7. Полосковые и микрополосковые антенны и антенные решетки

Значительный прогресс в области СВЧ техники, в частности в области микроминиатюризации радиоэлектронных устройств СВЧ, достигнутый в последние десятилетия, привел к созданию полосковых (микрополосковых) антенн, изготавливаемых по технологии печатных плат или интегральных схем. Соответственно, полосковые антенны часто называют печатными. Такие антенны отличаются простотой конструкции, малыми габаритами и массой, высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью размеров и электрических параметров, возможностью работы в двух- и многочастотных режимах, с линейной и круговой поляризациями, с двойной поляризацией. Полосковые излучатели особенно удобны в качестве элементов антенных решеток (включая конформные), причем использование печатной технологии существенно упрощает реализацию различных схем питания элементов, — как наиболее простых последовательных, так и сложных разветвленных параллельных схем. Рабочие частоты полосковых (ПА) и микрополосковых (МПА) антенн и решеток могут составлять от сотен МГц до нескольких десятков ГГц [4, 5, 9, 13, 24—30].

Основными недостатками ПА и МПА являются малая электрическая прочность, невысокая допустимая мощность входных колебаний; в случае антенн резонаторного типа — узкополосность (относительная полоса рабочих частот в среднем не более 5 %) [4, 5, 9, 13, 24—30].

Однако благодаря перечисленным выше достоинствам полосковые антенны и антенные решетки (включая многолучевые антенны, электрически сканирующие, например, ФАР) на сегодняшний день получили исключительно широкое распространение, например, в приемопередающей аппаратуре разнообразных радиосистем передачи информации, особенно сотовых (мобильных) систем, а также охранных систем СВЧ диапазона.

Существует множество полосковых и микрополосковых антенн, которые условно можно отнести к следующим видам [4, 5, 9, 13, 24—30]:

- вибраторные антенны: с индуктивным и кондуктивным возбуждением; шлейфовые вибраторы; поливибраторные антенны;

- щелевые антенны: возбуждаемые полосковыми и микрополосковыми линиями, с микрополосковыми резонаторами; открытые концы полосковых и микрополосковых линий;

- плоские двумерные ПА и МПА: резонансного типа; нерезонансного типа; с распределенной связью с линией питания;

- объемные (трехмерные) ПА и МПА;

- Частотно-независимые и многочастотные ПА и МПА: спиральные, вибраторные логопериодические и др.

Форма полосковых излучателей выбирается с учетом требуемого рабочего типа колебаний в антенне, ее частотных свойств, желаемой формы ДН и поляризации излучения. На практике используются излучатели прямоугольной, треугольной, ромбической, эллиптической, круглой и более сложной — в виде кольца, сектора круга, сектора кольца и т.д.

7.1. Принципы действия и основные характеристики резонаторных полосковых антенн

Широкое распространение в качестве самостоятельных антенн и элементов антенных решеток получили ПА и МПА резонансного типа на основе прямоугольных излучателей [4, 5, 9, 13, 24—30]. ПА такого типа содержит излучатель в виде металлической прямоугольной полоски 1, расположенной на внешней поверхности диэлектрической подложки 2 над металлическим экраном 3 (рис. 7.1) [5]. Примеры возбуждения резонансных ПА иллюстрируются рис. 7.1, а — с помощью коаксиальной линии передачи и зонда; б — с помощью не­симметричной полосковой линии, проводник которой расположен на поверхности подложки в одной плоскости с излучателем. В качестве материала подложки обычно используются диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью ε=2—16 и низким тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, не более (1—5)10^-3; толщина подложки h≈(0,01—0,1)λ₀. Излучение антенны создается электрическими токами, текущими по поверхности пластины и экрана, а также токами смещения в диэлектрической подложке.

а б

Рис. 7.1. ПА на основе прямоугольного резонаторного излучателя с возбуждением коаксиальной линией с помощью зонда (а) и несимметричной полосковой линии (б)

Обычно в такой структуре возбуждают резонансные электромагнитные колебания низшего (основного) типа ТM₁₀₀, индексы характеризуют число вариаций поперечной по отношению к плоскости экрана и излучателя компоненты вектора напряженности электрического поля в объеме резонаторной полости под излучателем по координатным осям x, y и z. В самом деле, вся структура может рассматриваться как объемный резонатор без боковых стенок, благодаря чему обеспечивается излучение в окружающее пространство.

В прямоугольных ПА низший тип резонанса имеет место при длине излучателя

, (7.1)

где — в первом приближении длина квази-Т волны в полосковой линии с шириной полоска W . Отметим, что при этом компонента поля по оси y распределена равномерно, а по оси x — в продольном направлении — по синусоидальному закону с пучностями на краях излучателя при x=0, L и нулем в центре под излучателем, x=L/2 (рис. 7.1).

На резонансной частоте входное сопротивление антенны становится чисто активным и у кромок излучателя, параллельных оси y, достигает значений порядка нескольких сотен Ом. Равенство нулю реактивной компоненты входного сопротивления облегчает согласование излучателя с питающей линией передачи и обеспечивает интенсивное излучение.

На сегодняшний день разработано несколько методов анализа характеристик резонаторных ПА, основанных на различных математических моделях излучающей структуры. В строгой постановке задача излучения решается, например, токовым методом. При этом формулируется граничная задача и составляется система интегральных уравнений относительно скалярных компонент векторного распределения плотности поверхностного электрического тока на проводящей полоске. Для упрощенного приближенного решения задачи анализа чаще пользуются более простой моделью, в соответствии с которой ПА рассматривается как система из двух эквивалентных щелевых излучателей 1 и 2, образованных кромками полоскового элемента (со стороны одной из которых подведены возбуждающие колебания) и экраном. Полагают, что излучение в дальней зоне формируется именно этими щелями, а излучения из боковых щелей практически отсутствуют (рис. 7.2) [9]. Если длина излучателя L кратна нечетному числу полуволн квази-Т волны, в частности, , то компоненты напряженности поля в щелях 1 и 2 противофазны (рис. 7.1, а и 7.2, а). Направления эквивалентных магнитных токов в торцевых щелях 1 и 2 и боковых щелях определяются выражением [5]

, (7.2)

где — единичный вектор внешней нормали к плоскостям щелей.

Из (7.2) следует, что эквивалентные магнитные токи торцевых щелей 1 и 2 (открытых торцов объемного резонатора) распределены равномерно и, что особенно важно, оказываются синфазными (рис. 7.2, а) и поэтому создают максимальное излучение в направлении нормали к плоскости экрана, т.е. вдоль оси z (рис. 7.1 и 7.2), причем в дальней зоне поляризация вектора параллельна оси x (рис. 7.1, рис. 7.2, б). Эквивалентные магнитные токи в боковых щелях (параллельных оси x) при этом попарно противофазны и в направлении нормали практически не излучают.

При длине полоскового излучателя, кратной четному числу полуволн квази-Т волны, излучение по нормали к плоскости экрана отсутствует.

а

б

Рис. 7.2. Резонаторная модель ПА с излучающими щелями

В работах [4, 9, 24—28] детально описаны различные методы расчета параметров конструкций и электрических характеристик ПА и МПА, в том числе резонаторного типа, с использованием строгих и приближенных методов электродинамики.

Рассмотрим простейший подход к анализу прямоугольной МПА [4, 24], предусматривающий использование теории длинных линий. Излучатель представляется отрезком несимметричной полосковой линии передачи, нагруженным на концах излучающими щелями 1 и 2, т.е. излучающий элемент рассматривается как совокупность двух одинаковых щелей, образованных его кромками и экраном, причем каждая щель заменяется эквивалентной проводимостью Y_1,2=G+jB. Щели соединены между собой отрезком регулярной ЛП длиной Соответствующая эквивалентная схема антенны изображена на рис. 7.3:

Рис. 7.3. Эквивалентная схема ПА и типичная зависимость активной и реактивной компонент входного сопротивления от длины излучателя

Активная проводимость G в этой модели представляет собой проводимость излучения щели G_Σ, т.е. определяет величину излучаемой ей мощности; В — реактивная проводимость щели. Расчетные выражения для G и В для разных параметров конструкции можно найти в [3, 4, 24—28].

Если считать, что излучающий элемент подключается к питающей линии передачи со стороны первой (левой) щели, то его комплексная входная проводимость рассчитывается как сумма проводимости первой щели (расположенной слева на рис. 7.3) и проводимости второй щели, пересчитанной к первой с учетом трансформирующего действия отрезка линии передачи длиной L (коэффициент фазы ЭМВ в линии ) [4, 9]:

Y_in(L)=Y₁+Y_2L=Y₁+(Y₂+jY_лtgβL)/(Y_л+Y₂tgβL), (7.3)

где — волновая проводимость полосковой линии; — так называемая эффективная диэлектрическая проницаемость материала подложки, обусловленная конечной шириной полоскового проводника W. Соответственно, комплексное входное сопротивление излучателя (антенны) Z_in(L)=1/ Y_in(L). При длине отрезка L, равной резонансной длине L₀ , реактивная компонента входного сопротивления обращается в нуль, а значение активной компоненты достигает максимума (рис. 7.3). Заметим, что зависимость активной компоненты входного сопротивления от координаты x описывается приближенным выражением вида

, (7.4)

из которого следует, что при движении от входной кромки излучателя до противоположной его входное сопротивление уменьшается от максимального значения до нуля точно под центром излучателя и далее возрастает до исходного значения . Это очень важно, поскольку появляется возможность определить координату x₀ сечения излучателя, в котором входное сопротивление будет в точности равно волновому сопротивлению используемой питающей полосковой линии, что обеспечит согласование антенны с линией. Конструктивно согласованное подключение выполняется путем простого «врезания» полоскового проводника на расстояние x₀ в плоскость излучателя (рис. 7.1, б; рис. 7.2, б). Нетрудно убедиться, что в силу резонансных свойств структуры и сильной частотной зависимости входного сопротивления при отклонении рабочей частоты от резонансной согласование будет резко ухудшаться.

Вернемся к оценке размеров излучателя при заданных остальных параметрах конструкции. По заданной средней рабочей частоте антенны f_р , которая в рамках данной модели полагается равной резонансной частоте излучателя, рассчитывается начальная длина излучателя L и его ширина W [4, 9]:

, , (7.5)

где с — скорость света в свободном пространстве.

Далее по известным формулам [4, 5, 9, 13, 24—30] рассчитывается эффективная диэлектрическая проницаемость подложки и требуемое укорочение каждого из концов излучателя , и, наконец, окончательная резонансная длина

.

Рис. 7.4. Пример ДН ПА СВЧ с прямоугольным излучателем

Типичные значения ширины ДН ПА и МПА по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях составляют десятки градусов. На рис. 7.4 показан пример объемной ДН реального прямоугольного резонаторного излучателя СВЧ диапазона на подложке с экраном конечных размеров (а) и графики ДН в главных плоскостях (б). КНД прямоугольных ПА и МПА находятся в пределах 3,5—7 [3—5, 9, 24]. При увеличении диэлектрической проницаемости подложки КНД снижается, поскольку уменьшаются размеры излучающей структуры.

КПД ПА и МПА зависит от тепловых потерь мощности в подложке, в металлических элементах, а также от потерь, связанных с возбуждением в подложке паразитных поверхностных волн. Мощность, переходящая в поверхностные волны возрастает при увеличении толщины подложки и ее диэлектрической проницаемости. Типичные значения КПД находятся в пределах 0,5—0,8 [3—5, 9, 24]. Для изготовления ПА обычно используют высококачественные фольгированные диэлектрики ФАФ-4, ФЛАН, фольгированный фторопласт и т.п. (отечественного производства), а также материалы компании Rogers и других зарубежных производителей [25]. При необходимости работы с предельными уровнями мощности (в среднем до 100 Вт) для изготовления подложек выбирают плавленый кварц, СВЧ керамику, например на основе оксида алюминия или бериллия. Для построения антенн с управляемыми характеристиками подложки изготавливаются из полупроводниковых материалов, сегнетоэлектриков, ферритов.

Ширина рабочей полосы частот ПА и МПА определяется ухудшением согласования излучателя с питающей ЛП и зависит от добротности излучателя. В свою очередь, добротность снижается при увеличении толщины подложки и уменьшении ее проницаемости. Характерные значения добротности составляют сотни, поэтому резонансные ПА и МПА оказываются узкополосными: относительная полоса частот составляет не более 5—10 %.

Подробные методы расчета КПД, ДН, и КНД ПА и МПА приведены в [3— 5, 9, 13, 24—30].

Полосковые резонаторные антенны с круговой поляризацией излучения

Простейший способ получения круговой поляризации в резонаторных ПА и МПА состоит в возбуждении двух ортогональных по направлению излучающих токов одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе на ±π/2, в частности при использовании в цепи питания излучателя синфазного делителя мощности 1:2 с фазовращателем в одном из плеч [24—30]. Примеры нескольких простых вариантов построения ПА с круговой поляризацией иллюстрируются рис. 7.5: а — квадратный излучатель, возбуждаемый со стороны двух смежных кромок с помощью полоскового гибридного моста; б — прямоугольный излучатель с диагональным возбуждением; фазовый сдвиг ±π/2 ортогональных токов в излучателе достигается за счет небольшого укорочения и удлинения сторон относительно резонансных значений; в — квадратный излучатель с диагональной щелью [3—5, 9, 13, 24—30]. Очевидно, что при использовании квадратного излучателя легко обеспечить работу с двумя линейными ортогональными поляризациями или с двойной поляризацией, подводя колебания поочередно или одновременно к смежным кромкам излучателя.

а б в

Рис. 7.5. Варианты прямоугольных излучателей ПА с круговой поляризацией

На сегодняшний день известно много других вариантов ПА и МПА, например с излучателями в виде симметричных и несимметричных полосковых вибраторов как полуволновой, так и четвертьволновой длины и т.д.