Специальные вопросы теории антенн
Язык обучения
Русский
Учебный семестр
весенний
Кредиты
3.00
Трудоемкость
108 академических часов

Целью курса является ознакомление с практическими вопросами решения задачи синтеза современных компактных антенных систем и изучение методов решения задачи узкополосного и широкополосного согласования и обеспечения заданной формы диаграммы направленности. Внимание уделяется фундаментальным и практическим ограничениям при решении обеих задач. Кроме того, рассматриваются проблемы миниатюризации и интеграции антенн, включая методы настройки и согласования электрически малых антенн, максимизации их КПД, а также снижения взаимного влияния между близкорасположенными антеннами. Наконец, приводятся принципы работы и методы расчета основных типов планарных антенн (микрополосковых антенн, печатных антенн вытекающей волны, а также планарных широкополосных антенн).

Содержание курса

Введение

  1. Виды антенн и их применения: всенаправленные и направленные, частотно-независимые антенны и антенны ближнего поля;
  2. Основные тенденции в развитии современной антенной техники. Этапы процесса разработки антенны. Внутренняя и внешняя задача теории антенн;

Тема 1. Внутренняя задача синтеза антенн: согласование с линией передачи

  1. Физический смысл согласования импеданса в сосредоточенных и распределенных системах. Эффекты, вызванные рассогласованием импеданса. Согласование по мощности и по шумам. Максимальная передача мощности в нагрузку. Классификация устройств согласования, сосредоточенные и распределенные цепи согласования. Элементы цепей согласования и их печатная реализация;
  2. Диаграмма Вольперта-Смита, физический смысл ее координатных поверхностей. Добавление последовательного и параллельного сосредоточенного элемента, представление на диаграмме. Цепь согласования L-типа, ее расчет и основные ограничения;
  3. Полоса частот при согласовании заданной нагрузки. Полоса частот согласования двухэлементной цепью согласования. Применения метода кривых постоянной добротности, оценка количества элементов цепи согласования. Трехэлементная цепь согласования, цепи Т- и П-типов;
  4. Линии передачи, используемые для цепей согласования с распределенными параметрами. Добавление секции линии передачи, импеданс короткозамкнутого шлейфа и шлейфа холостого хода. Согласование шлейфом и отрезком линии передачи, выбор типа шлейфа. Соответствие шлейфа и сосредоточенного импеданса в схемах согласования; Согласование двумя и более шлейфами;
  5. Четвертьволновый трансформатор, факторы, влияющие на ширину полосы согласования. Многозвенные трансформаторы импеданса, расширение полосы и уменьшение физических размеров устройства согласования. Трансформаторы на основе связанных линий. Визуальный метод широкополосного согласования при помощи диаграммы Вольперта-Смита;
  6. Приближение малого отражения при расчете многозвенных трансформаторов импеданса. Применение к синтезу цепей с биномиальной и чебышевской характеристиками. Примеры практической реализации многозвенных трансформаторов.
  7. Плавный переход как широкополосное устройство согласования, основные уравнения. Экспоненциальный и треугольный переходы, переход Шлопфельштайна.
  8. Теоретическое ограничение на ширину полосы согласования импеданса. Предел Боде-Фано. Примеры записи для различных видов нагрузки. Не-Фостеровские цепи согласования, отрицательная емкость, отрицательная индуктивность. Схема реализации отрицательных элементов на операционном усилителе. Практические схемы реализации отрицательных элементов на транзисторах. Применение не-Фостеровских цепей согласования;
  9. Особенности согласования четырехполюсников. Двухстороннее согласование импеданса.

Тема 2. Внешняя задача синтеза антенн: обеспечение заданной диаграммы направленности

  1. Основные параметры излучения антенн. Диаграмма направленности и ее характеристики. Классификация волновых зон антенны. Мощностные характеристики в дальней зоне: КНД, КУ и КПД. Виды эффективностей излучения антенны. Реализованный коэффициент усиления антенны.
  2. Характеристики поляризации в зоне излучения антенны. Виды поляризации. Эллипс поляризации и его характеристики. Примеры антенн с различными визами поляризации.
  3. Теоретические ограничения на добротность и полосу электрически малых антенн. Зависимость импеданса и КПД дипольной антенны от длины антенны. Понятия об оптимальном распределении тока по сфере Чу. Антенна Чу с минимальной добротностью и ее реализация в виде сферической катушки. Влияние поляризации и заполнения материалом. Предел Харрингтона-Чу и примеры его достижения при помощи антенн различных конфигураций.
  4. Влияние высших мультипольных мод в электрически малых антеннах. Явление сверхнаправленности. Ограничение по направленности и полосе для многомодовых электрически малых антенн. Предел Харрингтона-Чу для многомодовых антенн.

Тема 3. Планарные и интегрированные типы антенн

  1. Микрополосковые антенны как основной тип антенн, применяемый для интеграции антенны (антенной решетки) и электронных устройств на печатной плате. Основные виды микрополосковых антенн. Преимущества и недостатки микрополосковых антенн в различных применениях.
  2. Виды питания микрополосковых антенн: коаксиальный кабель, микрополосковая линия, электромагнитно-связанный фидер, фидер со щелевой связью, апертурно-связанное питание.
  3. Модель резонатора с магнитными стенками для описания микрополосковой антенны. Расчет полей различным собственных мод прямоугольной микрополосковой антенны. Резонансная частота антенны. Учет краевого эффекта: теория эффективных размеров резонатора.
  4. Ограничение по полосе для прямоугольной микрополосковой антенны. Практические приемы расширения рабочей полосы частот. Влияние потерь различного типа в микрополосковой антенне и факторы, влияющие на ее КПД.
  5. Диаграмма направленности прямоугольной микрополосковой антенны и ее расчет. Сопротивление излучения. Влияние эффектов дифракции на краях экрана в E- и H-плоскостях и методы борьбы сними.
  6. Микрополосковые антенны круговой поляризации: различные виды питания в одной и двух точках, их преимущества и недостатки.
  7. Антенны бегущей волны и их примеры. Антенны вытекающей волны и их классификация. Волноводно-щелевые антенные решетки. Антенны вытекающей волны на основе волновода, интегрированного в подложку и искусственных право- и левосторонних линий передачи. Частотное сканирование в полном угловом диапазоне.
  8. Методы расчета и синтеза антенн вытекающей волны. Двумерные антенны вытекающей волны и голографические антенны на основе пространственной модуляции поверхностного импеданса.
  9. Плоские сверхширокополосные антенны. Принципы их построения и практические реализации.

Тема 4. Вопросы электромагнитной совместимости при решении задачи синтеза антенн

  1. Методы миниатюризации антенн. Нагрузка проволочных антенн на реактивные элементы. Применение щелей и надрезов металлизации. Сгибание и меандрирование. IFA и FIFA антенны и их практические реализации. Применение пространственно-заполняющих кривых. Фрактальные антенны. Заполнение материалами с высокой диэлектрической и магнитной проницаемостью.
  2. Антенны для разнесенного приема. Одиночная приемная антенна. Эквивалентная схемы приемной антенны. Пространственное разделение каналов. SIMO и MIMO антенные системы и их применения. Модель канальной матрицы и матрицы передачи многоэлементной антенной системы. Детерминированные и статистические каналы.
  3. Расчетная модель двухэлементной приемной системы из двух параллельных вибраторов. Влияние расположения и КПД и взаимного влияния на характеристики принятых сигналов.
  4. Практические конфигурации многоэлементных приемных антенн мобильных терминалов 4G и 5G.
  5. Методы развязки близкорасположенных антенн. Ортогональные поляризации. Цепи развязки-согласования. Пример модальной развязки при помощи гибридных делителей. Резонансная и нерезонансная развязка за счет пассивной развязывающей структуры в ближнем поле. Развязка при помощи метаповерхностей: частотно-селективные поверхности, структуры с запрещенной зоной.
  6. Симметричное и асимметричное питание. Эффекты затекания токов. Устройства симметрирования: четвертьволновый стакан, U-колено, ферритовые кольца и трансформаторы.
Описание курса
Syllabus718.01 КБ