности тока задается некоторой функцией, достаточно хорошо описывающей истинное распределение тока и удобной при дальнейшем анализе. Суть спектрального метода заключается в представлении функции Грина, поля излучения и плотности тока в виде разложений в интеграл Фурье. Такое представление удобно при анализе характеристик излучения антенн. Исследования выполнены с учетом наличия поверхностных волн в диэлектрических слоях, взаимного влияния излучателей и согласования их с линиями питания. Результаты: С помощью разработанной методики исследована двухслойная микрополосковая антенна, на каждом слое которой расположена решетка из четырех прямоугольных излучателей. Построен алгоритм расчета ее характерис- тик, и исследованы такие характеристики, как диаграмма направленности и коэффициент усиления. Выполнен конст- руктивный синтез элементов антенны, в результате которого определены размеры излучателей решетки, при кото- рых они согласованы с линиями питания. Рассмотрено влияние толщины слоя между решетками на характеристики антенны. Показано, что применение двухслойных структур позволяет расширить рабочую полосу частот антенны, что имеет важное практическое значение. Заключение: Разработанная методика дает возможность исследовать электродинамические характеристики и про- водить конструктивный синтез двухслойных микрополосковых антенных решеток из прямоугольных излучателей, об- ладающих заданными улучшенными параметрами, в частности расширенной рабочей полосой частот. Ключевые слова: излучение, двухслойная микрополосковая антенна, спектральный метод, плотность поверхностного тока, полоса частот DOI: https://doi.org/10.15407/rpra23.03.203 УДК 621.396.677.8 PACS numbers: 41.20.Jb, 84.40.Ba 1. Ââåäåíèå Микрополосковые (МП) антенны и антенные ре- шетки (АР), благодаря своим достоинствам, ши- роко применяются в современной технике санти- метрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Результаты последних лет в области разработ- ки МП антенн содержатся в многочисленных статьях, которые посвящены различным аспек- там их функционирования и физического анализа процессов в таких антеннах. При исследовании МП антенн использовались различные электро- динамические методы расчета, как строгие, так и приближенные. Наиболее полную информацию о характеристиках таких антенн можно получить, используя строгие численно-аналитические ме- тоды прикладной электродинамики, хотя алгорит- мы расчета в данном случае оказываются весь- ма сложными. Настоящая работа основана на применении комбинации строгого и приближенного методов. Так, использовано строгое представление поля излучения через плотность поверхностного тока 204 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 Д. Г. Селезнев, И. И. Резник на антенне, а затем, в рамках приближения за- данного распределения плотности поверхностно- го тока, определены такие параметры антенны, как диаграмма направленности (ДН), коэффи- циент усиления (КУ), комплексные входные со- противления излучателей. Следует отметить, что для нормального функ- ционирования МП АР нужно учитывать взаимо- действие между элементами решетки, а также взаимодействие с другими устройствами, в том числе с линиями питания. Вопрос о взаимодей- ствии элементов в таких решетках достаточно полно изучен [1–3]. Вопрос согласования элемен- тов решетки с линиями питания без учета взаим- ного влияния рассмотрен в [4]. В [5–7] авторами настоящей работы разработана методика расче- та прямоугольных МП антенн, позволяющая не только учитывать взаимное влияние излучателей в решетке, но и выполнять ее конструктивный синтез, т. е. осуществлять согласование элемен- тов решетки с линиями питания. В [8] эта мето- дика применена к исследованию МП антенн с диэлектрическим покрытием. Новизна настоящей работы заключается в применении разработанной методики к исследо- ванию двухслойных МП структур. Серьезным недостатком МП антенн являет- ся их узкополосность. Применение многослой- ных, в том числе двухслойных, конструкций позволяет избавиться от этого недостатка и улучшить частотные характеристики антенны. Многослойные антенны исследовались рядом авторов [9–12]. Так, в работе [9] проведено чис- ленное и экспериментальное исследование антенны, состоящей из двух прямоугольных этажно расположенных излучателей, возбужда- емых через линейную щель в плоском экране. Расчетные результаты получены на основе ре- шения интегрального уравнения для токов ме- тодом моментов. В работе [10] представлена математическая модель плоской многослойной МП решетки, построенная на основе метода интегрального уравнения относительно повер- хностной плотности магнитного тока. Однако в этих работах не показана возможность рас- чета решеток различной конфигурации, а при- веденный математический аппарат не позво- ляет выполнять конструктивный синтез таких антенн. Цель настоящей работы состоит в распрост- ранении разработанной авторами методики рас- чета МП антенн на случай двухслойной АР из прямоугольных излучателей, исследовании элек- тродинамических характеристик при расширении рабочей полосы частот этой антенны. 2. Ìåòîäèêà èññëåäîâàíèé è ïîñòàíîâêà çàäà÷è Методика исследований основывается на приме- нении спектрального метода в приближении, при котором распределение плотности тока на излучателях решетки считается известным и за- дается некоторой функцией, с одной стороны, достаточно хорошо описывающей истинное рас- пределение тока, а с другой стороны, удобной для использования в последующем анализе. Суть спектрального метода заключается в представлении функции Грина, поля излучения и плотности тока в виде разложений в интег- рал Фурье. Такое представление удобно при ана- лизе характеристик излучения антенн. Примени- тельно к теории МП АР этот метод глубоко раз- вит в работах [1–3]. Следует отметить, что в процессе исследо- ваний, выполненных в настоящей работе, учи- тывалось наличие поверхностной волны в диэ- лектрических слоях и взаимное влияние излуча- телей, а также осуществлялось их согласование с линиями питания. Введем систему координат так, чтобы ось Oz была перпендикулярна границам диэлектри- ческих слоев с толщинами 2h и h 1 2( )h h h   и диэлектрическими проницаемостями 3 и 2 соответственно, а начало координат находи- лось в плоскости идеально проводящего экрана (рис. 1, а). Оси Ox и Oy, составляющие с осью Oz декартовую систему координат, располо- жены в плоскости экрана. Излучатели, состав- ляющие МП АР, расположены в плоскостях 1z h и 2z h друг над другом и представляют собой идеально проводящие бесконечно тон- кие участки на поверхности диэлектрика, по ко- торым может течь ток, направление которо- го показано стрелками на рис. 1, б. Элементы решетки имеют размеры L – длина излучателя и W – его ширина, расположены на расстоянии d ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 205 Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей друг от друга, согласованы с линиями питания, имеющими характеристическое сопротивление c nz (n – номер излучателя) и настроены на час- тоту f. Воспользуемся приближением заданного рас- пределения плотности поверхностного тока. Будем считать, что в условиях, близких к резо- нансу, поверхностная плотность тока на каждом излучателе имеет только х-составляющую и опи- сывается функцией sin при 0 ' , ( ', ') 2 ' 2; 0, вне излучателя; x I x' e x L W L J x y W y W               где I – амплитуда тока на излучателе. Питание излучателя осуществляется в точке 0,x y   где штрихованная система координат связана с излучателем (см. рис. 1, б). Найдем поле излу- чения этого тока, предполагая, что известна его поверхностная плотность. В каждой из областей пространства 1, 2 и 3 с постоянными значениями диэлектрической про- ницаемости 1, 2 и 3 поле электромагнитной волны можно представить в виде суперпозиции ТЕ и ТМ волн. Из уравнений Максвелла можно получить выражения для поперечных относитель- но оси Oz компонент полей через z-компонен- ты [5]. Воспользуемся спектральным методом и представим z-компоненты электромагнитного поля излучения антенны ,E  H  и плотность по- верхностного тока на элементах решетки J  в виде интегралов Фурье:  1 1 21 1 1 exp ( ) 4 z z x y z z E E i k x k y H H                            a (1)  2 2 22 2 1 exp ( ) 4 z z x y z z E E i k x k y H H                            a  2 2 2 1 exp ( ) 4 z x y z E i k x k y H                   a (2)     33 2 2 33 2 cos1 4 sin zz zz E zE H zH                             2exp ( ) d d , 0 ;x y x yi k x k y k k z h     (3) 2 1 4 jJ      exp ( ) d d , ( 1, 2)j x y x y jJ i k x k y k k z h j           (4) Рис. 1. Двухслойная МП АР из прямоугольных излучате- лей (а); геометрия прямоугольных излучателей (б) 1 1 1( ) d d , ;x yi z h k k z h    1 1( ) d dx yi z h k k    1 1 1 2( ) d d , ;x yi z h k k h z h     206 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 Д. Г. Селезнев, И. И. Резник В формулах (1)–(4) символы с волной являют- ся спектральными амплитудами, а значение по- стоянной распространения волны в каждой среде определяется по формуле: 2 2 , Im 0, 1, 2, 3.j j r jk k j       Здесь 2 2 2 ,r x yk k k  rk – проекция волнового век- тора k  на плоскость xOy, а xk и yk – составляю- щие вектора .rk  Обозначим tk  поперечную к оси Oz состав- ляющую волнового вектора: .t x x y yk e k e k     Соответствующий единичный вектор обозна- чим yx t x y r r kk k e e k k      и введем единичный век- тор ,tk   определив его следующим образом: [ , ].t t zk k e      Поскольку тангенциальные компоненты элект- рического поля непрерывны в плоскостях ,jz h а магнитное поле в этих плоскостях претерпе- вает разрыв, равный плотности поверхностного тока, воспользовавшись данными граничными условиями, можно определить спектральные амплитуды полей в областях 1 и 2 по спектраль- ной амплитуде плотности поверхностного тока на элементах решетки:  1 2 0 3 ,z r tE Z k J k         13 2 2 3 2 2 2 3 cos( ) ctg( )sin( ) , th h h J k                      1 1 3 3 1 3 2 2ctg( ) cos( )k i h h             1 1 3 3 1 2 2 2 3 2 2 2 sin( ) ctg( ) ,i h i h                     (5)  1 2 2, cos( )z r tH k J k h           13 3 2 2 2 ctg( )sin( ) , th h J k              1 3 3 2 2ctg( ) cos( )i h h           1 3 1 2 2 3 2 2 sin( ) ctg( ) ,i h i h                 (6) где 2k    – волновое число,  – длина вол-л- ны, 0 120Z   – волновое сопротивление свобод- ного пространства. Выражения для спектраль- ных амплитуд полей в области 2 легко представ- ляются через спектральные амплитуды полей в области 1. Воспользовавшись представлением попереч- ных относительно оси Oz компонент полей че- рез параллельные ей составляющие [5], полу- чим выражения для спектральных компонент поля 2 tE   и 2.tH   Поскольку в дальнейшем нас интересует только тангенциальная составляю- щая электрического поля, выпишем выражение только для нее:    0 2 3 1 1 2 0 2 1 22 , t t t Z J J k kZ J J k E k                         (7) где    , , , ;t tJ J k J J k           1 1 2 2 2 2 cos( ) sin( );h i h            1 2 2 2 cos sin( );h i h          3 2 1 2 3 2 2 2 3 cos( ) ctg( )sin( );h h h             3 2 2 3 2 2 2 cos( ) ctg( )sin( );h h h            1 3 3 1 3 2 2ctg( ) cos( )i h h           1 3 3 1 2 2 2 3 2 2 2 sin( ) ctg( ) ;i h i h                  1 3 3 2 2ctg( ) cos( )i h h         3 1 2 2 3 2 2 sin( ) ctg( ) .i h i h             ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 207 Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей Средняя по времени комплексная мощность излучения МП антенны определяется выраже- нием 1 2 1 d , 2 t S S P E J S       где 1S – часть плоско-о- сти 1,z h занятая излучателями, а 2S – часть плоскости 2 ,z h занятая излучателями. Переходя к спектральным амплитудам, по- лучим 2 2 1 2 1 1 d d d d . 2 2 t x y t x yP E J k k E J k k                    Пусть антенна состоит из N излучателей. По поверхности излучателя с номером m ( 1, ..., )m N благодаря приложенной сторон- ней ЭДС и взаимному влиянию излучателей течет ток ,mJ  который создает поле, опреде- ляющееся спектральной амплитудой .tmE  Тогда поле всей антенны и комплексная мощность из- лучения имеют вид: 1 , 1 , , N N t tm mn m m n E E P P         где 1 d d . 2 mn tm n x yP E J k k           Пользуясь формулами (1)–(7), выражение для комплексной мощности можно записать следую- щим образом: 0 28 mn Z P k       2 3 2 2 2 1 1 1 1 1 2m n m n m n m nJ J J J J J J J                                 2 2 2 2 1 2 1 1 1 2m n m n m n m nk J J J J J J J J                          d d ,x yk k (8) где   ,m m tJ J k    .m m tJ J k   Выражения для функций mJ  и mJ  приведены в [5]. Действительную часть входной мощности ан- тенны в отсутствие омических потерь состав- ляют мощность излучения в свободное простран- ство, которая получается при интегрировании выражения (8) по видимой области (область 1) волновых векторов ,k  и мощность поверхност- ных волн в диэлектрических слоях. Как видно из формулы (8), выражение для комплексной мощ- ности представляет собой несколько слагаемых, знаменатель двух из которых может обращать- ся в нуль при некоторых значениях постоян- ной распространения .rk Эти полюсы подынтег- ральной функции соответствуют значениям постоянных распространения собственных волн диэлектрических слоев. Собственные волны имеют действительные постоянные распрост- ранения, которые расположены только в коль- це ,r ik k k   где i – номер диэлектричес- кого слоя. Как уже отмечалось, в подложке мо- гут существовать только два типа собственных волн – ТЕ и ТМ волны. Низшим типом волны, не имеющим частоты отсечки, является первая ТМ волна. Дисперсионное уравнение для нее в безразмерных величинах имеет вид:    2 2 2 0 2 3 1 0 2 3cos ctgp p pk h x x k h x           2 2 1 3 0 2sinp px k h x         2 21 3 2 0 2 3 2 ctgp px k h x            2 2 1 3 2 2 2 0, p p p x x x          (9) где px – решение дисперсионного уравнения. Уравнение (9) имеет по крайней мере одно ре- шение. Для того чтобы уменьшить потери на воз- буждение поверхностных волн в МП антеннах, используются подложки, имеющие малую элект- рическую толщину. В этом случае в подложке рас- пространяется только одна основная ТМ волна и ее постоянная распространения определяется первым корнем уравнения (9). Взаимное влияние излучателей приводит к рассогласованию каждого отдельного элемен- та решетки с линиями питания. В связи с этим для улучшения характеристик АР в работе при- менена методика, позволяющая согласовы- вать элементы решетки с линиями питания. 208 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 Д. Г. Селезнев, И. И. Резник Процедура согласования (конструктивный син- тез) заключается в нахождении таких разме- ров излучателей, составляющих АР, при кото- рых входные сопротивления становятся чисто активными и равными характеристическому сопротивлению линий питания .c nz Для этого не- обходимо решить систему 2N трансцендент- ных уравнений относительно размеров излуча- телей, составляющих АР: Re , 1, 2, ..., ; Im 0, 1, 2, ..., ; in c n n in n Z Z n N Z n N       где in nZ – элементы матрицы входных сопро- тивлений, которые определяются через матрицу собственных и взаимных сопротивлений и токи на излучателях решетки. Эта процедура подроб- но описана в работах [6, 7]. 3. Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ С помощью приведенной выше методики пост- роен алгоритм расчета характеристик двухслой- ных МП АР. При расчетах рассматривалась структура, состоящая из двух четырехэлемент- ных решеток расположенных в плоскостях 1z h и 2z h (рис. 1). Исследованы такие характерис- тики АР, как ДН и КУ. Выполнен конструктивный синтез ее элементов. Показано, каким образом расстояние между решетками h влияет на ха- рактеристики антенны. Так, при росте значений h происходит уве- личение мощности, переносимой поверхност- ной волной, что приводит к уменьшению КУ решетки. Этот факт подтверждается численны- ми результатами, приведенными в табл. 1 для структуры со следующими параметрами: 1 1,  2 3 2.2,    2 1 мм,h  0.8,d   200 Ом,cz  10 ГГц.f  Следует отметить, что максималь- ное значение величины h выбиралось из усло- вия наличия в подложке только основной ТМ волны. Как показано в [8], при данных парамет- рах структуры это условие соблюдается для под- ложек с толщиной до 6 мм. В табл. 1 приведены также значения разме- ров излучателей, L – длина излучателей, W – ширина, ( см. рис. 1) для структуры с приведен- ными выше параметрами. Видно, что измене- ние расстояния между решетками существенно сказывается на размерах излучателей в решет- ке, причем чем больше значение ,h тем силь- нее отличаются размеры излучателей. Следует отметить, что эти изменения несущественно сказываются на длине излучателей, поскольку она в основном определяется резонансной час- тотой, а вот ширина излучателей существенно уменьшается с ростом .h На рис. 2 приведены ДН исследуемой струк- туры в Е-плоскости (плоскость в которой лежит вектор )E  для параметров: 1 1,  2 3 2.2,    2 1 мм,h  0.8,d   200 Ом,cz  10 ГГц,f  0h  (квадраты) и 4 ммh  (треугольники). Следует отметить, что с увеличением расстоя- ния h между решетками главный лепесток ДН практически не изменяется, а амплитуда боково- го лепестка увеличивается тем больше, чем больше значение параметра .h В Н-плоскости ширина главного лепестка ДН незначительно увеличивается с ростом ,h что связано с умень- шением ширины излучателей в решетке, а следо- вательно, с уменьшением излучающей апертуры антенны (табл. 1). На рис. 3 представлена зависимость КУ от частоты для решетки с параметрами: 1 1,  2 3 2.2,    2 1 мм,h  0.8,d   200 Ом,cz  10 ГГц,f  0h  (квадраты), 1 ммh  (круж- ки), 2 ммh  (треугольники). Для каждого значения h элементы решетки согласовыва- лись с линиями питания на центральной частоте 10 ГГц.f  Из рисунка видно, что с увеличе- нием расстояния между решетками рабочая по- лоса частот антенны расширяется. Так, для зна- чения 2 ммh  она составляет порядка 20 % по уровню 10 дБ. , ммh 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 W, мм 12.9 8.1 7.0 5.5 4.5 L, мм 9.3 8.7 8.2 8.30 8.7 КУ, дБ 13.8 11.5 11.6 11.5 11.3 Ширина ДН в Е-плоскости, градусы 17 17 17 17 17 Ширина ДН в Н-плоскости, градусы 16.5 17 17 17.5 18 Таблица 1. Зависимость размеров излучателей, ширины ДН и КУ от толщины диэлектрического слоя h ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 209 Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей 4. Çàêëþ÷åíèå В представленной работе разработанная авто- рами методика исследования МП АР, основан- ная на применении спектрального метода в при- ближении заданного распределения плотности поверхностного тока на излучателях решетки, распространена на случай двухслойных структур. Рассмотрены характеристики излучения двух- слойной МП антенны, на каждом слое которой расположено по четыре прямоугольных излу- чателя. Исследования проведены с учетом взаим- ного влияния излучателей в решетке и их согла- сования с линиями питания. Выяснено влияние геометрических параметров структуры на харак- теристики антенны. Показано, что при увели- чении толщины слоя между решетками КУ па- дает, а ширина главного лепестка ДН в Е-плос- кости остается неизменной, при этом ширина согласованных излучателей, составляющих ре- шетку, уменьшается. Кроме того, в работе по- казано, что применение двухслойных структур позволяет расширить рабочую полосу частот ан- тенны, что имеет важное практическое значение. Все это дает возможность проводить конструк- тивный синтез двухслойных МП АР, обладаю- щих заданными характеристиками, в частности расширенной рабочей полосой частот. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Pozar D. M. Input impedance and mutual coupling of rectangular microstrip antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. 1982. Vol. 30, Is. 6. P. 1191–1196. DOI: 10.1109/ TAP.1982.1142934 Рис. 2. Диаграммы направленности двухслойной МП АР: квадраты – 0;h  треугольники – 4 ммh  Рис. 3. Зависимость КУ двухслойной МП АР от частоты: квадраты – 0;h  кружки – 1 мм;h  треугольники – 2 ммh  210 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 Д. Г. Селезнев, И. И. Резник 02. Pozar D. M. Considerations for millimeter wave printed antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. 1983. Vol. 31, Is. 5. P. 740–747. DOI: 10.1109/TAP.1983.1143124 03. Pozar D. M. Finite phased arrays of rectangular micro- strip patches. IEEE Trans. Antennas Propag. 1986. Vol. 34, Is. 5. P. 658–665. DOI: 10.1109/TAP.1986.1143868 04. Levine E., Malamud G., Shtrikman S., and Treves D. A study of microstrip array antennas with the feed net- work. IEEE Trans. Antennas Propag. 1989. Vol. AP-37, Is. 4. P. 426–434. DOI: 10.1109/8.24162 05. Просвирнин С. Л., Нечаев Ю. Б.. Расчет микрополос- ковых антенн в приближении заданного распределе- ния поверхностного тока. Воронеж: Изд-во Воронежс- кого ун-та, 1992. 112 c. 06. Просвирнин С. Л., Резник И. И., Селезнев Д. Г. Согла- сование с линиями питания и учет взаимного влияния в микрополосковых антенных решетках. Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43, № 12. С. 1473–1476. 07. Селезнев Д. Г., Резник И. И., Селезнев А. Д.. Микропо- лосковые антенные решетки из прямоугольных излу- чателей. Радиофизика и радиоастрономия. 2003. Т. 8, № 1. С. 52–58. 08. Селезнев Д. Г., Резник И. И., Селезнев А. Д.. Микропо- лосковые антенные решетки с диэлектрическим по- крытием. Радиофизика и радиоастрономия. 2005. Т. 10, № 1. С. 85–91. 09. Croq F. and Pozar D. M. Millimeter-wave design of wide- band aperture-coupled stacked microstrip antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. 1991. Vol. 39, Is. 12. P. 1770–1776. DOI: 10.1109/8.121599 10. Обуховец В. А., Касьянов А. О., Загоровский В. И. Электродинамический анализ многослойных микро- полосковых отражательных антенных решеток. Антенны. 2002. Вып. 4(59). С. 4–11. 11. You C., Tentzeris M. M., and Hwang W. Multilayer ef- fects on microstrip antennas for their integration with me- chanical structures. IEEE Trans. Antennas Propag. 2007. Vol. 55, Is. 4. P. 1051–1058. DOI: 10.1109/TAP.2007. 893401 12. Nagendra Pachauri, Aparna Gupta, and Soni Changlani. Analysis of multilayer stacked microstrip patch antenna for bandwidth enhancement. Int. J. Innov. Res. Sci. Eng. Technol. 2015. Vol. 4, Is. 9. P. 8321–8334. DOI: 10.15680/ IJIRSET.2015.04090044 REFERENCES 01. POZAR, D. M., 1982. Input impedance and mutual cou- pling of rectangular microstrip antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 30, is. 6, pp. 1191–1196. DOI: 10.1109/TAP.1982.1142934 02. POZAR, D. M., 1983. Considerations for millimeter wave printed antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 31, is. 5, pp. 740–747. DOI: 10.1109/TAP.1983.1143124 03. POZAR, D. M., 1986. Finite phased arrays of rectangular microstrip patches. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 34, is. 5, pp. 658–665. DOI: 10.1109/TAP.1986.1143868 04. LEVINE, E., MALAMUD, G., SHTRIKMAN, S. and TREVES, D., 1989. A study of microstrip array antennas with the feed network. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. AP-37, is. 4, pp. 426–434. DOI: 10.1109/8.24162 05. PROSVIRNIN, S. L. and NECHAEV, YU. B., 1992. Designing of microstrip antennas by using approximation of fixed surface current distribution. Voronezh, Russia: Voronezh State University Publ. (in Russian). 06. PROSVIRNIN, S. L., REZNIK, I. I. and SELEZNEV, D. G., 1998. Matching with feed lines and taking into account interaction in microstrip antenna arrays. J. Commun. Tech- nol. Electron. vol. 43, no. 12, pp. 1376–1379. 07. SELEZNYOV, D. G., REZNIK, I. I. and SELEZNYOV, A. D., 2003. Microstrip Antenna Arrays Composed of Rectan- gular Radiators. Radio Phys. Radio Astron. vol. 8, is. 1, pp. 52–58 (in Russian). 08. SELEZNYOV, D. G., REZNIK, I. I. and SELEZNYOV, A. D., 2005. Microstrip Antenna Arrays with Dielectric Cove- ring. Radio Phys. Radio Astron. vol. 10, is. 1, pp. 85–91 (in Russian). 09. CROQ, F. and POZAR, D. M., 1991. Millimeter-wave design of wide-band aperture-coupled stacked microstrip antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 39, is. 12, pp. 1770–1776. DOI: 10.1109/8.121599 10. OBUKHOVETS, V. A., KASYANOV, A. O. and ZAGO- ROVSKY, V. I., 2002. Electromagnetic analysis of multi- layered microstrip reflector antenna arrays. Antenny. vol. 4(59), pp. 4–11 (in Russian). 11. YOU, C., TENTZERIS, M. M. and HWANG, W., 2007. Multilayer effects on microstrip antennas for their integ- ration with mechanical structures. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 55, is. 4, pp. 1051–1058. DOI: 10.1109/TAP. 2007.893401 12. NAGENDRA PACHAURI, APARNA GUPTA and SONI CHANGLANI, 2015. Analysis of multilayer stacked mi- crostrip patch antenna for bandwidth enhancement. Int. J. Innov. Res. Sci. Eng. Technol. vol. 4, is. 9, pp. 8321–8334. DOI: 10.15680/IJIRSET.2015.04090044 D. G. Seleznyov and I. I. Reznik Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine, 4, Mystetstv St., Kharkiv, 61002, Ukraine TWO-LAYER MICROSTRIP ANTENNA ARRAYS OF RECTANGULAR RADIATORS Purpose: The purpose of this paper is to propagate the metho- dology earlier developed by the authors for calculating micros- trip antennas for the case of a two-layer antenna array of rectan- gular radiators, to study its electrodynamics characteristics with expanding its bandwidth. Design/methodology/approach: The research method is based on application of the spectral method in approximation of the given surface current density distribution on the array radia- tors, when the current density distribution is given by some function wich fairly well discribes the true current distribution and is convenient for further analysis. The essence of the spec- tral method lies in representation of the Green’s function, the radiation field, and the current density as expansions in the Fourier integral. Such a representation is convenient in analy- zing the radiation characteristics of antennas. The investiga- tions were carried out with taking into account the presence of ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 23, № 3, 2018 211 Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей surface waves in the dielectric layers, the mutual influence of the radiators and matching them with the power lines. Findings: Using the developed technique a two-layer microstrip antenna with a grating of four rectangular radiators located on each layer is studied. An algorithm for calculating its charac- teristics is constructed and its such characteristics as the direc- tivity pattern and the gain factor are investigated. A constructive synthesis of its elements is made that resulted in determination of the dimensions of the radiators of the grating at which they are matching with the power lines. The influence of the layer thickness between the gratings on antenna characteristics is con- sidered. It is shown that using the two-layer structures gives the opportunity to expand the antenna bandwidth, which is of great practical importance. Conclusions: The research methodology makes it possible to investigate the electrodynamics characteristics and to make a constructive synthesis of two-layer microstrip antenna arrays from rectangular radiators having some specified improved pa- rameters, in particular, an extended bandwidth. Key words: radiation, two-layer microstrip antenna, spectral method, surface current density, bandwidth Д. Г. Селезньов, І. І. Резнік Радіоастрономічний інститут НАН України, вул. Мистецтв, 4, м. Харків, 61002, Україна ДВОШАРОВІ МІКРОСТРІЧКОВІ АНТЕННІ РЕШІТКИ З ПРЯМОКУТНИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ Предмет і мета роботи: Мета роботи є поширення рані- ше розробленої авторами методики розрахунку мікрост- річкових антен на випадок двошарової антенної решітки з прямокутних випромінювачів та дослідження її електроди- намічних характеристик з розширенням робочої смуги. Методи та методологія: Методика досліджень ґрунтуєть- ся на застосуванні спектрального метода у наближенні заданого розподілу щільності поверхневого струму на вип- ромінювачах решітки, за якого розподіл щільності струму задається деякою функцією, яка досить добре описує істин- ний розподіл струму та є зручною у подальшому аналізі. Суть спектрального метода полягає у представленні функції Гріна, поля випромінювання та щільності струму у вигляді розкладення в інтеграл Фур’є. Таке представлення є зруч- ним у аналізі характеристик випромінювання антен. Дослід- ження виконані з урахуванням наявності поверхневих хвиль в діелектричних шарах, взаємного впливу випромінювачів та узгодження їх з лініями живлення. Результати: За допомогою розробленої методики дослід- жено двошарову мікрострічкову антену, на кожному шарі якої розташована решітка з чотирьох прямокутних випро- мінювачів. Побудовано алгоритм розрахунку її характерис- тик, та досліджено такі характеристики, як діаграма спрямо- ваності та коефіцієнт підсилення. Виконано конструктивний синтез її елементів, визначено розміри випромінювачів ре- шітки, за яких вони узгоджуються з лініями живлення. Розглянуто вплив товщини шару між решітками на характе- ристики антени. Показано, що застосування двошарових структур дозволяє розширити робочу смугу частот антени, що має важливе практичне значення. Висновок: Розроблена методика дає можливість досліджува- ти електродинамічні характеристики та виконувати конструк- тивний синтез двошарових мікрострічкових антенних решіток з прямокутних випромінювачів, що мають задані покращені параметри, зокрема розширену робочу смугу частот. Ключові слова: випромінювання, двошарова мікрострічкова антена, спектральний метод, щільність поверхневого стру- му, смуга частот Статья поступила в редакцию 03.07.2018

Двухслойные микрополосковые антенные решетки из прямоугольных излучателей

Institution

Ähnliche Einträge