Experimental study of spiral antennas with various additional deceleration options

Full Text

Введение

Дополнительное замедление электромагнитных волн в плоских спиральных антеннах позволяет сместить рабочий частотный диапазон в область более низких частот без изменения основной конструкции антенны. Наиболее часто встречающийся в практике способ замедления волн – разнообразные модификации спирального излучателя. В первую очередь это методы, основанные на увеличении длины проводника, вписанного в определенные габариты. Например, когда внешние витки спирали выполнены в виде меандровой полосковой линии [1] или за счет деформации формы спирали в целом [2]. В других исследованиях авторы вводят для спирали третье измерение, обеспечивая увеличение длины излучающей линии за счет пространственного колебания проводника по гармоническому закону [3]. Также может быть модифицирован проводник спирали, например за счет изменения его ширины по ступенчатому профилю [4] или введением в конструкцию проводника резонансных элементов – «дросселей», обеспечивающих резонанс на заданных частотах, подавление нежелательного излучения и улучшение согласования [5]. Другой распространенный способ – комбинирование спиралей разных типов: логарифмической и архимедовой [6].

Модификации подвергаются подложки спиральных антенн: увеличивается диэлектрическая проницаемость [7], осуществляется геометрическое преобразование, например в виде перехода на полусферу [8], или интеграция метаматериалов и киральных структур [9].

Альтернативное направление конструктивных изменений спиральных антенн с целью улучшения функциональных параметров – введение замедляющих элементов за и перед излучающей структурой. Например, это использование оригинальных конических питающих линий [10], размещение внутри резонатора металлических пластин определенной формы, положения и размера [11] или установка над антенной крестообразной диэлектрической надстройки [12] и др.

Одним из перспективных способов замедления видится применение замедляющих пластин (ЗП) – диэлектрических и металлодиэлектрических планарных линз, имеющих многослойную структуру и расположенных непосредственно перед спиральной антенной. Такие ЗП в теории позволяют расширить частотный диапазон антенны, сохраняют ее конформность, обеспечивают защиту спирали и точек контактирования с питающей линией от внешних воздействий. Кроме того, технология изготовления ЗП является серийнопригодной и легко масштабируется.

Известно, что использование диэлектрических и металлодиэлектрических пластин и линз, как объемных [13], так и плоских [14], позволяет улучшить параметры антенных систем.

В настоящей работе представлены три варианта построения плоской спиральной антенны с дополнительным замедлением в виде замедляющей пластины. Первый вариант – планарная диэлектрическая пластина (образец 1), второй – планарная металлодиэлектрическая пластина с металлизированными отверстиями (образец ٢), третий – планарная металлодиэлектрическая пластина с металлическими штырьками (образец ٣). Приведены результаты измерений антенных параметров модифицированных антенн и их сравнение с характеристиками эталонной антенны (образец ٠). Показаны преимущества и недостатки применения ЗП, определены направления дальнейших исследований.

1. Постановка задачи

Образец 0 представляет собой эталонный антенный прибор (рис. 1), излучающая структура которого выполнена на базе плоской спиральной антенны. Конструктивно прибор состоит из корпусных деталей (цилиндрического корпуса, основания), питающей линии (фидера) и спиральной антенны, выполненной в виде печатного проводника на подложке из фольгированного диэлектрика.

 

Рис. 1. Общий вид антенного прибора. Образец 0

Fig. 1. General view of the antenna device. Sample 0

 

Образцы 1–3 имеют конструктивную модификацию в виде ЗП. В проведенных исследованиях ЗП выполнена трехслойной с базовой диэлектрической проницаемостью слоев, равной 10; 5 и 2,2 соответственно, толщина слоев равна толщине платы спиральной антенны (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема расположения ЗП относительно платы спиральной антенны

Fig. 2. Layout of the LP relative to the spiral antenna board

 

В образцах 2 и 3 введены дополнительные замедляющие элементы (рис. 3). В Образце 2 в диэлектрических слоях предусмотрены металлизированные отверстия, расположенные вдоль витков спирального излучающего элемента, имитирующих металлические «штырьки». Количество и расположение элементов определено в соответствии с результатами математического моделирования. Излучающий элемент антенны представляет собой двузаходную архимедову спираль, каждый заход которой имеет 12 витков. Основным параметром рассматриваемой структуры будем считать диаметр $D$ спирали. При известном диаметре $D$ структуру можно описать относительными параметрами. Диаметр отверстий перед металлизацией составляет $\mathrm{0,005}D.$ В образце 3 «штырьки» выполнены в виде проволоки, монтированной в отверстия. Диаметр отверстий в этом варианте конструкции составляет $\mathrm{0,008}D.$ Координаты отверстий соответствуют первому варианту. Толщина слоев ЗП, как и толщина печатной платы, составляет $\mathrm{0,016}D,$ высота цилиндрической полости равна $\mathrm{0,44}D,$ при этом внутренняя поверхность цилиндра оклеена поглотителем толщиной $\mathrm{0,016}D.$ На экране, находящемся в нижнем основании цилиндрической полости, поглотитель отсутствует. Далее под $x$ будем понимать отношение диаметра спирали к длине волны излучения $\lambda$ т. е. $x=D/\lambda .$

 

Рис. 3. Опытный образец (a) и трехмерная модель (б) макета плоской спиральной антенны с замедляющей пластиной

Fig. 3. A prototype (a) and a three-dimensional model (b) of a layout of a flat spiral antenna with a loading plate

 

Сравнение образцов производится на основе измерения коэффициента стоячей волны, ширины диаграммы направленности и коэффициента усиления.

2. Измерение КСВ

Все испытания образцов производились в нормальных климатических условиях, характеризующихся параметрами:

• температура среды от 15 до 35 °С;
• относительная влажность воздуха от 45 до 75 %;
• атмосферное давление от $\mathrm{8,6}\cdot {10}^4$ до $\mathrm{10,6}\cdot {10}^4$ ⋅ 10⁴ Па (от 645 до 795 мм рт. ст.).

Для измерения КСВ использовался векторный анализатор цепей, который позволяет учесть фазовую составляющую сигналов. Подключение образцов осуществлялось фазостабильным кабелем.

Порядок проведения измерений:

• включить и подготовить к работе векторный анализатор цепей в соответствии с требованиями эксплуатационной документации на него;
• произвести калибровку анализатора в рабочем диапазоне частот образца на уровне мощности выходного сигнала 0 дБм (1 мВт);
• соединить вход образца со средствами испытаний согласно схеме, приведенной на рис. 4;
• произвести проверку КСВН образца в его рабочем диапазоне частот. При измерении КСВ перед образцом на расстоянии менее 2 м не должны находиться предметы, отражающие электромагнитные волны.

 

Рис. 4. Схема соединения Образца со средствами испытаний для проверки КСВ

Fig. 4. Connection diagram of the Sample with test equipment for SWR verification

 

Результаты измерений приведены на рис. 5.

 

Рис. 5. Результаты измерения КСВ в диапазоне x=1,6…8 (сверху) и x=8…36 (снизу), номер кривой соответствует номеру антенны

Fig. 5. SWR measurement results are in the range of x=1,6…8 (top) and x=8…36 (bottom), the curve number corresponds to the antenna number

 

Испытания показывают, что все три модифицированные антенны с дополнительным замедлением имеют меньшее значение КСВ в низкочастотном диапазоне, в особенности в интервале $x\approx \mathrm{2...3,}$ что свидетельствует о лучшем согласовании излучающей поверхности с окружающим среду пространством. В интервале до $x\approx \mathrm{3...8}$ все образцы демонстрируют идентичные характеристики, далее наблюдается значительное отклонение КСВ образца 2. Также здесь можно заметить волнообразное поведение КСВ, особенно в верхней части. Вероятно, подобное поведение обусловлено конструкцией антенны, в частности наличием цилиндрической полости, обладающей собственными резонансами, увеличивающими значение КСВ. При этом дополнительные пластины с высокой диэлектрической проницаемостью увеличивают добротность этого цилиндрического резонатора.

3. Измерение диаграммы направленности и коэффициента усиления

Для проведения антенных измерений необходимо провести следующие подготовительные работы:

• соединить средства испытаний для проведения калибровки согласно схеме, приведенной на рис. 6. Включить и подготовить к работе векторный анализатор цепей согласно эксплуатационной документации на него. Включить программное обеспечение, установленное на автоматизированном рабочем месте (АРМ) и необходимое для управления антенным измерительно-вычислительным комплексом (АИВК). Произвести калибровку анализатора согласно эксплуатационной документации;
• закрепить исследуемый образец на платформе опорно-поворотного устройства (ОПУ). Установить измерительную антенну в рабочее положение на антенной мачте. Направление излучения (приема) должно быть встречным. Высота установки измерительной антенны и исследуемого образца должна быть одинаковой и составлять 1,75 ± 0,25 м;
• измерительную антенну необходимо расположить относительно испытуемого образца на одной линии с соблюдением вертикальной поляризации. Установить расстояние 3,0 ± 0,3 м между ними. Высоту установки и расстояние контролировать при помощи лазерного дальномера;
• соединить исследуемый образец и измерительную антенну со средствами испытаний согласно схеме, приведенной на рис. 7.

 

Рис. 6. Схема соединения при калибровке векторного анализатора цепей

Fig. 6. Connection diagram for calibration of a vector circuit analyzer

 

Рис. 7. Схема соединения исследуемых образцов со средствами испытаний

Fig. 7. Connection diagram of the studied Samples with the test equipment

 

Для измерения ширины диаграммы направленности образцов выполняется следующая последовательность действий:

• при помощи ПО запустить измерение ШДН антенны по азимуту согласно эксплуатационной документации на АИВК. Диапазон измерений по азимуту не менее 120°, шаг измерений 2°;
• определить ШДН по азимуту;
• при помощи ПО запустить измерение ШДН антенны по углу места согласно эксплуатационной документации на АИВК. Диапазон измерений по углу места не менее 60°, шаг измерений 2°;
• определить значение ШДН по углу места.

Для измерений коэффициента усиления:

• при помощи ПО запустить измерение трехмерной диаграммы направленности согласно эксплуатационной документации на АИВК. Диапазон измерений по азимуту 120°, по углу места 60°, шаг измерений 2°;
• определить максимальное значение КУ.

В результате измерений на каждой частоте получаются массивы значений для вертикальной и горизонтальной составляющей коэффициента усиления $K_{i,j}^{\left(v\right)}$ и $K_{i,j}^{\left(h\right)}$ соответственно (i – индекс угла места, j – индекс азимута). Общее значение КУ в заданном направлении можно определить по формуле

$K_{i,j}^{}=\sqrt{{\left(K_{i,j}^{\left(v\right)}\right)}^2+{\left(K_{i,j}^{\left(v\right)}\right)}^2}.$

Общую неравномерность коэффициента усиления можно определить следующим образом:

$d\left[\text{дБ}\right]=\max \left(\right|\min K_{i,j}\left[\text{дБ}\right]-K\left[\text{дБ}\right]|,$

$\left|\max K_{i,j}\right[\text{дБ}]-K[\text{дБ}\left]\right|),$

$K_{i,j}\left[\text{дБ}\right]=20\lg K_{i,j},$

здесь $\min K_{i,j}\left[\text{дБ}\right],$ $\max K_{i,j}\left[\text{дБ}\right]$ и $K\left[\text{дБ}\right]$ – минимальное, максимальное и среднее значение КУ в измеряемом диапазоне углов соответственно. Разность средних значений коэффициента усиления модифицированных и эталонной спиральных антенн можно оценить с помощью выражения $A\left[\text{дБ}\right]=K^{\left(j\right)}\left[\text{дБ}\right]-K^{\left(0\right)}\left[\text{дБ}\right],$ где $j=\mathrm{1,2,3}$ – номер образца. Результаты соответствующих расчетов по данным измерений приведены на рис. 8.

 

Рис. 8. Зависимость неравномерности КУ от частоты в исследуемом диапазоне углов (а), зависимость разности коэффициентов усиления модифицированных и эталонной спиральной антенны от частоты (б); номер кривой соответствует номеру образца

Fig. 8. Dependence of the unevenness of the bottom on the frequency in the studied sector of the angles (a), dependence of the difference in the gain coefficients of the modified and reference spiral antennas on the frequency (b); the curve number corresponds to the sample number

 

По графикам видно, что диаграммы направленности образцов в интервале $x\approx \mathrm{3...8}$ практически идентичны. В интервале до $x\approx 3$ применение замедляющих элементов в виде диэлектрической пластины и металлодиэлектрической пластины с металлизированными отверстиями приводит к выравниванию диаграммы направленности. В интервале $x\approx \mathrm{8...18}$ наблюдается незначительное ухудшение равномерности ДН образцов 1–3. При $x>18$ наблюдается расщепление диаграммы направленности, вызванное переотражением волн на границах слоев ЗП. На ряде резонансных частот излучение антенны становится узконаправленным, что может найти применение в практических приложениях.

Аналогичная картина наблюдается и при измерении коэффициента усиления антенны. ЗП предложенной конструкции неприменимы в интервале свыше $x>\mathrm{18,}$ но повышают мощность излучения в интервале до $x<3$ (лучший результат принадлежит ЗП с металлическими штырьками – КУ выше на ١٥ дБ относительно эталонной антенны) и показывают сопоставимые значения усиления в интервале $x\approx \mathrm{4...18.}$

Заключение

Таким образом, предложенный способ замедления ЭМВ в ПСА действительно позволяет снизить нижнюю границу рабочего частотного диапазона антенны. Следует отметить, что предложенные варианты конструкции ЗП ухудшают характеристики антенны при $x>\mathrm{18,}$ однако имеют значительные улучшения до $x<3.$

Наилучшее согласование во всем рабочем диапазоне продемонстрировали образцы 1 и 3, образец 2 обеспечивает равномерную диаграмму направленности в нижней части диапазона. Выбор конкретной реализации ЗП определяется поставленными практическими задачами. Большой интерес представляет возможность нестандартного использования ПСА. Например, в качестве приемопередающей антенны: прием осуществляется в интервале, в котором обеспечивается равномерная ДН, а передача – на более высокой частоте по узкому лучу.

Улучшение параметров излучения в верхней части диапазона либо на конкретных частотах обеспечивается согласованием конструкции слоев ЗП (их формы и толщины, последовательности, градиента изменения диэлектрической проницаемости, размера и расположения металлизированных отверстий и штырьков) и является предметом дальнейших исследований.

Другое направление перспективных исследований – выявление резонансных частот в интервале ниже $x<1$ для создания малогабаритных узкополосных антенн, функционирующих на ряде частот, определенных конструктивными особенностями прибора.

About the authors

Dmitrij P. Tabakov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics; Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: illuminator84@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9173-4936
SPIN-code: 9666-0814
ResearcherId: Q-9888-2017

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor of the Department of Radioelectronic Systems

Research interests: electrodynamics, microwave devices and antennas, optics, numerical methods of mathematical modeling

Russian Federation, 23, L. Tolstoy Street, Samara, 443010; 244, Molodogvardeyskaya Street, Samara, 443100

Mikhail A. Malakhov

Samara State Technical University; JSC «Research Institute “Ekran”»

Email: m.malakhov.2020@bk.ru
SPIN-code: 4942-1762

chief technologist of JSC «Research Institute “Ekran”»; postgraduate student, associate professor of the Department of Electronic Systems and Information Security, Samara State Technical University

Research interests: microwave devices and antennas and their production technology

Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya Street, Samara, 443100; 24, Kirov Avenue, Samara, 443022

References

Supplementary files