а
б
в
Рис. 39. Частотная зависимость входного импеданса полуволновой КСА при разной длине короткого проводника
8. Экспериментальное исследование многопроводных КСА
В этом разделе будут представлены результаты экспериментального исследования ряда КСА с многопроводными СИ, которые были разработаны в МКБ «Компас» для использования в приемниках систем спутниковой навигации.
На рис. 40 показана фотография четвертьволновой КСА с трехпроводными КСА. Экспериментально также исследовалась КСА с двухпроводными СИ. СИ выполнялись в виде полосковых проводников, расположенных на тонкой диэлектрической основе, которая сворачивалась в цилиндр, формируя систему из четырех СИ.
Рис. 40. Фотография макета четвертьволновой КСА с трехпроводными СИ
КСА устанавливалась на печатной плате со стороны ее металлического экрана. На противоположной стороне платы располагается схема питания КСА, которая представляет собой микрополосковую схему, имеющую четыре выхода, в виде металлических проводников, выведенных через экран. К ним присоединялись центральные проводники СИ. Другие проводники соединялись с экраном полосковой схемы.
Схема питания при работе антенны на передачу выполняет функцию формирования четырех напряжений, имеющих одинаковые амплитуды и сдвинутые по фазе на ?90 градусов друг относительно друга. В зависимости от знака фазового сдвига КСА излучает волны левой или правой круговой поляризаций. Схема питания может иметь разную структуру. В ходе экспериментов использовались схемы питания на основе реактивных делителей мощности и на основе балансных делителей мощности. В качестве балансных делителей применялись микросхемы серии QCN. Достоинством балансного делителя является согласование и развязка боковых плеч, которые исключают взаимодействие выходов схемы питания из-за рассогласования входов антенны. К недостаткам таких делителей относятся потери мощности, которые могут достигать 0.7-0.8 дБ на одну микросхему.
Реактивные делители мощности не имеют столь больших потерь, но их боковые плечи не согласованы и не развязаны. С одной стороны, это создает определенные сложности, которые обусловлены тем, что при рассогласовании входов антенны отраженные от них волны через схему питания поступают на ее соседние выходы. При этом амплитуды и фазы волн на этих выходах отличаются от оптимальных, что, в первую очередь, снижает коэффициент эллиптичности КСА. С другой стороны, схема питания на реактивных делителях мощности может улучшить согласование антенны, как это показано в работе [9]. Выбор типа схемы питания зависит от конкретных технических требований к антенне.
На рис. 41 представлена фотография, сделанная с экрана панорамного измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ). Она показывает частотную зависимость КСВ антенны с трехпроводными СИ. Видно, что на центральной частоте, которая равна 1.59 ГГц антенна имеет КСВ равный 1.06, то есть она очень хорошо согласована. Это говорит о том, что применение многопроводных СИ действительно позволяет добиться согласования КСА с 50-омной линией передачи. Представленный образец КСА согласован по уровню КСВ=1.5 в полосе 1.572-1.62 ГГц. Такой полосы согласования достаточно для приема сигналов систем GPS и ГЛОНАС, которые излучаются в диапазоне 1.575-1.615 ГГц (так называемый диапазон L1).
Рис. 41. Частотная зависимость КСВ четвертьволновой КСА
Для относительно узкополосных антенн, к которым относится четвертьволновая КСА, важным показателем качества является ее коэффициент усиления (КУ). Следует отметить, что для узкополосных антенн важное значение имеют тепловые потери, влияние которых не позволяет использовать КСВ в качестве единственного критерия эффективности излучения в свободное пространство.
Измерения КУ проводились по стандартной методике путем измерения коэффициента передачи в тракте, включающем передающую антенну, свободное пространство и приемную антенну. В качестве передающей антенны использовалась широкополосная спиральная антенна. Если КУ эталонной антенны известен, то, вычисляя разницу между коэффициентами передачи (выражены в децибелах), которые обеспечивают исследуемая и эталонная антенны, можно найти КУ исследуемой антенны. На практике критерием качества функционирования КСА является близость ее коэффициента передачи к эталонной антенны. В качестве эталонной антенны применялась большая полуволновая КСА, которая имеет КУ на уровне лучших антенн, используемых в системах спутниковой навигации.
На рис. 42 представлены частотные зависимости коэффициента передачи четвертьволновых КСА с двухпроводными СИ. Кривые 1,2 соответствуют КСА с разными параметрами. Кривая 3 соответствует эталонной антенне. Мы можем сделать вывод о том, что разработанная КСА имеет максимальное значение , примерно на 1 дБ меньшее, чем у эталонной антенны.
Рис. 42. Частотная зависимость коэффициента передачи четвертьволновой КСА с двухпроводными СИ
Снижение можно объяснить существенным сужением полосы рабочих частот, то есть ростом добротности антенны. Рост добротности, эквивалентный снижению излучающей способности КСА, всегда сопровождается ростом тепловых потерь.
На рис. 43 показаны частотные зависимости коэффициента передачи четвертьволновых КСА с трехпроводными СИ. Кривые 1 - 3 соответствуют антеннам с разными размерами проводников, а кривая 4 получена для эталонной антенны. Оптимальной настройке КСА соответствует кривая 2. КСА с трехпроводными СИ более узкополосна, чем антенна с двухпроводными СИ. Также ее коэффициент передачи примерно на 0.5 дБ ниже.
Рис. 43. Частотная зависимость коэффициента передачи четвертьволновой КСА с трехпроводными СИ
Полуволновая КСА с двухпроводными СИ была реализована в виде тонкой пленки с печатными проводниками, расположенной на поверхности диэлектрического конуса (см. рис. 44). В качестве диэлектрика использовался стеклотекстолит с диэлектрической проницаемостью около 5. Исследовались две антенны, отличающиеся рабочими частотами. Одна антенна предназначена для работы в упомянутом выше диапазоне , а другая в диапазоне : 1.235-1.252 ГГц.
Рис. 44. Конструкция макета конической полуволновой КСА с двухпроводными СИ
На рис. 45 - 48 показаны полученные экспериментально характеристики полуволновых КСА. На рис. 45 и 46 представлены частотные зависимости коэффициента передачи . На рис. 45 кривая 1 соответствует исследуемой КСА, кривая 2 эталонной антенне. На рис. 46 кривые 1 и 2 получены для КСА с разными размерами проводников, а кривая 3 соответствует эталонной антенне.
Из рис. 45 видно, что в диапазоне разработанная КСА имеет практически тот же КУ, что и эталонная антенна. Они также близки по полосе рабочих частот.
Рис. 45. Частотная зависимость коэффициента передачи полуволновой КСА с двухпроводными СИ в диапазоне
Рис. 46. Частотная зависимость коэффициента передачи полуволновой КСА с двухпроводными СИ в диапазоне
В диапазоне исследуемая КСА примерно на 1 дБ уступает эталонной, что можно объяснить снижением ее КУ за счет уменьшения частоты.
На рис. 47 и 48 изображены полученные экспериментально диаграммы направленности КСА в диапазонах и соответственно. Диаграммы направленности измерены в плоскости, проходящей через ось антенны, верхняя часть которой ориентирована в направлении . Видно, что КСА в обоих диапазонах обладает направленными свойствами.
Рис. 47. Диаграмма направленности полуволновой КСА в диапазоне
Рис. 48. Диаграмма направленности полуволновой КСА в диапазоне
Литература
1. Патент США №4008479, 1977.
2. Патент США №5138331, 1992.
3. Патент США №5170176, 1992.
4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988.
5. Сазонов В.П., Силин Р.А. Замедляющие системы. М.: Сов. Радио. 1966.
6. Неганов А.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ. М.: Радио и связь. 2006.
7. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь. 1982.
8. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под. ред. И.С. Ковалева. М.: Сов. Радио. 1974.
9. Банков С.Е., Давыдов А.Г., Курушин А.А. Проектирование многоэлементных антенн со сложными системами питания // EDA Express. 2007. №16. С.23.