Исследование диаграммообразующих устройств многолучевых антенных решёток на основе плоской линзы Ротмана

УДК 621.396.67

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК НА ОСНОВЕ ПЛОСКОЙ ЛИНЗЫ РОТМАНА

Д.Ю. Крюков, Ю.С. Курьян, Ю.Г. Пастернак

Представлены результаты исследований по поиску оптимальных геометрических размеров и формы линзы Ротмана для использования её в качестве диаграммообразующей схемы многолучевой антенной решётки в диапазоне сверхвысоких частот. Проведено электродинамическое моделирование синтезированного диаграммообразующего устройства на основе плоскопараллельной линзы Ротмана

Ключевые слова: многолучевая антенная решётка, диаграммообразующее устройство, линза Ротмана

В настоящее время разработчики антенной техники и специалисты в области радиосвязи проявляют значительный интерес к проблемам создания многолучевых антенных решёток (MAP) с электронным сканированием диаграммы направленности, обладающих высокими рабочими характеристиками и предельно малыми размерами. В общем случае, МАР представляет собой собственно решетку излучателей и диаграммообразующую схему, обеспечивающую формирование в антенне соответствующих амплитудно-фазовых распределений [1].

Одним из возможных способов повышения технико-экономических показателей МАР является использование в качестве диаграмообразующих устройств (ДОУ) волноводные и микрополосковые разновидности радиочастотной линзы, предложенной американским учёным Ротманом. Такие устройства позволяют достаточно просто создать практически реализуемые конструкции антенн с двумерной многолучевой диаграммой направленности, имеющие оптимальные характеристики в широком секторе углов сканирования и требуемой рабочей полосе частот.

Основы теории проектирования ДОУ на основе линзы Ротмана базируются на законах геометрической оптики, с помощью которых можно приближенно определить фазовое распределение на выходе линзы. Однако, строгие методы расчета амплитудно-фазовых распределений поля на выходе ДОУ на сегодняшний день отсутствуют, поэтому основным подходом к проектированию таких линз является экспериментальное исследование.

Цель данной работы заключается в отыскании оптимальных геометрических размеров и формы линзы Ротмана, обеспечивающих высокие качественные показатели при использовании её в ДОУ антенных решёток.

Линза Ротмана представляет собой конструкцию, помещенную между параллельными пластинами с портами на противоположных сторонах (рис. 1).

Крюков Дмитрий Юрьевич - ВГТУ, студент, e-mail: KryukovDY@bk. ru

Курьян Юрий Сергеевич - ВГТУ, студент, e-mail: kuryanus@yandex.ru

Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46

Порты с правой стороны называют портами решётки, к ним подключаются отдельные излучающие элементы антенной решётки. 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 [2].

Рис. 1. Схема линзы Ротмана

Синтез линзы предполагает, что известны несколько входных параметров, которые используются для расчета конструкции:

• Распределение элементов (п) - распределение линейных антенных элементов вдоль выходной дуги.

• Ширина линзы (О) - расстояние между центром выходной дуги и центром входной дуги.

• Фокальный коэффициент ^ = G / К). Этот параметр используется для задания формы фокальной дуги.

• Угол сканирования (а) - Угол между осью линзы и одной из вне осевых фокальных точек, так же угол вне осевого лепестка, для которого фазовая ошибка равна нулю.

На основании известных входных данных конструкция линзы Ротмана определяется уравнениями Ротмана-Тернера [2]:

а = сова,

Ь = Бт а,

А = 1-

(Е -1)2 (Е - а)7

В = -2 е - п2 Ь2 • Е 1

(Е - а)2

Aw2 + Bw + С = 0,

+ 2е • Е-1 + 2п2

С=-

4 7 4

п Ь

+ Е •

п2Ь2

4(Е - а)2 Е - а _ (Р • а - О)2 + Р2Ь2

л = -,

2

где w - задержка фазы в длинах волн, £, п, / -нормализованные к максимальному размеру апертуры переменные О, N, Р. Эти уравнения задают расположение портов, основываясь на трех идеальных фокальных точках Р0, Р и р (рис. 1).

Таким образом, задачу синтеза ДОУ для МАР на основе линзы Ротмана целесообразно разбить на два этапа (рис. 2): расчет конструкции тела линзы и выбор оптимального геометрического расположения портов в зависимости от их формы, предназначения (порты лучей, антенные или балластные) и общего количества.

Рис. 2. Этапы проектирования линзы Ротмана

Исследование ориентации порта и перехода от 50 Омной микрополосковой линии к апертуре линзы из параллельных пластин было проведено учёными Мусой и Смитом [3]. Они доказали, что линейный переход с углом раскрыва 12,5° не сильно отличается по производительности от угла раскрыва 7,5°. Обе конструкции обладают средним коэффициентом отражения в пределах от -15 до -18 дБ. В то время как порт с большим углом раскрыва показывает сильный рост среднего коэффициента отражения. Поэтому, для портов должен быть выбран угол раскрыва не больше 15°. С другой стороны, порты должны быть расположены как можно ближе друг к другу для того, чтобы избежать отражений от открытых границ вдоль контуров линзы. Для этого, дополнительные порты, называемые балластными портами, помещаются между контурами портов решётки и портов лучей, чтобы уменьшить возможные отражения и стоячие волны в линзе. Стоячие волны создают дополнительные, сложно оцениваемые фазовые и амплитудные ошибки и, следовательно, ухудшают производительность линзы. В общем случае, из-за несовершенства конструкции ДОУ антенных решёток линейность фазового распределения возбуждения искажа-

ется, что ведет к нарушению формы диаграммы направленности (ДН) и снижению коэффициента полезного действия (КПД). Наиболее неприятным следствием фазовых искажений является возрастание уровня боковых лепестков (УБЛ).

Путем использования уравнений Ротмана-Тернера [2] и представленных выше соображений, с помощью экспериментального подбора входных параметров была спроектирована симметричная полос-ковая линза Ротмана (рис. 3). В ходе экспериментального исследования мы изменяли размеры и форму тела линзы, сохраняя интервал расположения портов и размер апертуры постоянными. Было установлено, что при объедении двух соседних портов, ухудшается средний коэффициент отражения, однако, при этом УБЛ уменьшаются до 5 дБ за счет небольшого увеличения ширины луча.

Рис. 3. Симметричная полосковая линза Ротмана

Конструкция линзы ориентирована для работы в качестве ДОУ антенных решёток в диапазоне частот от 4 до 7 ГГц. Спроектированная полосковая линза имеет 34 порта конической формы, а именно, 18 портов лучей, 12 антенных портов и 4 балластных.

Для выбора каналов передачи в том или ином направлении, противоположные концы портов лучей должны быть подключены с помощью коаксиальных кабелей к высокочастотному коммутатору.

Для реализации численного моделирования описанной выше и показанной на рис. 3 электродинамической структуры использовался метод конечных интегралов Вейланда [4]. В результате моделирования были получены ¿'-параметры исследуемой электродинамической структуры (рис. 4), а также амплитудные распределения электрического (рис. 5) и магнитного (рис. 6) полей на средней частоте рабочего диапазона 5,5 ГГц.

Задача расчёта ¿-параметров была решена путём итеративного согласования каждого отдельного порта с телом линзы и последующего пересчёта матрицы ¿-параметров.

2

п

а

2

-п

S, дБ

5 5.5 6 Частота, ГГц

Рис. 4. ^-параметры электродинамической структуры

Рис. 5. Амплитудное распределение электрического (Е) поля в апертуре линзы Ротмана при возбуждении одним из портов лучей на частоте 5,5 ГГц

Рис. 6. Амплитудное распределение магнитного (Н) поля в апертуре линзы Ротмана при возбуждении одним из портов лучей на частоте 5,5 ГГц

ДОУ на основе симметричной полосковой линзы Ротмана обеспечивают низкий уровень взаимного влияния на антенную решётку. Наиболее существенно она излучает перпендикулярно к поверхности диэлектрика, на котором расположена (рис. 7). Следовательно полотно антенной решётки может быть смещено по вертикали без влияния на производительность в горизонтальной плоскости.

Рис. 7. Ближнее электромагнитное поле полосковой линзы Ротмана

Таким образом, на основе полученных в ходе численного эксперимента данных, можно сделать вывод о перспективности применения разработанной симметричной полосковой линзы Ротмана в качестве ДОУ для МАР в диапазоне сверхвысоких частот.

Литература

1. Бенесон Л.С., Журавлёв В. А., Попов С.В., Постнов Г.А. Антенные решётки / Под ред. Л.С. Бенесона. М.: Сов. радио, 1966, 368 с.

2. 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.

3. L. Musa and M.S. Smith, «Microstrip port design and sidewall absorption for printed Rotman lenses», Micro-waves, Antennas and Propagation, IEE Proceedings H, vol. 136, pp. 53-58, 1989.

4. Weiland T.A. Discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / T.A. Weiland // Electronics and Communication, 1977. - V. 31. - PP. 116-120.

5. T Katagi, S Mano and S Sato. An Improved Design Method of Rotman Lens Antennas. IEEE Transactions of Antennas and Propagation, vol AP-32, May 1984, pp 524-527.

6. Исследование характеристик антенной решётки на основе линзы Ротмана и антенн с элиптическими плечами [Текст] / А.Г. Рыжиков, С.А. Слинчук, С.М. Фёдоров, В.И. Чугуевский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - №2 3. - С. 49-52.

7. Обзор построения излучающих устройств с возможностью формирования нескольких лучей [Текст] / С.Н. Панычев, Ю.Г. Пастернак, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров // Вестник воронежского технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 7-1. - С. 126-129.

8. P.K. Singhal, P.C. Sharma, and R. D. Gupta, «Rotman lens with equal height of array and feed contours», IEEE

Transaction on Antennas and Propagation, vol. 51, Issue 8, pp. 2048-2056, Aug. 2003.

9. Hall, D. Abbott, and H. Hansen, «Monolithic fabrication of Rotman lenses», in Monolithic fabrication of Rotman lenses, 4593, pp. 119-127, (Adelaide), December 2001.

10. D.Archer, «Lens-fed multiple beam arrays», Micro-

wave Journal, vol. 27, pp. 171-172, 1984. Воронежский государственный технический университет

STUDY BEAMFORMING DEVICES MULTIPATH ANTENNA ARRAYS BASED ON PLANE

ROTHMAN LENS

D.Yu. Kryukov, Yu.S. Kurian, Yu.G. Pasternak

Results of researches on search of the optimum geometrical sizes and a form of a lens of Rotman for its use as the a scheme of beam forming of a multibeam antenna lattice in the range of ultrahigh frequencies are presented. Electrodynamic modeling of the synthesized a device of beam forming on the basis of Rotman's plane-parallel lens is carried out

Key words: multibeam antenna array, device of beam forming, Rotman lens