Проекты

Электродинамическое моделирование сверхширокополосного излучателя с использованием импедансносогласованного материала

Работа призера конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Теоретические и фундаментальные исследования»

Направление работы: Электродинамика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1449
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

В наше время передовые мобильные телекоммуникационные устройства, такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.п., имеют антенны различных диапазонов волн: LTE, 3G, GSM, Wi-Fi, Bluetooth, Глонасс-GPS. Современные системы радиолокации, в состав которых входят полотно с множеством различных антенных излучателей, антенны передачи информации и команд управления, системы автокомпенсации активных помех, требуют обеспечения заданного уровня развязки между различными каналами передачи информации и управления. В антенных решетках, в рамках одного приемо-передающего полотна стараются разместить приём и передачу сигналов разных частотных диапазонов. Для этого необходимо создать условия уменьшения связи между излучателями в антенной решетке. Данная связь уменьшается при увеличении электрического расстояния между излучателями и при увеличении диэлектрической и магнитной проницаемостей материала, в который помещены излучатели антенного полотна. Для минимизации отражения электромагнитной волны от границы раздела материал-вакуум импеданс такого материала согласуют с импедансом вакуума. Данные факторы отражают актуальность создания электрически малых антенн-излучателей с использованием импедансносогласованных материалов.

Цель

Моделирование сверхширокополосного излучателя с импедансносогласованным материалом с помощью специального программного комплекса. 

Задачи

  1. Изучить теории антенн и программного комплекса ANSYS HFSS.
  2. Смоделировать излучатель без использования и с использованием           импедансносогласованных материалов.
  3. Построить графики характеристик моделей излучателей.
  4. Сравнить характеристики излучателей с использованием и без использования импедансносогласованных материалов.
  5. Сделать выводы о пользе использования импедансносогласованного материала при создании антенных излучателей.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

  • Сверхширокополосный излучатель (щелевая антенна)

Описание

Моделирование излучателей на программном комплексе Ansys HFSS.

Численное электродинамическое моделирование волноводного щелевого излучателя, рабочая частота которого уменьшена в 10 раз.

Топология антенны, у которой вырезается щель в листе металла B. Сама щель запитывается прямоугольным металлическим волноводом A. Сам щелевой излучатель размещен в вакуумной коробке C, на гранях которой задается граничное условие излучения.

В таблице приведены габаритные размеры антенного излучателя. Расчет осуществлялся в частотном диапазоне от 10 до 20 ГГц. Таким образом, на программном пакете ANSYS HFSS моделируется излучение данной щелевой антенны в свободное пространство.

Далее были проанализированы параметры смоделированных излучателей.

Результаты

1. Сравнение характеристик КУ смоделированной щелевой антенны:

  1. без использования импедансносогласованного материала;
  2. с использованием полусферы из импедасносогласованного материала радиусом 50 мм;
  3. с использованием такой же полусферы радиусом 100 мм.

2.Сравнение характеристик КСВ смоделированной щелевой антенны:

  1. без использования импедансносогласованного материала;
  2. с использованием полусферы из импедасносогласованного материала радиусом 50 мм;
  3. с использованием полусферы из импедасносогласованного материала радиусом 100 мм.

Выводы

По сравнительным графикам можно сделать вывод о том, что благодаря использованию импедансносогласованных материалов можно сместить масштаб рабочих частот в 10 раз (с 10–20ГГц до 1–2ГГц) без изменения физических размеров излучателя. Также использование в антенных излучателях импедансносогласованных материалов позволяет увеличить развязку между антенными излучателями, увеличить сектор обзора антенной решетки, уменьшить обратное рассеяние антенн. Импедансносогласованные материалы могут быть использованы для снижения заметности, например при конструировании БПЛА (беспилотных летательных аппаратов), поскольку они не только уменьшают габариты антенн, но и снижают их эффективную площадь рассеивания.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ПАО «НПО «Алмаз»