Электродинамическое моделирование некоторых типов широкополосных вибраторных антенн

где − приближённое ядро уравнения.

Входными  параметрами для данного уравнения  будут параметры среды. Полученное уравнение Поклингтона, после ряда преобразований, решается численно с помощью метода Галеркина.

В настоящее время теория электрического вибратора в свободном пространстве разработана достаточно глубоко, в  том числе, на основе решения ИУ с  приближенным регулярным ядром и, реже, с сингулярным, которые справедливы  для больших радиусов вибраторов. Тем не менее, вопрос разработки простых и эффективных численно-аналитических методов решения СИУ с учетом особенности на ребре остается открытым.

 

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ.

 

2.1 ПАКЕТ CST MICROWAVE STUDIO

 

CST MICROWAVE STUDIO − это мощная программа  трехмерного моделирования электромагнитного  поля. Программа использует различные  методы расчета поля (расчет переходного  процесса во временной области,  анализ в частотной области,  метод нахождения собственных  частот). Основной метод − расчет  переходного процесса решает  задачи возбуждения структуры  радиоимпульсами, что отличает  её от большинства других программных  продуктов. 

Современные СВЧ устройства: радиоприемники, передатчики, системы переноса информации на радиочастоте – фактически состоят из антенны, радиоканала приема/передачи, блоков перевода информации из аналогового  вида в цифровой и обратно (посредством  АЦП/ЦАП) и цифровой части. Отдельные  радиотехнические узлы – цифровые фильтры, коммутаторы, системы распознавания  образов сигнала, системы разделения полезных сигналов и помех – реализуются в виде микросхем и процессоров. Поэтому проектирование полной системы приема и обработки радиоволн включает анализ коммутационных, модуляционных и прочих узлов, управляемых на уровне «цифры». Эти и другие особенности современных радиосистем требуют разработки и исследований новых методов анализа, синтеза и проектирования, как всей системы, так и отдельных узлов. В условиях высокого темпа производства современный исследователь должен однозначно получить ответ, какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности.

Программа CST MICROWAVE STUDIO™ − это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного  моделирования объектов разнообразной  формы на электродинамическом уровне.

 

2.2 СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ И МЕТОД  РАСЧЁТА В

CST MICROWAVE STUDIO

 

В процессе проектирования СВЧ устройств  с помощью CST Microwave Studio в их конструкции  в трехмерном представлении вводятся с помощью черчения простейших геометрических фигур – примитивов и выполнения логических (булевых) операций над ними. Имеются и широкие возможности  импорта моделей из других программ. После того, как конструкция начерчена  и заданы граничные условия, включая  источники возбуждения, выполняется  разбиение всего пространства задачи на сетку, а затем рассчитывается поле в каждой точке пространства.

Наиболее  гибкий метод расчета, реализованный  в Microwave Studio в виде переходного решающего  устройства Transient Solver, может провести расчет проектируемого устройства в  широком диапазоне частот после  расчета единственной переходной характеристики (в отличие от частотного метода, который требует анализ во многих частотных точках). Этот метод очень эффективен для решения многих СВЧ устройств, типа разъемов, линий передачи, фильтров, антенн и т.д.

                        а)                                                           б)

Рис.19. Рассчитанные распределения ближних полей (а) и диаграмма направленности антенны телефона (б).

 

Программа Transient Solver становится менее эффективным  при решении низкочастотных задач, когда размер структуры намного  меньше длины волны. В этих случаях  может быть целесообразно решать задачу в частотной области. Этот подход наиболее эффективен, когда  представляют интерес характеристики только в нескольких частотных точках.

Базовый метод расчета в Microwave Studio – метод  конечного интегрирования (FIT) –  является методом пространственной дискретизации, в котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки (сетку). При этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей  во временной области (FDTD) как частный  случай метода FIT. Очень важная особенность  решения во временной области  – пропорциональная зависимость  требуемых вычислительных ресурсов от размеров структуры. В настоящее  время, на современном персональном компьютере с помощью метода FDTD можно  выполнить расчет структур с размером до нескольких десятков длин волн.

Не  менее важная особенность Microwave Studio – возможность полной параметризации модели структуры (от геометрии до свойств  материалов), которая использует переменные при определении каждого варьируемого параметра. В комбинации со встроенным оптимизатором и возможностью прямого  изменения параметров, Microwave  Studio эффективно выполняет проектирование устройств на электродинамическом  уровне. Комплекс CST идет в ногу с  появлением физических задач, связанных  с освоением космоса, с работой  в приборах исследовании элементарных частиц, биологии и медицине. Комплекс CST значительно расширяется в  последние годы, и таким образом  не теряет пальму первенства в популярности.

Алгоритм  решения современных задач с  физическим содержанием сводится к  точному моделированию физических процессов, включающих распространение  электромагнитных волн, тепловые явления, учет движущихся в пространстве расчета  частиц.

  В CST реализовано несколько методов  расчета. 

1. Расчет переходного процесса. В этом режиме CST обеспечивает:

− эффективное моделирование структур с потерями и без потерь,

− расчет S – параметров в широком  диапазоне частот по единственного  расчету переходного процесса, применяя преобразование Фурье,

− вычисление E, H-поля по одному выполненному моделированию,

− адаптивное уплотнение трехмерной сетки  разбиения на ячейки,

− описание изотропных и анизотропных материалов,

− расчет распределения типов волн в сечении порта,

− нормирование S − параметров для  указанных импедансов портов,

− возбуждение структуры плоской  волной,

−использование  идеальных граничных условий  излучения/поглощения,

  периодических граничных условий, 

− вычисление дальнего поля антенны (усиление, направленность, подавление боковых лепестков, и т.д.),

− расчет дальнего поля антенной решетки,

− расчет эффективной поверхности  рассеяния RCS,

− вычисление различных характеристик  электромагнитного типа: электрического поля, магнитного поля, поверхностных  токов, потоки мощности, плотности тока, плотности потерь, а также тепловые, электрические, магнитные энергетические плотности,

− включение в структуру дискретных элементов (R,L,C), включая нелинейные диоды,

− в режиме расчета переходного  процесса можно задать функцию возбуждения  в виде прямоугольного и др. форм радиоимпульса,

2. Расчет в частотной области. В этом случае программа CST обеспечивает:

− расчет структур с потерями и без потерь,

− описание изотропных, анизотропных и гиротропных свойств материалов,

− равномерную и адаптивную выборку частот в диапазоне анализа,

− перенормирование S −  параметров для заданных импедансов портов,

− улучшенные граничные условия излучения/поглощения,

− вычисление дальнего поля антенны (включая усиление, угол излучения ДН, подавление боковых лепестков и т.д.),

− расчет дальнего поля антенной решетки,

− вычисление характеристик электрического и магнитного ближнего поля,

3. Метод собственных частот. В этом случае программа Eigenmode выполняет:

− расчет собственных частот, потерь  и добротностей для каждого  типа волны, резонирующих на этих частотах,

− анализ типов волн поля (мод) в замкнутой структуре,

− расчет структур, которые  могут быть заполнены анизотропными  материалами,

− оптимизация структуры, используя встроенный оптимизатор.

4. Программа решения методом интегральных уравнений. Эта программа позволяет моделировать большеразмерные объекты и выполняет:

− расчет S – параметров в широкой полосе частот, полученных по распределению поля и используемых типов волн,

− расчет структур, заполненных  изотропными и анизотропными  материалами,

− вычисление потерь и добротностей для каждого режима,

− параметрическую оптимизацию, в которой выполняется изменение  одного или нескольких параметров проекта,

− автоматическая оптимизация  структуры для произвольных целевой  функции, создаваемой в виде аналитических  выражений.

5. Визуализация результатов анализа и их экспорт.

− вывод типов волн в портах, постоянную распространения, импеданс, и т.д.

− вывод  S – параметров в декартовой и полярной системах координат, диаграмму Смита,

− просмотр электрических и магнитных  полей, потоков мощности, поверхностных токов в двумерном и трехмерном представлениях,

− вывод характеристик полей в  дальней зоне (напряженность поля, коэффициент усиления антенны, направленность антенны, эффективная поверхность рассеяния RCS),

− вывод вида полей в дальней зоне (поля, усиление, направленность, RCS) в трехмерном и двумерном виде,

− анимация процесса распространения электромагнитного поля,

− просмотр сетки разбиения, 

− экспорт S − параметров в формате Touchstone,

− экспорт данных расчета (полей, характеристик и т.д.) как файлы ASCII,

− экспорт графиков в табличной форме.

 

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

 

3.1 ИССЛЕДОВАНИЕ БИКОНИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.

 

На  Всероссийской   конференции «Радиолокация и радиосвязь» –

Рис.20 Схема биконической антенны.

 

ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г. были рассмотрены различные модели биконических антенн. Было показано, что если угол при вершине конуса  град, то входное сопротивление биконуса равно 50 Ом и отражение основной моды  от  апертуры  антенны определяет  полный  коэффициент отражения в биконической антенне. Также было отмечено, что для всех вариантов излучателей, при град, коэффициент отражения меньше –10 дБ в широкой полосе частот,

начиная примерно с  , где − волновое число.

В настоящей работе основным параметром для исследования антенны является угол . Постоянными величинами являются: L=50,5см, D_min=1см, S=0,45см (значения D_min=1см и S=0,45см выбирались опытным путём). Рассмотрены свойства излучателя при различных значениях D_min и S, а так же установленным металлическим экраном вблизи антенны.

При данных размерах антенны условие  S₁₁<−10 дБ начинается с Из графиков, представленных на рисунке 21 видно, что при град коэффициент S₁₁ имеет наименьшее значение в довольно широкой полосе частот (начиная с 191МГц). Также наблюдается наиболее благоприятное согласование при значении град (рис.22).

Рис.21. Зависимость S₁₁ от угла раствора конуса.

 

Рис.22. Диаграмма Смита для различных углов

раствора конуса.

 

Рис.23. Диаграмма направленности для углов 120 и 140 град

(по 

) на частоте 640МГц.

 

При увеличении угла раствора конуса наблюдается  увеличение угла главного лепестка диаграммы  направленности . Однако максимум смещается относительно горизонта на 33град при угле раствора в 140град (рис.23).

По  диаграмме направленности, для угла град (рис.24) видно, что главный лепесток лежит в пределах от 40 до 85 град по уровню 3 дБ в широкой полосе частот.

Рис.24. Диаграмма направленности для угла 132 град (по

)

на различных частотах.

 

 

Рис.25. Диаграмма КСВ для различных значений D_min.

Рис.26. Зависимость параметра S₁₁ от D_min.

 

При увеличении D_min и S происходит постепенное рассогласование и уменьшение ширины полосы пропускания сигнала (рис.25 – 28).

Рис.27. Диаграмма Смита для различных значений S.

Рис.28. Зависимость параметра S₁₁ от S

Рис.29. Диаграмма Смита  биконической антенны с

экраном для угла раствора конуса 132град.

Рис.30. Диаграмма направленности (по

) биконической антенны

с экраном для различных  частот.

Рис.31. Коэффициент отражения  S₁₁ биконической

 антенны с экраном.

 

Наличие экрана не вызывает ухудшения согласования (рис.29) и полосы пропускания (рис.31). Однако диаграмма направленности по , содержит множество боковых лепестков.

На  рисунках 32-33 видно, что биконическая антенна имеет очень большую ширину пропускания сигнала при большом размере самой антенны (относительно условия ). И на всей данной полосе имеет место хорошее согласование. При увеличении частоты увеличивается реактивное сопротивление антенны, активное же наоборот стремится к стабильному значению.

Наблюдается пропорциональная зависимость  и .

Рис.32. Ширина полосы пропускания  в диапазоне

4000 МГц для угла раствора 132 град.

 

Рис.33. Диаграмма сопротивлений  биконической