Диаграммообразующее устройство
DIAGRAM-FORMING DEVICE

Предлагаемое диаграммообразующее устройство (ДОУ) относится к области антенной техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в печатных многолучевых фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных, радионавигационных и инфокоммуникационных систем.
Актуальность разработки таких устройств обусловлена не снижающимися требованиями к многолучевым антенным системам СВЧ в отношении их широкополосности, массогабаритных показателей и технологичности сборочных и регулировочных работ. Для обеспечения предъявляемых ныне требований целесообразно реализовать широкополосные компактные, с высоким процентом выхода годных изделий ДОУ, пригодные для интегрально-групповой технологии микроэлектроники и полосковых микросхем, когда само диаграммообразующее устройство реализуется на единой диэлектрической подложке вместе с излучателями ФАР без каких-либо соединительных коаксиальных кабелей.
Известно ДОУ, являющееся составной частью многолучевой антенны, описанное в работе «Устройства СВЧ и антенны» / Под ред. Д.И. Воскресенского, М.: Радиотехника, 2016, глава 19, стр. 490-491, 494-495, выполненное по схеме Батлера (другими словами: матрица Батлера).
Отличительным признаком и достоинством схемы Батлера является возможность составления всего ДОУ из одинаковых восьмиполюсных делителей мощности пополам (в отношении 1:1) и набора статических фазовращателей (ФВ). Но это предопределяет и ряд недостатков таких ФАР, в числе которых ограниченная широкополосность как самих восьмиполюсных делителей мощности (например, двух- или трехшлейфные квадратурные делители), так и того участка диапазона СВЧ, в пределах которого удается реализовать требуемую разность фаз напряжений на выходах ДОУ, соединенных определенным образом с излучателями ФАР. Это затрудняет использование ДОУ Батлера при реализации полностью планарных (т.е., без сквозных металлизированных отверстий на печатной плате и каких-либо соединительных коаксиальных кабелей между ДОУ и излучателями) печатных ФАР, интегрированных с широкополосными излучателями, такими как: логопериодические вибраторные излучатели, излучатели Вивальди и другие (см. вышеупомянутую работу под ред. Д.И. Воскресенского, 2016 год, рис. 14.20 и рис. 14.21 соответственно).
В результате, описанные ДОУ Батлера не вполне удовлетворяют современным требованиям по широкополосности их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Известно также ДОУ, описанное в патенте Российской Федерации №1525781, Н01В 5/12, опубликованном 30.11.1989 года. В этом ДОУ в качестве вышеупомянутых восьмиполюсных делителей мощности пополам используются несимметричные направленные ответвители на связанных полосковых печатных неоднородных линиях с изменяющимися вдоль линий погонными параметрами. Такие ответвители имеют частотно-зависимую разность фаз выходных напряжений в полосе частот равномерного деления в отношении 1:1. За счет этого, направления половины диаграмм направленности (другими словами: лучей) многолучевой ФАР в окружающем пространстве слабо зависят от частоты, что создает эффект стабилизации положения этой половины лучей в свободном пространстве вокруг ФАР при изменении частоты. Однако, положения в пространстве второй половины всех лучей ФАР, наоборот, резко изменяются при отклонении рабочей частоты от расчетной центральной, что в ряде случаев является неприемлемым. Фактически, эта вторая половина лучей является нерабочей, что свидетельствует об избыточном использовании печатных восьмиполюсных делителей мощности в составе топологии рассматриваемых печатных ДОУ. При современных требованиях комплексной миниатюризации элементов и узлов ФАР такая избыточность препятствует достижению высоких показателей производственной и эксплуатационной технологичности, хотя рабочая полоса частот несимметричных направленных ответвителей на связанных неоднородных линиях может достигать трех октав при одномодовом режиме распространения в линиях поперечной ТЕМ-волны.
Таким образом, ДОУ, реализованные согласно патенту Российской Федерации №1525781 не удовлетворяют современным требованиям по широкополосности их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Известно также ДОУ, описанное в патенте США №4231040, опубликованном 28.10.1980 года под названием: "Simultaneous multiple beam antenna array matrix and method thereof". Это устройство стало усовершенствованием классической матрицы Батлера, ранее описанной в патенте США №3255450, опубликованном 07.06.1966 года. Усовершенствование заключалось в том, что, в отличие от классической матрицы Батлера по патенту США №3255450 с равномерным распределением мощности по каналам, упомянутое ДОУ позволяет реализовать неравномерное амплитудное распределение по его каналам, что способствует снижению уровня боковых лепестков каждого из лучей соответствующей многолучевой ФАР без введения дополнительных пассивных элементов с диссипативными потерями. Об этом свидетельствует первый абзац Описания патента США №4231040 (столбец 1, строки 5-21).
Упомянутое усовершенствование в патенте США №4231040 было достигнуто за счет введения дополнительных квадратурных ответвителей и дополнительных ФВ с фиксированным в диапазоне частот фазовым сдвигом относительно отрезка регулярной полосковой линии передачи. В результате описанного усовершенствования удалось реализовать ДОУ с неравномерным распределением мощности по его каналам, что способствует снижению уровня боковых лепестков лучей соответствующей ФАР до значений, достигающих, согласно фигуре 2 его Описания, (-20…-22) дБ.
Однако, введение дополнительных квадратурных ответвителей и фазовращателей неизбежно сужает рабочую полосу частот каждого канала ДОУ, так как электрическая длина каналов увеличивается прямо пропорционально их геометрической длине по печатным трассам подложки ДОУ, так что реализовать требуемые фазовые сдвиги в ниспадающих фазо-частотных характеристиках каналов ДОУ удается в более узкой полосе частот, чем у классической матрицы Батлера по патенту США №3255450.
Таким образом, ДОУ, описанные в патенте США №4231040, также не вполне удовлетворяют современным требованиям по широкополосности их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Известно также ДОУ, описанное в патенте США №4424500, опубликованном 03.01.1984 года под названием "Beam forming network for a multibeam antenna". Это ДОУ символизирует другое направление усовершенствования той же классической матрицы Батлера, ранее описанной в уже упомянутом патенте США №3255450. Сущность этого усовершенствования заключается в том, чтобы в значительной мере преодолеть конструктивно-технологические недостатки классической матрицы Батлера, сократить число взаимных пересечений печатных полосковых линий и обеспечить многоуровневую разводку соединительных полосковых линий, подводящих выходные напряжения матрицы Батлера к печатным излучателям ФАР с низким уровнем боковых лепестков. Об этом свидетельствуют строки 21-45 столбца 1 Описания патента США №4424500.
Однако, в данном патенте, согласно фигуре 5 его Описания, широко используются трехшлейфные направленные ответвители, рабочая полоса частот которых весьма невелика. К тому же, в этом ДОУ для устранения взаимных пересечений полосковых линий используется множественность дополнительно введенных «тандемных» направленных ответвителей, о чем свидетельствует фиг. 11 его Описания. При этом каждый «тандемный» ответвитель реализован из двух классических четвертьволновых направленных ответвителей на связанных печатных полосковых линиях, соединенных между собой более короткими полосковыми линиями, что иллюстрируется фигурами 7 и 11 Описания патента. Поэтому электрические длины полосковых линий в каналах данного ДОУ по сравнению с классическим ДОУ Батлера (классической матрицей Батлера) существенно возрастают и обеспечить требуемую разность фаз в ниспадающих фазо-частотных характеристиках его каналов еще труднее, чем в предыдущем усовершенствовании по патенту США №4231040. Фактически, ценой сокращения рабочего диапазона частот обеспечивается исключение взаимных пересечений полосковых линий, подводящих выходные напряжения ДОУ к печатным излучателям ФАР, И хотя отсутствие взаимных пересечений, как правило, приветствуется конструкторами и технологами при трассировке печатных плат СВЧ, тем не менее удлинения одиночных и связанных линий передачи затрудняют реализацию требуемой разности фаз, так что описанное выше усовершенствование не отвечает современным требованиям по широкополосности.
Таким образом, и эти ДОУ не вполне удовлетворяют современным требованиям по широкополосности их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Прототипом предлагаемого изобретения, отражающего фактически третий путь усовершенствования классической матрицы Батлера, является уже упомянутое выше классическое ДОУ Батлера, описанное в патенте США №3255450, опубликованном 07.06.1966 года под названием: "Multiple beam antenna system employing multiple directional couplers in the leading". Формула изобретения этого патента, состоящая из семи пунктов, сопровождается несколькими фигурами, из которых для компактности и большей наглядности далее выбран пятый пункт формулы и относящаяся к нему фигура 5, согласно которым классическое четырехканальное ДОУ Батлера содержит первую (a), вторую (b), третью (e) и четвертую (f) пространственно разнесенные антенны, пронумерованные на фигуре 5 Описания патента слева направо и обозначенные строчными латинскими буквами соответственно (фиг. 1). При этом на фиг. 1 настоящего Описания фактически воспроизведена фиг. 5 Описания патента США №3255450, дополненная обозначениями, необходимыми как для ее исходной характеристики русскоязычными терминами, так и для последующего перехода к задаче (техническому результату) предлагаемого изобретения.
Упомянутое ДОУ (фиг. 1) содержит также первый (позиция 56), второй (позиция 57; в оригинале Описания этого патента США позицией 57 ошибочно обозначен статический/фиксированный фазовращатель, который должен иметь позицию 55. Эта позиция 55 в оригинале на фиг. 5 вообще отсутствует, хотя в тексте Описания патента США она фигурирует), третий (позиция 52) и четвертый (позиция 53) ответвители, сгруппированные парами в два ряда, причем нижний ряд объединяет (при нумерации слева направо) первый и второй ответвители, а верхний ряд при том же направлении нумерации - третий и четвертый ответвители. Каждый из ответвителей, являющийся восьмиполюсным/четырехплечим делителем мощности СВЧ, имеет входное (в) [в англоязычной терминологии: "input port" (in)], развязанное (р) [в англоязычной терминологии: "isolated port" (ip)], связанное (с) [в англоязычной терминологии: "coupled port" (cp)] и гальваническое (г) [в англоязычной терминологии: "galvanic port (gp)] плечи, причем на фигуре 1 используются строчные буквы русского алфавита. При этом антенны a, b и e, f соединены с плечами «с» и «г» третьего (52) и четвертого (53) ответвителей верхнего ряда соответственно. В свою очередь, плечи «в» и «р» ответвителей верхнего ряда соединены с плечами «с» и «г» нижнего ряда ответвителей (56) и (57), причем необходимо выполнить пересечение соединительных линий, а именно: плечо «р» левого верхнего ответвителя (52) соединено с плечом «с» правого нижнего ответвителя (57), а плечо «в» правого верхнего ответвителя (53) - с плечом «г» левого нижнего ответвителя (56). При этом длины перекрещенных соединительных линий одинаковы. Также одинаковы две другие соединительные линии, обеспечивающие соединение плеч без пересечений, а именно: плечо «в» левого верхнего ответвителя (52) соединено с плечом «с» нижнего левого ответвителя (56), а плечо «р» правого верхнего ответвителя (53) - с плечом «г» правого нижнего ответвителя (57). При этом длина каждой соединительной линии этой второй пары превышает длину соединительных линий первой пары на 1/8 длины λ рабочей волны, соответствующей расчетной центральной частоте ƒ ДОУ. Иными словами, электрическая длина каждой соединительной линии второй пары на 45 градусов больше электрической длины соединительных линий первой пары. Этот факт со схемо-технической точки зрения интерпретируется как наличие статических/фиксированных фазо-задерживателей [иными словами: фазовращателей (ФВ)] (54) и (55) в каждой из соединительных линий второй пары. Поскольку любая линия передачи обусловливает задержку сигнала при распространении его по ней, то фазовый сдвиг обоих ФВ (54) и (55) равен (-45) градусов на центральной частоте. При этом целесообразно подчеркнуть тот факт, что в упомянутом патенте США №3255450 фазовращатели (54) и (55) реализованы именно в виде удлинения соединительных линий. О том, как конструктивно реализованы удлинения линий, в патенте США №3255450 не содержится какой-либо информации. Поэтому предлагается уже сейчас конкретизировать этот факт (фиг. 2), заменив на фиг. 1 обозначение «(-45) градусов», обведенное эллипсом, на более близкое по смыслу обозначение в виде четырехполюсного/двуплечего отрезка передающей линии с плечами/портами «t1» и «t2» (на фиг. 2 отрезки изображены в виде горизонтально ориентированной прописной русской буквы «П»), расстояние между которыми равно 1/8=0,125 длины λ рабочей волны. Кроме этого, такая конкретизация будет способствовать в дальнейшем более выверенному и однозначному составлению Формулы предлагаемого изобретения.
Вышеупомянутые антенны a, b и e, f соединены с плечами «с» и «г» верхнего ряда ответвителей (52), (53) соответственно, при этом длина всех четырех соединительных линий одинакова и может быть, в принципе, произвольной. Но с точки зрения минимизации диссипативных потерь в проводниках и диэлектрике линий передачи их длина должна быть по возможности минимальной. При этом очевидно, что при печатном исполнении необходимо реализовать пересечение двух внутренних (по схеме фиг. 1) соединительных линий.
Также минимальными, но одинаковыми, должны быть длины линий передачи, соединяющих плечи «в» и «р» нижних ответвителей (56), (57) со входами 1L, 2L, 1R, 2R ДОУ Батлера, которые одновременно являются входами всей четырехлучевой ФАР.
В результате такого построения классической ДОУ Батлера, удалось реализовать многолучевую антенную систему, имеющую в общем случае 4, 8, 16, 32, 64 и так далее лучей (их количество равно целой степени числа 2), направленных в окружающее пространство в противоположные стороны симметрично по отношению к направлению в зенит, что иллюстрируется в патенте США №3255450 фигурой 4 для восьми лучей. Об этом свидетельствуют также строки 36-54 столбца 1 Описания этого патента.
Однако, фазирование сигналов в каналах упомянутого ДОУ Батлера обеспечивается за счет надлежащего выбора длин соединительных линий. В результате требуемая фазовая задержка статических/фиксированных ФВ, равная (-45°), реализуется только на одной рабочей/центральной частоте. При отклонении частоты от центральной фазовая задержка начинает отличаться от (-45°), что приводит к отклонению лучей ФАР в пространстве от первоначального положения. И чем больше текущая частота отличается от центральной, тем сильнее «разъезжаются» в пространстве лучи ФАР. Между тем, во многих применениях, например, при обмене информацией по радиоканалам между городами, вахтовыми поселками геологов, нефтяников и газовиков, положение приемников сигналов на местности не меняется. И если лучи передающей многолучевой ФАР будут отклоняться от первоначального положения, то это может привести к неустойчивости и даже срыву радиосвязи, чреватому различными неблагоприятными последствиями в таких областях, как финансы, здравоохранение, чрезвычайные ситуации, туризм и т.п.
Таким образом, описанные классические ДОУ Батлера не в полной мере удовлетворяют современным требованиям по широкополосности их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание более технологичных ДОУ с увеличенной широкополосностью их каналов в пределах рабочего участка диапазона частот.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в диаграммообразующее устройство, содержащее четыре идентичных излучателя, образующих эквидистантную фазированную антенную решетку с нумерацией излучателей слева направо, четыре идентичных 3-децибельных ответвителя, каждый из которых имеет входное, развязанное, гальваническое и связанное плечи, причем ответвители одинаково ориентированы в компоновочном пространстве и сгруппированы парами в верхнем и нижнем рядах пространственной структуры, имеющей вертикальную ось, разделяющую структуру на две подобных части и совпадающую с направлением излучения фазированной антенной решетки в зенит, при этом связанные плечи ответвителей верхнего ряда соединены с первым и вторым излучателями, а гальванические плечи этих ответвителей соединены с третьим и четвертым излучателями соответственно, причем длина этих четырех соединительных передающих линий одинакова, развязанное плечо левого ответвителя верхнего ряда и связанное плечо правого ответвителя нижнего ряда, а также входное плечо правого ответвителя верхнего ряда и гальваническое плечо левого ответвителя нижнего ряда соединены первой парой одинаковых по длине передающих линий, входное плечо левого ответвителя верхнего ряда и связанное плечо левого ответвителя нижнего ряда, а также развязанное плечо правого ответвителя верхнего ряда и гальваническое плечо правого ответвителя нижнего ряда соединены второй парой одинаковых по длине передающих линий, причем длина линий второй пары превышает длину линий первой пары на идентичные удлинения, при этом входные и развязанные плечи ответвителей нижнего ряда являются первым и третьим, а также вторым и четвертым пронумерованными слева направо входами/выходами ДОУ соответственно, дополнительно введены идентичные двуплечие вытянутые проводники П-образной формы и одинаковые узкие вытянутые замкнутые кольцевые проводники, число которых равно числу удлинений, при этом проводники П-образной формы расположены симметрично относительно направления в зенит и включены в разрыв каждой из соединительных передающих линий первой пары, замкнутые кольцевые проводники электромагнитно связаны с проводниками П-образной формы по всей их длине, а величины удлинений составляет 0,625 длины рабочей волны.
На фиг. 1 изображена структурно-компоновочная схема 4-канального ДОУ (матрицы Батлера) согласно обозначениям и позициям прототипа, на фиг. 2 представлена схема того же ДОУ, когда удлинения моделируются использованием четырехполюсных (двуплечих) отрезков передающих линий, реализованных в виде горизонтально расположенных прописных букв «П», на фиг. 3 показана структурно-компоновочная схема предлагаемого ДОУ, на фиг. 4 изображена конструктивная реализация на диэлектрической пленке проводника П-образной формы и связанного с ним вытянутого узкого кольцевого проводника, на фиг. 5 представлена реализация соединения полосковой линии с коаксиально-полосковым разъемом, на фиг. 6 показано поперечное сечение трехслойной структуры с проводником П-образной формы и кольцевым проводником, на фиг. 7 изображена реализация ответвителя на диэлектрической пленке, на фиг. 8 приведены фазовые распределения для каждого входа ДОУ, на фиг. 9 представлены топологии лицевой и обратной стороны пленки Ф4ВМ-2 заявляемого ДОУ, на фиг. 10 изображены топологии лицевой стороны пленки Ф4ВМ-2 и обратной стороны листа ФАФ-4Д заявляемого ДОУ в проекционной связи, на фиг. 11 приведены визуально совмещенные топологии, представленные на фиг. 10 по-отдельности, на фиг. 12 показана излучающая сторона ДОУ в изометрии, на фиг. 13 изображен вид сверху на предлагаемое ДОУ, на фиг. 14 представлены диаграммы направленности для первого входа ДОУ, на фиг. 15 показаны диаграммы направленности для второго входа ДОУ, на фиг. 16 приведены диаграммы направленности для третьего входа ДОУ, на фиг. 17 изображены диаграммы направленности для четвертого входа ДОУ.
Предлагаемое ДОУ (фиг. 3) содержит четыре идентичных излучателя 1, 2, 3 и 4, образующих эквидистантную фазированную антенную решетку с нумерацией излучателей слева направо. ДОУ содержит также четыре идентичных 3-децибельных ответвителя 5, 6, 7 и 8, каждый из которых имеет входное 9 (аббревиатура «в»), развязанное 10 (аббревиатура «р»), гальваническое 11(аббревиатура «г») и связанное 12 (аббревиатура «с») плечи, причем ответвители одинаково ориентированы в компоновочном пространстве и сгруппированы парами в верхнем (ответвители 5 и 6) и нижнем (ответвители 7 и 8) рядах пространственной структуры, имеющей вертикальную ось (которая, хотя и не является осью поворотной симметрии или просто симметрии, но делит структуру ДОУ на две подобных части), совпадающую с направлением излучения антенной решетки в зенит. При этом развязанное плечо 10 (р) левого ответвителя 5 верхнего ряда и связанное плечо 12 (с) правого ответвителя 8 нижнего ряда, а также входное плечо 9 (в) правого ответвителя 6 верхнего ряда и гальваническое плечо 11 (г) левого ответвителя 7 нижнего ряда соединены первой парой одинаковых по длине соединительных передающих линий. В то же время, входное плечо 9 (в) левого ответвителя 5 верхнего ряда и связанное плечо 12 (с) левого ответвителя 7 нижнего ряда, а также развязанное плечо 10 (р) правого ответвителя 6 верхнего ряда и гальваническое плечо 11 (г) правого ответвителя 8 нижнего ряда соединены второй парой одинаковых по длине соединительных передающих линий, причем длина линий второй пары превышает длину линий первой пары на идентичные удлинения 13, 14, по величине равные 0,625λ.
В состав ДОУ входят также идентичные двуплечие вытянутые проводники П-образной формы 15, 16 и одинаковые узкие вытянутые замкнутые кольцевые проводники 17 и 18, число которых равно числу удлинений 13 и 14, реализованных в соединительных передающих линиях второй пары. При этом проводники П-образной формы 15, 16 расположены симметрично относительно направления в зенит и включены в разрыв каждой из соединительных передающих линий первой пары, а вытянутые замкнутые кольцевые проводники 17 и 18 электромагнитно связаны с проводниками П-образной формы 15 и 16 по всей их длине. В то же время, связанные плечи 12 (с) ответвителей 5 и 6 верхнего ряда соединены с первым 1 и вторым 2 излучателями соответственно, а гальванические плечи 11 (г) этих ответвителей 5 и 6 соединены соответственно с третьим 3 и четвертым 4 излучателями, причем длина всех четырех упомянутых соединительных передающих линий одинакова. При этом входные 9 (в) и развязанные 10 (р) плечи ответвителей 7, 8 нижнего ряда являются соответственно первым 19 и третьим 21, а также вторым 20 и четвертым 22 пронумерованными слева направо входами/выходами ДОУ и в целом 4-лучевой фазированной антенной решетки.
0
0
Электромагнитная связь замкнутых кольцевых проводников 17 и 18 соответственно с проводниками П-образной формы 15 и 16 по всей их длине осуществляется за счет размещения кольцевого проводника (например, 17) с одной стороны тонкой диэлектрической пленки 23 (фиг. 4, светло-серый цвет кольцевого проводника 17, темно-серый - проводника П-образной формы 15) марки Ф4ВМ-2 толщиной S=0,23 мм, выпускаемой ООО «Сибпромизолит», г. Омск. На этой фигуре показан фрагмент двухсторонней полосковой печатной платы ДОУ с излучателями, реализованной ниже для экспериментального подтверждения достижения технического результата. На другой стороне пленки 23 с требуемым совмещением выполнены проводники П-образной формы 15 (фиг. 4, темно-серый цвет). При этом электромагнитная связь между полосковыми проводниками фрагментов 15 и 17 обеспечивается посредством частичного наложения/перекрытия широких сторон проводников по всей длине проводника П-образной формы 15. Ширина проводников w и размер перекрытия d рассчитываются исходя из требуемого коэффициента связи/взаимодействия k элементов 15 и 17. Одна из малых сторон вытянутого узкого кольцевого проводника 17 не взаимодействует с проводником П-образной формы 15, поэтому ее ширина w определяется волновым сопротивлением ρ питающего коаксиального кабеля, равным, как правило, 50 или 75 Ом.
min
K
Такую же ширину имеют соединительные полосковые линии, подключенные к проводнику П-образной формы 15 (или 16) со стороны внешних цепей, к которым относятся соединительные передающие линии первой пары (фиг. 3). Во избежание нежелательной паразитной электромагнитной связи противоположных протяженных сторон кольцевого проводника 17 предусматривается их разнесение на пленке 23 (фиг. 4) на необходимое (из конструктивно-технологических требований к полосковым печатным платам) минимально допустимое расстояние d (см. работу: И.П. Бушминский, Г.В. Морозов. «Технологическое проектирование микросхем СВЧ». - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 356 с.: ил). Это же ограничение на близость друг к другу кромок соседних печатных фрагментов распространяется на всю полосковую плату ДОУ. Из прайс-листа фирмы-поставщика «Сибпромизолит» следует, что толщина  медной фольги, облицовывающей обе стороны диэлектрической пленки Ф4ВМ-2 (фиг. 4), составляет 35 микрометров, а величины краевых полей s на печатной плате в зоне пайки соединительных линий с коаксиально-полосковыми разъемами 24 входов 19, 20, 21 и 22 ДОУ (фиг. 5, область вблизи входа 19; светло-серый цвет - фрагмент соединительной полосковой линии, темно-серый цвет - фрагмент заземленного металлического корпуса ДОУ) не превышают 0,2…0,4 мм (см. вышеупомянутую работу И.П. Бушминского, Г.В. Морозова). Одновременно, для беспрепятственной сборки ДОУ необходимо обеспечить посадку печатной платы в корпус с зазором порядка 0,2 мм.
a
C
C
Как уже отмечалось выше, предлагаемое ДОУ будет реализовано вместе с излучателями на тонкой двухсторонне фольгированной пленке Ф4ВМ-2 соответствующих габаритов. Пленка со сформированными излучателями 1, 2, 3 и 4, ответвителями 5, 6, 7 и 8, проводниками П-образной формы 15, 16 и кольцевыми проводниками 17, 18 будет размещаться между листами 25 диэлектрика ФАФ-4Д толщиной =1,5 мм (фиг. 6, где использовано сечение проводника П-образной формы с кольцевым проводником, взятое из фиг. 4). Собранный из трех слоев диэлектрика сэндвич размещается в заземленном металлическом корпусе 26 соответствующего размера (фиг. 6), один торец которого открыт для выхода вовне части печатной платы с излучателями 1, 2, 3 и 4. В результате каждый из идентичных ответвителей 5, 6, 7 и 8 реализуется за счет электромагнитного взаимодействия двух расположенных с обеих сторон пленки 23 полосковых проводников шириной w со взаимным перекрытием d (фиг. 7, светло-серым цветом изображен проводник на одной стороне пленки, темно-серым - на противоположной). Длина  области перекрытия широких сторон проводников равна четверти длины рабочей волны в диэлектрике (см. работу: «Справочник по элементам полосковой техники» / Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1979. - 336 с., глава 3):
r
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков ФАФ-4Д (равная 2,5) и Ф4ВМ-2 (равная 2,55);
λ - рабочая длина волны,
- длина области перекрытия широких сторон проводников.
0
C
0
0
Для подключения ответвителей 5, 6, 7 и 8 к соединительным передающим линиям, шириной w, используются отводы с плавным нарастанием ширины каждого отвода от величины w до размера w на участке, шириной w. Именно центры этих участков и являются входным 9 (в), развязанным 10 (р), гальваническим 11 (г) и связанным 12 (с) плечами каждого из ответвителей (фиг. 7; светло-серый цвет - линия с плечами 9 (в) и 11 (г), темно-серый цвет - линия с плечами 10 (р) и 12 (с)). Для реализации ДОУ с требуемым совмещением фрагментов используется отечественная технология на основе травления медной фольги с пробельных мест пленки Ф4ВМ-2 и листов ФАФ-4Д с последующим химико-гальваническим покрытием печатного рисунка. Ключевые этапы этой классической технологии описаны, например, в работе: Под ред. И.П. Бушминского, «Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем». - М.: Радио и связь, 1987. - 272 с.: ил.
Принцип действия предлагаемого ДОУ состоит в следующем.
19m
19
0
19вых
0
0
Пусть амплитуда U входного гармонического напряжения u(t), подводимого коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением ρ от несимметричного относительно «земли» генератора с вещественным выходным сопротивлением R=ρ к входному разъему первого (текущий номер i=1) входа 19 ДОУ (фиг. 3, генератор, кабель и разъем условно не показаны), остается неизменной в полосе частот, превышающей рабочий диапазон идентичных излучателей 1, 2, 3 и 4. Выберем также в качестве излучателей весьма распространенные классические дипольные элементы с соответствующими печатными симметрирующими устройствами, имеющими после надлежащей их настройки относительную полосу рабочих частот порядка 10% и входное вещественное сопротивление (при пренебрежимо малом входном реактивном сопротивлении), равное ρ. Для последующих экспериментальных исследований были выбраны:
- центральная частота ƒ относительной полосы частот 10%: ƒ=2,2 ГГц;
0
- волновое сопротивление кабеля (иными словами: всего антенно-фидерного тракта): ρ=50 Ом;
- излучатели 1, 2, 3 и 4 (фиг. 3) с соответствующими текущими номерами j=1, 2, 3 и 4: печатные центрально-питаемые диполи с печатными симметрирующими устройствами типа «ласточкин хвост».
При этом все ключевые геометрические размеры идентичных излучателей и интегрированных с ними на единой печатной плате симметрирующих устройств рассчитываются исходя из выбранных выше данных по материалам работы: A.P. Gorbachev and V.M. Egorov, "The dipole radiating integrated module: experimental results", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 11, pp. 3085-3087, Nov. 2007. Эти размеры будут указаны далее в комментариях к печатной плате экспериментального образца.
Приложенное к первому (i=1) входу 19 ДОУ (фиг. 3) гармоническое напряжение
19m
где U - амплитуда напряжения,
ω и ƒ - центральная/рабочая круговая и циклическая частоты соответственно,
19
ϕ - начальная фаза,
0
создает в печатных элементах ДОУ сверхвысокочастотные токи проводимости, протекающие по поверхностям печатных фрагментов ответвителей 5, 6 и 7 (подчеркнем, что ответвитель 8 отсутствует в этом перечне не случайно; более подробно о нем - см. чуть ниже), а также вытянутого П-образного проводника 15 и связанного с ним узкого вытянутого кольцевого проводника 17. При этом незадействованные на данном этапе последующие (i=2, 3 и 4) входы ДОУ 20, 21 и 22 (фиг. 3) нагружаются согласованными балластными резисторами, равными по номиналу ρ.
Поскольку развязанное плечо 10 (р) ответвителя 7 практически изолировано по высокочастотному сигналу (2) от его входного плеча 9 (в), то мощность генератора с входа 19 ДОУ в балластный резистор второго (i=2) входа ДОУ 20 фактически не поступает. В то же время, со связанного плеча 12 (с) и гальванического плеча 11 (г) ответвителя 7 части мощности сигнала (2), разделенные этим ответвителем 7 в соотношении 1:1, поступают на оба входных плеча 9 (в) ответвителей 5 и 6 верхнего ряда соответственно (фиг. 3). Поскольку оба их развязанных плеча 10 (р) практически изолированы от входных плеч 9 (в), то половинки мощности сигнала/напряжения (2) в ответвитель 8 нижнего ряда также фактически не поступают. Следовательно, входы 21 и 22 с текущими в процессе описываемого принципа действия номерами i=3 и i=4 соответственно развязаны от возбужденного входа 19 (i=1).
19
Далее целесообразно от мгновенного значения напряжения (2) перейти к его комплексной амплитуде  и принять в процессе последующего использования классического символического метода анализа линейных электрических цепей для сокращения записей (но не в ущерб общности), что ϕ=0. Кроме того, будет использован аппарат волновых матриц рассеяния и материалы соответствующих работ. А именно:
- матрица рассеяния [S] каждого из идентичных ответвителей 5, 6, 7 и 8 для центральной частоты ƒ запишется (см. вышеупомянутый Справочник под ред. А.Л. Фельдштейна):
C
где элемент S соответствует коэффициенту передачи по напряжению связанного плеча 12 (с),
G
элемент S - коэффициенту передачи гальванического плеча 11 (г);
T
th
- матрица рассеяния [S] каждого из двух должным образом рассчитанных идентичных вытянутых проводников П-образной формы 15 и 16, электромагнитно связанных с вытянутыми кольцевыми проводниками 17 и 18 соответственно, определяется как (см. работу: S.A. Alekseytsev, A.P. Gorbachev, and Yu.N. Parshin "An investigation of novel active phased array components", Proceedings of 14 International Forum on Strategic Technology IFOST-2019, pp. 177-182, October 14-17, 2019, Tomsk, Russia):
12T
где S - есть комплексный коэффициент передачи вытянутого проводника П-образной формы.
1
2
u
Обозначим далее через ϕ электрическую длину первой пары одинаковых по длине передающих линий, а через ϕ - электрическую длину второй пары линий, причем туда включены электрические длины удлинений 13 и 14 (фиг. 3). Кроме того, обозначим символом ϕ электрическую длину четырех идентичных соединительных передающих линий между связанными 12 (с) и гальваническими 11 (г) плечами ответвителей 5, 6 верхнего ряда и излучателями 1, 2 и 3, 4 соответственно. В то же время через  обозначим электрическую длину соединительных передающих линий между входными 9 (в) и развязанными 10 (р) плечами ответвителей 7, 8 нижнего ряда и входами 19, 21 и 20, 22 соответственно.
1
2
3
4
Тогда возбуждающие диполи напряжения u(t), u(t), u(t) и u(t) (каждое напряжение - есть мгновенное значение гармонической функции времени) будут определяться их комплексными амплитудами , ,  и  и множителем «вращения» , фигурирующем в классическом символическом методе анализа линейных электрических цепей:
1m
2m
3m
4m
где: U, U, U, U - есть амплитуды мгновенных гармонических напряжений на входных полюсах печатных симметрирующих устройств дипольных излучателей 1, 2, 3 и 4 (фиг. 3) относительно металлического корпуса ДОУ (или, что тоже: относительно «земли»),
11
12
13
14
ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - их начальные фазы при условии питания ДОУ с первого (i=1) входа 19 (фиг. 3),
, , ,  - комплексные амплитуды этих напряжений,
Re[] - оператор вычисления/определения вещественной/реальной составляющей комплексного выражения, заключенного в квадратные скобки.
0
Поскольку при распространении сигнала (2) в ДОУ все соединительные передающие линии с волновым сопротивлением тракта ρ, ответвители 5, 6, 7 и 8, а также вытянутые проводники П-образной формы 15 и 16 с их вытянутыми кольцевыми проводниками 17 и 18 (фиг. 3), будучи все без исключения линейными пассивными чисто реактивными четырех- и восьмиполюсниками, вносят задержку по фазе (другими словами: характеризуются отрицательными вносимыми фазовыми сдвигами), то в нижеследующих выражениях для начальных фаз, фигурирующих в соотношениях (5), соответствующие фазовые слагаемые/составляющие записываются со знаком «минус»:
Анализ соотношений (6) свидетельствует о том, что амплитуды сверхвысокочастотных напряжений, возбуждающие симметрирующие устройства дипольных излучателей 1, 2, 3 и 4 с первого (i=1) входа 19 ДОУ (фиг. 3), равны между собой:
19
19
19
а их фазовые сдвиги относительно начальной фазы ϕ (ранее принятой равной нулю: ϕ=0) напряжения u(t) [см. соотношение (2)] определяются с учетом (3) и (4) как:
12
13
14
1
Уравнения (8) позволяют определить разность фаз Δ, Δ, Δ между напряжением возбуждения u(t) первого (j=1) излучателя 1 и напряжениями возбуждения последующих трех (j=2, 3 и 4) излучателей 2, 3 и 4 [фиг. 3, а также см. соотношения (5)]:
12
13
14
где Δ, Δ, Δ - разности фаз между напряжением возбуждения первого излучателя 1 и напряжениями возбуждения последующих трех.
13
В заявляемом ДОУ за счет подбора коэффициента электромагнитной связи k между линией вытянутого проводника П-образной формы 15 и узким вытянутым замкнутым кольцевым проводником 17, а также подбором длины L удлинения 13 (фиг. 3), удается обеспечить разность фаз соединительной линии второй пары и соединительной линии первой пары вкупе с вытянутым проводником П-образной формы 15, равную (-45°). Это означает, что в соотношениях (9) будет иметь место:
При этом вышеупомянутый подбор осуществляется на ЭВМ при помощи методов нелинейной параметрической оптимизации с привлечением модифицированного Заявителем под данную заявку алгоритма анализа электромагнитного взаимодействия вытянутого проводника П-образной формы 15 и вытянутого замкнутого кольцевого проводника 17, описанного в работе: А.П. Горбачев, А.М. Куприянов, С.Г. Неверов. «Анализ нетрадиционных всепропускающих четырехполюсников СВЧ на связанных линиях», Радиотехника и электроника, том 31, №11, стр. 2277-2280, 1986 год. В результате оптимизации было найдено, что для обеспечения условия (10) соответствующие параметры должны составлять:
По найденному значению коэффициента связи k рассчитываются поперечные геометрические размеры связанных линий вытянутого проводника П-образной формы 15 и вытянутого кольцевого проводника 17 (фиг. 3, фиг. 4), приведенные далее при конкретизации размеров печатных плат экспериментального ДОУ.
C учетом (10), разности фаз (9) запишутся:
11
Пусть далее фазовый сдвиг ϕ в соотношении (8) имеет некоторое произвольное отрицательное значение:
Тогда фазовые сдвиги напряжений, возбуждающих излучатели 2, 3 и 4 (фиг. 3), определяются с учетом (8), (9), (10) и (12) как:
Выражения (13) и (14) целесообразно представить на графике (фиг. 8, линия позиции 27, проходящая через светлые кружки), отражающем зависимость фазовых сдвигов от номера j (j=1, …, 4) излучателя (фиг. 3, позиции 1, 2, 3 и 4) при различных номерах i (i=1, …, 4) входов ДОУ, пронумерованных на фиг. 3 слева направо, а именно: номеру i=1 соответствует вход 19, а номеру i=4 - вход 22.
1
В результате, излучатели 1, 2, 3 и 4 фазированной антенной решетки запитаны с первого входа 19 ДОУ равноамплитудно [выражения (7)] с фазовыми сдвигами, убывающими в зависимости от номера j излучателя на величину ψ=-45° (фиг. 8, линия позиции 27). В соответствии с классической теорией (см., например, работу: Устройства СВЧ и антенны. Учебник / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 4-е, испр. и доп. - М.: Радиотехника, 2016. - 560 с.: ил.) такая антенная решетка формирует в окружающем свободном пространстве суммарную диаграмму направленности с уровнем боковых лепестков (-13) дБ, максимум которой отклонен вправо от направления в зенит на угловую величину
1max
где ϕ - угловая величина отклонения,
1
ψ - величина убывания фазового сдвига при питании со входа 19 ДОУ.
Поэтому вход 19 ДОУ, соответствующий номеру i=1, принято обозначать в области антенной техники (см. вышеупомянутый учебник под ред. Д.И. Воскресенского) символом "1R" (фиг. 3), в котором прописная латинская буква взята от слова "Right" - «Правый».
Аналогичный анализ приводит к выводу о том, что подключение ко входу с номером i=4 (фиг. 3, позиция 22) источника гармонического напряжения
22m
где U - амплитуда гармонического напряжения,
22
ϕ - его начальная фаза,
приводит к формированию другого фазового распределения (фиг. 8, линия позиции 28, проходящая через маркеры) и суммарной диаграммы направленности с тем же уровнем боковых лепестков (-13) дБ, но с отклонением ее максимума теперь уже влево от направления в зенит на угловую величину
4max
где ϕ - угловая величина отклонения,
4
ψ - величина возрастания фазового сдвига при питании со входа 22 ДОУ.
Поэтому вход 22 ДОУ принято обозначать символом "1L", где прописная латинская буква взята от слова "Left" - «Левый». При этом следует подчеркнуть, что печатная топология ДОУ, сформированная при анализе с подключением генератора/источника к первому (i=1) входу 19 (фиг. 3), не может быть изменена при переключении генератора на разные входы ДОУ. Иными словами, величины (11) справедливы для любого номера входов ДОУ.
Учитывая этот довод, проанализируем теперь этапы формирования диаграммы направленности со второго (j=2) входа 20 ДОУ (фиг. 3). Последовательность анализа аналогична входу 19 ДОУ, поэтому ниже представлена в основном математическая сторона вопроса с соответствующими индексами в обозначениях переменных величин.
Итак, ко второму (i=2) входу 20 ДОУ приложено напряжение
20m
где U - амплитуда напряжения,
20
ϕ - начальная фаза, которая для сокращения записей (но не в ущерб общности) принимается равной нулю.
Поскольку топология печатной платы неизменна, соотношения (3) и (4) не претерпевают изменений. Тогда напряжения, возбуждающие входы симметрирующих устройств диполей 1, 2, 3 и 4, по аналогии с (5) запишутся:
где  - амплитуды мгновенных значений напряжений,
21
22
23
24
ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - их начальные фазы при питании ДОУ со второго (i=2) входа 20 (фиг. 3).
По аналогии с (6) комплексные амплитуды, фигурирующие в (19), примут вид:
Амплитуды этих напряжений, возбуждающие входы симметрирующих устройств диполей 1, 2, 3 и 4 со второго входа 20 ДОУ (фиг. 3) также равны между собой:
20
20
а их фазовые сдвиги относительно начальной фазы ϕ напряжения u(t) [см. соотношение (18)] определяются с учетом (3) и (4) как:
Уравнения (22) позволяют определить разности фаз  между напряжением возбуждения  первого (j=1) излучателя 1 и напряжениями возбуждения последующих трех (j=2, 3 и 4) излучателей 2, 3, 4 [фиг. 3, а также см. соотношения (10) и (19)]:
Поскольку топология печатной платы ДОУ не меняется при переключении генераторов с одного входа ДОУ на другой, то соотношение (13) справедливо и в рассматриваемой ситуации. В результате соотношения (22) примут вид:
Выражения (24) целесообразно представить небольшими квадратиками на том же графике, где отражены предыдущие соотношения (13) и (14) для первого входа 19 ДОУ (фиг. 8). При этом вследствие периодичности функции «косинус» к фазовым сдвигам можно добавлять произвольное число полных оборотов. Поэтому при построении фазового распределения (24) вдоль номеров j излучателей (фиг. 8, линия позиции 29, квадратики) использованы следующие значения фазовых сдвигов для первого и второго излучателей:
2
В результате, излучатели 1, 2, 3 и 4 запитаны со второго (i=2) входа 20 ДОУ равноамплитудно [выражение (21)] с фазовыми сдвигами, возрастающими в зависимости от номера излучателя на величину ψ=+135°, что приводит к отклонению максимума суммарной диаграммы направленности решетки влево от направления в зенит на угол
2max
где ϕ - угол отклонения,
2
ψ - величина возрастания фазового сдвига при питании со входа 20 ДОУ.
Поэтому вход 20 ДОУ обозначается символом "2L" (фиг. 3).
3max
Аналогично доказывается, что при питании ДОУ с третьего (i=3) входа 21 формируется фазовое распределение (фиг. 8, треугольники и линия позиции 30) с наклоном в другую сторону. Поэтому максимум суммарной диаграммы направленности решетки отклоняется вправо от направления в зенит на угол ϕ=48.6°, и этот вход обозначается символом "2R" (фиг. 3).
13
14
В результате предлагаемое ДОУ позволяет сформировать в верхней (на фиг. 3) полусфере свободного пространства веер из четырех лучей с соответствующими отклонениями от направления в зенит. При этом структура ДОУ, обусловленная дополнительно введенными вытянутыми проводниками П-образной формы 15, 16 и связанными с ними электромагнитной связью вытянутыми замкнутыми кольцевыми проводниками 17, 18, такова, что при длинах удлинений 13 и 14, равных L=L=0.625λ, каналы/входы ДОУ характеризуются увеличенной широкополосностью в пределах рабочего участка диапазона частот, превышающую широкополосность прототипа на 28%. Об этом свидетельствует анализ топологии печатной платы предлагаемого ДОУ, выполненный на ЭВМ с использованием программы трехмерного полноволнового электродинамического моделирования "CST Studio Suite", бессрочная лицензия на которую получена Новосибирским государственным техническим университетом в 2019 году.
Ниже следует пример реализации, подтверждающий достижение технического результата в экспериментальном образце ДОУ на связанных симметричных полосковых линиях. Все элементы ДОУ, за исключением пьедесталов симметрирующих устройств типа «ласточкин хвост», реализованы на обеих сторонах вышеупомянутой пленки Ф4ВМ-2 (фиг. 9) с размерами, найденными по материалам вышеупомянутых работ (в миллиметрах):
Для перехода в соединительных линиях передачи с одной стороны пленки на другую предусмотрены сквозные металлизированные отверстия диаметром 0,4 мм, которые на фиг. 9 условно не показаны.
a
Сами «ласточкины хвосты» выполнены на одной из сторон листа ФАФ-4Д толщиной =1.5 мм (фиг. 10, верхняя половина - пленка Ф4ВМ-2, нижняя половина - лист ФАФ-4Д) так, чтобы полосковые линии дипольных излучателей проецировались (при наложении пленки и листа и требуемом их совмещении в процессе сборки) на соответствующие фрагменты «ласточкиных хвостов». Для большей наглядности такое совмещение представлено на фиг. 11, где изображены печатные рисунки не одной заготовки, а совмещенные рисунки сразу двух заготовок: пленки Ф4ВМ-2 и листа ФАФ-4Д с «ласточкиными хвостами».
a
Пленка со сформированными элементами размещалась при сборке между листами 25 из ФАФ-4Д (фиг. 6), после чего собранный сэндвич располагался в металлическом корпусе 31 (фиг. 12), один торец которого по длине корпуса открыт для выхода излучателей. Сами излучатели (j=1, 2, 3 и 4) и интегрированные с ними симметрирующие устройства типа «ласточкин хвост» реализованы на верхней стороне пленки 32 (фиг. 12, светло-серый цвет). Они визуально контролируются при эксплуатации ДОУ и его обслуживании, т.к. излучатели находятся в свободном пространстве и подвержены воздействию неблагоприятных климатических факторов, как то: влажность, дождь, иней, снег, пыль, насекомые, плесневые грибы и т.п. При этом верхний лист 33 (фиг. 12) из материала ФАФ-4Д толщиной =1.5 мм полностью облицован медной фольгой лишь с верхней стороны, прилегающей к корпусу 31. Он, прикрывая только печатные ответвители, вытянутые проводники П-образной формы, вытянутые кольцевые проводники и соединительные линии, за пределы корпуса 31 не выступает. В тоже время, нижний лист 34 выступает за пределы корпуса и облицован фольгой лишь с нижней стороны, прилегающей к корпусу. При этом в фольге этого листа 34 выполнены четыре пары пьедесталов, образующих «ласточкины хвосты» (фиг. 13, темно-серый цвет), которые расположены под линиями дипольных излучателей j=1, 2, 3 и 4, реализованных на верхней стороне пленки 32 (фиг. 12) и окрашенных на фиг. 13 светло-серым цветом. В результате топологии слоев и компоновка всего ДОУ требуют при реализации и сборке соответствующей точности, установленной стандартами для полосковых печатных плат сверхвысоких частот, и величины (27) отражают лишь ключевые поперечные размеры. Все остальные размеры определяются в процессе разработки чертежей печатных плат и деталей корпуса ДОУ исходя из:
- конструкторско-технологических норм и рекомендаций отечественной радио-промышленности,
- вышеупомянутой литературы,
- опыта работы с антеннами и устройствами сверхвысоких частот.
Для подключения источников гармонических сигналов (генераторов) предусмотрены четыре идентичных коаксиально-полосковых разъема 35 (фиг. 13) типа "СР-50-112ФВ", сопряжения которых с полосковыми линиями ДОУ указано в общих чертах на фиг. 5.
Коэффициенты стоячей волны напряжения (КСВН) на входах i=1, 2, 3, 4 ДОУ измерены с использованием анализатора цепей "Agilent N5241A (PNA-X)" и в относительной полосе частот 10% при центральной частоте ƒ=2,2 ГГц не превышали 1,5.
Диаграммы направленности в верхней полусфере измерены по стандартной методике в безэховой камере и для плоскости электрического вектора  (эта плоскость совпадает с плоскостью пленки Ф4ВМ-2) представлены на фигурах 14, 15, 16 и 17 для входов i=1 (1R), 2 (2L), 3 (2R) и 4 (1L) ДОУ соответственно (сплошные линии в позициях 36, 38, 40, 42 - результаты измерений, штриховые линии в позициях 37, 39, 41, 43 - результаты моделирования в системе "CST Studio Suite"). Наблюдается вполне приемлемое совпадение результатов моделирования и эксперимента.
Экспериментальные диаграммы направленности в плоскости магнитного вектора  для всех входов также хорошо совпадают с результатами моделирования.
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: увеличение на 28% широкополосности каналов более технологичного ДОУ в переделах рабочего участка диапазона частот. При этом необходимые для реализации геометрические размеры фрагментов топологий слоев ДОУ не требуют повышенной точности и могут быть реализованы на стандартном технологическом оборудовании предприятий радиопромышленности без разработки дополнительной нестандартной оснастки. Номенклатура используемых отечественных фольгированных листовых диэлектриков может быть весьма разнообразна, что создает дополнительные степени свободы при проектировании многолучевых фазированных антенных решеток.