ФРАГМЕНТ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛОСКОВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ L ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к антенной технике, в частности, к многоэлементным полосковым сверхвысокочастотным (СВЧ) антеннам и может быть использована в качестве фрагмента фазированной антенной решетки (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемопередающих систем, например, современных РЛС.
В большинстве случаев многоэлементные СВЧ антенны из плоских вибраторов упорядоченно размещаются в соответствии с геометрией гексагональной или прямоугольной сетки ФАР.
Сложившаяся практика позволяет использовать ранее разработанные антенны и вибраторы для их модернизации, улучшения их параметров, конструкций, технологичности, снижения стоимости изготовления и т.д.
В радиопромышленности, в телевизионных антенных системах, системах сотовой связи нашли широкое применение вибраторы с верхним возбуждением (использование в целях возбуждения U колен) для обеспечения симметрирования полей на плечах полуволновых вибраторов, возбуждение может быть также и нижним относительно плоскости пассивного отражателя. Возможны и другие схемы возбуждения.
Известно классическое устройство [1], близкое по технической сущности - фрагмент ФАР, содержащий полуволновые коаксиальные вибраторы, расположенные в соответствии со схемой ФАР перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя. В состав каждого вибратора (см. фиг. 2) входят: два плеча вибратора 1, которые имеют по середине зазор связи, расположенный по оси симметрии вибратора, и запитаны через ВЧ кабель 4 в противофазе по схеме верхнего питания и симметрирующее устройство на симметричных связанных трубчатых линиях 2 с короткозамыкателем 3, образующее U колено длиной λср/4, расстояние от середины плеча вибратора до общего пассивного отражателя 2 составляет λср/4. Запитывающий ВЧ кабель 4 проходит в одной из трубок симметрирующего устройства.
Применение в конструктивной схеме короткозамкнутого U колена позволяет уменьшить ВЧ токи, затекающие на броню ВЧ кабеля за счет большого входного сопротивления U колена.
Недостатком данного аналога является его трубчатая конструкция, которая не технологична, ее изготовление требует больших затрат и подобная конструкция ФАР имеет большой вес.
По источнику [2] известно, что конструктивные схемы с использованием U колена узкополосны, для расширения полосы пропускания частот требуется применение специальных мер, например, включение цепей связи в состав вибратора [3].
Как правило, описанную выше конструкцию трубчатого вибратора используют в высокопотенциальных стратегических ФАР, работающих в узкой полосе частот. В печатном исполнении на меньшие уровни мощности эта конструктивная схема может быть реализована на одной печатной плате.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели, т.е. прототипом (см. фиг. 3), является фрагмент ФАР [4], который содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy, и на высоте λср/4 над плоскостью общего пассивного отражателя 2, перпендикулярно к нему симметричные полосковые полуволновые вибраторы 1 с верхним возбуждением, выполненные с использованием покупного ВЧ разъема 6. Плечи каждого вибратора 1 представляют собой два прямоугольных полосковых проводника с зазором связи по середине по оси симметрии. Плечи вибратора 1 расположены с двух сторон печатной платы 5 на базе двухстороннего стеклотекстолита и гальванически соединены с выходными концами короткозамкнутого симметрирующего устройства 3, ориентированного горизонтально и выполненного в виде двухпроводной полосковой линии на одной из сторон печатной платы 5 с зазором ниже печатного полоскового вибратора 1. ВЧ кабель 4 от ВЧ разъема 6 проложен к плечам вибратора 1 по оси симметрии вибратора, причем конструктивно ВЧ кабель 4 расположен на обратной стороне печатной платы 5 относительно симметрирующего устройства 3.
ВЧ разъем 6 устанавливают на печатной плате 5 строго по оси симметрии вибратора в окне печатной платы, повторяющем очертания ВЧ разъема 6. Крепление ВЧ разъема 6 к печатной плате 5 осуществляют механическим способом в двух местах (места крепления на фигуре не показаны).
На противоположной стороне вибратора относительно симметрирующего устройства 3 строго по центру на плечах вибратора 1 симметрично его оси устанавливают разомкнутый реактивный шлейф 7 (с электрической длинной <λср/8) перпендикулярно и симметрично к зазору связи между плечами вибраторов 1 для максимального расширения полосы пропускания частот. Реактивный разомкнутый шлейф 7 по центру имеет окно связи, расположенное напротив зазора связи плеч вибраторов 1. Реактивный разомкнутый шлейф 7 выполняет функции настроечного элемента и обеспечивает при соответствующей настройке расширение полосы пропускания вибратора в 2-3 раза.
В частности, на предприятии - заявителе прототип используется в ряде изготовленных ФАР L диапазона с общим количеством вибраторов 1834 шт.
В процессе производства был выявлен ряд недостатков: повышенный вертикальный размер, сложная конструктивная схема вибратора.
В результате многостороннего рассмотрения конструктивной схемы вибратора - прототипа, выявлена возможность существенного улучшения полуволновых вибраторов на одной печатной плате - это размещение топологии плеч полуволнового печатного вибратора с одной стороны, а симметрирующего устройства в виде горизонтально ориентированного короткозамкнутого колена симметрично относительно оси симметрии вибраторов. Это позволяет реализовать центральное положение фазового центра и, следовательно, обеспечить центральное возбуждения вибраторов.
Технический результат полезной модели - упрощение конструктивной схемы и уменьшение вертикального размера волнового вибратора при сохранении широкой полосы пропускаемых частот, центрального положения фазового центра, ортогональной диаграммы направленности к вибратору и возможности качания луча на углы ±45° в полосе частот (10÷12%), т.е. при сохранении параметров, реализованных в патентах [4, 5].
Указанный технический результат достигается тем, что во фрагменте полосковой ФАР, содержащем общий пассивный отражатель, симметричные полуволновые вибраторы и кабельные ВЧ разъемы, размещенные по оси симметрии вибраторов на уровне общего пассивного отражателя, которые служат конструктивным элементом для механического крепления печатных плат, каждый вибратор выполнен на одной двухсторонней печатной плате с двумя плечами, связанными между собой через зазор связи, расположенный вдоль оси симметрии вибраторов, которые запитаны через ВЧ кабель в противофазе по схеме верхнего питания; на одной из сторон печатной платы перпендикулярно и симметрично к зазору связи между печатными плечами вибратора размещен разомкнутый реактивный шлейф с окном связи в сторону вибратора и гальванически соединен с плечами вибратора, а также на печатной плате размещено короткозамкнутое симметрирующее устройство, выполненное на связанных полосковых линиях в виде горизонтально ориентированного U колена, при этом расстояние от середины плеча печатного вибратора до общего пассивного отражателя составляет λср/4, причем топология плеч полуволнового печатного вибратора, выполненная в виде прямоугольных проводников симметричных по оси симметрии вибраторов и разомкнутый реактивный шлейф с окном связи в сторону вибратора расположены на одной стороне печатной платы, а запитывающий ВЧ кабель и короткозамкнутое симметрирующее устройство располагают с другой стороны печатной платы по оси симметрии вибратора.
На фиг. 4, 5 показана конструктивная схема полуволнового вибратора заявленного фрагмента ФАР, где:
1. плечи вибратора;
2. пассивный отражатель;
3. симметрирующее устройство (U колено);
4. запитывающий ВЧ кабель;
5. печатная плата (на базе 2-х стороннего материала «АРЛОН»);
6. ВЧ разъем;
7. разомкнутый реактивный шлейф.
Плечи вибратора 1 представляют собой два симметричных прямоугольных проводника. Плечи вибратора 1 имеют по оси симметрии вибратора зазор связи и запитаны в противофазе по схеме верхнего питания через ВЧ кабель 4, проложенный от ВЧ разъема 6. Кабельный ВЧ разъем 6 расположен в центре печатной платы 5 перпендикулярно к короткозамкнутому симметрирующему устройству 3 в виде U колена на уровне общего пассивного отражателя 2 и служит конструктивным элементом для механического крепления печатной платы. Причем запитывающий ВЧ кабель 4 и симметрирующее устройство 3 расположены с обратной стороны печатной платы 5 относительно плеч вибратора и разомкнутого реактивного шлейфа.
На стороне печатной платы 5, где расположена топология печатных плеч вибратора 1 перпендикулярно и симметрично к зазору связи между печатными плечами вибратора 1 размещен разомкнутый реактивный шлейф 7 с окном связи в сторону вибратора, гальванически соединенный с плечами вибратора.
На обратной стороне печатной платы 5 расположено короткозамкнутое симметрирующее устройство 3 в виде U колена, выполненное на связанных полосковых линиях, которые гальванически соединены с печатными плечами вибратора 1. Топология короткозамкнутого U колена выполнена симметрично относительно оси симметрии вибратора и горизонтально ориентирована.
Для дополнительной защиты от влаги на печатные вибраторы могут быть наклеены пенопластовые тонкостенные накладки (на фигуре не показаны).
Заявляемый фрагмент многоэлементной управляемой полосковой ФАР L диапазона (см фиг. 1) содержит общий пассивный отражатель 2, симметричные полуволновые вибраторы 1, размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy, и на высоте λср/4 над плоскостью общего пассивного отражателя 2, перпендикулярно к нему, выполненные с использованием покупного ВЧ разъема 6 сечением 7×3.
Для реализации конструктивной схемы полуволновых вибраторов кабельный ВЧ разъем 6 установлен в центре печатной платы и соединен по оси симметрии вибратора с входными плечами полуволнового печатного вибратора, а короткозамкнутое симметрирующее устройство, выполненное на связанных полосковых линиях в виде горизонтально ориентированного U колена расположено с обратной стороны печатной платы по оси симметрии вибратора с подключением гальваническим способом плеч симметрирующего устройства к точкам возбуждения полуволнового вибратора. Для обеспечения одинакового потенциала 2-х стороннего печатного вибратора точки возбуждения вибратора гальванически замыкают с помощью пустотелых заклепок и для гарантии замыкания дополнительно соединяют методом пайки. Таким образом, каждая половина U колена, общая электрическая длина которой составляет λср/2, припаяна в точке короткого замыкания, т.е. справа и слева от этой точки короткого замыкания расположены две горизонтально-ориентированные полупетли на связанных проводниках, соединенные последовательно. Кроме того ВЧ кабель, короткозамкнутое устройство располагают на противоположной стороне печатной платы относительно топологии плеч полуволнового вибратора и разомкнутого реактивного шлейфа.
Реализация заявляемого фрагмента многоэлементной управляемой полосковой ФАР L диапазона по данной схеме позволяет обеспечить центральное возбуждение вибратора ВЧ кабелем к плечам вибратора.
Конструктивно печатная плата с помощью кабельного ВЧ разъема жестко крепится к ВЧ разъему, возбуждение плеч вибратора производится ВЧ кабелем марки РК-50-2-25 с металлической полужесткой броней.
Фрагмент ФАР работает следующим образом:
При работе на прием падающая плоская волна наводит на плечах вибраторов 1 противофазные напряжения равной амплитуды и фазы, которые с помощью элементов симметрирующих устройств 3 и ВЧ кабелей 4 поступают на ВЧ разъемы 6.
При работе на передачу зондирующий ВЧ сигнал от входа ФАР через систему деления и фазирования антенны подается на кабельные ВЧ разъемы 6 и ВЧ кабели 4, затем - на полуволновые вибраторы, формирующие суммарную диаграмму направленности за счет сложения сигналов в пространстве.
св
Разомкнутые реактивные шлейфы 7 выполняют роль настроечных элементов и позволяют расширить полосу пропускаемых частот обычных вибраторов с верхним питанием в 2-3 раза по уровню К 1,5÷1,6, что обеспечивает качание луча на углы ±45° в полосе частот 10÷12%.
На фигурах 6-15 показаны результаты моделирования по программе HFSS и макетирования фрагмента ФАР с использованием вибраторов в L диапазоне, а именно:
На фиг. 6 - показана диаграмма направленности одиночного вибратора.
На фиг. 7 - показаны значения КСВ одиночного вибратора в бесконечной решетке.
На фиг. 8 - показана круговая диаграмма направленности линейки из 10 вибраторов в плоскости Е при качании луча от 0° до 45°.
На фиг. 9 - показана диаграмма направленности линейки из 10 вибраторов в плоскости Е при качании луча от 0° до 45°
На фиг. 10 - показана диаграмма направленности линейки из 10 вибраторов в плоскости Н при качании луча от 0° до 45°.
На фиг. 11 - показана диаграмма направленности линейки из 10 вибраторов в плоскости Е с амплитудным распределением по cos.
На фиг. 12 - показана диаграмма направленности линейки из 10 вибраторов в плоскости Е при синфазном и равноамплитудном распределении.
На фиг. 13 - показаны значения КСВ одиночного вибратора в бесконечной решетке при качании луча от 0° до 45° в плоскости Е (в полосе от 1 до 2 ГГц).
На фиг. 14 - показаны значения КСВ одиночного вибратора в бесконечной решетке при качании луча от 0° до 45° в плоскости Н (в полосе от 1 до 2 ГГц).
На фиг. 15 - показаны значения КСВ макета одиночного вибратора в полосе частот.
По результатам моделирования из десяти элементов осуществляли с шагом dy 120 мм.
Моделирование подтвердило возможность качания луча во фрагменте ФАР на углы ±45° в полосе частот от 1 ГГц до 1,65 ГГц.
Моделирование в Е и Н плоскостях подтвердило возможность формирования симметричной ДН заявляемых вибраторов с фазовым центром в середине вибратора.
Полученные при моделировании данные по испытаниям заявленного фрагмента ФАР, состоящего из печатных вибраторов (n=10) позволили сделать вывод о том, что широкополосные печатные полуволновые вибраторы в составе ФАР не требуют дополнительной настройки.
Таким образом, предложенный фрагмент ФАР по сравнению с прототипом позволяет упростить конструктивную схему и уменьшить вертикальный размер волнового вибратора, сохранив при этом ширину полосы пропускаемых частот, центральное положение фазового центра, ортогональную диаграмму направленности к вибратору и возможность качания луча на углы ±45° в полосе частот 10÷12%.
Кроме того, дополнительно улучшены технологичность изготовления фрагмента ФАР, его эксплуатационные характеристики (волновые вибраторы в составе ФАР не требуют дополнительной настройки), а также уменьшена его стоимость.
Все эти качества позволяют сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель фрагмента многоэлементной управляемой полосковой ФАР L диапазона проста в изготовлении и имеет высокие технические характеристики, что наилучшим образом удовлетворяет требованиям серийного производства.
Список используемой литературы:
1. Антенны и устройства СВЧ «Проектирование фазированных антенных решеток» под редакцией Д.И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1981 г. Стр. 33 рис 210, 211.
2. Г.З. Айзенберг «Антенны ультракоротких волн». - М. «Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио», 1957 г., стр. 262, 263 рис. 13.4.XIII.
3. Сканирующие системы. СВЧ ч. II. Перевод с английского под редакцией Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина, т. II, Советское радио М, 1969, стр. 459-478.
4. Патент №148180 на полезную модель, заявка 2014132279 от 05 августа 2014 г. «Фрагмент многоэлементной управляемой полосковой фазированной антенной решетки L диапазона», авторы Шабалин А.В., Вдовин В.Е.
5. Патент РФ №124516 на полезную модель, заявка 2012141983 от 02 октября 2012 г. «Фрагмент многоэлементной управляемой полосковой фазированной антенной решетки L диапазона», авторы Шабалин А.В., Вдовин В.Е.