В работе произведен анализ литературы по данной тематике. Изучены принципы построения отражательных антенных решеток.
Ключевые слова: антенная решетка, микрополосковая антенна, отражательная антенная решетка, электромагнитное моделирование, микрополосковый резонатор, бесконечная периодическая структура.
Субволновый элемент формы меандр
Расчет ячейки ОАР производился в системе автоматизированного проектирования Microwave CST Studio. Использовалась специальная возможность расчетного метода в частотной области (Frequency domain solver), имитирующая расчет бесконечной периодической структуры, состоящей из идентичных элементов (Unit cell). Передняя стенка устанавливается открытой, программа автоматически ставит на нее порт. Задняя стенка задана идеально проводящей и расположена на некотором расстоянии от исследуемой структуры, она выступает в роли экрана. На остальных стенках задаются специальные граничные условия, для расчета единичных ячеек. Следует отметить, что ячейка также может быть рассчитана в MW CST Studio с использованием расчетного метода во временной области (Time domain solver). В таком случае используется метод эквивалентной волноводной ячейки.
Конфигурация предлагаемой субволновой ячейки отражательного элемента представлена на рисунке 1 и состоит из простого меандра. Как видно из рисунка 1, ячейка представляет собой трехслойную структуру, состоящую из экрана и микрополоскового элемента на расстоянии d друг от друга. Расстояние d соответствует толщине диэлектрика. Размеры ячейки выбраны 0.3λ вдоль вектора поляризации, что достаточно для построения прямофокусных конфигурации с 
. Размер ячейки l=7.5mm (l=0.3* λ).
Рис. 1. Геометрия ячейки сверху и сбоку
Для исследования потенциальных возможностей изменения фазы элемента размер ячейки делаем равный 0.3λ. Также он может быть уменьшен, в зависимости от требований к элементу. Ширина ячейки так же 0.3λ, а вот ширина отражающей поверхности выбирается не много меньшей чтоб не появились дифракционные лепестки при любых углах облучения. Производился расчет фазы с изменением параметра элемента, в данном случае основной изменяемый параметр — длина зазора вдоль направления электрического поля.
Максимальный диапазон изменения фазы наблюдается при амплитуде меандра равной 4 мм и составляет порядка 311 градус при толщине диэлектрика d=0.6мм и амплитуде меандра равной a=4.625мм. Подходящий элемент для ОАР имеет параметры толщину диэлектрика d=1мм с амплитудой меандра равной a=4мм.
В роли облучателя могут выступать однонаправленные антенны, такие как спиральная, микрополосковая антенна, антенна Вивальди и другие. Наиболее часто в роли облучателей зеркальных антенн и МПАР используются рупорные антенны. В нашей системе мы и будем использовать рупорную антенну.
Облучение края решетки следует производить по уровню минус 9 — минус 10 дБ от максимума диаграммы направленности. Такой уровень облучения обеспечивает максимальный КНД антенной системы. Зная фокусное расстояние и габариты решетки, определяем требование к ширине диаграммы направленности облучателя по уровню минус 10 дБ.
Рис. 2. Коэффицент отражения
Диаграмма направленности на центральной частоте представлена на рисунке 2, ширина диаграммы направленности на центральной частоте по уровню 3 дБ составила 38.7 градусов, а коэффициент усиления 14.4 дБ. Использования этого рупора оправдано, так как хорошо подходит по характеристикам и прост в изготовлении.
Планируемые результаты моделирования для ОАР
Смоделировать антенную решетку с линейной поляризацией отражательного типа с субволновыми элементами и характеристиками:
Частотный диапазон — 10.7–12.7 Ггц;
Коэффициент усиления — 27дБ;
Коэффицентр отражения не более — 10 дБ;
Уровень кросс поляризационной развязки не более — 10дБ;
Из исследованных элементов был выбран наиболее оптимальный: элемент с формой меандр с толщиной диэлектрика d=1мм, амплитудой зуба a=4мм и размером ячейки l=7.5mm (l=0.3* λ). Такой элемент обеспечивает диапазон регулировки фазы порядка 304°. Чтобы проверить эффективность широкополосного доступа этого элемента, создана отражательная антенная решетка, имеющая размер 34 × 34 элементов, которая представлена на рисунке 3. Для расчета характеристик МПАР необходимо создать полную модель антенной системы в САПР СВЧ. Полная модель содержит в себе два основных элемента: полотно АР и облучатель, фазовый центр которого совпадает с фокусом МПАР. Антенная решетка центрируется линейно поляризованным рупором на фокусном расстоянии равным F / D = 0,7, на рисунке 3 показан общий вид ОАР.
Рис. 3. ОАР вид сверху
Планируемые результаты моделирования были успешно получены. В ходе проведенных исследований был произведен анализ литературы по данной тематике. Исследованы принципы расчета и построения ОАР. Для моделирования использовалась система автоматизированного проектирования CST Microwave Studio, где производились все расчеты. Математические расчеты проводились в среде Mathcad.
Было произведено электромагнитное моделирование элементов ОАР, выявлены оптимальные соотношения параметров ячейки, предложены улучшенные конфигурации элементов. Получены зависимости фазы отраженной волны от геометрических параметров элемента.
Литература:
- Pozar D. M., Targonski S. D., Pokuls R., A shaped-beam microstrip patch reflectarray, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 47, July 1999, pp. 1167–1173.
- Hua. Li and Y. X. Guo, «A broadband reflectarray using multiresonant and subwavelength elements», Proceedings of 2014 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, Harbin, 2014, pp. 423–425.
- P. Nayeri, F. Yang and A. Z. Elsherbeni, «Broadband Reflectarray Antennas Using Double-Layer Subwavelength Patch Elements», in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, no. 2010., pp. 1139–1142.
