КОЛЬЦЕВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ДИСКРЕТНО-КОММУТАЦИОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В АЗИМУТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

Ю. В. Белозерцев

А. И. Климов, доктор технических наук, доцент

КОЛЬЦЕВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ДИСКРЕТНО-КОММУТАЦИОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В АЗИМУТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

ANNULAR ANTENNA ARRAYS WITH DISCRETE SWITCHING SCANNING OF THE RADIATION PATTERN IN THE AZIMUTHAL PLANE

В статье представлены результаты разработки и имитационного моделирования пассивных кольцевых антенных решеток СВЧ с однокоординатным электрическим сканированием диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости. Рассмотрены достоинства и недостатки фазового и дискретно-коммутационного сканирования, предложены и проанализированы варианты реализации дискретно-коммутационного сканирования ДН. Разработанные кольцевые решетки могут быть использованы в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления, в частности в аппаратуре систем широкополосного беспроводного доступа стандарта WiMAX и систем радиоуправления беспилотными аппаратами.

The article presents the results of design and computer simulation of microwave passive circular antenna arrays with single-coordinate electrical scanning of the radiation pattern (RP) in the azimuthal plane. The advantages and disadvantages of phase and discrete-switching scanning are considered, options for implementing discrete-switching scanning of RP are proposed and analyzed. The designed circular arrays may be used in the equipment of radio communication systems, radar and radio control, in particular, in the equipment of broadband wireless access systems of the WiMAX standard and radio control systems for unmanned vehicles.

В настоящее время в различных сферах жизнедеятельности широко используются разнообразные технические средства и системы, в числе которых в рамках данной статьи выделяются, с одной стороны, радиоуправляемые беспилотные аппараты (БА) различного базирования, с другой — радиосистемы широкополосного беспроводного доступа (ШБД) стандарта Wi-Max. Интерес к этим, казалось бы, совершенно различным средствам и системам обусловлен тем, что и в системах радиоуправления БА, и в радиосистемах ШБД используются радиоканалы. Поэтому надежность и качество функционирования этих систем существенно зависят от характеристик не только собственно приемопередающей радиоаппаратуры, но и антенно-фидерных устройств — формы и параметров диаграмм направленности (ДН), коэффициентов усиления (КУ) и возможностей управления ДН антенн. В аппаратуре систем управления и связи с БА и систем ШБД применяются разнообразные антенны, как с фиксированными в пространстве круговыми, секторными и игольчатыми ДН, так и с электрически управляемыми ДН. Воз-

растающие требования к массогабаритным и стоимостным параметрам аппаратуры систем управления и связи, пропускной способности, помехоустойчивости и помехозащищенности этих систем, к их функциональным возможностям диктуют необходимость непрерывного совершенствования антенной техники. В этом отношении особенно интересными для исследований представляются кольцевые антенные решетки (КАР), позволяющие формировать круговые, многолучевые, фиксированные и сканирующие секторные ДН, благодаря чему в ряде применений могут с успехом заменить антенны с фиксированной ДН.

Целью данной работы была разработка и исследование КАР СВЧ с электрическим сканированием азимутальной ДН, предназначенных для применения в аппаратуре систем фиксированного и мобильного широкополосного беспроводного доступа (ШБД), а также систем радиоуправления и связи с беспилотными аппаратами (БА). Рассмотренные далее КАР были разработаны для полосы частот 3,4-3,7 ГГц.

КАР можно представить в виде варианта цилиндрической антенной решетки, содержащей всего один этаж излучателей, рис. 1 [1]. Для электрического сканирования ДН обычной пассивной КАР в азимутальной плоскости обычно используется: фазирование полей излучателей в заданном направлении с помощью фазовращателей в кольцевых фазированных антенных решетках (ФАР) [1, 2] и с помощью специальных матричных или линзовых диаграммообразующих систем (ДОС) в многолучевых антенных решетках [3], выборочное возбуждение излучателей в КАР с дискретно-коммутационным сканированием.

Рис. 1. Кольцевая антенная решетка

Далее рассматриваются два варианта пассивных КАР СВЧ: с фазовым сканированием ДН с помощью управляемых фазовращателей (ФВ), рис. 2, а; с дискретно-коммутационным сканированием с помощью коммутаторов, построенных на основе делителей/сумматоров мощности (ДМ) с выключателями (В), рис. 2, б [1]. Благодаря круговой симметрии КАР позволяет получить практически круговую (в плоскости решетки) ДН, а также сформировать сканирующую секторную или даже игольчатую ДН, форма которой может поддерживаться неизменной при сканировании в плоскости XOY в пределах 360°.

Кольцевые ФАР СВЧ (в частности, с цифровой диаграммообразующей системой (ДОС)) могут обеспечить круговое сканирование ДН с весьма малым угловым шагом. Вместе с тем традиционным ФАР присущи и серьезные недостатки — высокие тепловые потери в полупроводниковых ФВ СВЧ, ограничивающие коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент усиления (КУ) ФАР, а также сложность системы управления.

Рис. 2. Структуры пассивных КАР с параллельным делением мощности с фазовым (а) и дискретно-коммутационным (б) сканированием

КАР с дискретно-коммутационным сканированием ДН отличается более простой системой управления, меньшими тепловыми потерями в коммутаторе, соответственно, более высоким КПД и КУ, но обеспечивает дискретное сканирование ДН с определенным угловым шагом, зависящим от числа элементов решетки. Впрочем, это не является препятствием для применения таких КАР во многих реальных системах управления и связи.

В данной статье приведены результаты разработки и имитационного моделирования двух вариантов КАР СВЧ: 8- и 16-элементных низкопрофильных КАР из вертикальных несимметричных вибраторов и 8-элементной КАР, составленной из линейных полосковых антенных решеток. КАР были рассчитаны для получения КУ в азимутальной плоскости не менее 6—8 дБ.

Рис. 3. Вибраторная КАР

Вибраторная КАР СВЧ показана на рис. 3, на котором обозначено: 1 — экран; 2 — цилиндрический рефлектор; 3 — излучатель; 4 — коаксиальный разъем; Яэ — радиус экрана; Яр и Нр — радиус и высота рефлектора; Яи — расстояние от начала координат до вертикальной оси излучателя; Ни — высота излучателя; 0 и ф — меридиональный и азимутальный углы, определяющие направление на точку наблюдения М (М' — проекция точки М на горизонтальную плоскость ХОУ).

Параметры конструкции КАР рассчитаны по методике, изложенной в [1], с учетом того, что, например, при дискретном сканировании ДН в азимутальной плоскости

с угловым шагом 22,5° ширина ДН ф0,5 должна быть не менее 22,5° для перекрытия ДН в соседних угловых направлениях на уровне не выше -3 дБ. В итоге получено, что Яи=47 мм, длина окружности, на которой располагаются элементы КАР Ь=295 мм, а количество излучателей N с учетом расстояния между ними не более АЬ=Хмин./2 (Хмин. — минимальная рабочая длина волны, при частоте 3,6 ГГц равная 83,3 мм) N=L/АL=7. Для удобства построения параллельной схемы питания элементов КАР количество элементов увеличено до 8.

Фазовое сканирование диаграммы направленности. В качестве примера рассмотрим два варианта КАР из вертикальных излучателей: с круговой и кардиоидной азимутальной ДН. На рис. 4 показаны нормированные ДН КАР на средней рабочей частоте 3,5 ГГц для нулевого азимутального направления, рассчитанные в предположении равноамплитудного возбуждения излучателей по формулам, приведенным в [1] (расчетные значения фаз токов Ф1-8 в элементах КАР по 0°, 58°, 197°, 337°, 395°, 337°, 197°, 58°). Как видно из рис. 4, азимутальная ДН обоих вариантов КАР оказывается довольно узкой (ширина около 32°), но имеет высокий УБЛ, в частности, заднего лепестка: около -5 дБ.

♦ ♦

а б

Рис. 4. Примеры ДН КАР: из излучателей с круговой ДН

Как и ожидалось, при фазовом сканировании ДН в случае равноамплитудного возбуждения оба варианта КАР имеют ДН с высоким УБЛ, что неприемлемо в плане обеспечения высокой помехоустойчивости приемного канала и низкого уровня бокового излучения передающего канала системы управления или связи. Конечно, УБЛ ДН можно снизить в случае неравномерного по амплитуде возбуждения элементов КАР [1, 2], однако это потребует существенного усложнения ДОС и приведет к снижению мощности излучения антенны.

Дискретно-коммутационное сканирование диаграммы направленности. На рис. 5 показаны ДН восьмиэлементной КАР из излучателей с кардиоидной ДН, рассчитанные при возбуждении одного и двух соседних излучателей КАР токами одинаковой амплитуды и фазы.

а б

Рис. 5. Примеры ДН КАР: с одним активным излучателем

Как видно из рис. 5, в случае одного возбужденного излучателя ширина ДН 134°, а в случае двух возбужденных излучателей — 66° и имеет глубокие провалы в заднем направлении. В случае трех возбужденных излучателей ДН сужается до 54°, что ведет к увеличению КНД КАР, но при этом существенно усложняется схема управления решеткой.

Таким образом, для практического использования в режиме сканирования секторной ДН более привлекательной представляется КАР с дискретно-коммутационным сканированием в режиме возбуждения пар соседних излучателей, тем более, что тепловые потери в СВЧ коммутаторах оказываются на несколько децибел меньше, чем в фазовращателях.

Имитационное моделирование 8-элементной вибраторной КАР с дискретно-коммутационным сканированием диаграммы направленности.

Параметры модели КАР:

- рассчитанное значение радиуса решетки для средней частоты 3,5 ГГц Яи =47 мм;

- расстояние от рефлектора до вертикальной оси излучателя (Хмин./4) 21 мм; радиус рефлектора Яр=26 мм;

- расстояние от вертикальной оси излучателя до края экрана (Хмин./4) 21 мм; радиус экрана Кэ= 68 мм;

- высота рефлектора Нр принята равной 1,2Хмин./4=31,5 мм.

Номинальное входное сопротивление вибраторных элементов 50 Ом.

Моделирование выполнено с помощью программы НРББ.

На рис. 6 показаны частотные характеристики активного КСВ пары соседних активных элементов КАР (к входам остальных подключены согласованные нагрузки). В этом случае минимум КСВ=1,07 достигается на средней рабочей частоте, а в полосе частот 3,36—3,68 ГГц КСВ не превышает 1,5.

XY Plot 10 HFSSModell Л„

Рис. 6. Частотные характеристики активного КСВ по входам двух соседних активных элементов КАР

ДН КАР в случае пары активных элементов (1 и 2) приведены на рис. 7. По азимутальной ДН на рис. 7, а видно, что значение ширины ДН составляет приблизительно 65°, чего вполне достаточно для перекрытия ДН в соседних азимутальных направлениях при сканировании на уровне КУ не менее 4,5 дБ. При этом КУ КАР в азимутальной плоскости составляет 6,2 дБ, максимальное значение (7,2 дБ) достигается при угле места 26°, рис. 6, б.

Radiation Pattern 7

HFSSModell

№те Р1-И Ang Мад

т1 20.0000 20.0000 6.2855

0

— dB(RealizedGainTotal)_1 Setupl : Sweep Freq='3.4GHz' Theta='90deg'

— dB(RealizedGainTotal) Setupl : Sweep Freq='3.6GHz' Theta='90deg'

Radiation Pattern 4

Name Theta Ang Mag

ml 90.0000 90.0000 6.5895

m2 64.0000 64.0000 7.2499

120

— dB(RealizedGainTotal)_2 Setupl : Sweep Freq='3.4GHz' Phi='20deg'

— dB(RealizedGainTotal)_3 Setupl : Sweep Freq='3.6GHz' Phi='20deg'

0

90

б

а

Рис. 7. Азимутальные (а) и меридиональные (б) ДН КАР на частотах 3,4 и 3,6 ГГц

для случая двух активных элементов

Имитационное моделирование 16-элементной вибраторной КАР с дискретно-коммутационным сканированием диаграммы направленности. Для увеличения КУ и числа дискретных положений ДН в азимутальной плоскости была разработана 16-элементная КАР. Результаты моделирования 16-элементной КАР из тех же вертикальных вибраторов, полученные при радиусе решетки 100 мм, радиусе рефлектора 85 мм, высоте рефлектора 50 мм, радиусе экрана 135 мм показаны на рис. 8 и 9.

На рис. 8 показаны частотные характеристики активного КСВ пары соседних элементов КАР (к входам остальных подключены согласованные нагрузки). В этом случае минимум КСВ=1,06 достигается на частоте 3,45 ГГц, а в полосе 3,3-3,65 ГГц КСВ не превышает 1,5.

3.40 3.50

Freq [GHz]

Рис. 8. Частотные характеристики активного КСВ по входам пары соседних активных элементов КАР

а б

Рис. 9. Азимутальные (а) и меридиональные (б) ДН КАР на частотах 3,4 и 3,6 ГГц

для случая пары активных элементов

Из рис. 9, а видно, что ширина ДН составляет 50°, чего вполне достаточно для перекрытия ДН в паре соседних из 16 азимутальных направленияй при КУ не менее 6 дБ, при этом КУ КАР в азимутальной плоскости превышает 8 дБ, а его максимальное значение (10 дБ) достигается при угле места 30°; УБЛ ДН не превышает -17 дБ. Ширина ДН в меридиональной плоскости приблизительно 62°, УБЛ ДН не превышает -10 дБ.

Моделирование КАР с четырьмя и более активными излучателями показало, что КНД и КУ не возрастают, а убывают из-за ухудшения формы ДН (роста уровня боковых лепестков).

По полученным результатам можно сделать вывод, что рассмотренные выше вибраторные КАР могут быть использованы в качестве антенны абонентского терминала в системе мобильного 'ьМах для обеспечения удержания ДН в направлении на базовую станцию, в аппаратуре системы управления наземными и воздушными БА небольшого радиуса действия при относительно малых требуемых значениях КУ антенны. В случаях, когда необходимы антенны с КУ выше 8-10 дБ и низким уровнем бокового излучения, целесообразно воспользоваться КАР из вертикальных

антенных решеток, обеспечивающих сужение ДН в меридиональных плоскостях и, соответственно, увеличение КНД и КУ.

Полосковая КАР СВЧ, также разработанная для полосы частот 3,4-3,6 ГГц, была рассчитана на получение КУ не менее 14 дБ в режиме сканирующей секторной ДН. С этой целью КАР составлена из восьми элементов в виде линейных антенных решеток типа секторных коллинеарных антенн, рис. 10, на котором обозначено: 1 — по-лосковая коллинеарная антенна в виде двухсторонней линейной решетки из двенадцати прямоугольных патчей, 2 — рефлектор, 3 — металлическое основание антенны с коак-сиально-полосковым переходом.

Размеры конструкции одиночного элемента КАР: А=30 мм, В=375 мм, Я=22 мм; размеры конструкции КАР: высота 375 мм, диаметр основания 300 мм. В рассматриваемой модели в конструкции полосковых антенн использована подложка толщиной 0,51 мм из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью 3,55 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0027.

I

7 Д

О 10С 200 М

а б

Рис. 10. Восьмиэлементная КАР СВЧ

Линейная полосковая решетка имеет постоянный шаг расположения патчей, причем ширина каждого патча определена по методике оптимизации конструкций антенн вытекающей волны [4] таким образом, чтобы вдоль вертикальной оси решетки реализовать амплитудное распределение типа «синус на пьедестале», теоретически обеспечивающее УБЛ ДН не выше -20 дБ при достаточно высоком коэффициенте использования длины решетки [1, 2]. Номинальное входное сопротивление каждой решетки 50 Ом.

Частотные характеристики активного КСВ по всем восьми входам КАР, полученные для случая их равноамплитудного синфазного возбуждения, приведены на рис. 11. Максимальный КСВ в полосе частот 3,4-3,6 ГГц не превышает 1,8.

Примеры ДН КАР, полученных в результате имитационного моделирования в режиме формирования сканирующей секторной ДН, приведены на рис. 12. КАР обеспечивает коммутацию ДН по восьми азимутальным направлениям с угловым шагом 45° и перекрытием главных лепестков ДН в соседних положениях на уровне не ниже -2 дБ. При этом ширина ДН в азимутальной плоскости (ХОУ на рис. 12) составляет приблизительно 62°, в меридиональной плоскости 16°, а КУ КАР находится в пределах 14,5...15 дБ. Существенно, что благодаря оптимизации ширины патчей в вертикальных решетках УБЛ ДН КАР в меридиональной плоскости в рабочей полосе частот не превышает -21,7 дБ.

Рис. 11. Частотные характеристики активного КСВ по входам КАР

а б

Рис. 12. Азимутальная (а) и меридиональная (б) ДН КАР на частоте 3,5 ГГц для случая двух активных элементов

На рис. 13 показаны ДН КАР в режиме равноамплитудного синфазного возбуждения всех восьми вертикальных линейных решеток. Как видно из рис. 13, а, КАР имеет практически круговую азимутальную ДН.

HFSSModeN ANSYS HFSSModeM ANSYS

Рис. 13. Азимутальная (а) и меридиональная (б) ДН КАР на частоте 3,5 ГГц при возбуждении всех восьми элементов

Таким образом, рассмотренная полосковая КАР может работать в двух режимах — с фиксированной круговой или сканирующей секторной ДН с довольно высоким КУ и низким уровнем бокового излучения.

Вывод. Полученные результаты позволяют предположить, что рассмотренные варианты КАР СВЧ с дискретно-коммутационным сканированием азимутальной ДН с учетом массогабаритных и электрических характеристик представляются перспективными для использования в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского. — М. : Радиотехника, 2012. — 744 с.

2. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки. Второе издание. — М. : Техносфера, 2012. — 560 с.

3. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи / А. В. Шишлов [и др.] // Журнал радиоэлектроники. — 2018. — № 7. — С. 40.

4. Галуза М. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Методика проектирования полос-ковой антенны вытекающей волны с низким уровнем бокового излучения // Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии. — Воронеж, 2019. — № 5-2. — С. 115—119.

REFERENCES

1. Ustrojstva SVCH i antenny. Proektirovanie fazirovannyh antennyh reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskij [i dr.] ; pod red. D. I. Voskresenskogo. — M. : Radio-tekhnika, 2012. — 744 s.

2. Hansen R. S. Fazirovannye antennye reshetki. Vtoroe izdanie. — M. : Tekh-nosfera, 2012. — 560 s.

3. Mnogoluchevye antenny dlya sistem radiolokacii i svyazi / A. V. SHishlov [i dr.] // ZHurnal radioelektroniki. — 2018. — № 7. — S. 40.

4. Galuza M. A., Klimov A. I., Kuznecov A. V. Metodika proektirovaniya poloskovoj antenny vytekayushchej volny s nizkim urovnem bokovogo izlucheniya // Obshchestvennaya bezopasnost', zakonnost' i pravoporyadok v III tysyacheletii. — Voronezh, 2019. — № 5-2. — S. 115—119.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Белозерцев Юрий Васильевич. Заместитель генерального директора по научной работе. АО ВНИИ «Вега», г. Воронеж. E-mail: vega_sdr@mail.ru

Россия, 394026, Воронеж, Московский проспект, 7б. Тел. (473) 262-27-03.

Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России. E-mail: alexserkos@inbox.ru

Россия, 394065, Воронеж, Проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65.

Belozertsev Yuriy Vasil'yevich. Deputy Director for Research. JSC Research Institute "Vega", Voronezh. E-mail: vega_sdr@mail.ru

Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 7b. Tel. (473) 262-27-03.

Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: alexserkos@inbox.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65.

Ключевые слова: кольцевая антенная решетка; диаграмма направленности; электрическое сканирование; радиосвязь; радиоуправление.

Key words: circular antenna array; radiation pattern; electrical scanning; radio communication; radio

control.

УДК 621.396.67