КОНСТРУКЦИЯ ИПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
Печатный излучатель представляет собой прямоугольнуюпластинку, возбуждаемую одним или несколькими штырями (рис. 7.1). Несмотря напростоту конструкции, это многофункциональный элемент, он может создавать полеизлучения как с линейной, так и с круговой поляризацией, а также работать наодной или двух частотах с взаимно ортогональным расположением плоскостейполяризации излучаемых волн. Теория печатных излучателей может быть построенана базе различных физических моделей. Одна из таких моделей базируется напредставлении печатного излучателя в виде разомкнутого отрезка несимметричнойполосковой линии, возбуждаемого штырем через отверстие в экране./> />
При приближенном подходе, основанном на теории длинных линий, в отрезкеучитывается возбуждение лишь квази-T-волны. В качестве продольной оси отрезкаполосковой линии выбирается одна из осей симметрии прямоугольной пластинки.Предполагается, что энергия излучается через торцевые щели, образованныекромками отрезка полоскового проводника и экраном, а излучение из боковых щелейпренебрежимо мало. По сравнению с мощностью квази-T-волны, набегающей на щель,мощность, излучаемая торцевыми щелями, невелика, поэтому коэффициент отраженияв плоскости торцевых щелей близок к единице. Распределение тока, а также полявдоль оси полосковой линии между торцевыми щелями и возбуждающим штырем малоотличается от соответствующих распределений в несимметричной полосковой линиисо стоячей квази-T-волной. На торцевые щели приходятся максимум напряженностиэлектрического поля и нуль электрического тока. При определенной длине отрезкаполосковой линии происходит синфазное сложение волн, отраженных от его концов,и волн, возбуждаемых штырем, что соответствует резонансному режиму работы. Интенсивностьколебаний поля и тока, а также мощность излучения в резонансном режиме резковозрастают.
/>
Пусть направление оси отрезка полосковой линии совпадает с осью y (см.рис. 7.1). Тогда резонанс квази-T-волны, распространяющейся в этом направлении,определяется размером b пластинки. Размер а определяетвходное сопротивление при резонансе. Торцевые щели 1, 3 излучают волны сосновной
поляризацией, а боковые щели 2, 4 — волны скроссполяризацией поля. Резонансный размер пластинки практически кратен половинедлины квази-T-волны:
/> (7.1)
где />lТ — длина квази-T-волны.
Распределение напряженности электрического поля вдольторцевых и боковых щелей в резонансном режиме (рис. 7.2, б)соответствует низшей резонансной частоте, когда длина отрезка полосковой линииблизка к половине длины квази-T-волны. Энергия, запасенная в поле квази-T-волныпри резонансе, достаточно велика. Следствием этого являются высокая добротностьи узкополосность рассматриваемых излучателей. Если резонансный размеризлучателя кратен нечетному числу полуволн квази-T-волны
/> (7.2)
то колебания поля в торцевых щеляхпротивофазны. Направление эквивалентного магнитного тока в торцевых и боковыхщелях
/> (7.3)
гдеn — единичныйвектор нормали к плоскости щелей, при m=0 показано на рис. 7.2, в.sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовых по Петербургу
Согласно (7.3) эквивалентные магнитные токи торцевых щелейпри выполнении условия (7.2) синфазны. Излучение синфазных щелей имеет максимумв направлении нормали к плоскости экрана. На практике используются излучатели срезонансным размером, определяемым (7.2) при m=0. Такиеизлучатели имеют минимальные габаритные размеры пластинки. Колебания поля итока в излучателе с указанной длиной в дальнейшем будем называть низшимтипом колебаний.
Если длина отрезка полосковой линии кратна четному числуполуволн квази-T-волны, т. е.
/> (7.4)
то излучатель в направлении нормалик плоскости экрана практически не излучает.
Разработка эффективных печатных излучателей и ФАР,построенных на их основе, тесно связана с созданием математических моделей,содержащих полное электродинамическое описание конструктивных элементовизлучателей. Подробные модели и реализующие их программы для ЭВМ существуют ииспользуются в САПР при создании ФАР. Ниже приводится приближенная методикарасчета печатных излучателей, позволяющая оценить их характеристики и выбратьисходные варианты для моделирования на ЭВМ. Кроме того, даются справочныесведения о характеристиках печатных излучателей в плоских ФАР, полученныечисленными методами с учетом взаимовлияния излучателей. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА
Прямоугольная пластинка (рис. 7.3), расположенная надэкраном, представлена отрезком/> />
эквивалентной двухпроводной линии, нагруженным на проводимости торцевых щелей.Эти проводимости являются комплексными величинами с емкостной реактивнойчастью, обусловленной концентрацией поля у торцевой кромки плоского проводника(см. рис. 7.2, а). Возбудители — штырь и отверстие связи — наэквивалентной схеме (см. рис. 7.3) представлены цепочкой элементов, состоящейиз последовательно включенных реактивного сопротивления, штыря и параллельновключенных реактивной проводимости и идеального трансформатора, соответствующихпереходу от линии передачи к излучателю через отверстие связи.
Если толщина экрана существенно меньше длины волны и штырьявляется продолжением центрального проводника коаксиального волновода, токоэффициент трансформации идеального трансформатора можно положить равнымединице, а реактивность параллельно включенного элемента — нулю.
Входное сопротивление излучателя
/> (7.5)
где
/> (7.6)
— входное сопротивление отрезкаэквивалентной двухпроводной линии длиной /> нагруженнойна сопротивление торцевой щели ZЩ1;
/> (7.7)
— входное сопротивление отрезкаэквивалентной двухпроводной линии длиной /> нагруженнойна ZЩ2; ZШТ — индуктивное сопротивлениештыря.
В (7.5) — (7.7) W — волновое сопротивлениеполосковой линии; b —коэффициент фазы квази-T-волны, yШТ— смещение штыря вдоль оси уотносительно средней точки.
Входное сопротивление (7.5) в рабочей полосе частот ведетсебя как сопротивление параллельного контура, однако на частоте,соответствующей максимуму активной составляющей входного сопротивления,реактивная составляющая не обращается в нуль и равна индуктивному сопротивлениюштыря ZШТ.
Из-за наличия емкостной реактивной составляющейсопротивления щелей резонансный размер пластинки несколько меньше значения(7.2).
Укорочение одиночного излучателя, а также излучателя врешетке с учетом их взаимовлияния не превышает 20%. Проводимость излученияторцевых щелей [7.1]
/> (7.8)
где величины
/> (7.9)
представляют собой активную иреактивную составляющие проводимости. Здесь /> -волновое число свободного пространства; t — толщина подложки; l0 — длина волны в свободном пространстве; e0,m0 — электрическая и магнитная постоянные.
Программа для разрезания и сшиванияфайлов, шифрования, а также удаления файлов с защитой от восстановленияспециальными утилитами.
acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip
Сопротивление штыря
/> (7.10)
где r—радиус штыря; />-волновое число диэлектрика подложки.
Рассматривая печатный излучатель в резонансном режиме какполуволновый отрезок линии, нагруженный на активную составляющую сопротивленияизлучения щелей и возбуждаемый на расстоянии уШТ отсреднего сечения (см. рис. 7.3), находим входное сопротивление
/> (7.11)
Поскольку (WGa),то
/> (7.12)
Входное сопротивление печатных излучателей в резонанс номрежиме существенно зависит от расположения штыря под пластинкой. Это позволяетполучить нужное его значение на резонансной частоте и обеспечить согласованиелинии передачи с излучателем.
Печатный излучатель, эквивалентная схема которого дана нарис. 7.4, а, содержит две двухпроводные линии, соответствующиеквази-T-волнам, возбуждаемым штырем в направлении осей симметрии пластинки.Будем считать, что дополнительно учитываемая квази-T-волна распространяетсявдоль оси симметрии пластинки, параллельной оси x (см. рис. 7.1).Возбуждение второй квази-T-волны и излучение, связанное с ней, такие же, как визлучателе, схема которого представлена на рис. 7.3. Длина эквивалентнойдвухпроводной линии и ее волновое сопротивление определяются размерамипластинки а и b соответственно. Смещение линиипередачи, эквивалентной устройству возбуждения, относительно средних сеченийуказанных отрезков двухпроводных линий равно смещению штыря вдольсоответствующих осей симметрии пластинки.
По эквивалентной схеме, представленной на рис. 7.4, можнопроанализировать характеристики практически во всех режимах работы. Еслиобозначить входные сопротивления нагруженных отрезков двухпроводных линий вместах включения устройств возбуждения как Z1′,Z2′, то эквивалентная схема примет вид,показанный на рис. 7.4, б. Обозначим через U напряжение на входеизлучателя. Тогда напряжения на сопротивлениях Z1,2’можно найти по формуле
/> (7.13)
Напряжения определяются в сеченияхэквивалентных двухпроводных линий, в которые включено устройство возбуждения.Напряжения на торцевых щелях
/> (7.14)
где
/> (7.15)
По формулам (7.13) — (7.15) можно найти амплитуды и фазывозбуждения торцевых щелей прямоугольного излучателя на низших типахрезонансных колебаний.НАПРАВЛЕННОСТЬПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЕЧАТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
При грубых оценках ДН прямоугольного печатного излучателя пополю с основной поляризацией можно рассматривать как ДН двух синфазных торцевыхщелей с равномерным распределением поля. Точно так же ДН по полю скроссполяризацией определяется как ДН двух противофазных боковых щелей снечетным распределением поля.
Формулы для расчета ДН при основной поляризации и кроссполяризации имеют соответственно вид
/> (7.16)
где q, j — углы сферической системы координат (см. рис. 7.1). При основной поляризации,когда торцевые щели расположены параллельно оси х или y,имеем соответственно
/> (7.17)
где />
Для поля, излучаемого боковыми щелями, ориентированны мипараллельно осям у и х, уровни кроссполяризационнойсоставляющей
/> (7.18)
/> (7.19)
где />
В главных плоскостях ДН по полю с кроссполяризацией равнанулю, так как либо боковые щели не излучают из-за не четного распределенияполя, либо излучение компенсируется из-за противофазности их возбуждения.
Диаграммы направленности печатного излучателя в решетке иодиночного существенно различаются. Причина этого — взаимная связь междуизлучателями, из-за которой токи индуцируются не только в возбуждаемомизлучателе, но и в соседних (см. гл. 2). В результате в ДН могут появиться провалы.Глубина провала зависит от размеров решетки и положения излучателя относительнограницы излучающего полотна. Если излучатели расположены вдали от границы ичисло их в излучающем полотне велико, то ДН излучателей практически одинаковы,а глубина провалов увеличивается с ростом размеров решетки и числа излучателей.КОЭФФИЦИЕНТПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Потери энергии в печатных излучателях АР связаны с потерямив диэлектрике подложки и покрытия, а также в металлических элементахконструкции — пластинке и экране. Потери в покрытии существенно меньше потерь вподложке, и в первом приближении их можно не учитывать, так как напряженностьэлектрического поля в пространстве между пластинкой и экраном существеннобольше, чем в диэлектрике покрытия.
Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, атакже удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.
acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip
Мощность потерь в подложке определяется через тангенс угладиэлектрических потерь диэлектрика подложки:
/> (7.20)
где jS — плотность тока на пластинке; t — толщинаподложки; eа — абсолютное значение диэлектрической проницаемости под ложки; SПЛ — поверхность пластинки.
Мощности потерь в пластинке и экране
/> (7.21)
где Dd угол диэлектрических потерь металлапластинки и экрана.
Отношение мощностей (7.21) и (7.20)
/> (7.22)
где e — относительная диэлектрическая проницаемость подложки.
Пример. Рассмотрим вкачестве примера прямоугольный излучатель на резонансной частоте
/> (7.23)
где а — резонансный размер пластинки; х, у — координаты на пластинке,начало отсчета которых совпадает с центром пластинки.
Подставив (7.23) в (7.,22),получим
/> (7.24)/> />
На рис. 7.5 приведены результаты численногоэксперимента по исследованию влияния качества диэлектрика подложки на КПД ФАР спрямо угольными печатными излучателями. На рис. 7.6 представлены зависимости hпечатного излучателя от высоты пластинки над экраномпри разных значениях tgD. Из графиков, приведенных на рисунках, следует, чтоуменьшение толщины подложки t приводит к росту потерь иуменьшению КПД ФАР.
Согласно (7.24) приуменьшении толщины подложки потери в экране и пластинке возрастают и могутсущественно превышать потери в диэлектрике подложки. При использовании ВЧдиэлектриков с tgD и толщиной подложки t>0,01lпотери в печатных излучателях пренебрежимо малы.
При больших смещениях штыря относительно центра печатного излучателя
/> (7.25)
где Z0вх(yшт)- резонансное входное сопротивление излучателя без потерь, определяемое (7.13);
/> (7.26)
Здесь/> a — коэффициент затухания полосковойлинии, отрезок которой с устройством возбуждения образует печатный излучатель.ПРЯМОУГОЛЬНЫЙПЕЧАТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ РАДИОВОЛН С ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
Поляризация излучаемых волн зависит от положения штыря иразмеров пластинки. Одиночный излучатель с линейной поляризацией полявозбуждается штырем, расположенным на оси симметрии пластинки, параллельнойстороне с резонансным размером. Положение штыря на оси симметрии пластинкиопределяется условием согласования излучателя с линией передачи, а рабочаяполоса частот — толщиной и диэлектрической проницаемостью подложки.Взаимодействие излучателей в ФАР приводит к существенному изменению иххарактеристик (рис. 7.7, 7.8).
/>
Расчет одиночного излучателя включает следующие этапы:
1. Определениерезонансных размеров. Выбирают исходные значения толщины и диэлектрическойпроницаемости подложки. При произвольном положении штыря на одной из осейсимметрии по (7.5) рассчитывают зависимость ZBХ=ZBX(b)или ZBX=ZВХ(а).Резонансному размеру пластины соответствует максимум активной составляющей ZBX.
2. Согласованиеизлучателя с линией передачи. Из условия Z0BX=Wл,где Wл — волновое сопротивление линии передачи; Z0BX— резонансное значение входного сопротивления излучателя [см. (7.12)],находят смещение штыря вдоль оси симметрии от средней точки пластинки.Предполагается, что |ZШТ|. Если это условиене выполняется, то производится компенсация ZШТ путемпараллельного или последовательного включения в линию передачи емкостного сопротивления.
3. Определениерабочей полосы частот. Рассчитывают коэффициент отражения на входе излучателя />. Рабочую полосу частотустанавливают из неравенства />, где /> — максимально допустимоезначение коэффициента отражения. Если полоса частот меньше требуемой,корректируют толщину и диэлектрическую проницаемость подложки и вновь выполняютп. 1,2. Если это не дает требуемого результата, то рассчитывают элементширокополосного согласования.ДВУХЧАСТОТНЫЙ ПЕЧАТНЫЙИЗЛУЧАТЕЛЬ ФАР
Печатные излучатели с прямоугольной формой металлическойпластинки позволяют реализовать двухчастотный режим работы. В этом режимеиспользуется резонанс квази-T-волн, распространяющихся в направлении осейсимметрии металлической пластинки.
Возбуждение излучателя на двух частотах можно осуществитьнезависимо с помощью двух штырей, расположенных на продольной и поперечной осяхсимметрии пластинки. Каждый из штырей (рис. 7.9) возбуждает лишь один типколебаний на одной из частот. Пары торцевых щелей, излучающие энергиюрезонансных колебаний, расположены взаимно перпендикуляр но. Поэтому плоскостиполяризации поля излучения на рабочих частотах образуют угол 90°.
Значение каждой из резонансных частот f1,2так же, как и в одночастотном режиме, зависит от одного из размеров пластинки ипрактически не зависит от другого. Отношение резонансных частот определяетсяотношением размеров сторон пластинки: f1/f2=a/b.Если разность резонансных частот /> превышаетрабочую полосу частот каждого из каналов, то входное сопротивление в этойполосе и ДН можно найти по методике расчета одночастотного излучателя.
На практике интерес представляет двухчастотный одноканальныйпечатный излучатель, возбуждаемый одним штырем. Сигналы с частотами f1, f2 разделяются в цепях СВЧ, связанных с излучателем. Такаяконструкция отличается простотой. Двух частотный режим работы обеспечиваетсясмещением штыря с оси симметрии пластины (см. рис. 7.1). Штырь возбуждает дванизших типа колебаний (см. рис. 7.4)./> />
Если рабочие частоты разнесены по частотной оси достаточно далеко друг отдруга, то на каждой из них одно из сопротивлений Z1или Z2 существенно меньше другого, как сопротивлениепараллельного контура при сильной расстройке, а входное сопротивлениедвухчастотного излучателя практически равно входному сопротивлениюодночастотного излучателя на соответствующей резонансной частоте. Штырь надорасполагать так, чтобы значения входных сопротивлений на каждой из рабочихчастот были одинаковыми.
Двухканальный излучатель рассчитывают по методике расчетаодноканального одночастотного излучателя с линейной поляризацией поляизлучения.ПРЯМОУГОЛЬНЫЙПЕЧАТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ РАДИОВОЛН С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
Печатный излучатель с круговой поляризацией может быть двух-и одноканальным. Конструкция двухканального излучателя такая же, какдвухчастотного, возбуждаемого двумя штыря ми (см. рис. 7.9). Каждый из каналовпри излучении волн круговой поляризации настраивают на одну частоту f0 — Для создания круговой поляризации волн каналы излучателя должны иметьодинаковые амплитуды и разность фаз (равную 90°). Такое возбуждениеобеспечивает, например, тройник, электрическая длина одного из плеч которого отличаетсяот другого плеча на l/4.При малой толщине подложки взаимная связь между каналами невелика и рассчитатьхарактеристики каждого из каналов можно по методике расчета одноканальногоизлучателя с линейной поляризацией поля излучения (см. § 7.5)./> />
Для выполнения одноканального излучателя возбуждающий штырь располагают внеосей симметрии, что позволяет одновременно возбуждать два низших типаколебаний, соответствующих возбуждению квази-T-волн, распространяющихся вдольосей симметрии пластинки. Для реализации круговой поляризации поля излучениянеобходимо обеспечить равенство амплитуд указанных колебаний и фазовый сдвиг,равный 90°. При расчете пользуются эквивалентной схемой, приведенной на рис.7.4. Для создания необходимого фазового сдвига излучатель расстраивают покаждому типу колебаний так, чтобы фазовый сдвиг между напряжениями нанагруженных отрезках с сопротивлениями Z1,2 (см. рис.7.4,б) имел заданное значение. Расстройку осуществляют путем измененияразмеров пластинки относительно резонансных (один из размеров увеличивают, адругой — уменьшают). Равенство амплитуд колебаний обеспечивается вы боромположения штыря под пластинкой. Требуемое направление вращения плоскостиполяризации поля излучения зависит от выбора увеличиваемого (или уменьшаемого)размера при настройке излучателя. Если, например, увеличивается размер а, тореактивная составляющая сопротивления Z1 имеетемкостный характер, a Z2 — индуктивный. Напряжение Uz1опережает Uz2 на 90°. Поляризация излучаемой волны — правая. Если увеличен размер b, то направление вращения плоскостиполяризации меняется на противоположное. Изменить направления вращенияплоскости поляризации можно симметричным перемещением штыря (рис. 7.10), прикотором фаза одного из колебаний меняется на 180°.
Расчет излучателя включает несколько этапов. На первом этапеопределяют резонансные размеры пластинки. Пластинка одиночного излучателя срезонансными размерами имеет форму квадрата, а в решетке — формупрямоугольника, размеры сторон которого зависят от соотношения шагов решетки.На втором этапе при некотором фиксированном положении штыря, например на однойиз диагоналей пластинки, находят размеры сторон пластинки, обеспечивающиенеобходимые фазовые соотношения между напряжениями Uz1,2(см. рис. 7.4,б). Фазы каждого из напряжений изменяются практическинезависимо за счет изменения размера соответствующей стороны пластинки. Размерысторон подбираются так, чтобы фазы напряжений Uz1,2 вэквивалентной цепи, схема которой дана на рис. 7.4, б, отличались на±45° от фазы тока. Равенство модулей указанных напряжений достигается подборомположения штыря под пластинкой. Выбор положения штыря должен обеспечивать такжесогласование излучателя с линией передачи. Поэтому при определении положенияштыря рассчитывают не только фазы напряжений Uz1,2, нои входное сопротивление излучателя.
На последнем этапе определяют ДН излучателя и другиехарактеристики.ШИРОКОПОЛОСНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ
/>
Рабочая полоса частот может быть расширена за счет использования встроенных визлучатель согласующихся элементов. В печатном излучателе с широкополоснымсогласующим устройством штырь через отверстие в пластинке соединен сразомкнутым шлейфом (рис. 7.11), образованным пластинкой излучателя ипрямолинейным плоским проводником, параллельным пластинке. Между пластинкой иленточным проводником может находиться диэлектрическая подложка. Длина шлейфана центральной частоте равна lш/4,где lш — длинаволны в отрезке полосковой линии, образующем шлейф. На частоте f0входное сопротивление разомкнутого шлейфа равно нулю, а входное сопротивлениеизлучателя остается таким же, как у излучателя без согласующего устройства. Приизменении частоты относительно f0 реактивные составляющиесопротивлений шлейфа и излучателя становятся не равными нулю, но знаки ихпротивоположны. При определенном выборе волнового сопротивления шлейфа можнообеспечить существенное уменьшение диапазона изменения реактивной составляющей входногосопротивления соединения излучателя и согласующего устройства по сравнению сдиапазоном излучателя без шлейфа.
Положение штыря под пластинкой выбирают так, чтобы нарезонансной частоте значение КБВ было равно допустимому. В этом случаерезонансное сопротивление излучателя должно удовлетворять условию
/> (7.27)
Если функции /> соответственночетная и нечетная относительно переменной (f—f0), то границаполосы согласования определяется условием
/> (7.28)
Здесь ZШ — входное сопротивление шлейфа:
/> (7.29)
f1,2 — граничные частоты полосы согласования; X(f1)»X(f2); WШ — волновое сопротивление шлейфа;lШ — длина шлейфа; lШ — длина волны вполосковой линии, отрезок которой образует шлейф.
Вблизи резонансной частоты
/> (7.30)
где />;
/> (7.31)
— волновое сопротивление шлейфа,компенсирующее реактив нулю составляющую входного сопротивления излучателя врабочей полосе частот [см. (7.28), (7.30)]. Более точное значение WШможно получить при использовании (7.29) вместо (7.30).