Определение резонансных частот микрополосковых патч-антенн (стр. 1 )

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ МИКРОПОЛОСКОВЫХ
ПАТЧ-АНТЕНН

Доцент

Содержание

ВВЕДЕНИЕ        2

1        Микрополосковые патч – антенны        4

1.1        Теория микрополосковых патч антенн        4

1.1.1        Расчет электрического поля излучателя круглой формы        5

1.2        Построение треугольных и тетраэдрических сеток        9

1.2.1        Методы построения треугольных и тетраэдрических сеток        11

1.2.2        Основные способы оптимизации треугольных и тетраэдрических сеток        12

1.3        Анализ методов решения электродинамических задач        15

1.4        Метод моментов        17

1.5        Функция Грина        18

1.6        Обзор базисных функций        18

1.7        RWG базисные функции        20

1.8        Обзор существующего программного обеспечения.        22

2        Програмная реализация        24

2.1 Построение численного решения задачи        24

2.3 Сравнение результатов с результами Matlab        28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        31

ПРИЛОЖЕНИ проекта        33

ВВЕДЕНИЕ

Микрополосковые антенны находят широкое применение при создании различных устройств мобильных систем связи: фазированных антенных решеток, базовых станций с секториальными диаграммами направленности, пространственно-разнесенного приема и др. Микрополосковые антенны обладают рядом преимуществ в отношении веса, габаритных размеров, стоимости, простоты изготовления, но представляют собой сложные для теоретического исследования электродинамические системы. Наиболее полную информацию об их характеристиках можно получить, используя строгие численно-аналитические методы прикладной электродинамики [1].

Расчет микрополосковых антенн произвольной конфигурации, основанный на строгих методах, очень часто оказывается сложным и громоздким, а порой и невыполнимым из-за трудностей принципиального характера. Выходом из этой ситуации является использование мощных вычислительных алгоритмов, таких как метод конечных элементов.

Целью данной работы является разработка алгоритма и программы электродинамического анализа частотных характеристик микрополосковой патч-антенны (МПА) произвольной формы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить существующие алгоритмы подсчета частотных характеристик антенн простой формы. Выбрать оптимальный метод триангуляции антенны произвольной формы, для более точного вычисления характеристик. Применить метод моментов для расчёта интегрального уравнения электрического и магнитного полей патч-антенны произвольной формы. Использовать в качестве базисных функций кусочно-линейные RWG функции. Программно реализовать разработанный алгоритм.

Структура работы соответствует ее целям и задачам: работа состоит из введения, двух разделов, заключения, списка использованных источников и приложений.

Для решения задач рассеяния и излучения электромагнитного поля необходим анализ существующих численных методов, способов решения, основанных на них, а также программного обеспечения.

Первая глава является введением в теорию МПА. В ней представлен математический аппарат теории антенн, обзор основных численных методов анализа частотных характеристик патч-антенн. Рассмотрены канонические формы МПА, способы дискретизации геометрических моделей и обзор существующего программные обеспечения. Приведена теоретическая основа метода решения задачи рассеяния электромагнитной (ЭМ) волны поверхностями произвольной формы (, , ).

Среди рассмотренных численных методов для решения задачи рассеяния ЭМ волны поверхностями произвольной формы выбран метод моментов. Для дискретизации моделей предложено использовать способ разбиения поверхности на треугольные элементы, т. к. он позволяет получить точное соответствие любой поверхности или границы и меньший порядок матрицы по сравнению с разбиением поверхности на прямоугольные элементы. Рассмотренный метод решения задачи рассеяния ЭМ волны поверхностями произвольной формы требует алгоритмизации. Вклад автора в решение данной задачи представлен в гл. 2.

Во второй главе проведено изучение алгоритма построения решения методом моментов. На основе объектно-ориентированного языка программирования java, построена компьютерная программа.

В заключении сформированы результаты работы.

Микрополосковые патч – антенны

Одной из основных тенденций развития современной радиоэлектроники является микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Значительные успехи в этом направлении получены при самом широком использовании достижений микроэлектроники как в части низкочастотных блоков РЭА, так и ее СВЧ модулей. Известно, что качественные характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами ее антенно-фидерного устройства (АФУ). Особенно заметный выигрыш в массогабаритных параметрах РЭА достигается при переходе в СВЧ модулях от планарных интегральных схем (ИС) СВЧ к объемным интегральным схемам (ОИС) [2]. Применение интегральной технологии позволяет с успехом решить задачи по созданию АФУ при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.

Понятие микрополосковой антенны было впервые введено в 1950гг. Однако, лишь спустя 20 лет, в 1970 начали реализоваться разработки печатной платы технологии (PCB - Printed Circuit Board). С тех пор микрополосковые антенны являются наиболее распространенными типами антенн с широким спектром применения из-за их очевидных преимуществ: легкий вес, низкая стоимость, плоская конфигурации, легко конформной, превосходной переносимости, подходящей для массива с легкостью изготовления а также интеграция с СВЧ монолитных интегральных схем (MMICs) .Они широко применяются для гражданских и военных применений, таких как радиочастотной идентификации (RFID), трансляция радио, мобильные системы, системы глобального позиционирования (GPS), телевизор, со множеством входов множеством выходов (MIMO) систем, транспортных средств система предупреждения столкновений, спутниковая связь, системы наблюдения, направление учредительный, радиолокационные системы, дистанционное зондирование, наведения ракет, и так далее[3].

Теория микрополосковых патч антенн

В настоящее время применяется большое число типов элементарных излучателей(ЭИ) плоской конструкции и антенных структур на основе объединения однотипных и разнотипных ЭИ в единой антенной системе. Трудность классификации ЭИ МПА состоит в том, что часто и в самом ЭИ используются объединение различных функциональных элементов, конструктивно составляющих единое целое с собственно излучателем. Первые попытки сделать обзор МПА и провести их классификацию в литературе, например[4].

Для примера (рисунок 1) представлены канонические формы ЭИ МПА.

Рисунок 1 – Канонические формы ЭИ МПА

(а) прямоугольный (квадратный); б) эллиптический (круглый); в) кольцо; г) треугольный; д) диполь

Разнообразие форм свидетельствует о больших сложностях теоретического анализа таких электродинамических структур. Переход от канонических форм ЭИ к усложненным геометрическим формам позволяет одновременно решить задачи согласования активной и компенсации реактивной компонент входного сопротивления ЭИ, обеспечения необходимой поляризации излучения, удобства сочетания ЭИ и АР и многие другие. Кроме того, необходимо учитывать, что переход к объёмным ИС представляет для МПА целый ряд интересных возможностей исследования третьего измерения [1]. При этом, например, входной полосовой фильтр приемного устройства можно связывать непосредственно с ЭИ или их группой, разводить (поэтажно) входы многоканальных устройств с минимумом коммутационных линий, существенно уменьшать паразитное излучение питающих фидеров и т. п. Разумеется, конструкция ЭИ при этом становится трехмерной и соответственно возрастают трудности ее адекватного описания, составления удобной математической или электрической модели и др.

Расчет электрического поля излучателя круглой формы

Рассмотрим круглую микрополосковую патч-антенну (рисунок 2). Рассматриваемая печатная антенна состоит из печатного излучателя на СВЧ, диэлектрика, к которому через питающий стержень подключен коаксиальный кабель источника сигнала.

Рисунок 2 – Круглая печатная антенна

На рисунке 3 показан вид силовых линий напряженности поля круглой пластины. При толщине пластины, стремящейся к нулю, влияние эффекта искривления линий будет снижаться и силовые линии на краях по контуру пластины будут иметь значительные участки, вдоль которых кривизна линии минимальна.

Рисунок 3 – Линии напряженности электрического поля печатной антенны

На рисунке 4 данный участок обозначен вектором . Рассматривая эти линии, можно судить о характере поля создаваемого излучателем, а складывая вектора по периметру можно оценить поле. Анализа этого поля достаточно для оценки работы излучателя.

Рисунок 4 – Линии напряженности электрического поля заряженной пластины при толщине подложке, стремящейся к минимальной