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.
В настоящее время существует большое разнообразие многоэлементных СВЧ антенн, содержащих упорядоченно размещенные, в соответствии с геометрией гексагональной или прямоугольной сетки ФАР, полосковые вибраторы над общим отражателем.
Наиболее целесообразным является использование существующих антенн и вибраторов с целью их модернизации, улучшения их параметров, конструкции, технологичности, качества аппаратуры антенных систем и их составляющих.
В радиопромышленности, в телевизионных системах, системах сотовой связи широко применяются антенны с использованием вибраторов с верхним возбуждением (с U коленом) для обеспечения симметрирования полей на плечах полуволновых вибраторов; возбуждение также может быть 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 входят: два плеча вибратора, которые имеют по середине зазор связи, расположенный по оси симметрии вибратора, и запитаны через ВЧ кабель в противофазе по схеме верхнего питания и симметрирующее устройство на симметричных связанных трубчатых линиях с короткозамыкателем, образующее U колено длиной λср/4, расстояние от середины плеча вибратора до общего пассивного отражателя составляет λср/4. Запитывающий ВЧ кабель 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. 1), 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 и гальванически соединены с выходными концами короткозамкнутого симметрирующего устройства 3, выполненного в виде U колена и расположенного на одной стороне печатной платы 5.
Симметрирующее устройство 3 выполнено в виде двухпроводной полосковой линии с криволинейной топологией в сторону одного из плеч вибратора 1 в виде U колена. ВЧ кабель 4 от ВЧ разъема 6 проложен к плечам вибратора 1 по криволинейной траектории в сторону другого плеча вибратора в виде полукольца, причем ВЧ кабель 4 расположен на той же стороне печатной платы 5, что и симметрирующее устройство 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 и ВЧ кабеля 4 строго по центру на плечах вибратора 1 симметрично его оси устанавливают разомкнутый реактивный шлейф 7 перпендикулярно и симметрично к зазору связи между плечами вибраторов 1 для максимального расширения полосы пропускания частот. Реактивный разомкнутый шлейф по центру имеет окно связи, расположенное напротив зазора связи плеч вибраторов. Реактивный разомкнутый шлейф 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 ФАР L диапазона с общим количеством вибраторов 1824 шт.
В процессе производства был выявлен ряд недостатков: некоторое смещение фазового центра вибраторов; сложность изготовления запитывающего устройства - ВЧ кабеля в виде полукольца; некоторое взаимовлияние криволинейного U колена и металлических скоб, обеспечивающих крепление печатной платы к разъему ВЧ кабеля.
В составе большой ФАР смещение фазового центра вибраторов мало влияет на суммарную диаграмму направленности, но при использовании одиночного вибратора или в составе небольшого фрагмента ФАР целесообразно его устранение.
Технический результат полезной модели - улучшение технико-экономических характеристик в части технологичности, снижения стоимости изготовления и расширения полосы пропускаемых частот.
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 U колена, при этом расстояние от середины плеча печатного вибратора до общего пассивного отражателя составляет λср/4, причем запитывающий ВЧ кабель располагают с одной стороны печатной платы по оси симметрии вибратора, а на обратной стороне печатной платы располагают короткозамкнутое симметрирующее устройство, которое выполнено на связанных полосковых линиях в виде U колена с видоизмененной топологией из наклонной в горизонтально ориентированную симметричную относительно оси симметрии вибратора; ВЧ кабель для снижения взаимовлияния на симметрирующее устройство (U колено) пересекает его под прямым углом и расположен на обратной стороне печатной платы; U колено выведено к входным клеммам и образованно из двух Π образных секций из связанных полосковых линий длиной λср/8; полосковые линии последовательно соединяют друг с другом, при этом суммарно длина U колена составит λср/2, кроме того для расширения полосы пропускания частот, и увеличения резонансной длины вибраторов топология плеч вибраторов выполнена с изгибами на 90° в сторону пассивного отражателя и в местах сгиба введены согласующие скосы под углом 45°.
Заявляемый фрагмент многоэлементной управляемой полосковой ФАР L диапазона (см. фиг. 2) 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, выполненные с использованием покупного ВЧ разъема сечением 7×3.
Для реализации представленной конструктивной схемы кабельный ВЧ разъем установлен в центре платы, что в свою очередь повлекло изменение топологии короткозамкнутого симметрирующего устройства в виде U колена, кроме того ВЧ кабель и короткозамкнутое устройство располагают на противоположных сторонах печатной платы. Схема выполнена симметричной относительно оси симметрии вибратора с расположением связанных проводников U колена в горизонтальной плоскости, причем входные концы U колена совпадают с точками возбуждения плеч вибратора ВЧ кабелем. 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 составляет длину λср/8 и 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.
Данная схема существенно уменьшает вертикальный размер U колена, позволяет установить кабельный ВЧ разъем высотой 32 мм в центре печатной платы и позволяет разместить запитывающий ВЧ кабель строго по оси симметрии вибратора, т.е. обеспечить центральное возбуждение.
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.
На фиг. 3 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 стеклотекстолита);
6. ВЧ разъем;
7. разомкнутый реактивный шлейф.
Плечи вибратора 1 представляют собой два прямоугольных проводника с изгибами на 90° в сторону пассивного отражателя 2. В местах сгиба плеч вибратора 1 введены согласующие скосы под углом 45°. Данная топология плеч вибратора необходима для обеспечения расширения полосы пропускания частот и увеличения резонансной длины вибраторов.
Плечи вибратора 1 имеют по середине 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 расположен с обратной стороны печатной платы 5 относительно симметрирующего устройства 3.
На стороне печатной платы 5, где расположен ВЧ кабель 4 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).
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 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 16÷12%
На фигурах 4-12 показаны результаты моделирования по программе HFSS и макетирования фрагмента ФАР с использованием вибраторов в L диапазоне, а именно:
На фиг. 4 - показана диаграмма направленности заявленного фрагмента ФАР, состоящего из линейки 6 вибраторов.
На фиг. 5 - показана объемная диаграмма направленности заявленного фрагмента ФАР, состоящего из линейки 6 вибраторов.
На фиг. 6 - показано моделирование диаграммы направленности одиночного вибратора в E плоскости заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 7 - показано моделирование диаграммы направленности одиночного вибратора в H плоскости заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 8 - показано моделирование КСВ вибратора в решетке при качании луча от 0° до 45° в H плоскости заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 9 - показано моделирование КСВ вибратора в решетке при качании луча от 0° до 45° в E плоскости заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 10 - показано макетирование КСВ одиночного вибратора заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 11 - показано моделирование КСВ одиночного вибратора заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 12 - показано моделирование КСВ вибратора в решетке заявленного фрагмента ФАР.
На фиг. 13 - показано макетирование КСВ заявленного фрагмента ФАР, состоящего из линейки 6 вибраторов.
В ходе испытаний возбуждение фрагмента ФАР из шести элементов осуществляли через развязанный синфазный полосковый делитель на 6 направлений с шагом dy 120 мм. Полосковый развязанный синфазный делитель на 6 направлений, обеспечивал спад уровня сигнала от центрального вибратора к крайним - 8 дб.
Главные выводы по результатам макетирования и моделирования.
Предложен фрагмент ФАР широкого применения с использованием печатных полуволновых вибраторов с верхним питанием и измененной формой топологии U колена, что позволило сократить вертикальный размер симметрирующего устройства.
Моделирование подтвердило возможность качания луча во фрагменте ФАР на углы ±45° в полосе частот от 1 Гц до 1,65 Гц.
Моделирование в E и H плоскостях подтвердило возможность формирования симметричной ДН заявляемых вибраторов с фазовым центром в середине вибратора.
Полученные экспериментальные данные по испытаниям заявленного фрагмента ФАР, состоящего из печатных вибраторов (n=6) позволили сделать вывод о том, что широкополосные печатные полуволновые вибраторы в составе ФАР не требуют дополнительной настройки.
Получено новое качество - расширение полосы пропускаемых частот до 650 МГц.
Создан новый простой широкополосный фрагмент ФАР, удовлетворяющий высоким требованием по ВЧ параметрам: КСВ, углам качения, технологичности, простоте обслуживания, простоте изготовления.
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 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.