ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С ОГРАНИЧЕННЫМ СЕКТОРОМ СКАНИРОВАНИЯ
TWO-POLAR RADIATOR OF PHASED ANTENNA ARRAY WITH LIMITED SCANNING SECTOR

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при проектировании и изготовлении антенных фазированных решеток (ФАР) с электрически управляемой диаграммой направленности, формирующих луч с двумя независимыми ортогональными линейными поляризациями или их суммой с эллиптической, в том числе круговой, поляризацией.
min
min
Для решеток с ограниченным сектором сканирования (10-30 градусов), с целью уменьшения количества управляемых элементов и сохранения коэффициента использования поверхности решетки, возможно применение управляемого излучателя с поперечными размерами (1.3-1.6)λ (где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве) в виде подрешетки из четырех или более неуправляемых пассивных излучающих элементов с возбудителями.
Известен излучатель, обеспечивающий излучение круговой поляризации, содержащий печатную плату, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на противоположной стороне расположены возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента и делители мощности, над каждым из упомянутых возбудителей расположен пассивный элемент излучающего элемента. (K.L. Chung, Н.K. Kan, «Stacked quasi-elliptical patch array with circular polarisation», Electronics Letters, 43(10):555-556, 2007).
Недостатками известного излучателя является работа на круговой поляризации без возможности работы на двух независимых ортогональных поляризациях.
Известен излучатель, содержащий печатную плату, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на противоположной стороне расположены возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента и делители мощности, объединенные в две схемы, обеспечивающие попарно-противофазное питание возбудителей. Известный излучатель имеет диаграммы излучения с ортогональными линейными поляризациями (John Huang, «Dual-Polarized Microstrip Array with High Isolation and Low Cross-Polarization», Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 4, No. 3, February 1991).
Недостатками известного излучателя с попарно-противофазным питанием возбудителей при использовании в составе ФАР с электрически управляемой диаграммой излучения является снижение уровня коэффициента усиления и повышение уровня кроссполяризации при сканировании луча ФАР в рабочем диапазоне частот.
Известный излучатель принят в качестве ближайшего аналога к заявленному двухполяризационному излучателю фазированной антенной решетки.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание двухполяризационного излучателя фазированной антенной решетки, лишенного указанных недостатков.
В результате достигается технический результат, состоящий в увеличении коэффициента усиления и снижения уровня кроссполяризации излучателя в составе ФАР.
Указанный технический результат достигается посредством создания двухполяризационного излучателя фазированной антенной решетки, который содержит прямоугольное металлическое основание, первую печатную плату, на одной стороне которой расположен металлический экран, электрически соединенный с металлическим основанием, а на противоположной стороне расположен первый противофазный делитель мощности, вход которого электрически соединен с центральной жилой коаксиального кабеля первой поляризации, вторую печатную плату прямоугольной формы, на одной стороне которой расположен металлический экран, электрически соединенный с металлическим основанием, а на противоположной стороне расположены возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента, поперечная ось симметрии каждого из которых параллельна короткой, а продольная - длинной стороне второй печатной платы прямоугольной формы, второй противофазный делитель мощности, вход которого электрически соединен с центральной жилой коаксиального кабеля второй поляризации, а так же первый, второй, третий и четвертый синфазные делители мощности Уилкинсона, выходы второго противофазного делителя мощности электрически соединены с входами третьего и четвертого синфазных делителей мощности Уилкинсона, а входы первого и второго синфазных делителей мощности Уилкинсона электрически соединены с соответствующими выходами первого противофазного делителя мощности. Экран коаксиального кабеля первой поляризации электрически соединен с металлическим экраном первой печатной платы, а экран коаксиального кабеля второй поляризации - с металлическим экраном второй печатной платы прямоугольной формы. Упомянутые возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента расположены таким образом, что центр симметрии каждого из них находится в соответствующей вершине прямоугольника, стороны которого параллельны соответствующим сторонам второй печатной платы прямоугольной формы. Выходы первого и второго синфазных делителей мощности Уилкинсона электрически соединены с соответствующими первыми точками питания, а выходы третьего и четвертого синфазных делителей мощности Уилкинсона - с соответствующими вторыми точкам питания возбудителей первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента. Первая точка питания каждого возбудителя расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы точке пересечения продольной или поперечной оси симметрии возбудителя и границы возбудителя, а вторая точка питания каждого возбудителя расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы точке пересечения поперечной или продольной оси симметрии возбудителя и границы возбудителя соответственно. Над каждым из упомянутых возбудителей расположен пассивный элемент излучающего элемента, центр каждого из которых электрически соединен центром соответствующего возбудителя и с прямоугольным металлическим основанием, поперечная ось симметрии каждого пассивного элемента параллельна короткой, а продольная - длинной стороне второй печатной платы прямоугольной формы, каждый из пассивных элементов содержит две прорези, расположенные симметрично относительно центра пассивного элемента, оси симметрии которых проходят через центр пассивного элемента и расположены таким образом, что угол между ними и прямой, проходящей через первую и вторую точки питания соответствующего возбудителя не превышает 5 градусов.
Согласно частному варианту выполнения, размеры возбудителей по поперечной оси симметрии равны и находятся в диапазоне  а размеры возбудителей по продольной оси симметрии равны и находятся в диапазоне  где
min
λ - минимальная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве,
r
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки второй печатной платы прямоугольной формы.
min
min
Согласно другому частному варианту выполнения, размер длинной стороны второй печатной платы прямоугольной формы находится в диапазоне (1.3-1.5)λ, а размер короткой стороны - в диапазоне (1.1-1.25)λ.
min
min
Согласно еще одному частному варианту выполнения, размеры пассивных элементов по поперечной оси симметрии равны и находятся в диапазоне (0.4-0.5)λ, а размеры пассивных элементов по продольной оси симметрии равны и находятся в диапазоне (0.5-0.6)λ.
min
min
Согласно еще одному частному варианту выполнения, продольные размеры прорезей равны и находятся в диапазоне (0.05-0.2)λ, а поперечные размеры прорезей равны и находятся в диапазоне (0.02-0.07)λ.
На фигуре 1 изображен общий вид излучателя.
На фигуре 2 изображен вид сбоку излучателя (без металлического основания).
На фигуре 3 изображен вид излучателя сверху.
На фигуре 4а и 4б изображены два варианта расположения излучающих элементов и делителей мощности на второй плате.
На фигуре 5 изображен делитель мощности, расположенный на первой плате.
На фигуре 6 изображена ФАР, в которой использован заявляемый излучатель.
На фигуре 7 представлено схематичное изображение частного варианта выполнения возбудителей и пассивных элементов.
На фигуре 8 представлена зависимость коэффициента передачи от рабочей частоты.
На фигуре 9 представлена зависимость выделяемой мощности на резисторе от рабочей частоты.
Двухполяризационный излучатель фазированной антенной решетки, показанный на фигурах 1-3, содержит прямоугольное металлическое основание 1, первую печатную плату 2, вторую печатную плату прямоугольной формы 3.
На одной стороне первой печатной платы 2 расположен металлический экран 4, электрически соединенный с металлическим основанием 1 (фигура 3), а на противоположной стороне расположен первый противофазный делитель мощности (фигура 5), вход которого электрически соединен с центральной жилой коаксиального кабеля первой поляризации 6 (фигура 2).
На одной стороне второй печатной платы прямоугольной формы 3 расположен металлический экран 7, электрически соединенный с металлическим основанием 1, а на противоположной стороне расположены возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента 8а, 8б, 8в, 8г (фигура 4), второй противофазный делитель мощности 9, а так же первый, второй, третий и четвертый синфазные делители мощности Уилкинсона 10а, 10б, 10в, 10г (фигура 3). Каждый синфазный делитель мощности Уилкинсона 10а, 10б, 10в, 10г представляет собой делитель на четверть волновых отрезках линий с развязывающим сопротивлением (равным 100 Ом при волновом сопротивлении входных и выходных цепей 50 Ом).
Входы первого 10а и второго 10б синфазных делителей мощности Уилкинсона электрически соединены с соответствующими выходами первого противофазного делителя мощности 5.
Выходы второго противофазного делителя мощности 9 электрически соединены с входами третьего 10в и четвертого 10г синфазных делителей мощности Уилкинсона.
Каждый из возбудителей выполнен таким образом, что имеет две оси симметрии, перпендикулярные друг другу. Поперечная ось симметрии 11а, 11б, 11в, 11г каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г параллельна короткой стороне 12 второй печатной платы прямоугольной формы 3. Продольная ось симметрии 13а, 13б, 13в, 13г каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г параллельна длинной стороне 14 второй печатной платы прямоугольной формы 3.
1
min
r
1
min
min
В частном варианте выполнения размеры a возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г по поперечной оси симметрии равны и находятся в диапазоне  (где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки второй печатной платы прямоугольной формы 3), а размеры b возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г по продольной оси симметрии равны и находятся в диапазоне  Размер d длинной стороны 14 второй печатной платы прямоугольной формы 3 находится в диапазоне (1.3-1.5)λ, а размер f короткой стороны 12 второй печатной платы прямоугольной формы 3 находится в диапазоне (1.1-1.25)λ.
Вход второго противофазного делителя мощности 9 электрически соединен с центральной жилой коаксиального кабеля второй поляризации 15.
Экран коаксиального кабеля первой поляризации 6 электрически соединен с металлическим экраном 4 первой печатной платы 2. Экран коаксиального кабеля второй поляризации 15 электрически соединен с металлическим экраном 7 второй печатной платы прямоугольной формы 3 (фигура 2).
Возбудители первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента 8а, 8б, 8в, 8г расположены таким образом, что центр симметрии каждого из них находится в соответствующей вершине прямоугольника 16, стороны которого параллельны соответствующим сторонам второй печатной платы прямоугольной формы 3 (фигура 4б).
Выходы первого 10а и второго 10б синфазных делителей мощности Уилкинсона электрически соединены с соответствующими первыми точками питания 17а, 17б, 17в, 17г, а выходы третьего 10в и четвертого 10г синфазных делителей мощности Уилкинсона - с соответствующими вторыми точкам питания 18а, 18б, 18в, 18г возбудителей первого, второго, третьего и четвертого излучающего элемента 8а, 8б, 8в, 8г соответственно (фигура 3).
Первая точка питания 17а, 17б, 17в, 17г, как показано на фигуре 4а, каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г соответственно, расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы 3 точке пересечения продольной (13а, 13б, 13в, 13г соответственно) оси симметрии возбудителя (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) и его границы. Вторая точка питания (18а, 18б, 18в, 18г) каждого из возбудителей (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы 3 точке пересечения поперечной (11а, 11б, 11в, 11г соответственно) оси симметрии возбудителя (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) и его границы.
В другом варианте реализации изобретения, показанном на фигуре 4б, первая точка питания, 17а, 17б, 17в, 17г каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г соответственно, расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы 3 точке пересечения поперечной (11а, 11б, 11в, 11г соответственно) оси симметрии возбудителя (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) и его границы. Вторая точка питания (18а, 18б, 18в, 18г) каждого из возбудителей (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) расположена в ближайшей к краю второй печатной платы прямоугольной формы 3 точке пересечения продольной (13а, 13б, 13в, 13г соответственно) оси симметрии возбудителя (8а, 8б, 8в, 8г соответственно) и его границы.
Над каждым из упомянутых возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г расположен пассивный элемент 19а, 19б, 19в, 19г излучающего элемента, центр каждого из которых электрически соединен центром соответствующего возбудителя 8а, 8б, 8в, 8г и с прямоугольным металлическим основанием 1. Каждый из пассивных элементов крепится ко второй печатной плате прямоугольной формы 3 и металлическому основанию 1 с помощью соединителя (19а', 19б', 19в', 19г', соответственно), одновременно обеспечивающего электрическое соединение центра соответствующего пассивного элемента с центром соответствующего возбудителя 8а, 8б, 8в, 8г и с прямоугольным металлическим основанием 1. В другом варианте реализации изобретения (на фигурах не показан) пассивные элементы 19а, 19б, 19в, 19г располагаются на третьей печатной плате, что повышает жесткость заявленного излучателя.
Поперечная ось симметрии 20а, 20б, 20в, 20г каждого из пассивных элементов (19а, 19б, 19в, 19г соответственно) параллельна короткой стороне 12 второй печатной платы прямоугольной формы 3. Продольная ось симметрии 21а, 21б, 21в, 21г каждого из пассивных элементов (19а, 19б, 19в, 19г соответственно) параллельна длинной стороне 14 второй печатной платы прямоугольной формы 3.
1
2
min
1
2
min
min
min
В частном варианте выполнения, показанном на фигуре 7, каждый из возбудителей (8а, 8б, 8в, 8г) и каждый из пассивных элементов (19а, 19б, 19в, 19г) выполнен в виде прямоугольника со скругленными углами, причем радиусы скругления R для каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г равны и находятся в диапазоне  и радиусы скругления R для каждого из пассивных элементов 19а, 19б, 19в, 19г равны и находятся в диапазоне (0.15-0.25)λ. Размеры b пассивных элементов 19а, 19б, 19в, 19г по поперечной оси симметрии (20а, 20б, 20в, 20г соответственно) равны и находятся в диапазоне (0.4-0.5)λ, а размеры b пассивных элементов по продольной оси симметрии (21а, 21б, 21в, 21г) равны и находятся в диапазоне (0.5-0.6)λ. Расстояния h между каждым из возбудителей и соответствующим пассивным элементом равны и находятся в диапазоне (0.3-0.8)λ, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве (см. фигуру 2).
1
2
1
2
1
2
1
2
Каждый из пассивных элементов 19а, 19б, 19в, 19г содержит две прорези (22a, 22а; 22б, 22б; 22в, 22в и 22г, 22г соответственно), расположенные симметрично относительно центра пассивного элемента, оси симметрии которых (23а, 23б, 23в, 23г) проходят через центр пассивного элемента (оси симметрий каждой из прорезей, выполненных в одном пассивном элементе совпадают друг другом) и расположены таким образом, что угол между ними и прямой (8а', 8б', 8в', 8г' соответственно), проходящей через первую и вторую точки питания соответствующего возбудителя не превышает 5 градусов.
1
2
1
2
1
2
1
2
min
min
min
В частном варианте выполнения продольный размер 1 (размер вдоль оси симметрии) прорезей 22a, 22а, 22б, 22б, 22в, 22в, 22г, 22г равны и находятся в диапазоне (0.05-0.2)λ, а поперечные размеры прорезей равны и находятся в диапазоне (0.02-0.07)λ, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве.
Заявленный двухполяризационный излучатель фазированной антенной решетки работает следующим образом.
На вход первого противофазного делителя мощности 5 и второго противофазного делителя мощности 9 подаются (посредством коаксиального кабеля первой поляризации 6 и коаксиального кабеля второй поляризации 15 соответственно) сигналы от высокочастотного генератора.
С выходов первого противофазного делителя мощности 5 (разница фаз сигналов на выходах равна 180 градусов), расположенного на первой печатной плате 2, сигнал подается на входы первого 10а и второго 10б синфазных делителей мощности Уилкинсона. С выходов первого 10а и второго 10б синфазных делителей мощности Уилкинсона сигнал по несимметричной полосковой линии поступает на первые точки питания 17а, 17б, 17в, 17г каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г соответственно, попарно-противофазно возбуждая возбудители 8а, 8б, 8в, 8г: сигналы в точках питания 17а и 17г синфазны между собой и противофазны сигналам в точках в точках питания 17б и 17в. С помощью такого возбуждения обеспечивается формирование излучения первой линейной поляризации.
С выходов второго противофазного делителя мощности 9 (разница фаз сигналов на выходах которого равна 180 градусов), расположенного на второй печатной плате прямоугольной формы 3, сигнал подается на входы третьего 10в и четвертого 10г синфазных делителей мощности Уилкинсона. С выходов третьего 10в и четвертого 10г делителей мощности Уилкинсона сигнал по несимметричной полосковой линии поступает на вторые точки питания 18а, 18б, 18в, 18г каждого из возбудителей 8а, 8б, 8в, 8г соответственно, попарно-противофазно возбуждая возбудители 8а, 8б, 8в, 8г: сигналы в точках 18а и 18б синфазны между собой и противофазны сигналам в точках 18в и 18г. С помощью такого возбуждения обеспечивается формирование излучения второй линейной поляризации.
Для увеличения полосы рабочих частот используются пассивные элементы 19а, 19б, 19в, 19г, расположенные над возбудителями 8а, 8б, 8в, 8г соответственно.
В отличие от аналогов с обычными делителями 1:2, использование на второй печатной плате синфазных делителей мощности Уилкинсона 10а, 10б, 10в, 10г, в которых используются резисторы 10а', 10б', 10в', 10г' с сопротивлением 100 Ом, позволяет предотвратить возникновение резонансов на частотах рабочего диапазона излучателя при сканировании.
Для анализа характеристик излучателя в составе ФАР рассмотрена модель бесконечной решетки, в виде канала Флоке с заявленным излучателем.
На фигуре 8 представлены графики зависимости от рабочей частоты коэффициента передачи Т сигнала, поступающего на коаксиальный кабель первой поляризации 6 (фигура 2), в моду канала Флоке, соответствующую этой поляризации. Коэффициент передачи Т определяет коэффициент усиления излучателя в составе решетки в соответствии с соотношением
где S - площадь апертуры излучателя, λ - длина волны в свободном пространстве для данной рабочей частоты, θ - угол сферической системы координат, который вместе с углом ϕ определяют направление фазирования N (фигура 1). Сплошными кривыми приведены результаты расчетов коэффициентов передачи Т при наличии в делителях 10а, 10б, 10в, 10г резисторов 10а', 10б', 10в', 10г' (кривые 2, 4, 6), а пунктирными - при отсутствии этих резисторов (кривые 1, 3, 5). Кривые приведены при отклонении направления фазирования от оси OZ на угол θ=10 градусов в плоскостях POZ, заданных углами ϕ равными 0,45 и 90 градусов. Кривые имеют следующие обозначения:
- 1-ϕ=0 градусов, без резистора;
- 2-ϕ=0 градусов, с резистором;
- 3-ϕ=45 градусов, без резистора;
- 4-ϕ=45 градусов, с резистором;
- 5-ϕ=90 градусов, без резистора;
- 6-ϕ=90 градусов, с резистором.
Из графиков видно, что без резисторов в делителях мощности в режиме сканирования в коэффициенте передачи появляются резонансы, что приводит к уменьшению коэффициента усиления на (5-6) дБ.
Так же наличие резисторов 10а', 10б', 10в', 10г' в синфазных делителях мощности Уилкинсона 10а, 10б, 10в, 10г соответственно, улучшает уровень кроссполяризации. Для примера была рассчитана модель подрешетки с периодическими граничными условиями, состоящая из четырех излучателей стоящих рядом друг с другом по оси параллельной длинной стороне 14 второй печатной платы прямоугольной формы 2. В таблице 1 приведены значения уровня кроссполяризации в области 3 дБ уровня главного луча для случая с резисторами на частоте 2.7 ГГц в плоскости POZ при ϕ=45 градусов, где наблюдался максимальный уровень кроссполяризации. Также приведены значения уровня кроссполяризации для этого случая без резисторов. Из таблицы видно, что за счет резисторов в делителях мощности максимальный уровень кроссполяризации снижается не менее чем на 7.8 дБ.
1
2
2
2
1
2
1
2
При работе излучателя в составе решетки на резисторах 10а', 10б', 10в', 10г', поглощающих кроссполяризационные составляющие полей, выделяется мощность. Наличие максимальной рассеиваемой мощности резисторов приводит к ограничению общей мощности, подаваемой на вход первого 5 и второго 9 противофазного делителей мощностей. Для уменьшения мощности, выделяемой на резисторах 10а', 10б', 10в', 10г', и увеличения предельно возможной подаваемой на излучатель (на вход первого 5 и второго 9 противофазного делителей мощностей) мощности, на пассивных элементах 19а, 19б, 19в, 19г введены прорези (22а, 22а, 22б, 22б, 22в, 22в, 22г, 22 г).
1
2
1
2
1
2
1
2
На фигуре 9 приведены графики зависимости выделяемой на резисторах мощности от рабочей частоты при отсутствии прорезей и с наличием прорезей 22a, 22а, 22б, 22б, 22в, 22в, 22г, 22г в пассивных элементах 19а, 19б, 19в, 19г. Расчеты приведены при подаче на вход первого 5 противофазного делителя мощности сигнала мощностью 0,5 Вт. Из графиков видно, что при наличии указанных прорезей мощность, выделяемая на резисторах 10а', 10б', 10в', 10г', уменьшается на ~25%.
По результатам расчетов (полученных с использованием экстраполяции результатов, приведенных на фигуре 9), при использовании резисторов 10а', 10б', 10в', 10г' с номинальной рассеиваемой мощностью 1 Вт, на вход первого 5 противофазного делителя мощности можно подать сигнал мощностью  без введения прорезей, а при наличии прорезей - сигнал мощностью  Таким образом, прорези в пассивных элементах 19а, 19б, 19в, 19г позволяют использовать излучатель при более высоких уровнях средней мощности.
В результате одновременного использования синфазных делителей Уилкинсона и прорезей в пассивных элементах в изобретении достигаются увеличение коэффициента усиления и снижение уровня кроссполяризации (до -25 дБ) в составе ФАР в рабочем диапазоне частот при повышенном среднем уровне мощности.