Применение объемных отражающих структур для улучшения направленных свойств широкополосных и сверхширокополосных микрополосковых антенн
Применение объемных отражающих структур для улучшения направленных свойств широкополосных и сверхширокополосных микрополосковых антенн
Аннотация
Рассматриваются уникальные методы в разработке широкополосных (с полосой согласования около 40%) и сверхширокополосных (с полосой согласования около 100%) антенн с высоким коэффициентом усиления (не менее 10 дБи в рабочей полосе частот). На основе ранее опубликованных исследований, посвященных конструкциям составных микрополосковых антенн с модифицированными активным и пассивными излучателями, в данной статье предлагается методика значительного увеличения (от 2 до 4 дБ во всем рабочем частотном диапазоне) коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) рассматриваемых антенн. Суть метода заключается в применении объемных отражателей (рефлекторов) в форме перевернутой пирамиды вместо плоских экранов. В статье представлены результаты трехмерного моделирования конструкций, подтверждающие применимость предлагаемых методов.
1. Введение
Направленные антенны, то есть антенны с высоким коэффициентом направленного действия (КНД), или с высоким коэффициентом усиления (КУ) широко используются в области современных радиотехнических систем (РТС), таких как системы беспроводной связи (беспроводной передачи данных) прямой видимости или спутниковой связи, системах радиомониторинга, измерительных лабораториях, при организации связи в робототехнических системах и комплексах (в беспилотных системах), в наземных или бортовых радиолокационных станциях и т. д. , , .
Практически во всех современных РТС требуется работа как минимум в широкой полосе частот, а часто и в сверхширокой, в том числе работа в нескольких полосах частот, часто широких. Тема разработки компактных сверхширокополосных (СШП) антенн с высоким КНД, кроме прочего, актуальна ввиду распространенности систем радиомониторинга, где требуется обнаружение источников радиоизлучения на достаточном удалении с возможностью оперативно анализировать достаточно большие участки спектра, а габариты антенн и их количество имеют значение.
Во многих работах, например , , , , описаны методы повышения КУ антенны. Они часто связаны с расширением поверхности излучения антенны: рупорные антенны, параболические зеркальные антенны и их различные модификации. Кроме того, используются конструкции, называемые антенными решетками, состоящие из множества отдельных излучателей, соединенных особым образом в единую излучающую систему, в том числе широкополосные и сверхширокополосные , , . В , приводится некоторый анализ широкополосных (ШП) антенн, с описанием недостатков той или иной конструкции, а также приводятся уникальные решения, позволяющие добиться работы антенн в широком и сверхшироком диапазонах частот с формированием направленной диаграммы с КУ не менее 10 дБи в рабочей полосе частот.
Отметим, что микрополосковые антенны имеют ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими типами. Микрополосковые антенны чаще всего просты в изготовлении, при этом изготовление возможно с достаточно высокой точностью при небольших финансовых затратах, в сравнении, например, с рупорными или зеркальными антенными. То есть рассчитанную (смоделированную) топологию легко воспроизвести с высокой точностью соответствия. Известны работы, например, , , , , где за счет формы рефлектора (резонатора) авторам удалось существенно улучшить коэффициент усиления микрополосковой антенны. Такой подход позволяет, во-первых, улучшить характеристики излучения антенны, во-вторых, сохранить прочие полезные свойства микрополосковой антенны, например полосу согласования при заданном уровне.
В данной статье на примере широкополосной и сверхширокополосной составных микрополосковых антенн рассмотрены возможности увеличения коэффициента усиления за счет специальной конструкции отражателя — в виде перевернутой пирамиды. Предлагаемый метод позволил увеличить КУ антенн на 3–4 дБ в рабочих диапазонах частот, при этом полоса согласования антенн не ухудшилась. После добавления объемного рефлектора в конструкции антенн коэффициент усиления поднялся примерно до 15–17 дБи, что ставит такие антенны в один ряд с известными измерительными рупорными антенными с аналогичными характеристиками, однако с более высокими требованиями к точности изготовления.
2. Краткое описание исследуемых широкополосных антенн
В качестве первого примера рассмотрим ШП антенну из , где за счет использования Е-образного активного элемента в конструкции составной микрополосковой антенны удалось получить высокий коэффициент усиления (от 10 до 13 дБи) с полосой согласования около 33% при |S11| ≤ 10 дБ и около 26% при |S11| ≤ 15 дБ. Внешний вид антенны показан на рисунке 1. В данной антенне активный излучатель крепится к плоскому экрану на расстоянии 3 мм с помощью диэлектрической (нейлоновой) монтажной стойки, пассивные излучатели крепятся к плоскому экрану на высоте 6 и 7 мм с помощью металлических монтажных стоек.
![Исследуемая широкополосная направленная антенна из [11]](/media/images/2025-09-18/b90fa732-64a4-4770-800e-225423a5043d.png)
Рисунок 1 - Исследуемая широкополосная направленная антенна из [11]
![Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны из [12]](/media/images/2025-09-18/036a0ec8-3577-4d4a-99c2-a860b4f7aa6d.png)
Рисунок 2 - Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны из [12]
3. Методика увеличения направленности антенны
В представлены исследования, показывающие влияние формы и размера объемного рефлектора (резонатора) на исследуемые антенны из , . Суть применения резонатора состоит в том, что он позволяет улучшить распределение поля на излучающих частях антенны, тем самым улучшить ее характеристики излучения. Классическая упрощенная эквивалентная схема любой резонаторной антенны показана на рисунке 3. В схеме параллельно включенный колебательный контур резонатора указывает на улучшение работы излучающей системы в целом, без изменения (смещения, сужения или расширения) ее частотных характеристик.
Рисунок 3 - Упрощенная эквивалентная схема резонаторной антенны
Рисунок 4 - Эквивалентная схема многорезонансной антенны с объемным рефлектором
Для улучшения характеристик излучения рассматриваемых антенн , предлагается конструкция резонатора в виде перевернутой пирамиды, как показано на рисунках 5 и 6. Высота стенок рефлектора составляет 20 мм и выбрана из соображений наиболее оптимального значения эффективности излучения антенны (отношения коэффициента усиления к площади). В качестве материала стенок выбирается любой проводник (металл), в данном случае заданы параметры, соответствующие алюминию. Выполненные расчеты на основе трехмерного моделирования, в том числе, представленные в , показывают, что наибольшее увеличение КНД антенны достигается при углах наклона стенок резонатора около 45° в E-плоскости (влияние стенок в H-плоскости на КНД сказывается слабее, однако при близком расположении стенок к излучателям происходит ухудшение согласования антенны в целом). При оптимальной форме отражателя практически не происходит влияния на согласование антенны.
Рисунок 5 - Исследуемая конструкция широкополосной направленной антенны с широкополосным резонатором
Рисунок 6 - Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны с широкополосным резонатором
Работу антенн с добавлением перевернуто-пирамидального резонатора можно увидеть на рисунках 7–9. На рисунке 7 показано распределение поверхностных токов на элементах конструкции на разных частотах, рассчитанное на примере трехмерной модели сверхширокополосной антенны в программном модуле ANSYS EM Suite HFSS Design. Видно, что у антенны с плоским рефлектором токи концентрируются вокруг излучающих элементов, когда у резонатора поверхностные токи текут и по его стенкам на всех частотах исследуемого диапазона частот, вызывая вторичное излучение электромагнитного поля. Результат такого распределения мы видим на рисунках 8 и 9, откуда видно, что в сравнении с использованием обычного плоского экрана при добавлении резонатора на краях пассивных элементов ШП и СШП конструкций возрастает концентрация электрического поля, что и приводит к улучшению характеристики излучения антенны (или направленных свойств антенны).
Рисунок 7 - Сравнение распределения поверхностных токов по поверхностям элементов сверхширокополосной направленной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 4–9 ГГц
Рисунок 8 - Сравнение распределения электрического поля по поверхностям элементов сверхширокополосной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 4–9 ГГц
Рисунок 9 - Сравнение распределения электрического поля по поверхностям элементов широкополосной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 5–6 ГГц
4. Результаты моделирования антенн с резонирующими отражателями
На основе предложенных трехмерных моделей антенн с добавлением резонаторов в виде перевернутой пирамиды (рисунки 5 и 6) выполнены расчеты основных характеристик антенн. Так, на рисунках 10–12 показаны характеристики широкополосной антенны, а на рисунках 13–15 показаны рассчитанные характеристики сверхширокополосной антенны.
Рисунок 10 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления ШП антенны от частоты, откуда видно, что коэффициент усиления во всем рабочем диапазоне частот существенно увеличился — от 2 до 4 дБ в нижней и верхней частях исследуемого диапазона соответственно, при этом уровень кроссполяризационной составляющей также поднялся, однако коэффициент кроссполяризационной развязки остался не хуже 45 дБ — аналогично исходной конструкции с плоским рефлектором. На рисунке 11 показана частотная зависимость коэффициента отражения на входе ШП антенны. Видно, что добавление резонатора практически не сказывается на согласовании антенны, формы кривых очень схожи у исходной конструкции с плоским рефлектором и антенны с добавлением резонатора, ухудшение последней незначительное — около 45 МГц по уровню минус 10 дБ, что соответствует сужению рабочего диапазона примерно на 1%; при этом, при расчете полосы согласования по уровню |S11| ≤ –15 дБ сокращение рабочего диапазона составляет всего около 0,5%.
Рисунок 10 - Зависимости коэффициентов усиления широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 11 - Зависимости модулей коэффициентов отражения на входе широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 12 - Диаграммы усиления широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 13 - Зависимости коэффициентов усиления СШП антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 14 - Зависимости модулей коэффициентов отражения на входе сверхширокополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
На рисунке 15 показаны диаграммы усиления СШП антенны, построенные в главных плоскостях.
Рисунок 15 - Диаграммы усиления СШП антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Из кривых на рисунке 14 видно, что добавление резонатора слабо сказывается на согласовании антенны, аналогично ШП антенне происходит небольшое сужение рабочего диапазона (не более 1%), вид кривых с плоским и объемным рефлекторами схож. В нижней части частотного диапазона (на участке примерно 4200–6000 МГц) наблюдается небольшое возвышение значений коэффициента отражения и превышение требуемого значения — минус 10 дБ. Это сказывается на значении результирующего коэффициента усиления (что видно из рисунка 13), однако при проектировании антенны возможно выполнить ее согласование небольшой подстройкой размеров активного излучателя.
5. Заключение
В статье рассмотрены методы улучшения характеристик излучения ранее исследованных составных микрополосковых антенн. Рассмотрено влияние резонатора на распределение электрического поля по элементам антенны. На основе трехмерного моделирования антенн в программном пакете ANSYS EM Suite получено, что применение объемного резонатора в виде перевернутой пирамиды с оптимальными размерами стенок существенно улучшает направленность антенны, точнее ее коэффициент усиления — на 2–4 дБ в рабочих широком и сверхшироком диапазонах частот в сравнении с плоским рефлектором. Также показано, что замена плоского рефлектора на объемный резонатор с наклонными стенками слабо влияет на согласование антенны, в отличие от классического прямоугольного резонатора.
Основная особенность применения рефлектора (резонатора) в виде перевернутой пирамиды заключается в его изменяющейся ширине, что позволяет улучшить распределение поля по элементам составной антенны даже в сверхшироком диапазоне частот, в отличие от распространенной практики применения резонаторов прямоугольной формы.
Рассмотренные уникальные широкополосные и сверхширокополосные конструкции антенн за счет своих характеристик могут использоваться в таких РТС, как системы беспроводной связи или передачи данных, обеспечивая радиосвязь на больших дистанциях за счет высокого КУ, в системах ретрансляции, в качестве антенн наземных терминалов связи в беспилотных авиационных системах, в качестве измерительных антенн в лабораториях либо антенн систем радиомониторинга.
Предлагаемый метод может быть исследован применительно к другим микрополосковым направленным антеннам. Кроме того, предполагается провести экспериментальные исследования с целью подтверждения всех завяленных в статье улучшений характеристик антенн.