Исследование характеристик антенной решетки на основе линзы Ротмана и антенн с эллиптическими плечами

УДК 621.396.67

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ ЛИНЗЫ РОТМАНА И АНТЕНН С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ПЛЕЧАМИ

А.Г. Рыжиков, С.А. Слинчук, С.М. Фёдоров В.И. Чугуевский

В работе исследуется макет полосковой линзы Ротмана с подключенными к ней излучающими элементами антенной решетки. В результате проведенного натурного эксперимента получены основные характеристики представленной антенной решетки

Ключевые слова: линза Ротмана, натурный эксперимент, диаграммообразующая схема

Многолучевые антенные решетки (АР) представляют собой антенные устройства способные формировать несколько диаграмм направленности, в зависимости от того на какой входной порт поступает сигнал. Такие многолучевые антенны становятся все более привлекательными для коммерческого использования в системах сотовой связи, радиопеленгации, автомобильных радаров [1, 2]. Хорошим решением этих задач является использование простой в изготовлении и широкополосной диаграммообразующей схемы (ДОС) - линзы Рот-мана.

Линза Ротмана представляет собой конструкцию, помещенную между параллельными пластинами с портами на противоположных сторонах. Порты с правой стороны (рис. 1) называют портами решетки, к ним подключаются отдельные излучающие элементы антенной решетки. Порты с левой стороны называют портами лучей, они спроектированы так, чтобы каждый из них соответствовал определенному направлению луча в пространстве. Минимизация отражений внутри линзы необходима для получения хороших рабочих характеристик. Для решения этой задачи используется два набора балластных портов, один для гашения отраженного излучения от портов решетки, другой для уменьшения излучения от портов лучей.

Конструкция линзы Ротмана определяется уравнениями Ротмана-Тернера [3], они приведены ниже. Эти уравнения задают расположение портов, основываясь на трех идеальных фокальных точках ^0, Р1 и ^2 (рис. 1). В них используются следующие обозначения: w -

Рыжиков Артем Геннадьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(950) 779-44-97

Слинчук Светлана Александровна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(903) 650-52-02

Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(904) 210-05-35

Чугуевский Виталий Игоревич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(953) 337-45-48

задержка фазы в длинах волн; g , п, ] - нормализованные к максимальному размеру апертуры N переменные С , N , Р .

Рис. 1. Топология линзы Ротмана

Определяющими параметрами для линзы Ротмана являются внутренний угол сканирования a, отношение G / F и количество портов.

a = cos a a = sin a a = Aw + Bw + C

A = 1 - (g 1). - n2

g -1

g -1

B = -2 g - n2b2 —---------- + 2 g^----------+ 2n2

C=

R=

(g - a) n4b4 n2b2

------------7 + g---------

4(g - a)2 g - a

(F • a - G)2 + F2Ъ2

g-a

n

2

В данной статье исследуется макет симметричной линзы Ротмана построенной для работы на частоте 7 ГГц. Конструкция линзы представляет собой ДОС (рис. 2) помещенную между двумя слоями полистирола толщиной 2 мм покрытых с обратной стороны слоем меди.

Габариты представленного макета линзы Ротмана составили 355x300x4,2 мм. Ко всем балластным портам параллельно подключены два SMD-резистора с сопротивлением по 100 Ом каждый.

Дистанция между портами больше половины длины волны приводит к появлению излучения от портов решетки в сторону балластных портов и портов лучей. Поэтому расстояние выбиралось для оптимальной работы на нужной частоте и составило: расстояние между портами луча 30 мм, между портами решетки 20 мм, между балластными портами 30 мм.

Собранная АР с антенными элементами и разъемами представлена на рис. 4.

Рис. 2. Внешний вид линзы Ротмана

К портам решетки припаяны симметрирующие устройства соединенные с антенными элементами [4, 5]. Топология размещалась на полистироле толщиной 2 мм, толщина меди 0,1 мм (рис. 3). Антенные элементы представляют собой симметричные электрические сверхши-рокополосные вибраторы с эллиптическими плечами. Размеры симметрирующего устройства 29x20 мм, размеры вибратора 34x20 мм.

Рис. 4. Общий вид исследуемой АР построенной на основе линзы Ротмана

Измерение S-параметров производилось на Agilent Technologies N5230C серии PNA-L на частоте от 3 до 8 ГГц. Результаты для всех восьми портов представлены на рис. 5, на рис. 6 изображена номограмма Вольперта-Смита для 1 и 4 порта.

Рис. 5. S-параметры выраженные в Дб для 1-4 порта

Рис. 3. Антенный элемент с симметрирующим устройством

Рис. 6. Номограмма Вольперта-Смита для 1 (а) и 4 (б) порта

Из представленных рисунков видно, что исследуемая АР обладает неплохим согласованием (S-параметры не принимают значение больше -5 Дб на всей полосе частот).

Коэффициент усиления измерялся анализатором сигналов фирмы Agilent Technologies N9010A серии EXA. На частоте 5,6 ГГц значение коэффициента усиления 4 порта составило 14 дБ, на частоте 7,4 ГГц он равен 13,4 Дб. При математическом моделировании представленной конструкции был обнаружен большой уровень заднего лепестка диаграммы направленности. Для уменьшения его уровня и увеличения коэффициента усиления решено использовать экран высотой 30 мм (рис 7).

Рис. 7. Исследуемая АР с установленным экраном.

Далее приведены результаты измерения основных характеристик исследуемой АР с экраном: зависимости 8-параметров представлены на рис. 8, номограмма Вольперта-Смита изображена на рис. 9.

S - параметры (дБ) ІПорт — 2 Порт — ЗПорт — 4 Порт

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 * . Л

І КЛ , .rfvyKri

1 ;'J' ш ЩРЩ Іі JiAAiV ш №

ї' V )\Щ і!)] ь і ' 1 1 ш щ И

Щ і і 'і II ' ї \І щщ ЦІ У І і 1' і":! і

\ ' І і' і vf н'1! 1

Iі і : L

-эи 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Частота

Рис. 8. S-параметры АР с экраном для 1-4 порта

б)

Рис. 9. Номограмма Вольперта-Смита АР с экраном для 1 (а) и 4 (б) порта

Как видно из представленных зависимостей установка экрана не приводит к серьезному ухудшению согласования исследуемой лин-

зы Ротмана. Коэффициент усиления 4 порта на частоте 5,6 ГГц равен 15 дБ, на частоте 7,4 ГГц принимает значение 14,6 дБ. Т.е. наличие экрана дает увеличение коэффициента усиления на 1 дБ и 1,2 Дб на частоте 5,6 ГГц и 7,4 ГГц соответственно.

Таким образом, на основе полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о перспективности использования представленной антенной решетки в системах сотовой связи и радиопеленгации.

Литература

1. C. Metz, J. Grubert, J. Heyen, A.F. Jacob, S. Janot, E. Lissel, G. Oberschmidt, and L.C. Stange, "Fully integrated automotive radar sensor with versatile resolution", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 49, pp. 2560-2566, 2001.

2. Экспериментальное исследование сверхшироко-полосной антенны, построенной на основе модификации плоской линзы Люнеберга / С.А. Антипов, А.В. Ашихмин, В.В. Негробов, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 3. С. 113-118.

3. W. Rotman and R. F. Turner, “Wide angle microwave lens for line source applications,” IEEE Trans. Antennas Propag. AP-11, pp. 623-632, November 1963.

4. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Исследование кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки, состоящей из экспоненциально расширяющихся щелевых элементов, нагруженных широкополосными электрическими вибраторами. // Антенны. 2010. № 6 (157). С. 60-66.

5. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Экспериментальное исследование кольцевой радиопеленгаторной гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн. // 16-я международная НТК «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. Изд-во ВГУ. 2010. Т. 2. С. 1634-1645.

Воронежский государственный технический университет

RESARCH OF ANTENNA ARRAY BASED ON ROTMAN LENS AND ANTENNAS WITH

ELLIPTICAL SHOULDERS

A.G. Ryzhikov, S.A. Slinchuk, S.M. Fedorov, V.I. Chuguevskiy

The paper presents design of stripline Rotman lens connected with radiating elements of antenna array. The experimental research has shown us the basic characteristics of this array

Key words: Rotman lens, experiment, beamforming network