Моделирование отражательной антенной решетки | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 июня, печатный экземпляр отправим 5 июня.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №15 (253) апрель 2019 г.

Дата публикации: 15.04.2019

Статья просмотрена: 7 раз

Библиографическое описание:

Листратов С. Е. Моделирование отражательной антенной решетки // Молодой ученый. — 2019. — №15. — С. 36-39. — URL https://moluch.ru/archive/253/58090/ (дата обращения: 20.05.2019).



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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): CST, размер ячейки, толщина диэлектрика, антенная решетка, амплитуда меандра, элемент, антенная система, бесконечная периодическая структура, отражательная антенная решетка, микрополосковая антенна.


Похожие статьи

Одиночный элемент антенной решетки станции...

Микрополосковое антенное устройство часто представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины с нанесенным с обеих сторон

В докладе рассматривается одиночный микрополосковый элемент антенной решетки станции DGPS , функционирующего в полосе...

Отражательная антенная решетка с субволновыми элементами...

Отражательные антенные решетки являются удобной заменой традиционно используемых в спутниковой связи зеркальных антенн.

отражательная антенная решетка, ячейка Флоке, единичный элемент, спутниковая связь, бесконечная периодическая структура.

История создания отражательных антенных решеток и их...

антенная решетка, микрополосковая антенна, отражательная антенная решетка, электромагнитное моделирование, микрополосковый резонатор, бесконечная периодическая структура.

Максимизация направленности фазированных антенных решеток...

Ключевые слова: фазированная антенная решетка, возбуждение, оптимизация

Естественно, далее параметры антенной системы считаются заданными, учитываются

Обозначим комплексные амплитуды напряжения в точке питания как , индекс обозначает...

Обзор укороченных антенн и прототипы компактных антенн

Одиночный элемент антенной решетки станции... Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией. Антенна, предназначенная для системы определения координат DGPS...

Разработка дипольной антенны | Статья в журнале...

Keywords: dipole, antenna, band, design. В качестве среды проектирования используется CST

Антенные системы имеют множество различных параметров, которые дают возможность

Разработка дипольной антенны. Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными...

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Рассмотрим влияние количества элементов решётки на величину остаточной компоненты.

Очевидно, что её значение максимально для моды порядка , а её амплитуда равняется .

Также показано, что при малом радиусе антенной решётки ( ) смещение оценок составляет не...

Разработка микрополосковой линии | Статья в журнале...

Одиночный элемент антенной решетки станции... Микрополосковое антенное устройство часто представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины. Между питающей коаксиальной линией и излучателем вводится слабая емкостная связь, что обеспечивает.

Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными видами...

Под рупорной антенной понимают излучатель в виде отрезка волновода, у которого размеры поперечного сечения увеличиваются в направлении раскрыва. Раскрыв такой антенны может быть прямоугольной, квадратной или круглой формы.

Похожие статьи

Одиночный элемент антенной решетки станции...

Микрополосковое антенное устройство часто представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины с нанесенным с обеих сторон

В докладе рассматривается одиночный микрополосковый элемент антенной решетки станции DGPS , функционирующего в полосе...

Отражательная антенная решетка с субволновыми элементами...

Отражательные антенные решетки являются удобной заменой традиционно используемых в спутниковой связи зеркальных антенн.

отражательная антенная решетка, ячейка Флоке, единичный элемент, спутниковая связь, бесконечная периодическая структура.

История создания отражательных антенных решеток и их...

антенная решетка, микрополосковая антенна, отражательная антенная решетка, электромагнитное моделирование, микрополосковый резонатор, бесконечная периодическая структура.

Максимизация направленности фазированных антенных решеток...

Ключевые слова: фазированная антенная решетка, возбуждение, оптимизация

Естественно, далее параметры антенной системы считаются заданными, учитываются

Обозначим комплексные амплитуды напряжения в точке питания как , индекс обозначает...

Обзор укороченных антенн и прототипы компактных антенн

Одиночный элемент антенной решетки станции... Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией. Антенна, предназначенная для системы определения координат DGPS...

Разработка дипольной антенны | Статья в журнале...

Keywords: dipole, antenna, band, design. В качестве среды проектирования используется CST

Антенные системы имеют множество различных параметров, которые дают возможность

Разработка дипольной антенны. Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными...

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Рассмотрим влияние количества элементов решётки на величину остаточной компоненты.

Очевидно, что её значение максимально для моды порядка , а её амплитуда равняется .

Также показано, что при малом радиусе антенной решётки ( ) смещение оценок составляет не...

Разработка микрополосковой линии | Статья в журнале...

Одиночный элемент антенной решетки станции... Микрополосковое антенное устройство часто представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины. Между питающей коаксиальной линией и излучателем вводится слабая емкостная связь, что обеспечивает.

Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными видами...

Под рупорной антенной понимают излучатель в виде отрезка волновода, у которого размеры поперечного сечения увеличиваются в направлении раскрыва. Раскрыв такой антенны может быть прямоугольной, квадратной или круглой формы.

Задать вопрос