Микрополосковая спиральная антенна в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов в режиме излучения наносекундных импульсов

Микрополосковая спиральная антенна в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов в режиме излучения наносекундных импульсов

Развитие сверхширокополосных систем связи, обусловленное их возможностями (высокая скорость передачи данных, увеличение скрытности работы; повышение степени защиты информации и та) вызывает необходимость совершенствования антенных устройств. Поиск нетрадиционных подходов к созданию микроволновой техники существенно активизировался, одно из новых направлений в технологии электрически малых антенн связано с достижениями в области создания метаматериалов. Интерес представляет их применение и к разработке микрополосковых спиральных антенн на многослойных подложках, как с точки зрения уменьшения размеров самой печатной спирали, так и снижения искажений при их использовании в режиме излучения наносекундных импульсов. Задача состояла в изучении влияния параметров многослойной среды на электрические характеристики антенны и улучшения ее характеристик излучения путем параметрического синтеза с учетом возможных отрицательных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей для материалов подложки. Рассматриваются результаты моделирования микрополосковой эквиугольной спиральной антенны в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов. Расчет формы излученного сигнала при работе антенн с наносекундными импульсами осуществляется с использованием дискретного преобразования Фурье. Применен оригинальный подход к анализу диаграмм по частотной зависимости величины главного лепестка полевой (мгновенной) диаграммы направленности. Осуществлено нахождение оптимизированных решений. Сравнительный анализ спиральных антенн, выполненных на подложках с применением метаматериалов и без, показал, что первые обеспечивают большую широкополосность и намного меньшее искажение излученных наносекундных импульсов при значительной компактности антенн и снижении видимости.

Будагян И.Ф., профессор, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА,

Ковальчук АА, выпускник, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА,

Чебышев В.В., зав. кафедрой ТЭДиА МТУСИ

Особенности наносекундных сигналов обуславливают возможности СШП систем связи, когда обеспечивается: повышение защиты от всех видов пассивных помех, от внешнего электромагнитного излучения; повышение электромагнитной совместимости; увеличение скрытности работы; повышение степени защиты информации [I].

Развитие сверхширокополосных систем вызывает необходимость совершенствовать антенные устройства [2-4]. Поиск нетрадиционных подходов к созданию микроволновой техники существенно активизировался, одно из новых направлений в технологии электрически малых антенн связано с достижениями в области создания метаматериалов [5]. Интерес представляет их применение и к разработке микрополосковых спиральных антенн на многослойных подложках [6], как с точки зрения уменьшения размеров самой печатной спирали, так и снижения искажений при их использовании в режиме излучения наносекундных импульсов [7,8].

Рассматривается моделирование микрополосковой эквиугольной спиральной антенны (рис. 1) для изучения влияния парамегров многослойной среды на электрические харакгери-сгики антенны и улучшения характеристик излучения наносекундных импульсов путем ее параметрического синтеза

Геометрические соотношения для двухзаходной эквиугольной спирали приведены в [6,7] и имеют вид

г,(ф) = 6ехр(яф), г2(ф) = 6ехр[бг(ср + rc)],tgv|/ = 1 /а,

t = /•(ф)[ехр(2тга) - 1],/?й,. = bexp(2Nna).

Длина дуги спирали определяется как / = (л/1 + а2/о)г(ф)|£.

Размер ленточного проводника выбирается из условия

4d <\t = b(e\p2na -1)].

Параметрами плоской спирали являются топология её ветвей, угол намотки у (шаг спирали I), число витков N, а также радиус спирали Ra, (диаметр DCJ, ширина ленточного проводника 2d и размер щели на входе 2Ь.

Рис. 1. Геометрия задачи

При численном анализе микрополосковой спирали используется интегральное уравнение для его тока. Анализ двухзаходной эквиугольной спирали с постоянной кривизной и образующей в приближении узкой ленточной полосковой структуры, основан на интегральном уравнении Фредгольма 1-го рода для полного тока спирали [6]. Элементы, входящие в ядро, определяются как элементы тензора Грина плоскослоистой среды. Для слоистой среды в виде диэлектрического слоя, как подложки спирали, расположенной над экраном, моделирующим полость резонатора (рис. 1), указанные элементы содер-

Ключевые слова: Моделирование, наносекундные импульсы, спиральная антенна в многослойной среде, метаматериалы, диаграмма направленности, форма импульса.

жат коэффициенты отражения для Е- и /У-волн

/?*!* . Они находятся по формулам

уЕ.Н _1¥Е,Н

/?<") = £”_________—!1____, и,Е _  Л„

КЕ.Н -гЕ.Н . л„Е.Н "п ----------------------

г*’" + И/'

сое.,

К

,.«Мо

Л„

п„=А2 -*«• к=•

В случае рассмафиваемой полосковой сфуктуры (рис. 1, внизу) экран в сечении 2 = —(Н-, + /У,) характеризуется комплексным поверхностным импедансом Zs = /?у + ]Х3  Расчет импедансов проводится по схеме

последовательного расчета входных сопротивлении: гЕ.Н +1ГЕ.Н Л

7е н - и/

и+1 -"и

7е'

1.11 £и

IV.

Е.Н

ехр[у(тг + ^е И]'

е

АI М 1К| и»*и ГМ

Коэффициент преломления и характеристическое сопротивление среды в этом случае также комплексные:

.8,,-8с

' 2 ,гс=г0^Ще ^

п =

мефа не были включены в список изменяющихся параметров. Хотя расстояние от подложки до экрана и диэлектрическая проницаемость среды между ними влияют на характеристики антенны в меньшей степени, чем аналогичные парамефы для подложки и верхнего слоя, возможность их изменения была оставлена, но при проведении серии вычислений они не изменялись.

Расчет формы излученного сигнала при работе антенн с на-носекундными импульсами осуществлялся с использованием бысфого преобразования Фурье (БПФ) — это быстрый алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Оно является аппроксимацией непрерывного преобразования Фурье и широко применяется в алгоритмах цифровой обработки сигналов и других областях, связанных с анализом частот в дискретном сигнале. В качестве исследуемого сигнала использован прямоугольный видеоимпульс.

Сначала пересчитывается импеданс в сечении г = -Я2, вычисляется импеданс в сечении г = 0 и коэффициенты /?{?£ для слоя (0). После этого вычисляются импеданс в

сечении (1) при г = Я, И коэффициенты /?}]*£, что полностью определяет элементы тензорной функции Грина [6].

Проведен подробный анализ характеристик излучения антенн с различными парамефами материалов подложки, геомефичсских размеров подложки и ленточного проводника антенны с учетом возможности использования в качестве слоев подложки материалов с офицательными значениями комплексных проницаемостей, в том числе метаматериалов.

Подобный реальный метаматериал обладает потерями, т.е. диэлектрическая и магнитная проницаемости являются комплексными:

где - волновое сопротивление свободного пространства, б и 5 • углы диэлекфических и магнитных потерь.

£ Н

Для идеального материала § =8 = 0 и из (3) следуют

частные формулы бинегативных структур £ = — |ё|,

(1 = -|ц|. Таким образом, отрицательные значения диэлек-

фической и магнитной проницаемостей для материалов подложки требуют учесть эти изменения в формулах (2) для расчета импедансов, проводимых по схеме последовательного пересчета входных сопротивлений, а также коэффициентов офажения (1) для Е- и Я-волн, и, в конечном счете, при нахождении диаграмм направленности спиральных микрополосковых антенн на многослойных подложках [6].

Численный эксперимент показал [8], что парамефами, наиболее сильно влияющими на данные характеристики, являются диэлектрическая проницаемость материалов подложки и верхнего слоя, толщины этих слоев подложки, а также геометрические парамефы спирали: начальный радиус, длина плеча, коэффициент раскрутки и ширина ленточного проводника. Поверхностный импеданс экрана и разность потенциалов на концах спирали не оказывают существенного влияния на характеристики излучения антенны. Это было учтено при последовательном изменении парамефов в расчетах. Последние два пара-

ь»-М

и.>»

Ш.10>

*..оо*

а)

¡»7

б)

в)

Рис. 2. Диафаммы и форма импульса

При этом применен оригинальный подход к анализу полевых мгновенных диаграмм направленности [2] путем изучения частотной зависимости величины главного лепестка

ДН. В случае обнаружения диаграммы, показывающей достаточно малый уровень изменения этой величины, проводился тщательный анализ полевых и энергетических ДН, а также формы излученного прямоугольного импульса для установленного набора параметров.

Затем осуществлялось нахождение оптимизированных конструктивных решений спиральных антенн на многослойной подложке и отображение происходящих в них волновых процессов при минимальных искажениях формы излученных наносекундных сигналов. Критерием оценки было принято постоянство формы полевой диаграммы направленности антенны в диапазоне частот от 50 МГц до 140 ГГц. Длительность прямоугольного импульса во всех случаях принята равной 0,5 не.

Ниже приводятся лучшие результаты для подложки из стандартных диэлектриков

ег| =8,5;ег2 =4; ег3 = 2;Я, = 1мм;Я2 =2,2мм; Я3=Змм;

Ь = 7мм; </ = 0,5мм; / = 121,1см; а = 0,06; Лсп = 8см. Полученные для этой антенны диаграммы изображены на рис. 2: а) диаграмма ЧЗГЛ (1...76 ГГц), б) форма излученного прямоугольного импульса длительностью 0,5 не и ДН на частотах в) 1 ГГц, г) 68 ГГц.

Последующий анализ проведен для подложек из метаматериалов. Исследованы варианты с различным расположением слоев метаматериала в трехслойной структуре: антенна с нижним слоем из метаматериала и покрытая сверху слоем диэлектрика, и наоборот (диаграмма ЧЗГЛ в первом случае похожа на те, что наблюдались при подложке из слоев диэлектрика, общий уровень искажений достаточно низок только до определенных частот); антенна с нижним и верхним слоями из метаматериалов, из одного и того же, и когда коэффициент преломления у нижнего слоя по модулю больше, чем у верхнего слоя (несмотря на небольшой провал в центре в последнем случае, можно отметить хорошее совпадение формы для Е„ и Е9 составляющих даже на высоких частотах). Однако, наилучшие результаты обеспечивает выполнение верхнего слоя подложки из метаматериала. Полученные результаты представлены для двух вариантов антенн (рис. 3) - слева изображена топология антенны с параметрами

8г| - -4; ег2 - 2;ег3 = 1; Я( = 0,5мм; Я, - 1,2мм; Я3 - 1,1 мм; Ь = 10мм;</ = 0,5мм;/ = 11,2см; о = 0,049; /?с11 = 1,55см, тогда как справа с параметрами

ег| =-4,4;ег: =2;ег3 = 15;Я, = 0,42мм;Я2 = 0,9мм; Н} =2мм; Ь = 5 мм;«/ = 0,5 мм;/ = 30см; а = 0,07; /?сп = 2,6см.

Рис. 3. Топология вариантов антенн с подложкой из метаматериала

Рис. 4 иллюстрирует, как и для подложек из обычных материалов, диаграммы (а - диаграмма ЧЗГЛ (1 ...200 ГТц), б -форма излученного импульса и ДН на частотах: в - 1 ГТц, г -140 ГТц) в случае, соответствующем варианту антенны рис. 3, слева.

Диаграммы для другого варианта антенны (рис. 3, справа) с подложкой из метаматернала представлен на рис. 5 (а - диаграмма ЧЗГЛ (1...240 ГТц), б - форма излученного импульса и ДН на частотах: в - 23 ГГц, г - 227 ГГц). Здесь значительно

увеличены параметры нижнего, лежащего на экране слоя, уменьшен размер щели на входе и увеличен радиус спирали.

Рис. 4. Диаграммы и форма импульса для антенны рис. 3, слева

1 11111»

-

»40

Г

• «

б)

Рис. 5. Диаграммы и форма импульса для антенны рис. 3, слева

Интерес представляет влияние частоты па форму мгновенной диаграммы направленности и длительности импульса на изменение его формы. Изменение формы ДН в рассматриваемом частотном диапазоне для антенн первого (рис. 3, слева) и второго (рис. 3, справа) вариантов показано на рис. 6 и 7 (слева); в первом ряду для составляющей поля излучения спирали Е0, во втором - для Еф. Изменение формы излученного прямоугольного импульса в зависимости от его длительности представлено соответственно на рис. 6 и 7 (справа).

Обе антенны обеспечивают достаточно хорошее сохранение формы излученных прямоугольных импульсов при изменении их длительности от 0,1 до 2нс. Однако антенна первого варианта лучше сохраняет форму ДН для составляющей хотя и в более узком частотном диапазоне.

1 : ^ г >*/ z ОДмс

1 ГГц 21 ГГц 41 ГГц 61 ГГц 0.5 ис

1 НС

81 ГГц 101 ГГц 121 ГГц 141 ГГц

7 не

Рис. 6. Изменение ДН и формы импульса для антенны рис. 3, слева

ОД не

1 ГГц 31 ГГц 61 ГГц 91 ГГц 0.S не

V V

: 4L,Jtr. *. 1нс

121 ГГц 151 ГГц 181 ГГц 211 ГГц

2 нс

Рис. 7. Изменение ДН и формы импульса для а>пчл<ны рис. 3, справа

На рис. 8 приведены соответствующие энергетические ДН антенн (слева - размерами 1,55см, справа - размерами 2,6см) при излучении этими антеннами прямоугольного импульса длительностью 0,5 не (ЭДН антенны меньшего радиуса шире).

Сравнительный анализ спиральных антенн, выполненных на подложках с применением мегаматериалов и без, показал, что первые обеспечивают большую широкополосность и намного меньшее искажение излученных наносекундных импульсов при значительной компактности. Дополнительные исследования отражающих свойств слоистой подложки при использовании мегаматериалов, показали, что обеспечивается и снижение видимости таких антенн.

О 10 20 Э0 40 30 60 70 М 90'

Рис. 8. Энергетические ДН для двух вариантов антенн

Литература

1. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. - Т. 54, № 1, 2009. - С. 5-31.

2. Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В. Характеристики сканирующих антенн сверхкоротких импульсов, основанные на спектральном анализе // Антенны. №3 (46), 2000. - С. 17-25.

3. Бахрах Л.Д., Литвинов О.С., Морозов Н.Я. Перспективы разработок антенн, излучающих сверхкороткие импульсы // Антенны. №7 (ПО), 2006. -С. 85-91.

4. Будагин И.Ф., Щучкин Г.Г. Моделирование процессов излучения, распространения и рассеяния сверхкоротких импульсов. 4.1,2.

// Радиотехника. №12, 2007.-С. 41-49; №2, 2008. - С. 45-58.

5. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. №8, 2009. -С.66-70.

6. Чебышев В.В. Мнкрополосковые антенны и решетки в слоистых средах. - М.: Радиотехника, 2007. - 160 с.

7. Будагян И.Ф., Чебышев В.В., Максимов М.А. Моделирование характеристик излучения микрополосковых спиральных антенн при работе со сверхкороткими импульсами // Электросвязь. №3.2011. - С. 27-31.

8. Будагян И.Ф., Ковальчук А.А., Чебышев В.В. Микрополос-ковая спиральная антенна в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов в режиме излучения наносекундных импульсов // 60-ая НТК МИРЭА. Сб. трудов. Ч.З. Технические науки. -М.: МГТУ МИРЭА, 2011.-С. 20-25.

THE MICROSTRIP SPIRAL ANTENNA IN THE MULTILAYER MEDIUMS ON THE BASIS OF DIELECTRIC AND METAMATERIALS IN THE MODE OF NANOSECOND PULSES RADIATION Budaghyan I.F., the professor, KPRES MGTU MIREA;

Kovalchuk AA, the graduate, KPRES MGTU MIREA;

Chebyshev V.V., the head of department, TEDIA MTUCI

Absract

The Development of ultra wideband communication systems caused by their possibilities (high speed of data transmission, increase in reserve of work; increase of degree of information's protection etc.) causes necessity of antennas perfection. Search of nonconventional approaches to creation of microwave technique essentially became more active, one of new directions in technology electrical small aerials is connected with achievements in the field of creation of metamaterials Interest represents their application and to working out of microstrip spiral antennas on multilayer substrates, as from the point of view of reduction of the sizes of the most printing spiral, and decrease in distortions at their use in a mode of radiation of nanosecond impulses. The problem consisted in influence studying of parameters of the multilayer medium on electric characteristics of the antenna and improvement of its radiation's characteristics by parametrical synthesis taking into account possible negative values permittivity and permeability for substrate materials In work results of modeling of the microstrip logarithmic spiral in the multilayer medium on the basis of dielectric and metamaterials are considered. Calculation of the form of the radiated signal at work of antennas with nanosecond impulses is carried out with use of discrete Fourier transformation. The original approach to the analysis of diagram's on frequency dependence of size of the main petal of the field (instant) diagramme is applied. The finding of the optimized decisions is carried out. The comparative analysis of the spiral aerials executed on substrates with application of metamaterials and without, has shown, that the first provide higher wide band and much smaller distortion of the radiated nanosecond impulses at considerable compactness of antennas and visibility decrease.

Keywords: Modeling, nanosecond pulses, the spiral antenna in the multilayer mediums, metamatefials, the radiation pattern, the pulse form, discrete Fourier transformation.