книги / Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели методы математического моделирования

4.Микрополосковые антенны с пластинами

иподложками из нетрадиционных материалов. Активные микрополосковые антенны

4.1.Антенны с высокотемпературными сверхпроводящимиматериалами

Верхняя граница температуры, при которой некоторые материалы достигают сверхпроводящего состоя­ ния, в настоящее время превышает температуру кипения жидкого азота 77 К. Переход к охлаждению азотом позволяет сделать экономически целесообразным использование многих СВЧ-устройств, в том числе и антенн, созданных на основе сверхпроводящих материалов, в целом ряде не только космиче­ ских, но и бортовых радиосистем. Кроме того, применение таких приборов уменьшает на один-два по­ рядка габариты и массу, существенно улучшает технические характеристики по сравнению с приборами, созданными по обычной технологии.

Обзор основных результатов применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в об­ ласти антенн приведен в [165-173], где сделан вывод о целесообразности использования указанных ма­ териалов в следующих приложениях:

антеннах малых электрических размеров и цепях их согласования; цепях возбуждения и согласования антенн ММ-диапазона;

цепях возбуждения и согласования компактных сверхнаправленных антенных решеток.

При создании этих конструкций следует учитывать технологические особенности освоенных на се­ годняшний день высокотемпературных проводников, представляющих собой тонкие (толщиной едини­ цы микрон) пленки, напыляемые на нагретые до 700.. .750° С подложки. Именно материал подложек яв­ ляется критическим параметром для эффективного применения сверхпроводящих пленок (СПП) — он должен выдерживать указанные температуры, не препятствовать росту СПП и обладать чрезвычайно низкими потерями. В настоящее время наиболее употребительными материалами для подложек являют­ ся оксид магния MgO (е = 9 ,6 на частоте 10 ГГц при температуре 77 К) и алюминат лантана ЬаАЮз (е = 23,8 на частоте 6,2 ГГц ) с тангенсом потерь tgS ~ 610'5.

Недостатком MgO является гигроскопичность и увеличение значения tg5 по мере поглощения вла­ ги, а ЬаАЮз проявляет неоднородность диэлектрической проницаемости £ порядка нескольких процен­ тов в пределах типичных размеров подложки 1 Ох 10 мм.

Малыми потерями обладает также сапфир, но на подложки из этого материала требуется напыление буферных слоев для предотвращения деградации свойств СПП.

Целесообразность использования СПП определяется эффективностью излучения антенн при согла­

где ЛИЗл - сопротивление излучения; Лир и Лд— сопротивления, учитывающие мощность потерь в прово­ дящих частях и диэлектрике антенны, а также в согласующих цепях на подложке.

Видно, что существенный выигрыш при использовании высокотемпературных сверхпроводящих материалов, позволяющих уменьшить Л,|р можно ожидать для антенн с /?1ф + ЛД> Л„ш и R„p>>Ra. Пер­ вое условие в общем случае имеет место для антенн, размеры которых малы по сравнению с рабочей длиной волны, второе — обуславливает необходимость использования высококачественных подложек с весьма малыми потерями.

Поверхностное сопротивление реализованных к настоящему времени эпитаксиальных высокотем­ пературных сверхпроводящих тонких пленок при температуре 77 К по крайней мере на два порядка меньше, чем у меди для частот ниже 10 ГГц.

Если определить полосу частот излучения комплексно-сопряженной антенны с центральной частотой/р в виде Д/г =f pRl0jX t, а результирующую полосу частот в виде ДГ= toо (Лим + Л„р+ Л^/Л",, то с уче­ том (40) имеет место равенство т\ ДС= &ft, т.е. любое увеличение эффективности антенны за счет исполь­

71

Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материален. Активные ...

зования высокотемпературных сверхпроводников сопряжено с уменьшением полосы частот Д / Стрем­ ление излучить заметную мощность через антенну малых электрических размеров неизбежно связано с необходимостью генерации весьма больших токов в согласующей цепи, представляющей собой по су­ ществу резонатор (близкий по длине к четверти длины волны) с сильной связью на входе и слабой - на выходе. Величина токов может ограничивать пригодность антенн с применением ВТСП для передачи больших мощностей, поскольку в таких приложениях одновременно предъявляются высокие требования и к эффективности излучения ц .

Для приемных антенн более важным, чем 1] параметром является отношение сигнал-шум. Высокий уровень атмосферных и индустриальных шумов на частотах ниже 30...50 МГц (область потенциального применения электрически коротких антенн ) приводит к тому, что отношение сигнал-шум практически не зависит от значения эффективности TJ . Следовательно, целесообразность использования антенн с

ВТСП-материалами для таких случаев не очевидна [165].

В [167] приведены теоретические и экспериментальные результаты определения rj миниатюрной МПА (общая длина— 6 мм) с/ р=2,4 ГГц на подложке из LaA103 с е = 25.

Здесь уменьшение размеров МПА достигнуто не только за счет использования подложки с е = 25, но и выбором формы прямоугольной пластины в виде Я-резонатора (рис. 128): полная длина в Ag/2- резонатора длинной линии значительно уменьшается при замене его на “ступенчато-импедансную" структуру, образованную высокоимпедансным (Zj) отрезком длины 6 - 2d, расположенным симметрич­ но между двумя разомкнутыми низкоимпедансными (Z2 < Z() секциями длиной d каждая. Для d = Ы4 общая длина 6 определяется из соотношения tg2( ^ 6/2Ag) = Z2/Z|. При Z2/ Z i « l, tgx=x и

b =2XgyJZ2lZ x Ы . МПА той же частоты с прямоугольной пластиной на такой же подложке имела бы

длину 6„ =12,5 мм и 6„ = 6 мм в варианте Я-пластины, а при 6„ = 6„ потребовалась бы новая подложка с диэлектрической проницаемостью е = 110.

Возбуждение Я-пластины МПА для удобства регулировки коэффициента связи осуществлялось ра­ зомкнутой коаксиальной линией, положение внутреннего проводника которой относительно нижней плоскости подложки варьировалось в пределах 0... 1 мм.

Экспериментально исследована эффективность излучения TJ МПА с пластинами и экранными

плоскостями как из YBa2Cu30 7 -« (сокращенно YBCO), так и из меди (Си) для двух значений толщин подложек 0,5 и 1,0 мм. Остальные указан­ ные на рисунке размеры были выбраны равными 6 = 6 мм; </=1,5 мм; w = 0,15 мм;

72

Микрополосковые антенны с мостинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные ...

толщины подложки А (в предположении бесконечно протяженных подложки и экранной плоскости, а также возбуждении антенны гене­ ратором напряжения в центре узкой части Я-пластины) приведены на рис. 129 и 130. Кривые рис. 129 отличаются значениями поверх­ ностного импеданса Z„, причем кривая 1 соответствует идеальному проводнику (Z, = 0), 2 — проводящему материалу из YBCO при Т = 77 К с Z„ = (4,5 + у'500)К Г 5 Ом, 3 — проводнику из меди при Т - 77 К с Z„ = 6(1 +j) 1СП3 Ом. Тангенс потерь диэлектрика подложки с £ = 25 во всех случаях выбран равным 10 s . На рис. 130 для МПА из YBCO при Т = 77 К кривые отличаются значением тангенса угла

денной на рис. 131. Отмечено также, со ссылкой на [172], что в линейной антенной решетке (АР) из ВТСП с числом элементов Л/И00 на частоте 35 ГГц можно ожидать увеличения КУ на 8...10 дБ по сравнению с аналогичной АР, излучающие элементы которой изготовлены из меди.

Обзор методов и устройств охлаждения в криоэлектронике приведен в [174].

Отметим также, что поверхностное сопротивление сверхпроводящих слоев и, тем самым, эффек­ тивность излучения МПА изменяется не только от температуры, но и от окружающего антенну магнит­ ного поля. Это обстоятельство может быть использовано для оперативного управления эффективной по­ верхностью рассеяния (ЭПР) электрически малых антенн, что подтверждено теоретически на примере малой круглой петлевой антенны, изготовленной из YBCO [173]. Показано, что такой метод существен­

73

Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...

ного уменьшения ЭПР не столь эффективен, как при изменении температуры и проявляется в довольно сильных полях (например, для ослабления ЭПР на 10...20 дБ требуется магнитное поле с индукцией В 0,3... 1,0 Тл), однако он более приемлем для практической реализации, поскольку позволяет значи­ тельно уменьшить инерционность систем.

Более сложные микроволновые устройства и системы, созданные на основе ВТСП-пленок, рас­ смотрены в специальном выпуске [175] и обстоятельном обзоре [176], где приведена и обширная биб­ лиография работ последних лет.

4.2.Микрополосковыеантенны на ферритовых подложках

При использовании в качестве подложек ферритовых материалов, характерной особенностью которых является тензорная природа магнитной проницаемости, сравнительно большое значение и сильная зави­ симость от частоты в ОВЧ- и УВЧ-диапазоне эффективной магнитной проницаемости д эфф (©), можно

реализовать ряд новых и важных для практики качеств МПА, не достижимых в антеннах с рассмотрен­ ными выше диэлектрическими подложками.

Особенности распространения электромагнитного поля в ферритовых материалах и его постоянные за­ висят от взаимной ориентации магнитного вектора Н высокочастотного поля и вектора Ноприложенного по­ ля смещения. При |Я0| = 0 или параллельности векторов Н и Нов феррите, как и в диэлектрике распростра­

няется обыкновенная волна, поляризованная перпендикулярно Н0. При Н ± Н0 и Е || Н0 в феррите распро­ страняется так называемая необыкновенная волна с эффективной магнитной проницаемостью

у =1,759-1011 Кп/кг— гиромагнитное отношение; Мнк— индукция насыщения феррита; й>0 = уд 0Я 0-

Из (42) видно, что при ^со0 (©0 +а>,„) < © < ©0 + © „ эффективная магнитная проницаемость

Дэфф (со) < 0. В этой полосе частот постоянная распространения необыкновенной волны при отсутствии

потерь в феррите становится чисто действительной величиной и поэтому такая волна экспоненциально затухает вдоль направления распространения. Это обстоятельство позволяет управлять рассеивающими свойствами антенн на ферритовых подложках.

Для обыкновенной волны значения д ^ (©) много больше единицы на частотах до 0,8 ГГц и быст­

ро уменьшаются с ростом ©, что позволяет существенно уменьшить размеры МПА на ферритовых под­ ложках и создать многочастотный режим работы на основной моде, поскольку резонансный размер

ванном размере антенны. Так, в [177] экспериментально подтверждено, что круглые МПА диаметра d = 20 и 32 мм на подложках толщиной h - 2 мм из феррита Nii.o62 Со0.ог F e^ e 0 4 с измеренными на частоте 200 МГц материальными постоянными е = 15; д = 14,74; tg 8 я = 0,0476; tg<5M= 0,0062 без магнитного смещения резонируют и излучают в режиме основной моды в первом случае на частотах 231 МГц (Дэфф.р=112.44; Д)ффт = 110.76; дЭШ1 = 14,3), 485 МГц ( дэфф.р = 25,5; доффл = 24,58; дзксп = 15,8), 661 МГц

(Дэф*.р= 13,732; Дэффт = 13,95; д , ^ = 16,7), 1048 МГц ( Дэфф.р= 2,337), во втором соответствующие час­ тоты равны 102, 412, 667 и 1015 МГц. Здесь ц ^ р — расчетное значение эффективной магнитной про­

ницаемости, получаемое из соотношения ( d - схпт j ( я /р ^£эффДзфф )), где — т-й корень производ­ ной функции Бесселя «-го порядка; дэффт — теоретически рассчитанное для dlh = 10 значение эффек­

74

Микрополосковые антенны с изастинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные...

тивной магнитной проницаемости; ц 1КСП — экспериментально измеренная относительная магнитная

проницаемость.

Экспериментально получено значение относительной ширины полосы частот 12,4 % по уровню КСВН = 1,45 для антенны диаметром 20 мм на частоте/р = бб1 МГц.

Дополнительные степени свободы, связанные с выбором направления и величины постоянного магнитного поля смешения Но, позволяют осуществлять электронную перестройку частоты, управлять эффективной площадью рассеяния, подавлять поверхностные волны, управлять формой ДН и сканиро­ вать лучом, повышать КУ антенны. В [178], например, экспериментально исследована зависимость из­ менения резонансной частоты / р МПА с прямоугольной пластиной от ориентации поля НоПластина МПА с размерами 14x18 мм располагалась на подложке из железо-итгриевого граната (ЖИГ) Trans-Tech G-113 толщиной 1,27 мм с е = 15 и индукцией смешения 4тгМн =1720 гаусс. Антенна возбуждалась

коаксиальным зондом вблизи края пластины в центре стороны 18 мм и при Н0 имела резонансную час­ тоту Л = 4,6 ГГц. В работе получены следующие результаты: при изменении поля смешения Н0. ориен­ тированного вдоль оси х (перпендикулярной стороне 18 мм) или z (по нормали к подложке) от нуля до 650 гаусс резонансная частота возрастала от 4,6 до 5,5 ГГц, а при ориентации Н0 вдоль оси у (перпенди­ кулярной резонансному размеру пластины 14 мм) / р убывала от 4,6 до 2,8 ГГц, причем во всей полосе перестройки значение КСВН не превосходило 2. Также приведены формы ДН в £- и Я-плоскостях на частотах 2,81, 3,47 и 4,60 ГГц, слабо различающиеся в передней полусфере.

Соответствующим выбором параметров феррита, частоты и величины магнитного поля смещения можно добиться значительного изменения и, тем самым, резонансной частоты^. Так, в [179] тео­

ретически показано , чтоf pможно перестраивать в полосе частот до 3 октав.

Возможности управления ЭПР МПА на ферритовых подложках исследованы в [180-183], где про­ веден анализ полей рассеяния антенны как основной, так и кроссполяризационной составляющих. Пока­ зано, что при положительных ф максимальные значения ЭПР наблюдаются на резонансных частотах

антенны. При увеличении поля смещения Н0 подложек резонансные частоты основной поляризации, как отмечено выше, смещаются почти пропорционально Н0 а соответствующие им ЭПР остаются практиче­ ски неизменными. Значения ЭПР кроссполяризационных составляющих полей рассеяния не зависят от НоПредложенный в [181, 182] метод уменьшения ЭПР состоит в предварительном определении часто­ ты облучающего поля (например, с помощью спектроанализатора или специального приемника) и опе­ ративного изменения частоты / р МПА вышеописанным способом. Согласно [180, 181] величина ЭПР МПА в режиме холостого хода может быть уменьшена указанным методом на 25...35 дБ по сравнению с максимальным значением на резонансной частоте. Расчеты проведены для антенны с размерами пласти­ ны 11x13 мм на подложке из ЖИГ толщиной 1,27 мм с е = 15 и индукцией насыщения 0,178 Тл в поло­ се частот 2,5.. .5,5 ГГц для двух значений напряженности поля смещения— Но - 0 и 7960 А/м.

Намагничивание подложки до состояния, при котором значения становятся отрицательными

при ориентации Но вдоль нормали к пластине МПА, позволяет значительно уменьшить максимальные

чивания подложки [182]. Аналогичные исследования проведены для антенн с ферритовыми укрытиями (обтекателями) [183,184] и с подложками в полости экранной плоскости [185].

Отмеченные выше особенности распространения обыкновенной и необыкновенной волн в феррите можно использовать также при управлении направлением поляризации излучения в антеннах с одной точкой возбуждения. Так, в [186] экспериментально исследована МПА с квадратной пластиной разме­ ром 11 мм, размещенной на подложке из тонких (толщиной 75 мкм) пленок легированного галлием ЖИГ с индукцией насыщения 0,125 Тл, нанесенных для жесткости конструкции на обе стороны диэлек­ трической пластины толщиной 0,5 мм из гадолиний-галлиевого граната с е =13. Антенна излучала орто­ гонально поляризованные поля сf p = 5,975 ГГц основной поляризации и /р = 5,75 ГГц— кроссполяриза­ ционной, причем приложенное в плоскости пластины поле смещения Но оказывало воздействие только на кроссполяризационную составляющую поля излучения. Варьированием соотношения фаз ортого­

75

Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...

нально поляризованных полей можно управлять направлением поляризации результирующего поля. В работе экспериментально определено, что при увеличении магнитной индукции поля смещения В0 • 103 = = 0; 0,7; 5,0; 30,0; 60,0 Тл резонансная частота кроссполяризационной составляющей/ рк = 5,75; 5,86; 5,93; 5,97; 6,0 ГГц.

Несомненной привлекательностью тонких ферритовых пленкок является то обстоятельство, что они могут хорошо интегрироваться с твердотельной технологией.

Простой и удобный для практического использования метод изменения направления вращения поля излучения в антеннах круговой поляризации путем смены полярности поля смешения, исследован в [187], где рассмотрена МПА с квадратной пластиной размером 6,1 мм на подложке толщиной 1,27 мм из ЖИГ с е =15 и индукцией насыщения 0,065 Тл, возбуждавшаяся в середине одного из краев пластины. Показано, что в такой МПА можно получить излучение с круговой поляризацией левого и правого вра­ щения с разными/р при ориентации поля смешения Но по нормали к пластине. При увеличении Н0 от 0 до 95,5103 А/м резонансная частота одного из направлений вращения изменялась примерно от 5,30 до 5,65 ГГц, а другого — от 6,65 до 7,50 ГГц. Найдено, что КУ антенны равен 4,5 дБ, а эффективность из­ лучения примерно 70 % и слабо зависит от поля Но.

Сканирование ДН МПА с ферритовым укрытием экспериментально исследовано в [188].

4.3.Микрополосковые антенны на подложках из киральных материалов

Киральные материалы СВЧ-диапазона являются сравнительно новыми искусственными взаимными гиротропными композиционными материалами, проявляющими различные свойства по отношению к рас­ пространяющимся в них электромагнитным полям с левым и правым направлениями вращения плоско­ сти поляризации, т.е. обладают материальными характеристиками, во многом схожими с характеристи­ ками ферритов. Практический синтез киральных сред СВЧ-диапазона осуществляется добавлением в изотропный диэлектрик хаотически ориентированных зеркально-асимметричных элементов типа ма­ леньких металлических или керамических спиралей.

Анализ электродинамических свойств киральных, а также более общих биизотропных и бианизотропных сред приведен в [189]. Значительный интерес к этим материалам был вызван сообщениями о перспективности их для создания неотражающих покрытий. Однако проведенные разработчиками МПА строгие исследования не подтвердили объявленных ранее преимуществ антенн на подложках из кираль­ ных материалов, в частности — в отношении подавления поверхностных волн [190]. Показано, что при увеличении кирапьного адмиттанса £ материала подложек (значение £ = 0 соответствует обычному диэлектрику) эффективность излучения т/ уменьшается. Например, для МПА с квадратной пластиной на подложке из материала с е = 4 и относительной толщиной А/А = 0,05 7J = 0,7 при %= 0 и ?} = 0,5 при £ =0,005. Уровень кроссполяризационной составляющей поля излучения возрастает от очень малых значений при £ = 0 до минус 10 дБ при £ = 0,005. Кроме того увеличиваются примерно на 8 % при тех же вариациях параметра £ и резонансные размеры пластины МПА.

4.4. Микрополосковые антенны на подложках из электромагнитных полосно-запирающих материалов

Электромагнитные полосно-запирающие материалы (ЭПЗМ) являются новым классом искусственных материалов, образуемых пространственно-периодическим чередованием металлических, диэлектриче­ ских или смешанных структур и проявляющих частотно-избирательные свойства в отношении коэффи­ циентов отражения и прохождения при падении на них электромагнитных волн. Известные методы практической реализации ЭПЗМ состоят либо во включении вещества одного сорта в другое (основу), либо же, наоборот, в периодическом удалении (перфорации) тех или иных объемов материала основы.

Если рассеивающие свойства неоднородностей (включений или отверстий) существенно отличают­ ся от свойств материала основы, то имеет место интерференция полей рассеяния от неоднородностей и основы, зависящая также от геометрии искусственного кристалла. Теоретически подходящим выбором параметров структуры можно добиться значительного затухания электромагнитных волн в одних, зара­

76

Мчкрополоскоиые антенны с юааттаии и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные ...

нее предписанных полосах частот и беспрепятственное их распространение— в других. Реализация же ука­ занных требований на практике, как показал накопленный опыт, оказывается весьма непростой задачей.

При независимости полос режекции от направления прихода электромагнитной волны они получи­ ли название “полос запрета”, а ЭПЗМ — Photonic band gap (PBG) материалов.

Отмеченные привлекательные свойства ЭПЗМ стимулировали разработку методов их изучения ис­ следователями из разных областей радиофизики и радиотехники, в том числе и разработчиками антенн. Примеры использования ЭПЗМ в качестве подложек МПА для увеличения коэффициента усиления ан­ тенны и управления формой ее ДН приведены в [191].

Преимущества использования ЭПЗМ в МПА заключается в следующем. Антенна, размещенная на границе воздух-диэлектрик, более охотно излучает в сторону диэлектрика, чем воздуха, что способству­ ет, как отмечено ранее, возникновению спектра поверхностных волн в подложке и уменьшению, тем са­ мым, эффективности излучения.

Использование подложек из ЭПЗ-материалов, препятствующих проникновению электромагнитных волн с частотами в пределах рабочей полосы частот МПА в подложку, позволит решить эту проблему. Это особенно важно в отношении основной поверхностной волны Щ ) в большинстве практических конструкций МПА, которая может возникать в подложках произвольно малой толщины, поскольку ее частота среза равна нулю. Применение ЭПЗМ в качестве подложек антенных микрополосковых элемен­ тов ФАР и АФАР потенциально может решить также проблему “ослепления” ДН антенных решеток в требуемом секторе углов сканирования и способствовать упрощению схемных и аппертурных решений распределительных систем ФАР благодаря возможному расширению этого сектора.

Способность ЭПЗМ перераспределять излучение электромагнитных волн в пространстве использу­ ется для управления характеристиками МПА, что отмечено в ряде работ. Так, в [192] теоретически пока­ зано, что КУ элементарного диполя Герца, расположенного как на слое ЭПЗМ, так и под ним на обыч­ ной диэлектрической подложке, может быть существенно увеличен в направлении углов, совпадающих с направлением максимума излучения вытекающей волны ЭПЗМ, полученного сквозным перфорирова­ нием квадратными отверстиями с размером сторон 3 мм и пространственным периодом S мм слоя ди­ электрика толщиной 1 мм из материала с е =10. В варианте расположения диполя Герца на слое ука­

занного ЭПЗМ коэффициент усиления достигает 14,5 дБ под углом 37° к нормали в Е-плоскости на час­ тоте 28 ГГц. Однако сектор углов с таким значением мал (около 3°), за его пределами КУ быстро уменьшается до минус 10 дБ и более по мере отклонения от нормали. В плоскости с произвольным ази­

обычно комбинации пассивной антенны с предварительным усилитель­ ным каскадом, принято называть устройства, в которых элементы антенной структуры до такой степени

являются составными частями усилительной схемы (активного многополюсника), что их разделение не­ возможно без потери работоспособности устройства в целом.

Включение активного многополюсника в состав активной антенны осуществляется, в зависимости от типа используемого активного прибора, по схеме двух-, трехили четырехполюсника (рис. 132).

77

Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...

Интеграция слабонаправленных излучателей с активными приборами оказалась плодотворной кон­ цепцией, воплощение которой на практике при разработке, например, аппаратуры линий связи, модулей активных ФАР, систем встроенного контроля и т.п., позволило успешно решить вопросы существенного уменьшения габаритных размеров как самих излучателей, так и высокочастотной части передающих устройств, улучшить их энергетические характеристики, а также расширить рабочую полосу частот.

Результаты отечественных и зарубежных исследований в этой области до 1984 г. проанализированы и обобщены в [196, 197], где проведена обстоятельная классификация активных антенн, приведены ос­ новные методы расчета и конструирования активных щелевых, вибраторных, рамочно-вибраторных и проволочных антенн и обширная библиография.

Конструкции большинства рассмотренных выше МПА также допускают размещение в них актив­ ных приборов, что может быть осуществлено сравнительно просто.

Проектирование активных передающих или приемных МПА сводится по существу к выбору и раз­ работке подходящего усилителя, позволяющего реализовать постоянство усиления в требуемой полосе частот. Эта проблема включает в себя синтез согласующих цепей, компенсирующих вариации коэффи­ циента отражения активного прибора и согласующих быстрые изменения входного импеданса излу­ чающего элемента в полосе частот. Этот импеданс вне сравнительно узкой рабочей полосы частот МПА подобен импедансу большой индуктивности или емкости и создает на выходе усилителя режим, близкий к короткому замыканию или холостому ходу. Такие условия, как известно, весьма благоприятны для пе­ рехода усилителя в режим генерации, поэтому основной проблемой является обеспечение устойчивости услителя как в пределах, так и вне рабочей полосы частот.

Результаты исследований приемных и передающих активных МПА с диодами Ганна и полевыми транзисторами в качестве активных приборов приведены в [198-209]. Эти результаты относятся, в ос­ новном, к частотам менее 10 ГГц, но по мере совершенствования новых активных приборов разрабаты­ ваются активные МПА в более высокочастотных диапазонах, вплоть до миллиметрового. Так, в [210] приведены результаты моделирования и экспериментального исследования активной МПА с осциллято­ ром на диоде Ганна DGB8266 (фирмы Alpha Industries) в конфигурации отражательного усилителя с вы­ ходной мощностью антенны 9,26 мВт на частоте 63,24 ГГц.

Зависимость электрических характеристик диодов Ганна и других активных приборов от напряже­ ния смещения позволяет достаточно просто осуществлять в известных пределах электронную пере­ стройку рабочей частоты. Реализованная ширина полосы перестройки в указанной работе составила 1 ГГц или примерно 1,6 % от несущей частоты.

Рассмотренный выше упрощенный метод реальных частот для синтеза согласующих цепей может быть распространен и на задачи синтеза активных МПА. Результаты разработки и характеристики активных ан­ тенн, реализованных с помощью этого метода, приведены в [208]. На рис. 133 приведена геометрия актив­

78

Микрополосковые антенны с мостинами и подложки из нетрадиционныхматериалов. Активные...

мость £ = 1,03. Возбуждение пластины осуществлялось зондом б диаметром 1,27 мм в точке, отстоящей от края пластины на 4,93 мм вдоль средней линии. Отверстие диаметром 4 ,1 мм для зонда в ЭП толщи­ ной 5 мм было заполнено диэлектриком с е =1,975. Подложка 5, на которой размещена синтезирован­ ная СЦ, имела толщину 1,575 мм и е = 2,17.

Электрическая схема активной МПА приведена на рис. 134, где указанные емкости и индуктивности

для обеспечения хорошего контакта выводов транзисторов с заземлением.

С этой активной МПА получены следующие результаты. Относительная ширина полосы рабочих частот Д/7 /о составила по критерию неравномерности ±0,7 дБ передаточной функции T(f) примерно

25 % против 12 % у аналогичной по конструкции пассивной антенны.

Зависимость от частоты приведена на рис. 136, где пунктирная кривая соответствует расчетным значениям, а сплошная — измеренным.

Коэффициент усиления активной МПА больше КУ пассивной МПА на 24 дБ.

Дальнейшее улучшение характеристик апертуррно-свяэанных (см. рис. 1,в) активных и пассивных МПА возможно путем оптимизации формы апертуры связи, а также числа и топологии возбуждающих ее МП-линий. Например, при (/-форме апертуры связи и Г-образном окончании МП-линии возбуждениядаже в пассивной МПА с одной прямоугольной пластиной удалось реализовать относительную ширину полосы пропускания свыше 76 % по критерию КСВН < 2,0 [212]. Отмечено, что в этой конструкции длина попе­ речной части Г-терминала МП-линии и ее смещение относительно края внутренней части (/-образной апер­ туры являются весьма критическими параметрами.

Введение дополнительных портов в схему возбуждения активной АС МПА (рис. 137) может придать антенне новые качества. Например, изменением электрической нагрузки на дополнительных портах можно

79

Микрополосковые антенны с пластинами и подложки из нетрадиционных материалов. Активные ...

управлять частотой излучения без изменения эффективности связи с пластиной МПА. Более того, развязка МП-линий возбуждения по постоянному току упрощает схему размещения электронно-управляемого реак­ тивного элемента типа варактора. Вариант простой реализации частотного модулятора на основе четырех­ портовой схемы возбуждения приведен на рис. 138, где вариация частоты достигается при помощи pin- диода, изменяющего электрическую длину и, тем самым, нагрузку соответствующей МП-линии под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Явления внешней синхронизации в активных МПА. Экспериментально подтверждено, что в актив­ ных МПА имеет место явление синхронизации частоты излучения антенны внешним сигналом, потен­ циально важное для систем пространственного сложения мощностей отдельных модулей в антенных решетках. Интересно отметить, что это явление наблюдается не только в окрестности основной частоты антенны, но и на ее гармонике и субгармонике, причем ширина полосы захвата частоты зависит от гар­ монического отношения частот синхронизации и собственно антенны. На примере активной МПА с фактической частотой излучения 9,82 ГГц, пластина которой натружена на краю полевым транзистором NEC 71084 GaAs MESFET, экспериментально показано, что полосы захвата как на гармонике, так и на субгармонике примерно на порядок меньше аналогичной величины на основной частоте, которая в дан­ ном случае равна примерно 200 МГц или 2 % от несущей частоты, [213]. При этом расхождение фаз сигналов в окрестности основной частоты является примерно линейной функцией относительной рас­ стройки частот с отрицательным коэффициентом наклона порядка 1 0 ° на 1 % изменения частоты.

Автор признателен Л. Д . Бахраху за данные советы, которые были учт ены автором, а т акж е редакт ору Г. С. Лонь за помощь в подготовке издания, профессору Е. Г. Зелкину за просмотр рукописи и ценны е замечания, профессору В. С. Филиппову за предоставление ряда информационных мат ериалов и канд. (риз.-мат. наук

М.В. Лось — за большую информационную и техническую поддерж ку.

Список сокращений