Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие ЭИ в ФАР и разместить их на поверхностях сложной формы. Кроме того, МПА обладают высокими аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

В книге основное внимание уделяется рассмотрению прикладных вопросов теории, принципа действия и методов анализа элементарных излучателей.

Замечания и пожелания следует направлять в издательство Радио и связь по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время применяется большое число типов элементарных излучателей полосковой конструкции и антенных структур на основе объединенпя однотипных и разнотипных ЭИ в единой антенной системе. Трудность классификации ЭИ МПА состоит в том, что часто и в самом ЭИ используется объединение различных функциональных элементов, конструктивно составляющих единое целое с собственно излучателем (фидер, согласующие и симметрирующие устройства и т. п.). Первые попытки сделать обзор МПА и провести их классификацию в отечественной литературе, например [II], в дальнейшем были уточнены и несколько детализированы [1, 10, 15, 17].

Для примера на рис. B.I представлены канонические формы ЭИ МПА. Разнообразие форм свидетельствует о больших сложностях теоретического анализа таких электродинамических структур. Переход от канонических форм ЭИ к усложненным геометрическим формам позволяет одновременно решить задачи согласования активной и компенсации реактивной компонент входного сопротивления ЭИ, обеспечения необходимой поляризации излучения, удобства сочетания ЭИ в АР и многие другие. Кроме того, необходимо учитывать, что переход к объемным ИС представляет

О О

Рис. В.1. Канонические формы элементарных полосковых излучателей.

для ЛША целый ряд интересных возможностей использования третьего измерения [2]. При этом, например, входной полосовой фильтр приемного устройства можно связывать непосредственно с ЭИ плн их группой, разводить (поэтажно) входы многоканальных устройств с минимумом коммутационных линий, существенно уменьшать паразитное излучение питающих фпдеров и т. п. Разумеется, конструкция ЭИ при этом становится трехмерной и соответственно возрастают трудности ее адекватного описания, составления удобной математической или электрической модели й др.

Показанные на рис. В.1 ЭИ являются слабонаправленными излучающими устройствамп. Так, например, стандартный прямоугольный ЭИ (рис. В.1,а, б) в -плоскости имеет ДН решетки из двух линейных излучателей, ширина которой по уровню половинной мощности для полуволнового варианта вибратора равна приблизительно 100°, а для более сложного в конструктивном плане четвертьволнового вибратора -140 ... 150°. В Я-плоскости прямоугольный ЭИ обеспечивает практически ненаправленное излучение. Для создания узких ДН из ЭИ формируется АР.

Элементарные излучатели характеризуются различными режимами работы: резонансным и нерезонансным, возможны их комбинации. Микрополосковые антенны имеют большое разнообразие схем возбуждения: коаксиальным кабелем, прямоугольные волноводом, полосковыми линиями передачи (симметричная и несимметричная полосковая и щелевая линии и др.). Точка возбуждения смещается из геометрического центра ЭИ; связь между линией возбуждения может быть распределенной (равномерно или неравномерно по длине пространства взаимодействия). Наконец, излучение может быть односторонним илн двусторонним и др.

Резонаторные ЭИ прямоугольной формы (рис. В.1,6) обладают коэффициентом усиления G5 ... 7 дБ (при размещении его на диэлектрической подложке с е'?==2 ... 3 и tg6<g:l0~). Например, при изменении ширины излучающей стороны koa от 0,3-2л до 2л G = 6 ... 7 дБ.

Частным случаем прямоугольного ЭИ является квадратный ЭИ. Направление вектора поляризации излученного поля совпадает с направлением той диагонали квадрата, которая проходит через угол и точку питания ЭИ. Квадратный ЭИ интересен и тем, что позволяет с помощью реактивного шлейфа, подсоединенного к одной из его сторон, менять поляризацию от линейной до круговой. .Мнкрополосковая антенна канонической формы позволяет получать необходимую круговую поляризацию достаточно простым способом, например с помощью щели в диагонали квадратного ЭИ и подведения питания к середине излучающей стороны квадрата. Более подробно эти вопросы будут освещены в § 3.4.

В АР широко применяются дисковые (рис. В.1,в), кольцевые ЭИ (рис. В.],ж) и их модификации [10, 12, 15] (рис. В.1,г, з, и).

Общим недостатком МПА резонансного типа является их малая дпапазонность, входное сопротивление обладает резко нерав-6

номерной частотной характеристикой, ширина рабочей полосы не превышает, как правило, нескольких процентов (по уровню коэффициента отражения, меньшего 0,5).

Применение различных схем питания отдельных ЭИ позволяет получить в одном узле (например, элементарной ячейке АР), состоящем из двух или более ЭИ, микрополосковую антенну, работающую на нескольких достаточно близких частотах. Такие схемы реализованы для прямоугольных и дисковых ЭИ, однако это ведет к довольно низкому энергетическому использованию поверхности раскрыва. Определенные возможности создания ЭИ для работы на нескольких рабочих частотах представляют полые ЭИ (рис. В.1,ж, 3, л). На место удаленной части из прямоугольного ЭИ можно поместить ЭИ меньших размеров (рис. В.1,з) [10, 12, 17]. Аналогичные построения можно сделать и для кольцевого ЭИ (рис. В.1,ж).

Для нерезонансных МПА представляют интерес ЭИ треугольной, ромбовидной и эллиптической форм [20] (рис. В.1,к, е, д), а также их модификации. Хорошими диапазонными свойствами обладает ЭИ эллиптической формы (рис. В.1,д). Применяются многослойные структуры, в частности, из эллиптических ЭИ [26] для создания многополосных излучателей МПА.

В аэрокосмической технике широко применяются МПА не только вибраторного и разонаторного, но и щелевого типа [19]. Элементарный излучатель щелевого типа показан на рис. В.1,л. Щелевые МПА оказались удобными и для реализации ФАР [17, 19]. Для щелевого ЭИ (рис. В.1,л), выполненного на диэлектрической пластине с е'=2,1 и tg6<10- коэффициент усиления антенны G 3 дБ (см. § 2.6).

Для миллиметровых волн предложены и начинают применяться различные диэлектрические антенные структуры, а также комбинации диэлектрических волноводов, микрополосковых структур и антенн вытекающих волн на основе периодических структур самого различного типа. Имеются попытки создания МПА сложной формы [21], при этом нахождение поля излучения проводится методом Монте-Карло на ЭВМ. Следует отметить, что применение гибридных аналогово-цифровых комплексов для задач проектирования интегральных схем СВЧ, и в частности МПА, представляется весьма перспективным, а во многих случаях и единственно возможным [I].

Микрополосковые антенны интересны, например, для перспективной программы построения солнечных космических электростанций. В наземной части этой станции предполагается использовать МПА - выпрямители (ректенны). Краткий сравнительный анализ схем выпрямителей был представлен в [И] и позднее в [18].

Отметим, что микрополосковые антенные структуры открыва-зот широкие возможности для создания комплексов активных .антенн [22], позволяющих, в частности, решить задачу о синхронном сложении мощностей полупроводниковых генераторов. Малые габаритные размеры, высокая стабильность полупроводниковых

генераторов позволяют считать их перспективными для использования в качестве элементов ФАР. В целом ряде случаев эта стабильность поддерживается с помощью быстродействующих процессоров, встроенных, например, в схему ФАР. По этим же каналам могут передаваться сигналы электронного управления ДН ФАР.

Микрополосковые структуры, как видно из краткого перечисления выполняемых ими функций в РЭА, позволяют конструктору и инженеру-разработчику иметь гибкий и удобный материал для решения многих прикладных задач. Особенно эти функции расширяются при использовании объемного принципа конструирования СВЧ модулей РЭА [2]. В частности, существенный выигрыш в массогабаритных параметрах при применении ОИС достигается при сложении (делении) мощностей [2J.

Как следует из вышесказанного, класс МПА отличается большим разнообразием типов антенн, кроме того имеется значительное число гибридных конструкций, объединяющих различные типы МПА. В связи с этим предлагаемая ниже классификация полосковых антенн является условной. В соответствии со сложившимся к настоящему времени подходом к анализу слабонаправленных антенн МПА можно разделить на следующие классы и виды:

I. Вибраторные антенны: вибраторы, возбуждаемые индуктивно; вибраторы, возбуждаемые кондуктивно; поливибраторные антенны; щлейфовые вибраторы.

II. Щелевые антенны: щели, возбуждаемые МПА, щелевые антенны с микрополосковым резонатором; открытый конец МП Л.

III. Плоские двумерные МПА: плоские МПА резонансного типа; плоские МПА нерезонансного типа; плоские антенны с распределенным возбуждением.

IV. Частотно-независимые и многочастотные антенны: спиральные МПА; логопериодические антенны; многочастотные антенны.

Микрополосковые антенны интенсивно развиваются, поэтому предложенное разбиение на классы и типы не свободно от недостатков. Имеется, как отмечалось, большое число МПА, сочетающих различные принципы построения, что подтверждает необходимость хотя бы их рабочей классификации.

В данной книге проанализированы не все типы МПА, отмеченные в предложенной классификации. Тем не менее гл. 2 содержит достаточно исчерпывающие на настоящее время сведения о методах расчета и характеристиках вибраторных и щелевых МПА. Глава 3 посвящена МПА III и частично IV классов. Кроме того, освещены некоторые специальные вопросы проектирования МПА.

ГЛАВА 1.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В СЛОИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

1.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

ДЛЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Конструктивной основой элементов ИС и полосковых антенн является слоистый диэлектрик с одним или несколькими металлическими экранами. Введение в конструкцию СВЧ приборов диэлектриков революционизировало технологию их изготовления, привело к значительному улучшению массогабаритных характеристик, расширило функциональные возможности этих приборов. Однако в присутствии диэлектриков существенно усложнилась структура электромагнитных полей, и если при проектировании элементов полосковых трактов еще используются методы, косвенно или приближенно учитывающие присутствие диэлектрика, то при анализе излучения полосковых устройств, особенно для коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне волн, необходимо знание точной структуры полей как пространственных, так и поверхностных волн. В связи с этим целесообразно провести анализ расчета электромагнитных полей в слоистых диэлектрических средах. В качестве метода описания полей выбран метод тензорной функции Грина, как наиболее универсальный для решения векторных задач в неоднородных средах. Альтернативные представления полей в § 1.3 и 1.4 позволяют выбирать наиболее экономичный путь решения антенной задачи при заданных параметрах диэлектрической структуры и излучающего элемента. Рассматривается также материал, устанавливающий, связь метода электромагнитных потенциалов с методом тензорных функций Грина, и указаны некоторые элементарные операции с тензорами (диадами), необходимые для понимания последующих рассуждений.

Наиболее распространенным в задачах возбуждения является представление электромагнитных полей через векторные потенциалы [3]:

Е = -Ушр.А^+ - V -(V А ) - V X А .

Н = -УшеА .

(1.1>

V (v A ) + VXA