Исследование основных характеристик микрополосковых антенн

В качестве исходных данных представлен диапазон сверхвысоких частот, в которых распространяются сантиметровые радиоволны. Расчеты будут вестись исходя из величины средней частоты рабочего диапазона, а именно 5,25 ГГц.
Предлагается использовать традиционные микрополосковые излучатели на диэлектрической подложке из материала FR-4. Стеклотекстолит FR-4 является одним из основных материалов для изготовления жёстких печатных плат. Данный материал изготавливается с фольгой на одной или на обеих сторонах. Его особенностями являются:
– хорошая стабильность размеров;
– отличные механические и электрические свойства;
– хорошая термостойкость.
Граничные размеры решетки 7λ×7λ при данной частоте обозначают, что необходимо спроектировать антенную систему компактных размеров. Также условие компактности немаловажно и в части установки антенной системы с питанием на штатив.
Микрополосковые антенны позволяют принимать и излучать электромагнитную энергию в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых длин волн. Полосковые излучатели часто используются как элементы фазированных антенных решеток, при этом использование печатной технологии изготовления существенно упрощает реализацию антенны и осуществление схемы питания элементов.
К простейшим микрополосковым излучателям относят плоские симметричные излучатели различной конфигурации, которые располагаются на подложке из диэлектрика параллельно проводящему экрану (например, квадрат, круг, прямоугольник). Параметры подложки (диэлектрического слоя), такие как толщина, диэлектрическая проницаемость, и другие влияют на резонансные размеры вибраторов.
Полосковой линией передачи называют такую линию, в которой проводник ленточного, круглого или квадратного сечений расположен на некотором расстоянии от металлической плоскости (основания) или заключен между двумя металлическими основаниями. Пространство между проводником и основаниями может быть заполнено воздухом или диэлектриком. Линии с диэлектрическим заполнением, выполняемые печатным способом, называются печатными полосковыми линиями [9].
Вариантом антенны резонансного типа является антенна, представленная на рисунке 2.1. Данная антенна возбуждается несимметричной полосковой линией, расположенной с той же стороны, что и антенна

.
Часто считают, что объемный резонатор резонансного излучателя ограничен вертикальными стенками из магнитопроводящего материала, который располагается по периметру прямоугольного элемента. В прямоугольных МПА обычно используется первый резонанс. При нем расстояние между щелями, которые формируют излучение, равно половине длины волны в диэлектрике λε с шириной проводника, которая в свою очередь, равна половине длины волны в свободном пространстве λ [10].
Рисунок 2.1 – Антенна, возбуждаемая НПЛ [2]
Как было отмечено, излучение формируется двумя щелями, обозначенными I и II, которые образованы краями прямоугольного элемента и металлическим экраном. В этом случае, магнитные токи являются синфазными и формируется максимум излучения вдоль нормали к антенне.
Питание микрополосковых антенн может быть осуществлено с помощью коаксиальной или полосковой линий, как изображено на рисунке 2.2. Данная конструкция является достаточно компактной, также на печатной антенне можно разместить элементы для управления характеристиками излучения и схемы для обработки сигналов. Считается, что излучение электромагнитного поля имеет место через торцевые щели, которые образованы кромками концов отрезка прямоугольного излучателя и металлическим экраном. В этом случае делается предположение об очень малом излучении поля боковыми щелями. При этом учитывают только возбуждение квази-Т волн. Электромагнитное поле, излученное данными щелями, мало сравнительно с полем квази-Т волны, которая набегает на щель. Из-за этого модуль комплексного коэффициента отражения в области торцевых щелей примерно равен единице. Для данного распределения токов, электромагнитная энергия, вдоль оси линии между торцевыми щелями почти не отличается от таких же распределений в микрополосковой линий со стоячей квази-Т волной [10].
Рисунок 2.2 – Возбуждение микрополосковых антенн с помощью: а) коаксиальной, б) полосковой линии [3]
При определенных значениях длины отрезка полосковой линии наблюдается синфазное сложение волн, которые отражаются от их концов. Это соответствует резонансному режиму работы микрополосковой антенны.
Излучатели микрополосковых антенн бывают различных размеров и форм. Основные виды излучателей изображены на рисунке 2.3 [11].
Рисунок 2.3 – Разновидности микрополосковых излучателей: a – вибраторный излучатель, b – прямоугольный, c – диск, d – треугольник, e – ромб, f – кольцо [11]
Простейшие МП излучатели характеризуются разными режимами работы