Малогабаритный двухполяризационный волноводный излучатель фазированной антенной решетки с высокой развязкой между каналами
SMALL-SIZED DUALPOLARIZED WAVEGUIDE RADIATOR OF THE PHASE ANTENNA GRID WITH HIGH INSULATION BETWEEN THE CHANNELS

Изобретение относится к двухполяризационным излучателям, использующимся в бортовых двухполяризационных сканирующих фазированных антенных решетках (ФАР) Х-диапазона, а также более высокочастотных диапазонов.
Для целого ряда радиотехнических бортовых и космических систем возникает необходимость разработки ФАР с широкоугольным электрическим сканированием и с независимыми взаимно ортогональными линейными поляризациями излучаемых (принимаемых) полей. Для построения таких двухполяризационных ФАР должны использоваться двухполяризационные излучатели. При этом к таким излучателям предъявляются требования высокой развязки  между каналами 1 и 2 ( - модуль коэффициента связи между каналами), минимальных массогабаритных параметров (особенно поперечных размеров), высокого коэффициента полезного действия (КПД) и достаточной прочности конструкции.
Известны малогабаритные двухполяризационные микрополосковые излучатели с двумя ортогональными входами [Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. М.: Техносфера. 2012; Balanis С.A. (ed.) Modern antenna handbook. John Wiley & Sons. 2008.]. Недостатком подобных излучателей является малая развязка между входами 1 и 2 (меньше 20 дБ). Кроме того, микрополосковые излучатели имеют значительные потери в диэлектрике, особенно в X-диапазоне и более высокочастотных диапазонах, не обладают достаточной прочностью и проигрывают по этим показателям волноводным излучателям.
Известны двухполяризационные волноводно-рупорные антенны с квадратным раскрывом, возбуждаемые с помощью микрополоскового излучателя квадратной формы и подводимых к нему двух взаимно ортогональных микрополосковых линий, расположенных в некотором сечении и проходящих в квадратный волновод через отверстия в боковых стенках квадратного волновода [Ononchimeg S., Otgonbaatar G., Bang J.-H., Ahn B.-C., Cha E.-J. A new dual-polarized horn antenna excited by a gap-fed square patch // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2011. V. 21. P. 129-137.]. Однако такой излучатель имеет ограниченную развязку (менее 30 дБ) между поляризациями и большой поперечный размер - около полутора длин волн, что исключает использование подобного излучателя в сканирующих ФАР. Рупорно-волноводный излучатель с квадратным раскрывом с уменьшенным поперечным размером апертуры приводится в [Nakamoto N., Takahashi Т., Ono A., Nakashima М., Ohtsuka М., Miyashita Н. A dual polarized suspended stripline fed open-ended waveguide antenna subarray for phased arrays // International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP-2015). P. 479-482.]. Уменьшение поперечных размеров достигнуто за счет применения в структуре излучателя двух отрезков квадратного волновода с четырьмя и двумя металлическими гребнями и использовании «висячих» воздушных полосковых линий. Однако минимальный уровень кроссполяризации составляет -27 дБ. Кроме того, конструкция излучателя значительно усложняется.
Известны двухполяризационные излучатели, представляющие собой совмещение в одном раскрыве рупорного излучателя и вибраторного излучателя с взаимно-ортогональными поляризациями излучаемого поля [Patent US 3205499. Dual polarized horn antenna / L.E. Rabum. Patented Sept. 7, 1965.]. Однако схема питания такого излучателя является громоздкой и существенно влияет на характеристики излучателя, в том числе на уровень развязки двух поляризационных каналов.
10
01
10
01
0
0
1
2
0
1
2
0
а
а
Наиболее близкими к заявляемому устройству являются волноводные излучатели в виде пирамидального рупора с квадратным раскрывом и отрезка короткозамкнутого квадратного волновода с поперечными размерами, обеспечивающими «докритический» режим работы только для основных типов волн Н и H [Zhongxiang Sh., Chao F. A new dual-polarized broadband horn antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2005. V. 4. P. 270-273.]. При возбуждении такого волновода одинаковыми коаксиально-штыревыми возбудителями, расположенными ортогонально в смежных боковых стенках в некотором сечении волновода, в волноводе возбуждается и распространяется или только волна H, или только волна H, являющиеся источниками двух взаимно ортогональных полей, излучаемых открытым концом волновода или раскрывом пирамидального рупора (фиг. 1, а). Однако и в таком излучателе коэффициент связи  между входами лежит в интервале примерно -15…-20 дБ. Модельная зависимость  для излучателя в виде открытого конца квадратного волновода (фиг. 1, б) с размерами поперечного сечения ×=0,62λ×0,62λ при длинах h=h=0,19λ и диаметрах d=d=0,032λ штыревых возбудителей, продольные оси которых расположены относительно задней стенки волновода на расстоянии  показана на фиг. 2.
0
0
0
0
Целью заявляемого изобретения является существенное уменьшение коэффициента связи (существенное увеличение развязки) между двумя взаимно ортогональными каналами до значений, лежащих в интервале -35…-65 дБ (35…65 дБ) и даже более, при существенном уменьшении поперечных размеров двухполяризационного волноводного излучателя примерно до 0,59λ…0,62λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте ƒ рабочего диапазона, что позволяет обеспечить широкоугольное и независимое по обеим поляризациям электрическое сканирование луча в ФАР с плоской апертурой в коническом секторе углов с углом при вершине конуса 55°…70°.
1
2
Достижение поставленной цели реализуется тем, что двухполяризационный излучатель выполнен в виде отрезка короткозамкнутого прямоугольного волновода, переходящего в Е-секториальный рупор с квадратным раскрывом, и двух коаксиально-штыревых возбудителей с длинами штырей h и h, причем возбудитель 1 расположен посередине широкой стенки прямоугольного волновода на расстоянии  от короткозамыкателя и на расстоянии  от горловины рупора, а возбудитель 2 расположен посередине боковой стенки рупора на расстоянии  от горловины рупора и на расстоянии  от апертуры рупора, причем продольные оси обоих штыревых возбудителей взаимно ортогональны и лежат в плоскостях, содержащих продольную ось рупорного излучателя.
а
а
а
а
а
10
10
01
Поперечные размеры прямоугольного волновода ×b и поперечные размеры раскрыва рупора × выбираются из условий закритичности волн высших типов и докритичности волн основного типа Н в волноводе и волн Н и H в рупоре и известных ограничений на расстояние между соседними излучателями в ФАР с плоской апертурой, сканирующей в коническом секторе углов  т.е.  и  b</2, где  - внутренний размер квадратного раскрыва рупора; t - толщина стенок волновода; λ - длина волны в свободном пространстве для рабочей частоты ƒ.
2
2
2
1
1
1
1
0
Заявляемый двухполяризационный излучатель показан на фиг. 3. Излучатель состоит из коаксиально-штыревых возбудителей 1 и 2 с волновым сопротивлением коаксиальной линии W=50 Ом, короткозамкнутого прямоугольного волновода 3, Е-секториального рупора 4. Геометрия и места включения возбудителей определяются в следующей последовательности. Сначала определяются расстояние  длина штыря h и его диаметр d из условия обеспечения требуемого КСВ на входе 2 в рабочем диапазоне частот; затем определяется расстояние  длина штыря h и его диаметр d из условия обеспечения требуемого КСВ на входе 1 для некоторого изначально выбранного расстояния  потом уточняется расстояние  из условия обеспечения требуемого коэффициента связи между входами 1 и 2 и следом уточняются значения расстояния  и длины h штыря при уточненном значении  после этого находится расстояние  при выбранной длине излучателя  из соотношения  С целью минимизации продольного размера излучателя  каждый из размеров  выбирается минимально возможным и определяется в процессе электродинамического моделирования или эксперимента. Расстояние  влияет на уровень подавления волн высших типов, возникающих в раскрыве рупора от возбудителя 2, выбирается из условия  при заданном размере излучателя  который в свою очередь определяется из условия обеспечения требуемого уровня подавления волн высших типов в раскрыве рупора. Анализ результатов моделирования показывает, что минимальный продольный размер излучателя лежит в интервале (0,9…1,0)λ.
1
2
0
0
а
Достоинством предлагаемой схемы и конструкции излучателя является возможность практически независимого обеспечения каждого из четырех выше перечисленных параметров: КСВ, КСВ,  и уровня высших типов волн в раскрыве рупора. Это утверждение иллюстрируется результатами моделирования, приведенными на фиг. 4, которые получены для излучателя со следующими размерами: =0,62λ; b=0,27λ.
0
0
0
0
0
1
2
0
1
0
0
2
0
а
а
а
Так, на фиг. 4, а представлена зависимость коэффициента связи  на частоте ƒ от величины  Как видно, изменяя размер  в интервале от 0,05λ до почти 0,5λ, можно существенно изменять величину  - от значений примерно -39 дБ вплоть до уровня примерно -68 дБ. Результаты электродинамического моделирования заявляемого излучателя показали, что при следующих ограничениях на размеры излучателя: 0,59λ≤≤0,62λ, b</2,  - величина  слабо зависит от значений , b,  но существенно зависит от размера  При этом значения диаметров d и d лежат в следующих интервалах: 0,032λ≤d≤0,039λ, 0,032λ≤d≤0,039λ.
1
2
0
1
0
2
0
1
2
0
0
Представленные на фиг. 4 характеристики излучателя были получены в соответствии с изложенной выше последовательностью моделирования из условия минимизации КСВ и КСВ в требуемом относительном диапазоне частот 2Δƒ/ƒ≈6% при наличии ограничений на размеры  Размер  выбирался в соответствии с зависимостью  от значения  (фиг. 4, а) и при условии, что при  В итоге были получены следующие результаты:  h=0,2λ; h=0,19λ, d=d=0,032λ. Соответствующие зависимости КСВ и коэффициента связи между входами излучателя в полосе частот приведены на фиг. 4, б и в. На фиг. 4, г и д приведены диаграммы направленности (ДН) излучателя относительно каждого входа на центральной частоте ƒ в двух взаимно ортогональных плоскостях: в плоскости zOx (ϕ=0°) и в плоскости zOy (ϕ=90°). При этом угол в отсчитывается от оси Oz по направлению к плоскости хОу.
1
2
1
2
Графики КСВ и КСВ в полосе частот при значениях  и  представлены на фиг. 4, б. Моделирование показывает, что KCB и КСВ слабо зависят от размеров  На фиг. 4, в показана частотная зависимость величины  для  и
а
а
На фиг. 4, г и д представлены ДН излучателя по входам 1 и 2 в виде зависимостей КНД излучателя в логарифмическом масштабе. Как следует из этих результатов, КНД в направлении продольной оси излучателя составляет 8 дБ по входу 1 и 7,4 дБ по входу 2, что близко к максимально возможному КНД квадратного раскрыва. Однако ДН по входу 2 в плоскости ϕ=0° является несимметричной. Это вызвано наличием в раскрыве рупора волн высших типов, амплитуда которых может быть уменьшена как путем увеличения размера  (увеличения размера  так и за счет изменения конструкции излучателя, как показано на фиг. 5, т.е. за счет использования дополнительной квадратной насадки длиной  с поперечными размерами ×.
01
На фиг. 6 приведены ДН излучателя, изображенного на фиг. 5, по входу 2 в плоскости ϕ=0° для нескольких значений размера  из которых видно, что за счет выбора размера  можно приблизить форму ДН излучателя к форме ДН апертуры при условии, что в раскрыве апертуры существует только волна H и отсутствуют волны высших типов. Причем опять-таки уровень волн высших типов в раскрыве рупора практически не зависит от размеров  Как видно, при длине насадки  наблюдается уменьшение уровня высших типов волн, и при  волны высших типов в раскрыве рупора практически исчезают.
Таким образом, заявляемое решение позволяет построить двухполяризационный излучатель с высоким (наперед заданным) уровнем поляризационной развязки между каналами и требуемыми поперечными размерами излучателя и может быть использовано при разработке двухполяризационной ФАР Х- и более высокочастотных диапазонов частот с широкоугольным и независимым сканированием луча по обеим ортогональным поляризациям излучаемого поля.