Моделирование антенной решетки

Для моделирования основных электродинамических характеристик микрополосковой антенной решетки была выбрана среда моделирования Ansys HFSS [13], которая предназначена для анализа СВЧ структур, в том числе, антенн и невзаимных устройств, содержащих ферриты.
Среди возможностей HFSS можно отметить:
– периодические граничные условия, которые предназначенные для анализа антенных систем и решеток;
– множество макросов, которые значительно расширяют возможности программы;
– анализатор собственных колебаний и собственных волн (eigenmode solver);
– продвинутые возможности визуализации результатов численного эксперимента, в том числе: анимации электромагнитного поля, построение 3D диаграмм направленности и т.д.;
– адаптивный алгоритм решения сложных электромагнитных задач, способный обеспечить высокую производительность моделирования сложных СВЧ структур;
– анализ многополюсников и много другое.
Первоначально проверим правильность расчета одного элемента. Для этого в программе построим один прямоугольный микрополосковый излучатель по рассчитанным ранее размерам. На рисунках 4.1 и 4.2 изображена рабочая область программы и построенная модель излучателя.
Рисунок 4.1 – Рабочее пространство Ansys HFSS
Рисунок 4.2 – Модель излучателя
Модель включает в себя: диэлектрическую подложку, толщиной 1 мм, проводящий экран и непосредственно сам излучатель размерами W = 17,4 мм и L = 13,35 мм.
Поскольку в качестве метода питания был выбран вариант смещения точки питания от края микрополоскового излучателя, возбуждение осуществляется в точке, где расстояние равно 2,4 мм от начала оси координат. При этом линия имеет волновое сопротивление 50 Ом, а его ширина составляет 1,91 мм.
На рисунке 4.3 представлен график КСВ при питании источником с волновым сопротивлением 50 Ом.
Рисунок 4.3 – Частотная зависимость КСВ
Как видно из рисунка, значение КСВ минимально на уровне средней рабочей частоты, что означает хорошее согласование антенны с питающей линией

.
Важными характеристиками антенны является ее характеристики направленности. На рисунке 4.4 представлены диаграммы направленности антенны.
Рисунок 4.4 - Диаграммы направленности микрополоскового излучателя
Форма ДН одного элемента (построенная в логарифмическом масштабе) имеет форму кардиоды, как изображено на рисунке 4.5.
Рисунок 4.5 – Диаграмма направленности микрополоскового излучателя
КУ одиночного излучателя равен 3,28 дБ. Это не удовлетворяет заданным условиям. Для увеличения значения КУ необходимо увеличить количество излучателей, для этого перейдем к проектированию антенной решетки.
Так как планируется построить антенную решетку, состоящую из микрополосковых излучателей, то необходимо обеспечить их синфазное излучение. Обычно, в таких случаях, используются параллельные, последовательные или гибридные схемы питания. Наиболее распространенной считается параллельная схема питания, поэтому в работе была выбрана именно она.
Кроме основной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, для согласования схемы питания также понадобится линия 100 Ом, используемая для разветвления антенных элементов.
Для плавного перехода от 50 к 100 Ом были использованы согласующие устройства. Одним из наиболее простых вариантов согласования микрополосковых линий передачи служит четвертьволновый трансформатор, который схематично изображен на рисунке 4.6 [14].
Рисунок 4.6 – Пример использования согласующего трансформатора
Следующим шагом моделирования является построение микрополосковой антенной решетки 4 на 4 элемента