УДК 621.396.67

Проектирование многочастотных микрополосковых антенн круговой поляризации

Б. А. Мишустин ¹, В. Г. Слёзкин ²

Научно-исследовательский университет «Московский энергетический институт»  (НИУ МЭИ), 111250, г. Москва, Красноказарменная, 17

Севастопольский государственный университет (ФГАУ ВО СевГУ), 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33

Статья поступила в редакцию 23 декабря 2016 г.

 

Аннотация. Особенности проектирования многочастотных антенн рассмотрены на примере трёхчастотных антенн для передачи на частоте f₁ и приёма на частотах 2f₁ и 3f₁. За основу предложено взять кольцевые микрополосковые антенны с наружной излучающей щелью (КМПА-Н) и с внутренней излучающей щелью (КМПА-В). Возбуждение внутренних полостей (резонаторов) антенн обеспечивают порты в виде центрального проводника коаксиального кабеля, а круговую поляризацию излучения — короткозамыкающие штыри-поляризаторы. Приближённая электродинамическая оценка оптимального радиуса излучающей щели, который составил около 0,3 длины волны, выполнена путём замены щели эквивалентным кольцевым магнитным током с последующим анализом поля этого тока в дальней зоне. Для анализа условий возбуждения резонатора антенн рассмотрены граничные условия существования собственных волн в виде трансцендентного уравнения для функций Бесселя и их производных. Показано, что из-за множества действующих факторов точные размеры антенн можно определить только численным моделированием. Начальное радиальное положение портов и штырей-поляризаторов рекомендовано выбрать посредине резонатора, а угловой их разнос — около 90°. Варьируя вначале их радиальное положение, можно получить согласование входа антенн с кабелем, а затем угловое положение одного или двух диаметрально противоположных штырей-поляризаторов, можно добиться круговой поляризации излучения. Трёхчастотная антенна реализуется в виде планарной или пирамидальной конструкции путём постепенного наращивания одночастотной модели элементами антенн других частот: вначале добавляются только те элементы, которые могут повлиять на её поле, затем производится уточнение размеров одночастотной модели и выполняются следующие этапы наращивания модели. Для КМПА-Н исходной является модель на высшую частоту, а для КМПА-В — на низшую. Наш опыт проектирования показал, что КМПА-В конструктивно удобнее при использовании в качестве облучателя параболического зеркала, а КМПА-В — как самостоятельные антенные устройства или элементы антенных решеток.

Ключевые слова: микрополосковая антенна, многочастотная антенна, круговая поляризация.

Abstract. Specific aspects of designing multi-frequency antennas are illustrated with three-frequency antennas transmitting at frequency f₁ and receiving at frequencies 2f₁ and 3f₁. We have suggested using ring microstrip antennas with outer radiating slot (RMSA-O) and inner radiating slot (RMSA-I) as a basis. The inner cavities (resonators) of the antennas are excited by ports formed by the coaxial cable central conductor, while circular polarization is provided by the shorting polarizing plugs. The optimal radius of the radiating slot was estimated as 0.3 of wavelength by means of approximate electrodynamic analysis where the slot was substituted with equivalent ring magnetic current which field was further analyzed in the far-field region. To analyze excitation conditions of the antenna resonators we studied boundary conditions for proper wave existence in the form of transcendental equation for Bessel functions and its derivatives. It was shown that due to the multiple contributing factors accurate dimensions of the antennas can only be determined through numerical modeling. It was recommended to initially place the ports and polarizing plugs in the middle of the resonator and provide angular spacing between them of about 90°. First, by varying their radial position it is possible to achieve matching of the antennas input with the cable, and then by changing angular position of one or two diametrically opposite polarizing plugs one can obtain circular polarization of radiation. Three-frequency antenna can be implemented in a form of planar or pyramidal construction through gradually supplementing the one-frequency model with elements from antennas of other frequencies. At first we will add only those elements which affect its field, and then after the dimensions of the one-frequency antenna have been verified the model will be further supplemented with additional elements. The basic model for RMSA-O is that of upper frequency, while for RMSA-I — of lower frequency. Based on our engineering experience, it is better to use RMSA-I as parabolic reflector feeds, while  RMSA-O are preferred as stand-alone antenna devices or members of antenna arrays.

Key words: microstrip antenna, multi-frequency antenna, circular polarization.

 

Ссылка на статью:

Проектирование многочастотных микрополосковых антенн круговой поляризации. Б. А. Мишустин, В. Г. Слёзкин. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2017, №1, Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jan17/6/text.pdf