Диаrраммообразующие схемы многолучевых антенных решеток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестандартной шлейфной структуры
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Антенны. Антенно-фидерные устройства
Издательство:
ПресСто
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 84
Дополнительно
Учебное пособие содержит теоретические сведения, апробированные результаты, оригинальные методики и подходы, позволяющие повысить эффективность разработки и проектирования микроволновых устройств, входящих в состав диаграммообразующих схем.
Учебное пособие предназначено для курсантов, студентов и слушателей технических специальностей, а также может быть полезно для практических работников территориальных органов, занимающихся проблемами организации связи в УИС.
Микрополосковые устройства для многолучевых антенных решеток: обзор и перспективы
В данном учебном пособии рассматриваются вопросы проектирования и анализа микрополосковых направленных ответвителей (НО) и диаграммообразующих схем (ДОС) для многолучевых антенных решеток. Цель работы – расширить знания в области разработки шлейфных НО и ДОС на их основе, что актуально в связи с растущими требованиями к системам беспроводной связи.
Направленные ответвители: основы и миниатюризация
Первый раздел посвящен обзору различных конструкций микрополосковых НО. Рассмотрены классические четвертьволновые ответвители и методы их миниатюризации. Особое внимание уделено конструкциям на основе квазисосредоточенных элементов, таких как Т-образные и П-образные структуры, встречно-штыревые конденсаторы и искусственные длинные линии. Анализируются амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики различных типов НО, включая двухполосные и многополосные варианты, а также ответвители со специальными характеристиками направленности. Подчеркивается важность уменьшения габаритных размеров НО для повышения эффективности многолучевых антенных решеток.
Диаграммообразующие схемы: от теории к практике
Второй раздел посвящен анализу четырехлучевых ДОС, построенных на основе рассмотренных ранее НО. Рассматриваются схемы на основе ответвителей, реализованных на Т- и П-образных структурах, а также схемы для работы в различных частотных диапазонах, включая 450 МГц. Анализируются амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ДОС, оценивается влияние фазовых ошибок на формирование диаграммы направленности. Особое внимание уделяется разработке малогабаритных ДОС, что позволяет снизить массогабаритные параметры антенных решеток. Рассматриваются также многослойные НО и ДОС на их основе, обеспечивающие расширенную полосу рабочих частот. Отдельно анализируются трехлучевые ДОС, которые могут быть реализованы путем модификации классических четырехлучевых схем.
Выводы и перспективы
В заключении подчеркивается актуальность представленных конструкций и топологий, а также важность дальнейших исследований в области микрополосковой техники. Отмечается, что современные тенденции развития направлены на поиск новых конструкций, основанных на базовых принципах построения микроволновых устройств, с акцентом на миниатюризацию, расширение функциональных возможностей и улучшение электрических характеристик.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 10.05.02: Информационная безопасность телекоммуникационных систем
- 11.05.04: Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ Кафедра основ радиотехники и электроники ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИЕ СХЕМЫ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК НА ОСНОВЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ НЕСТАНДАРТНОЙ ШЛЕЙФНОЙ СТРУКТУРЫ ВОРОНЕЖ 2022 Учебное пособие
УДК 621.372.8; 621.396.67 ББК 32.845.8; 32.845 Д44 Утверждено методическим советом Воронежского института ФСИН России 19 мая 2022 г., протокол № 9 Рецензенты: заведующий кафедрой радиотехники Воронежского государственного технического университета доктор технических наук, доцент А. В. Останков; начальник кафедры технических комплексов охраны и связи Воронежского института ФСИН России кандидат технических наук, доцент А. В. Паринов Учебное пособие содержит теоретические сведения, апробирован ные результаты, оригинальные методики и подходы, позволяющие повысить эффективность разработки и проектирования микроволновых устройств, входящих в состав диаграммообразующих схем. Учебное пособие предназначено для курсантов, студентов и слуша телей технических специальностей, а также может быть полезно для практических работников территориальных органов, занимающихся проблемами организации связи в УИС. УДК 621.372.8, 621.396.67 ББК 32.845.8, 32.845 © ФКОУ ВО Воронежский институт ФСИН России, 2022 © Составление. Щетинин Н. Н., Андреев Р. Н., Чепелев М. Ю., 2022 Диаграммообразующие схемы многолучевых антенных реше ток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестандартной шлейфной структуры : учебное пособие / сост. Н. Н. Щетинин, Р. Н. Андреев, М. Ю. Чепелев. – Воронеж: ФКОУ ВО Воронежский институт ФСИН России, 2022.– 84 с. Д44
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение………………………………………………………………………. 1 Микрополосковые направленные ответвители нестандартной шлейф ной структуры…………………………………………………………………. 1.1 Конструкция и электрические характеристики направленного от ветвителя…………………………………………………………………….. 1.2 Микрополосковый направленный ответвитель на основе Т-образных структур…………………………………………………………. 1.3 Микрополосковый направленный ответвитель на основе встречно штыревых структур…………………………………………………………... 1.4 Микрополосковый направленный ответвитель на основе Т- и П-образных структур……………………………………………………. 1.5 Микрополосковый направленный ответвитель диапазона 450 МГц………………………………………………………………………. 1.6 Микрополосковые направленные ответвители со специальными характеристиками…………………………………………………………….. 1.7 Миниатюрный микрополосковый направленный ответвитель на основе искусственных длинных линий………………………………….. 1.8 Микрополосковые направленные ответвители с расширенными функциональными возможностями…………………………………………. 1.9 Микрополосковый направленный ответвитель на основе плоскопа раллельных конденсаторов………………………………………………….. 1.10 Контрольные вопросы………………………………………………. 2 Четырехлучевые диаграммообразующие схемы многолучевых антенных решеток на основе модифицированных направленных ответвителей…………………………………………………………………. 2.1 Диаграммообразующая схема на основе ответвителей реализованных на Т-образных структурах………………………………… 5 7 7 10 12 13 15 17 21 24 33 41 42 42
2.2 Диаграммообразующая схема на основе ответвителей, реализованных на Т- и П-образных структурах……………………………. 2.3 Диаграммообразующая схема для антенной решетки центральной частоты 450 МГц на малоразмерных направленных ответвителях……….. 2.4 Четырехлучевая схема Батлера на основе многослойного направ ленного ответвителя………………………………………………………….. 2.5 Двухполосный многослойный направленный ответвитель и четырехлучевая диаграммообразующая схема Батлера на его основе…. 2.6 Малогабаритная четырехлучевая диаграммообразующая схема на основе искусственных длинных линий…………………………………. 2.7 Трехлучевая диаграммообразующая схема…………………………… 2.8 Контрольные вопросы…………………………………………………. Заключение…………………………………………………………………. Список использованной литературы……………………………………… 47 51 56 63 70 72 76 77 78
Введение Появление высокоскоростных телекоммуникационных систем мобильной и персональной связи с сотами большого радиуса и высокой пропускной спо собностью требует создания базовых станций с многолучевыми антеннами и возможностью управления их диаграммой направленности (ДН). Для управления в пространстве положением ДН многолучевой антенной решетки (МАР) применяются диаграммообразующие схемы (ДОС). Классиче ская четырехлучевая схема диаграммообразования включает в себя набор че тырех трехдецибельных направленных ответвителей (НО) и фиксированных фазовращателей (ФВ). Для обеспечения заданных электрических характеристик ДОС необходимо использовать ответвители с малым разбалансом амплитуд и фаз. Следовательно, возникает необходимость в конструктивных и топологи ческих решениях, направленных на выявление нетрадиционных свойств ответ вителей, способах уменьшения габаритных размеров, функционирования в расширенной полосе частот и сохранения при этом возможности простой тех нологической реализуемости. Актуальность учебного пособия обусловлена ежегодным увеличением количества публикаций по тематике микрополосковых устройств УВЧ- и СВЧ-диапазонов и создаваемых на их основе более сложных радиотехнических систем. Значительный вклад в разработку и исследование микроволновых устройств внесли В. И. Гвоздев, А. Н. Гридин, Д. А. Летавин, В. П. Мещанов, Ю. Е. Мительман, Л. Р. Малорадский, Б. А. Мишустин, Е. И. Нефедов, Д. М. Сазонов, Л. Р. Явич и др. Однако, на взгляд авторов, имеется необходи мость в разработке издания, содержащего актуализированные способы и мето ды расширения функциональных возможностей микроволновых устройств. Таким образом, основной целью настоящего учебного пособия является расширение и углубление знаний обучающихся в области проектирования
и разработки шлейфных направленных ответвителей и диаграммообразующих схем на их основе. Учебное пособие «Диаграммообразующие схемы многолучевых антенных решеток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестандарт ной шлейфной структуры» предназначено для обучающихся по специальностям 10.05.02 Информационная безопасность телекоммуникационных систем, 11.05.04 Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи, ко торые изучают дисциплины «Антенны и распространение радиоволн» и «Системы радиосвязи специального назначения».
1 Микрополосковые направленные ответвители нестандартной шлейфной структуры 1.1 Конструкция и электрические характеристики направленного ответвителя Микрополосковые направленные ответвители (НО) шлейфной структуры нашли широкое применение в микроволновой технике [1]. В частности, направленные ответвители являются базовыми компонентами диаграммообра зующих схем (ДОС) для формирования многолучевых антенных решеток [2, 3]. Более того, ответвители нашли широкое применение в устройствах деления суммирования мощности, направленных фильтрах, кроссоверах, рефлектомет рах с измерительными мостами и ряде других микроволновых устройств. На практике наиболее распространенным является классический НО, вы полненный на основе четвертьволновых шлейфов (рис. 1.1). Рис. 1.1. Микрополосковый направленный ответвитель на основе четвертьволновых шлейфов Так, линейные габаритные размеры классического ответвителя на цен тральной частоте 0,9 ГГц составляют 51 53 мм, при этом материал использу емой подложки – Rogers RO4003C с толщиной 0,508 мм, диэлектрической про ницаемостью 3,38 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0027.
В УВЧ-диапазоне габаритные размеры микрополоскового классического НО достаточно велики, что в ряде случаев ограничивает его практическое при менение. Рисунок 1.1 иллюстрирует конструкцию ответвителя, в которой сигнал, подаваемый на порт 1 устройства, делится между двумя выходными портами 3 и 4 с заданным соотношением, при этом порт 2 остается развязанным. Стоит отметить, что широкое распространение получили квадратурные ответвители, в которых входная мощность делится поровну между выходными портами (трехдецибельные ответвители). Для обеспечения равного деления мощности между выходными портами волновые сопротивления вертикальных шлейфов составляют величину 50 Ом, в свою очередь горизонтально расположенные шлейфы характеризуются сопротивлениями 35 Ом. Вместе с тем фазовый сдвиг между выходами устройства составляет 90°. Направленные ответвители характеризуются следующими S-параметрами: S(1,1) – коэффициент отражения; S(2,1) – развязка; S(3,1) – переходное ослабление; S(4,1) – рабочее затухание. Рисунок 1.2 иллюстрирует амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастот ную (ФЧХ) характеристики классического четвертьволнового ответвителя, представленного на рисунке 1.1. Частотные характеристики получены с помо щью электродинамического моделирования методом моментов для централь ной частоты 0,9 ГГц.
Рис. 1.2. Амплитудно- и фазочастотная характеристики классического ответвителя Коэффициент отражения S(1,1) и развязка S(2,1) на центральной частоте 0,9 ГГц составляют величину –45 дБ. Дисбаланс переходного ослабления S(3,1) и рабочего затухания S(4,1) варьируется в пределах (± 0,3 дБ) относительно но минального значения –3 дБ, что соответствует полосе частот от 0,85 до 0,95 ГГц. Разность фаз на выходах ответвителя (порт 3, порт 4) не превышает значе ния 0,5°относительно номинального значения –90°. Представленные электриче ские характеристики двухшлейфного ответвителя свидетельствуют о возмож ности применения микрополосковых НО в качестве базовых элементов при по строении четырехлучевых диаграммообразующих схем. Однако стоит отме тить, что ввиду значительных габаритных размеров микрополоскового ответви теля, представленного на рисунке 1.1, реализация ДОС на его основе является нерациональной с точки зрения конечных габаритных параметров. Таким образом, возникает задача уменьшения габаритных размеров клас сического НО, поскольку от степени миниатюризации ответвителя зависят мас согабаритные параметры многолучевых антенных решеток. Следовательно, пе ред разработчиками микроволновых устройств возникает необходимость в ис следовании эффективных способов, приводящих к уменьшению габаритных размеров УВЧ- и СВЧ-устройств.