ФРАГМЕНТ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В ТРЕХ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНАХ

Полезная модель относится к антенной технике, в частности, к многоэлементным сверхвысокочастотным (СВЧ) антеннам, и может быть использована в качестве фазированных антенных решеток (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемопередающих систем, телевизионных антенн, антенн сотовой связи и т.д.
В настоящее время существует большое многообразие СВЧ антенн, содержащих упорядоченно размещенные, в соответствии с одной из известных геометрий сетки ФАР, те или иные излучатели, все они зависят от требований к ФАР, уровня излучаемой мощности и, как правило, в большинстве своем, кроме ФАР в метровом диапазоне длин волн, ФАР строятся на базе печатных или иных технологий, позволяющих существенно улучшить электрические характеристики за счет точности изготовления, совершенствования конструкции и улучшения технологии производства, направленных на снижение веса антенных решеток и снижение стоимости их изготовления.
Известна линейная печатная ФАР [1], состоящая из симметричных печатных полу волновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии четверти средней длины волны рабочего диапазона и синфазно возбужденных. Схема возбуждения вибраторов выполнена на двух связанных полосковых линиях с нижним возбуждением.
В данной ФАР одноименные печатные плечи вибраторов имеют точку запитки от фидерного тракта, размещенную на уровне плоскости проводящего экрана в основании вертикальных печатных участков возбуждения, переходящих в плечи вибраторов под углом 90°, а противоположные печатные плечи вибраторов гальванически закорочены на корпус общего экрана или отражателей (метровый диапазон волн), при этом соседние вертикальные печатные участки возбуждения одноименных и противоположных плеч вибраторов снабжены установленными параллельно плоскости расположения участков запитывающих линий согласующими емкостными плоскими проводящими элементами.
Недостатком данного технического решения является сравнительно узкая полоса пропускаемых частот (10-15%).
Наиболее близкой по технической сущности, т.е. прототипом (см. фиг. 1), является широкополосная линейная многоэлементная вибраторная ФАР [2], содержащая упорядоченно размещенные к плоскости общего пассивного отражателя 2, печатные полосковые полуволновые вибраторы 1, плечи которых 1а, 1б запитаны через высокочастотные (ВЧ) разъемы 3 в противофазе симметричными полосковыми связанными линиями 5, 6, 7, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами [3]. Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде трехпроводной полосковой линии 5, 6 и 7, образованной двумя параллельными близко расположенными узкими щелями (зазоры связи) в металлическом слое на той же стороне диэлектрической пластины, что и плечи полосковых вибраторов 1а, 1б, причем, правая боковая полосковая линия 5 совместно с центральной полосковой линией 6 на длине, составляющей четверть средней длины волны рабочего диапазона (λср/4), образует разомкнутый реактивный шлейф, левая боковая полосковая линия 7 совместно с центральной полосковой линией 6 на длине, составляющей четверть средней длины волны рабочего диапазона, образует двухпроводную симметричную линию, подключаемую к плечам полуволнового вибратора 1а, 1б. Каждый полуволновой вибратор 1, выполнен на одной плате и представляет собой два широких проводника с зазорами связи причем плечи 1а, 1б каждого вибратора 1 симметрично сужаются к его середине. С обратной стороны диэлектрической пластины, в области размещения трехпроводной полосковой линии 5, 6, 7, установлены проводящие элементы настройки емкостного характера (настроечные элементы) 4.
Недостатками данного технического решения является то, что вибраторы в силу асимметрии конструкции имеют смещение фазового центра и полосу пропускания час тот не более 40%.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение существенного расширения полосы пропускаемых частот с возможностью реализации полуволновых вибраторов в заявляемом фрагменте ФАР в трех частотных диапазонах (L, UHF, VHF). Дополнительным техническим результатом является отсутствие необходимости дополнительной регулировки вибраторов после установки в ФАР.
1
3
2
1
1
2
1
Указанный технический результат достигается тем, что в известном фрагменте широкополосной ФАР, который содержит упорядочений размещенные на одной линии или плоскости в соответствии со схемой, например, линейной или плоской ФАР, перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя (или полуволновых отражателей, лежащих в той же плоскости, что и вибраторы), симметричные полуволновые вибраторы, выполненные на односторонней или двухсторонней металлизированной диэлектрической плате, в котором плечи каждого вибратора возбуждаются в противофазе симметричными полосковыми связанными линиями длиной λср/4, являющимися неотъемлемой частью симметрирующе-согласующего устройства, через высокочастотные разъемы, где на симметрирующе-согласующем устройстве для обеспечения настройки вибраторов установлены проводящие элементы настройки емкостного характера (настроечные элементы), причем в заявляемом фрагменте ФАР симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде четырехпроводной связанной полосковой линии, где правая и левая центральные полосковые линии шириной Ш=λcp/40 с зазором связи по оси симметрии вибратора S=λср/40, образуют двухпроводную запитывающую полосковую линию, подключаемую в верхней своей части под углом 90° к печатным плечам полуволновых вибраторов шириной Ш=λср/8 и высотой H≤1/3λср, а в нижней части на уровне общего пассивного отражателя (длиной 0,6λср, шириной Ш=0,035λср, толщиной t=1 мм) левая центральная полосковая линия закорочена, например, методом пайки на корпус пассивного отражателя, правая центральная полосковая линия электромагнитно связанная с левой центральной полосковой линией через центральную жилу ВЧ разъема, расположенного на уровне пассивного отражателя, образуя при этом зазор связи, левая крайняя полосковая линия (шириной Ш=Ш/2) расположена на расстоянии S=S/2 от левой центральной полосковой линии и электромагнитно с ней связана, в нижней части левая крайняя полосковая линия закорочена на корпус пассивного отражателя, а в верхней части является разомкнутой через зазор связи, где совместно с левой центральной полосковой линией образуют короткозамкнутый реактивный шлейф, правая крайняя полосковая линия (шириной Ш), расположена на расстоянии S от правой центральной полосковой линии, электромагнитно с ней связана и также разомкнута в верхней части (зазор связи), а в нижней закорочена на пассивный отражатель и образует совместно с правой центральной полосковой линией разомкнутый реактивный шлейф; перпендикулярно к центральным полосковым линиям с зазором связи S в сторону центральных линий установлены настроечные элементы; после окончания регулирования настроечные элементы фиксируются на центральных полосковых линиях, например, методом пайки.
1
Каждый полуволновой вибратор высотой H≤1/3λср представляет собой два полосковых односторонних или двухсторонних проводника шириной Ш=λср/40 с зазором связи по оси симметрии вибратора S=λcp/40, установленные перпендикулярно пассивному отражателю, длина которого составляет 0,6λср, и в силу своей широкополосности вибраторы в составе ФАР дополнительной регулировки не требуют.
Настроечные элементы выполнены на базе двухсторонних диэлектрических металлизированных пластин и применяются для обеспечения настройки вибраторов. После окончательной установки настроечных элементов на симметрирующе-согласующие устройства полуволновые вибраторы дополнительной настройки во время эксплуатации не требуют.
Применение в составе конструктивной схемы полуволновых вибраторов двух реактивных шлейфов (короткозамкнутого длиной λср/4 с левой стороны двухпроводной колосковой линии, и разомкнутого шлейфа длиной также λср/4 с правой стороны, которые включены параллельно двухпроводной линии) позволяет существенно расширить полосу рабочих частот антенны с 40 до 60% и более.
В заявляемом фрагменте широкополосной ФАР использованы широкополосные полуволновые вибраторы, реализация которых возможна в трех частотных диапазонах L, UHF и VHF.
Возможно многофункциональное использование данных широкополосных полуволновых вибраторов в качестве:
- ФАР РЛС;
- приемных телевизионных антенн;
- приемопередающих антенн сотовой связи;
- конструктивных схем для расширения полосы пропускания антенн типа «волновой канал», которые широко применяются в РЛС метрового диапазона, а также приемных телевизионных антеннах коллективного пользования.
Широкополосность заложена в самой схеме и конструкции полуволновых вибраторов и предполагает их настройку в период отладки настроечными элементами с зазором связи в сторону центральных полосковых линий, которые устанавливаются перпендикулярно к центральным полосковым линиям и после регулировки крепятся к ним, например, методом пайки. Настроечные элементы после регулировки вводятся в топологию печатной платы.
Регулировка вибраторов осуществляется следующим образом: сначала устанавливается без пайки нижний настроечный элемент с заведомо большей электрической длиной, чем требуется, далее устанавливается верхний настроечный элемент, также с несколько большей электрической длиной; взаимное положение настроечных элементов подбирается и фиксируется по снижению Ксв в широкой полосе частот. Далее осуществляется настройка после пайки настроечных элементов в местах наилучшего согласования с помощью этих настроечных элементов. Окончательная настройка вибратора осуществляется подрезкой (уменьшением электрической длины) настроечных элементов, обеспечивающей минимальные значения Ксв в широкой полосе частот.
Для иллюстрации заявляемого фрагмента ФАР приведены следующие фигуры:
фиг. 1 - конструктивная схема печатного вибратора-прототипа, возбуждаемого трехпроводной полосковой линией (компланарным волноводом).
фиг. 2 - схема размещения симметричных полуволновых вибраторов заявляемой ФАР, установленных в углах прямоугольной сетки над общим пассивным отражателем (вид сверху).
фиг. 3 - конструктивная схема печатного полуволнового вибратора заявляемого фрагмента ФАР, возбуждаемого четырехпроводной полосковой линией (компланарным волноводом).
фиг. 4 - экспериментальные результаты по Ксв двухстороннего полуволнового печатного вибратора в L диапазоне для заявляемого фрагмента ФАР.
фиг. 5 - экспериментальные результаты по Ксв макета одиночного вибратора заявляемого фрагмента ФАР в UHF диапазоне длин волн.
фиг. 6 - экспериментальные результаты по Ксв макета вибратора заявляемого фрагмента ФАР в VHF диапазоне длин волн.
Фиг. 7 - Ксв одиночного вибратора заявляемого фрагмента ФАР в UHF диапазоне длин волн (моделирование).
фиг. 8 - объемная диаграмма широкополосного вибратора в UHF диапазоне (моделирование).
Фиг. 9 - Ксв линейной антенны с вертикальной поляризацией в UHF диапазоне бесконечной решетки (моделирование).
фиг. 10 - сечение диаграммы направленности в E плоскости широкополосного вибратора в UHF диапазоне (моделирование) заявляемого фрагмента ФАР.
фиг. 11 - Ксв макета линейной антенны с вертикальной поляризацией в L диапазоне из шести вибраторов, с общим отражателем.
фиг. 12 - диаграмма направленности линейной антенны с вертикальной поляризацией в L диапазоне (макетирование) из шести вибраторов, с общим отражателем заявляемого фрагмента ФАР.
3
Фрагмент широкополосной ФАР (см. фиг. 2) содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy на высоте λср/4 над плоскостью общего пассивного отражателя 2 шириной Ш, перпендикулярно к нему симметричные полуволновые полосковые вибраторы 1, выполненные в виде полосковых проводников на диэлектрической пластине и запитанные через ВЧ разъемы 3.
1
В UHF диапазоне (см. фиг. 3) плечи 1а, 1б каждого симметричного полуволнового вибратора 1 высотой H=175 мм представляют собой два полосковых проводника шириной Ш=30 мм с зазором связи S=10 мм между ними. К плечам вибратора 1а, 1б гальванически подключаются правая центральная 6 и левая центральная 7 полосковые линии шириной Ш=10 мм, представляющие собой симметричную двухпроводную полосковую линию, являющуюся неотъемлемой частью симметрирующе-согласующего устройства.
2
1
1
2
1
Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде четырехпроводной связанной полосковой линии - правая крайняя 5 (Ш=5 мм), правая центральная 6 (Ш=10 мм), левая центральная 7 (Ш=10 мм) и левая крайняя 8 (Ш=5 мм), образующие параллельно расположенные узкие щели шириной S=10 мм - в центре и S=5 мм слева и справа от центральной щели - окна связи.
2
1
Правая крайняя 5 полосковая линия совместно с правой центральной 6 полосковой линией на длине λср/4 образуют разомкнутый реактивный шлейф с зазором связи S=5 мм; левая крайняя 8 полосковая линия совместно с левой центральной 7 полосковой линией образуют короткозамкнутый реактивный шлейф (зазор связи также составляет S).
3
К четырехпроводной полосковой линии 5, 6, 7, 8 ВЧ сигнал подводится снизу через ВЧ разъем 3, установленный на уровне плоскости общего пассивного отражателя 2; центральная жила ВЧ разъема 3 через зазор связи S=1 мм подключается к правой центральной 6 полосковой линии. Крайние правая 5, крайняя левая 8 и центральная левая 7 полосковые линии гальванически закорочены на уровне общего пассивного отражателя 2 на корпус ВЧ разъема 3.
С любой из сторон диэлектрической пластины в области связи правой центральной 6 и левой центральной 7 полосковых линий устанавливаются перпендикулярно к данным полоскам разомкнутые реактивные шлейфы с окнами связи S по центру в сторону печатных связанных проводников, выполняющих роль настроечных элементов 4.
В предлагаемом фрагменте широкополосной ФАР вибраторы могут быть выполнены либо металлическими (VHF диапазон), либо печатными (L, UHF, VHF диапазоны) в зависимости от диапазона длин волн (на фиг. 3 - печатный вариант выполнения вибраторов на основе металлизированного стеклотекстолита толщиной t=1 мм в L диапазоне).
Фрагмент широкополосной плоской СВЧ антенны, работающий в режиме ФАР, обеспечивает однополярные излучения полосковых полуволновых вибраторов в широкой полосе частот в трех диапазонах.
Предлагаемая конструктивная схема полуволновых вибраторов, из которых образован заявленный фрагмент ФАР, позволяет расширить полосу пропускаемых частот до 60% и более (см. фиг 4-6).
По результатам экспериментальных работ с одиночными вибраторами, изготовленными по данному техническому решению в трех частотных диапазонах (L, UHF, VHF), а также макет шестиэлементной антенной решетки (dy/λcp)=0,5, запитанных через синфазный делитель на восемь направлений, были получены рабочие характеристики (см. фиг 11, 12), подтверждающие заявленный технический результат. А именно, полоса рабочих частот предлагаемого фрагмента антенны достигает 60% по уровню Ксв=1,8. Все вибраторы настраивались на минимально возможный Ксв на стенде и далее устанавливались в ФАР без дополнительной настройки.
На фиг. 12 показана сформированная диаграмма направленности при возбуждении вибраторов решетки (n=6, d/λcp=0,5) синфазным делителем на восемь направлений с изменением деления к крайним вибраторам до -12 дб.
Электрическая симметрия плеч предлагаемого вибратора, достигается за счет симметричной топологии проводников компланарного волновода, при этом осевая линия двух проводной линии должна совпадать с осью симметрии вибратора.
Результаты моделирования на персональной электронной вычислительной машине в системе Microvawe Offis показали, что диаграмма направленности предлагаемой антенны симметрична и, следовательно, фазовый центр совпадает с осью симметрии вибратора. Результаты были получены при использовании в качестве материала стеклотекстолита с толщиной t=1,0 мм; на центральных полосковых линиях 6, 7 были установлены настроечные элементы емкостного характера, входящие в топологию печатной платы полуволнового вибратора.
Предлагаемое техническое решение дает возможность подключения компланарных волноводов и к плечам вибраторов и к запитывающим фидерным линиям, которые могут быть как симметричными так и не симметричными полосковыми линиями.
Как известно, не симметричные линии широко используются в виду их технологичности изготовления, что является важным при серийном производстве, однако не симметричные полосковые линии имеют большие потери, слабозащищены от внешних наводок на цепи возбуждения. Использование симметричных полосковых линий дает выигрыш в снижении потерь на СВЧ в цепях возбуждения, а также симметричные полосковые линии обеспечивают цепи возбуждения без возможных наводок в виду полного экранирования СВЧ поля внутри линии.
Экспериментальные данные, полученные в L и UHF диапазонах (макетирование, моделирование), позволили простым способом - пересчетом с L диапазона в UHF и VHF получить данные по размерам вибраторов в указанных диапазонах. Полученные результаты на макетах приведены на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6, где видно, что полоса пропускаемых частот составляет не менее 60%.
Механизм расширения полосы пропускания полуволновых симметричных вибраторов, возбуждаемых четырехпроводным симметрирующе-согласующими устройствами на связанных линиях, основан на взаимной компенсации реактивных составляющих входного сопротивления вибраторов двухпроводной полосковой симметричной линии, электромагнитно связанной с двумя реактивными шлейфами, имеющими противоположные значения реактивных составляющих входного сопротивления, а также настроечными элементами емкостного характера, устанавливаемыми на двухпроводной запитывающей полосковой линии длиной λср/4 и являющимися неотъемлемой частью топологии вибратора.
Все вышеперечисленное говорит о том, что заявляемый фрагмент широкополосной ФАР с использованием широкополосных полуволновых вибраторов с нижним возбуждением в трех частотных диапазонах (L, UHF и VHF), обеспечивает высокие рабочие характеристики в широком диапазоне частот.
Список использованной литературы
1 Патент №2264009, МПК H01Q 21/08, авторы Анурин А.А., Шабалин А.В.
2 Патент №90265, МПК H01Q 1/38, авторы Шабалин А.В., Тузаев И.Н.
3 Сканирующие антенные системы СВЧ часть 2 - перевод с англ. под редакцией Г.Т. Маркова, А.Ф. Чаплина - М. Советская радио, 1969 г., с 459-478.
4 Г.З. Айзенберг - антенны ультракоротких волн - М. «Государственное издательство литературы по вопросам радио и связи», 1957 г., с 262, 263, рис. 13.1 XIII.