УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ ДЛЯ ПРЕПОДАВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ ДИСЦИПЛИНЫ "УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ"
, , (научный руководитель)
Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
660074, Красноярск,
E-mail: *****@***ru
В статье описывается учебно-методический комплекс, обеспечивающий всестороннее знакомство студентов с принципами действия антенн различного типа. При работе с комплексом выполняется теоретический расчет характеристик антенн, численное моделирование и экспериментальная проверка результатов. В состав комплекса входят математические модели антенн в MathCAD, электродинамические модели в CST Microwave Studio, лабораторные макеты антенн. Макеты изготовлены простым и дешевым печатным способом с использованием технологии волновода, интегрированного в подложку, что позволяет иметь несколько экземпляров антенны одного типа с разными параметрами, и исследовать влияние конструктивных параметров антенны на ее характеристики.
При подготовке студентов по курсам «Электродинамика и распространение радиоволн», «Устройства СВЧ и антенны» проводятся лабораторные занятия, посвященных изучению принципов действия излучающих устройств различного типа. Проведение таких занятий требует использования специальных стендов, представляющих собой измерительный прибор и набор макетов излучающих устройств. Как правило, в распоряжении вузов имеется измерительная техника в достаточном для выполнения работ объеме. Однако, макеты излучающих устройств, обычно либо отсутствуют, либо имеются в крайне ограниченном количестве, не позволяющем в полном объеме продемонстрировать принципы их действия. В связи с этим актуальной задачей является разработка комплекта лабораторных макетов, ликвидирующих этот пробел.
Особенностью преподавания данных дисциплин, изучающих электромагнитное поле и излучающие устройства, является невозможность наглядного представления протекающих процессов. Студенты с трудом воспринимают принцип действия и особенности функционирования антенно-фидерных устройств. Однако использование современных программных и аппаратных средств позволяет выполнить визуализацию электромагнитных процессов на компьютере, а затем подтвердить теоретические предпосылки путем измерения характеристик на макетах реальных антенн.
В описываемом учебно-методическом комплексе используется сквозная методология преподавания, сочетающая в себе теоретическое рассмотрение, численное моделирование и экспериментальную проверку результатов. В состав комплекса входят: математические модели, электродинамические модели, лабораторные макеты, методическое обеспечение. Для изучения используется широкий ряд антенн, в том числе:
· вибраторные антенны (симметричный вибратор, антенны типа «волновой канал»);
· широкополосные излучатели (антенна Вивальди, вибраторная логопериодическая антенна, широкополосный симметричный вибратор);
· антенные решетки (линейная антенная решетка (АР) с параллельным равноамплитудным питанием, линейная АР с неравномерным фазовым и амплитудным распределением, плоские АР с квадратным и гексагональным расположением элементов, волноводно-щелевые решетки);
· апертурные антенны (рупорная секториальная антенна, зеркальная параболическая секторная антенна);
· сканирующие антенны (линейная АР с линейным фазовым распределением, линейная АР с последовательным питанием и частотным сканированием, многолучевая АР).
В ходе выполнения лабораторных работ студентом осуществляются следующие действия:
1. От преподавателя поступает задание на анализ антенны определенного типа.
2. По заданным размерам и типу антенны с помощью математической модели выполняется расчет основных характеристик: диаграмма направленности (ДН), входное сопротивление, коэффициент отражения на входе антенны, коэффициент направленного действия. Анализируется зависимость характеристик антенны от ее параметров.
3. Выполняется настройка электродинамической модели, подготовленной в САПР СВЧ, в соответствии с исходными данными. Рассчитываются распределение электромагнитного поля и другие характеристики модели. На основании полученных результатов студент знакомится с принципом действия устройства при помощи визуализации электромагнитных процессов в режиме реального времени.
4. На лабораторном стенде измеряются рассчитанные ранее характеристики макета. Производится сравнительный анализ.
Как правило, изготовление макетов антенн, в особенности апертурных, сопряжено со значительными денежными затратами, так как требует использования громоздких и дорогостоящих волноводов, металлических рефлекторов и т. д. В отличие от общепринятого подхода, все макеты, входящие в учебный комплекс, изготовлены по дешевой и хорошо отлаженной печатной технологии. При этом макеты, представляющие собой волноводные или апертурные излучатели (волоноводно-щелевая антенная решетка, рупорная антенна) изготавливаются по технологии волновода, интегрированного в подложку – substrate integrated waveguide (SIW) [1]. Такой волновод образуется двумя рядами металлизированных отверстий в печатной плате, которые обеспечивают электрическое соединение двух сторон металлизации печатной платы, и формируют, таким образом, замкнутую полость волновода в диэлектрике подложки (рис. 1). Использование данных технологий позволяет заметно снизить себестоимость макетов, сохраняя при этом характерные особенности исследуемых антенн. Низкая стоимость макетов позволяет изготовить несколько экземпляров антенны одного типа с разными параметрами (например, ВЩАР различной длины [2], либо рупорную антенну с разным размером раскрыва). Это дает возможность продемонстрировать студентам особенности работы антенн и исследовать влияние конструктивных параметров антенны на ее характеристики.
Рис. 1. Волновод, интегрированный в подложку
На рисунках 2-8 представлены некоторые примеры, демонстрирующие состав электродинамических моделей и макетов, входящих в комплекс. Все макеты работают в одном двух общих диапазонов частот: 2-4 ГГц и 6-12 ГГц, что позволяет использовать их совместно с широко распространенными измерительными приборами Микран Р2М-4, Микран Р2М-18.
Рис.2. Модель печатного симметричного вибратора
Рис.2. Макет волноводно-щелевой антенной решетки
Рис.7. Модель Н-секториальной рупорной антенны
Рис.8. Модель микрополосковой антенны прямоугольной формы
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в базовой части НИР, выполняемых по государственному заданию в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Список литературы
1. M. Bozzi, A. Georgiadis, and K. Wu, "Review of Substrate Integrated Waveguide (SIW) Circuits and Antennas," IET Microwaves, Antennas and Propagation, Vol. 5, No. 8, pp. 909–920, June 2011.
2. , , Саломатов -щелевая антенная решетка Х-диапазона на основе интегрированных в подложку волноводов // Изв. вузов. Физика. – 2013. - №8/2, Т. 56 - С. 105-107.
