Способ построения антенной решетки
METHOD FOR CONSTRUCTING ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в приемопередающих активных фазированных антенных решетках (АФАР).
Известен способ построения антенной решетки [1 - стр. 313 - Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. - 432 с.], в котором в стенке волновода, закороченном на конце, выполняют ряд щелей, каждая из которых имеет длину λ/2, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, при этом расстояния между щелями и между крайними щелями и концами волновода устанавливают равными, соответственно, λ и λ/2.
Недостатком известного способа является ограниченность рабочей полосы частот [1 - стр. 316] и высокий вес за счет необходимости использования металлических волноводов.
Известен способ построения антенной решетки [2 - стр. 144, рис. 7.3 -Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д. и др. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. М.: Радио и связь. 1988. - 240 с.], наиболее близкий к предлагаемому и взятый за прототип, при котором печатные вибраторы с плечами из металлических полос прямоугольной формы располагают на верхнем слое двуслойной диэлектрической подложки, нижний слой которой является проводящим экраном, при этом вибраторы расположены эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки. Запитка плечей вибраторов осуществляется с помощью штырей, соединенных с центральным проводником коаксиальной линии передачи или с помощью полосковой линии.
К недостатками прототипа следует отнести:
- недостаточную полосу рабочих частот полосковых излучателей, составляющую не более 3% [3 - стр. 128 - Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. - 144 с.], в то время как в системах связи требуются полосы 12% и более;
- значительное увеличение массы антенной решетки при реализации антенной решетки на низких рабочих частотах, поскольку на одной сплошной подложке расположено несколько линеек с вибраторами, а со снижением частоты размеры вибраторов и расстояния между ними увеличиваются.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение полосы рабочих частот.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения антенной решетки, при котором излучатели в виде печатных вибраторов с плечами из металлических полос располагают на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом центры печатных вибраторов располагаются эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки, запитку плеч печатных вибраторов осуществляют с помощью полосковой линии.
y
x
Согласно изобретению, излучатели выполняют в виде одиночных или скрещенных печатных вибраторов, форма каждого плеча которых получена из равнобедренного треугольника путем наложения на его бедра фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации, причем основание треугольника оставляют неизменным, при этом плоскость диэлектрической подложки располагают параллельно проводящему экрану на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, расстояние d между центрами печатных вибраторов по вертикали устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние d между центрами печатных вибраторов по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости, при этом диэлектрик вокруг печатных вибраторов удаляют, а в их плечах выполняют сквозные отверстия, возбуждение печатных вибраторов осуществляют через согласующее устройство в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой с печатным вибратором, а нижней гранью - с проводящим экраном, соединение полосковой линии согласующего устройства с внешним фидером осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов, для их запитки используют два согласующих устройства в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером, края печатных вибраторов закрепляют на диэлектрических стойках, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы антенной решетки.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в предлагаемом способе антенная решетка обеспечивает перекрытие по частоте не менее 2 раз за счет использования излучателей, форма плеч которых получена с помощью наложения на бедра равнобедренного треугольника фрактальной кривой Коха, в то время как в прототипе полоса полосковых излучателей, составляет не более 3% [3 - стр. 128];
- в предлагаемом способе вокруг печатных вибраторов удален диэлектрик, что позволяет снизить массу антенной решетки, в то время как в прототипе антенная решетка имеет более высокую массу за счет массы диэлектрика, заполняющего промежутки между излучателями;
- в предлагаемом способе антенная решетка обеспечивает работу в двух поляризациях за счет использования скрещенных печатных вибраторов, в то время как в прототипе используется одна поляризация.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведен один из вариантов антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа, с размещением печатных вибраторов в узлах прямоугольной сетки.
На фиг. 2 приведен один из вариантов антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа, с размещением печатных вибраторов в узлах треугольной сетки.
На фиг. 3 приведена схема подключения согласующего устройства к скрещенным печатным вибраторам.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- располагают излучатели в виде печатных вибраторов с плечами из металлических полос на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом центры печатных вибраторов располагают эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки, запитку плеч вибраторов осуществляют с помощью полосковой линии - 1;
- выполняют излучатели в виде одиночных или скрещенных печатных вибраторов, форма каждого плеча которых получена из равнобедренного треугольника путем наложения на его бедра фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации, причем основание треугольника оставляют неизменным - 2;
располагают плоскость диэлектрической подложки параллельно проводящему экрану на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки - 3;
y
x
- устанавливают расстояние d между центрами печатных вибраторов по вертикали из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние d между центрами печатных вибраторов по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости - 4;
- удаляют диэлектрик вокруг печатных вибраторов, а в их плечах выполняют сквозные отверстия - 5;
- осуществляют возбуждение печатных вибраторов через согласующее устройство в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой с печатным вибратором, а нижней гранью - с проводящим экраном, соединение полосковой линии согласующего устройства с внешним фидером осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов, для их запитки используют два согласующих устройства в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером - 6;
- закрепляют края печатных вибраторов на диэлектрических стойках, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану - 7.
Один из вариантов антенной решетки из четырех печатных вибраторов, построенной с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг. 1) проводящий экран 1, над которым установлены диэлектрические подложки 2 с печатными вибраторами 3 с плечами из металлических полос, при этом центры печатных вибраторов располагаются эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки. На фиг. 1 показан вариант скрещенных печатных вибраторов 3, размещенных в углах прямоугольной сетки. Плоскости диэлектрических подложек 2 расположены параллельно проводящему экрану 1 на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки. Диэлектрик вокруг печатных вибраторов 3 удаляют, а в их плечах выполняют сквозные отверстия.
Форма плечей печатных вибраторов 3 сформирована путем наложения на бедра равнобедренных треугольников 4 и 5 фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации 6, причем основание треугольника оставляют неизменным (на фиг. 1 для наглядности показаны пунктирными линиями треугольники в плечах только одного печатного вибратора).
y
x
Расстояние d между центрами печатных вибраторов 3 по вертикали устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние d между центрами печатных вибраторов 3 по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости.
Края печатных вибраторов 3 закрепляют на диэлектрических стойках 7, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану 1.
На фиг. 2 показан вариант антенной решетки из 16 печатных вибраторов, установленных в углах треугольной сетки, элементы крепления печатных вибраторов на фиг. 2 условно не показаны.
Возбуждение печатных вибраторов 3 осуществляют через согласующее устройство 8 в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой 2 с печатным вибратором 3, а нижней гранью - с проводящим экраном 1 (фиг. 3). Соединение полосковой линии согласующего устройства 8 с внешним фидером (на фиг. 3 не показан) осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов 3, для их запитки используют два согласующих устройства 8 в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером (на фиг. 3 не показан).
Диэлектрические подложки 2 могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита или другого фольгированного диэлектрика, при этом печатные вибраторы 3 выполняются с помощью травления.
x
y
xmax
ymax
Расстояния между центрами печатных вибраторов 3 - d по горизонтали и d по вертикали выбирают из условия отсутствия дифракционных максимумов при заданных максимальных углах отклонения луча θ и θ соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, используя выражение [4 - стр. 65 - Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Воскресенского Д.И. - М.: Радиотехника. 2012. - 744 с.]:
Предложенный способ обеспечивает повышение вибропрочности антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет соединения диэлектрических подложек 2 между собой с помощью диэлектрических стоек 7 в случае использования прямоугольной сетки размещения печатных вибраторов 3 (фиг. 1). В случае использования треугольной сетки размещения печатных вибраторов 3, их края закрепляются на диэлектрических стойках 7 по-отдельности (на фиг. 2 диэлектрические стойки не показаны).
В то время как в прототипе диэлектрическая подложка с печатными вибраторами расположена параллельно проводящему экрану и разделена с ним воздушным промежутком, при этом конструктивные элементы, обеспечивающие прочность конструкции, отсутствуют, что не позволяет конструкцию прототипа использовать в реальных устройствах.
Предложенный способ также обеспечивает снижение массы антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет применения печатных вибраторов 3, диэлектрик вокруг которых удален, а в плечах выполняют сквозные отверстия. В то время как в прототипе промежутки между линейками печатных вибраторов заполнены диэлектриком, масса которого значительно превышает массу воздуха того же объема.
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.