СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №8/2014

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2014 0 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 S11 S21 S12 S22 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Частота, ГГц 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 |S11| 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Частота, ГГц 2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 КСВ 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Частота, ГГц > 1: 1,324182 ГГц 3,4447 2: 10,000000 ГГц 1,6137 3: 3,000000 ГГц 3,1280 4: 5,552020 ГГц 1,5196 ключении согласованных нагрузок ко всем остальным входам. Созданный переход имеет длину 160 мм (см. рис. 3). Для того чтобы обе- спечить в линии режим бегущей вол- ны на выходе двухпроводной линии установлено сопротивление 100 Ом (см. рис. 4). Согласно расчётам, имен- но такое входное сопротивление име- ет логоспиральная антенна. Таким образом, расчёт и измеренные характеристики (см. рис. 5) показыва- ют, что линия передачи будет выпол- нять согласование от несимметричной линии (коаксиальный ввод) к симме- тричной нагрузке (сопротивление 100 Ом) в диапазоне 1…20 ГГц с коэф- фициентом стоячей волны (КСВ, отно- шение максимального напряжения в СВЧ-тракте к минимальному) < 3. М АКЕТ КОНИЧЕСКОЙ ЛОГОСПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ Коническая логоспиральная антенна является замедляющей структурой для поверхностной волны, идущей от точ- кипитания к вершине конуса. Но в про- странстве широкой части конуса она становится ускоряющей структурой, в результате чего направление излуче- ния и диаграмма направленностиизме- няются в сторону вершиныконуса. Кони- ческая логоспиральная антенна излучает в эту сторону с круговойполяризацией. Макет логоспиральной антенныпоказан на рисунке 6. Диаметр основания кону- са составляет 43 мм, а длина – 145 мм. Точка питания логоспиральной антен- ны находится в вершине конуса. В этой точке к выводамлогоспиральной антен- ны припаивается симметричный вход широкополосного перехода, показан- ного на рисунке 3. Ширина полосы пропускания кони- ческой логоспиральной антенны опре- деляется соотношением диаметра осно- вания D max (около половины длины волны на нижней частоте) к диаметру усечённой вершины D min (примерно в четверть длины волны на наибольшей частоте). Согласно принципу Бабине, для планарной логоспиральной антен- ны прогнозируется входное сопротив- ление, равное 188 Ом. Связь между спи- ралями на конусе уменьшает это значе- ние до 150 Ом и менее. Частотные характеристики логоспи- ральной антенны зависят от геометрии конуса и угла намотки спирали. Самая низкая рабочая частота логопериоди- ческой антенны связана с максималь- ным диаметром основания конуса D max , а максимальная частота связана с мини- мальным диаметром усечённого конуса D min , на которомформируется логоспи- ральная антенна. Поляризация может быть изменена направлением сворачи- вания спирали. Усиление логоспираль- ной антенны растёт при увеличении угла спирали δ , а ширина луча увели- чивается при уменьшении угла спира- ли δ (см. рис. 1). Входное сопротивление увеличива- ется при уменьшении угла расхожде- ния плеч антенны. Экспериментальная частотная характеристика КСВ иссле- дуемой антенны, измеренная с помо- щью анализатора цепей Agilent, пока- зана на рисунке 7. Выполним расчёт логоспиральной антенны методом IE (метод интеграль- ных уравнений, который не требует охвата антенны боксом поглощения) программы электродинамического моделирования HFSS. Время расчёта такой антенны, размер которой мож- но считать более 10 длин волн на самой высокой частоте 20 ГГц, составляет две минуты на одной частотной точ- ке (компьютер 2 ГГц, 2 ГГБ). Програм- ма HFSS рассчитывает импедансные частотные характеристики и характе- ристики излучения в каждой частот- ной точке. Перерасчёт коэффициен- та отражения S11 и КСВ выполняется по формуле: S11 = (КСВ – 1) / (КСВ + 1). Результаты расчёта и измерения пара- метра |S11| показаны на рисунке 8. Р АСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ДАЛЬНЕГО ПОЛЯ ЛОГОСПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ Комплекс HFSS ANSYS в настоящее время обладает возможностями реше- ния мультифизических задач. Добав- лена также возможность решить одну задачу различными методами (напри- мер, методом конечных элементов и методом интегральных уравнений). Для расчёта характеристик дальнего поля логоспиральной антенны выбе- рем метод интегральных уравнений, поскольку для этого метода требуется меньше компьютерных ресурсов. Частотные свойства широкополос- ной антенныоцениваются, в основном, её согласованиемвширокомдиапазоне частот и стабильностьюхарактеристик дальнего поля (коэффициента направ- ленного действия, осевого отношения, фазовогоцентра и др.). Частотные харак- теристики дальнего поля, рассчитан- ные в каждой частотной точке, показа- нына рисунке 9 (осевое отношение, AR) ирисунке 10 (коэффициент направлен- ного действия, КНД). Из рисунка 9 видно, что в диапазоне 1…14 ГГцосевое отноше- ние, оценивающее круговую поляриза- цию логоспиральной антенны, < 3. Это хороший результат. Частотные зависи- мости КНД в направлении оси излуче- Рис. 3. Переход коаксиальной линии в двухпроводную линию Рис. 4. Частотная характеристика линии передачи для диапазона частот 0…20 ГГц Рис. 5. Частотная характеристика S11 симметрирующего трансформатора в виде скошенной коаксиальной линии для диапазона частот 1…20 ГГц Рис. 6. Макет логоспиральной антенны Рис. 7. Измеренная частотная характеристика КСВ логоспиральной антенны в диапазоне частот 1…20 ГГц © СТА-ПРЕСС