Исследование параметров излучения антенной решетки.

Введение

Радиотехника и электроника с момента своего зарождения всегда являлись самыми перспективными направлениями науки и техники. Электронные и СВЧ устройства широко применяются практически во всех областях жизни человека: как в быту, так и на производстве. И в настоящее время данные направления продолжают стремительно развиваться во многом благодаря специализированным системам электродинамического проектирования.
Все программные продукты, предназначенные для автоматизированного проектирования СВЧ устройств, основаны на алгоритмах численного решения уравнений Максвелла в дифференциальной или интегральной форме. Различные САПР открывают широкие возможности для творчества и инженерной мысли.
Целью данной работы является исследование параметров излучения антенной решетки, состоящей из открытых концов волновода.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Произвести расчет и определить геометрию антенной решетки.
Рассчитать и произвести моделирование элементарного излучателя.
Представить результаты расчета параметров антенной решетки.

Анализ исходных данных
Требуется рассчитать и спроектировать при помощи САПР антенную решетку, состоящую из открытых концов волновода.
Исходные данные:
Ширина рабочей полосы частот 800 МГц;
Центральная частота антенны 8 ГГц;
Необходимый сектор сканирования в одной плоскости 30 град;
Коэффициент направленного действия 15 дБ.
Антенная решетка представляет собой систему элементарных излучателей. Будем разрабатывать плоскую эквидистантную АР, в которой все элементы размещены с постоянным шагом. Произведем расчет и сравнение параметров для двух видов элементарного излучателя: волновод рупорной формы и прямоугольный волновод.
Расположим элементы АР в прямоугольной координатной сетке.
В работе будем использовать САПР CST Microwave Studio.

Расчет и определение геометрии антенной решетки
Диаграмма направленности антенной решетки формируется в результате сложения диаграмм направленностей элементарных излучателей. При этом, помимо главного максимума, существуют еще и дифракционные максимумы, пространственная ориентация которых зависит от расстояния между элементами [1]. Дифракционные максимумы являются паразитными и при проектировании АР необходимо предусматривать наличие только одного главного максимума и отсутствие дифракционных в области сканирования.
Устранить дифракционные максимумы в разрабатываемой АР мы сможем путем ограничения расстояния между элементами. Т.к. ранее была выбрана прямоугольная координатная сетка, то условие отсутствия дифракционных максимумов будет выглядеть следующим образом:
dxλ≤11+sinθx max;dyλ≤11+sinθy max (1)
Где λ - длина волны; θx max, θy max – максимальные углы отклонения луча от нормали к решетке в плоскостях zox и zoy (нормаль совпадает с осью z).
При заданной центральной частоте антенны, длина волны равна: λ=сf=3∙108 мс8 ГГц=0,038 м. Углы отклонения луча заданы: θx max=θy max=30 °. Подставим известные значения в условие (1) и определим расстояния между элементами:
dx=dy=0,0381+sin30°=25 мм
Число элементов в плоской эквидистантной антенной решетке N×N=N2. Коэффициент направленного действия антенны с постоянным амплитудным распределением в излучателях определяется выражением:
D0=4πSλ2=4πλ2N20.5λ2=πN2 (2)

Расчет и моделирование элементарного излучателя
Излучение из открытого конца волновода
Волноводы постоянного прямоугольного и круглого сечения используются для передачи электромагнитной энергии

. Кроме того, открытый конец волновода может являться простейшим СВЧ излучателем.
Задачу нахождения поля открытого конца волновода усложняет наличие поверхностных токов, поэтому задачу разделяют на внешнюю и внутреннюю. Внутренняя задача заключается в определении полей (или распределений тока) в самой антенне, т.е. во внутренней области Vі безграничного пространства, ограниченной замкнутой поверхностью S=S1+S2 при заданных условиях возбуждения источников поля. Внешняя задача состоит в нахождении полей во внешней по отношению к антенне области Va по известному распределению токов на самой антенне или полей на замкнутой поверхности S=S1+S2, охватывающей антенну. Несмотря на существование связи между полями во внутренней и внешней областях, этой связью обычно пренебрегают и решают внутреннюю задачу независимо от внешней.
Если плавно расширять один из концов волновода, происходит плавная трансформация структуры поля волноводных типов волн в поле пространственных волн. Таким образом, получается рупорная антенна.
Рассмотрим Е-плоскостной секториальный рупор (рис.1). Оптимальные размеры секториального рупора в Е-плоскости определяются выражением:
LоптE=bр2/2λ (3)
bр - высота рупора.
Ширину ДН рассматриваемого рупора можно оценить соотношением:
2θ0,5Н≅68°λa; 2θ0,5E≅53°λbр (4)


Рисунок 1 – Секториальный рупор

Промышленностью выпускаются прямоугольные волноводы, используемые в заданном диапазоне частот, поперечными размерами a=28,5 мм, b=12,6 мм, толщина стенок s=1 мм.
В прямоугольном волноводе волной основного типа является волна H10, для основного типа волны найдем критическую длину волны. Для основного типа волны Н10 λкр=2a=57 мм.
Определим длину прямоугольного волновода:
l=3λв2 (5)
λв=λ1-λλкр2 (6)
Таким образом, λв=37,51-37,5572=49,8 мм, l=3∙49,82=74,7 мм.
Примем параметр высоты рупора bр=6b. Подставим известные значения в (3), получим: LоптE=bр22λ=76,2 мм.
Моделирование волновода в CST Microwave Studio
Создадим модель элементарного излучателя антенной решетки и для начала построим прямоугольный волновод. Прежде всего, настроим параметры среды моделирования: в меню Solve - Units установим единицы измерения длины в мм и частоты в ГГц, а в Background material выберем в качестве окружающего пространства материал Normal с μ=1 и ε=1 (рис.2).

Рисунок 2 – Настройка параметров среды моделирования
Зададим все необходимые параметры в качестве глобальных переменных для построения элементарного излучателя антенной решетки (рис.3).

Рисунок 3 – Параметры прямоугольного волновода
Создадим модель прямоугольного волновода и произведем предварительные расчеты его параметров.
Модель прямоугольного волновода будет представлять собой два пересекающихся параллелепипеда – внешнего, состоящего из проводящего материала и внутреннего, состоящего из окружающего пространства.
Создаем параллелепипед: create brick => Esc, в появившемся окне вводим параметры, как показано на рис.4.

Рисунок 4 – Создание параллелепипеда
Далее выделим два торца параллелепипеда, выполнив команду Objects – Pick – Pick Face, затем Objects – Shell Solid or Thicken Sheet, и в появившемся окне выбираем направление outside и толщину 1мм.
Зададим частотный диапазон, нажав кнопку frequency range (рис.5).

Рисунок 5 – Задание частотного диапазона
Зададим волноводные порты для возбуждения антенны