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. [1], [2], [3].

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 [4], [5], [6], [7], 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 [8], [9], [10]. В [11], [12] 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, [13], [14], [15], [16], 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 [11] и сверхширокополосной [12] 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 [11], 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.

Рассмотрим пример СШП антенны из [12], где за счет использования модифицированного Е-образного активного излучателя в конструкции составной микрополосковой антенны и четырех односторонних пассивных элементов типа «кольцевая бабочка» удалось получить высокий коэффициент усиления (от 10 до 13 дБи) с измеренной полосой согласования около 100% (от 3850 до 12000 МГц) при |S11| ≤ 10 дБ и около 85% при уровне |S11| ≤ 15 дБ. Внешний вид антенны показан на рисунке 2. В данной антенне активный излучатель крепится к плоскому экрану на расстоянии 3 мм с помощью диэлектрических (нейлоновых) монтажных стоек, пассивные излучатели крепятся к экрану на высоте 6 мм с помощью металлических монтажных стоек.

Несмотря на достигнутые высокие характеристики рассматриваемых антенн из [11], [12], предполагается, что путем оптимизации рефлектора возможно улучшить некоторые из них, в частности увеличить КУ.

3. Методика увеличения направленности антенны

В [17] представлены исследования, показывающие влияние формы и размера объемного рефлектора (резонатора) на исследуемые антенны из [11], [12]. 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.

У реальной антенны, в частности микрополосковой, эквивалентная схема излучателя представляет собой более сложную комбинацию из последовательно соединенных RLC-контуров, каждый из которых настроен на определенную частоту. В первую очередь это объясняется тем, что в таких антеннах помимо возбуждения основной моды появляются моды высших порядков ТМ200, ТМ300, ТМ400 и т.д. [18, С. 257-264]. Во вторую очередь, рассматриваемые антенны из [11], [12] имеют многорезонансную конструкцию излучающей системы, позволяющую тем самым получить широкую и сверхширокую рабочие полосы частот (рисунок 4).

В [17] показано, что классический резонатор прямоугольной формы слабо улучшает характеристики излучения как ШП, так и СШП антенны. Это предсказуемо, так как такой рефлектор по сути представляет собой отрезок волновода прямоугольной формы, где распределение поля на излучающих частях антенны зависит от возбуждения высших мод резонатора, а в первую очередь основной моды (ТЕ10), что ограничивает применение такого резонатора в ШП и СШП антеннах. Кроме того, в [17] показано, что применение резонатора с высокими стенками негативно влияет на согласование, что, в свою очередь, также снижает КУ антенны.

Для улучшения характеристик излучения рассматриваемых антенн [11], [12] 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 [17], 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.

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 [11] и СШП [12] конструкций возрастает концентрация электрического поля, что и приводит к улучшению характеристики излучения антенны (или направленных свойств антенны).

С целью подтверждения обозначенных выводов необходимо выполнить расчеты характеристик антенн на основе трехмерного моделирования.

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%.

На рисунке 12 показаны диаграммы усиления ШП антенны, построенные в двух плоскостях. Из представленных диаграмм видно, что помимо увеличения КНД (или КУ) объемный рефлектор (резонатор) позволяет существенно увеличить значение коэффициента защитного действия — в верхней части рабочего диапазона частот до 10 дБ.

На рисунке 13 показаны рассчитанные зависимости коэффициентов усиления сверхширокополосной антенны от частоты, а на рисунке 14 — частотные зависимости коэффициентов отражения, рассчитанные на входе сверхширокополосной антенны.

На рисунке 15 показаны диаграммы усиления СШП антенны, построенные в главных плоскостях.

Из графиков на рисунке 13 видно, что коэффициент усиления СШП антенны во всем рабочем диапазоне частот увеличился от 2 до 4 дБ, при этом уровень кроссполяризационной составляющей остался примерно прежним, так коэффициент кроссполяризационной развязки составляет более 50 дБ для антенны с объемным пирамидальным рефлектором (резонатором). По рассчитанным диаграммам усиления СШП антенны (рисунок 15) также видно увеличение коэффициента усиления (или КНД) и соответствующее сужение основного лепестка. Как и в варианте ШП антенны наблюдается улучшение значения коэффициента защитного действия практически во всем рабочем диапазоне частот.

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

—

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.

The additional file for this article can be found as follows: