Сверхширокополосная антенная решетка
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA ARRAY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области антенной техники, а именно к планарным, сверхширокополосным антеннам и предназначено для использования в качестве антенной системы в терминалах связи и радиолокационных станциях вплоть до миллиметрового диапазона частот.
Уровень техники
Известна антенна полосково-щелевая (патент RU 2440649, опубл. 20.01.2012), которая выполнена в виде герметичного корпуса из трубы прямоугольного сечения со щелями с проводником прямолинейной или волнообразной формы. Щели выполнены различной ширины для каждого излучателя, расположенные перпендикулярно или вдоль оси проводника, при этом проводник размещен на продольной оси корпуса, и его первый конец является входом антенны, второй конец проводника соединен с поглощающей нагрузкой. Антенна может быть снабжена рупором ступенчатой формы.
Недостатком технического решения является узкая полоса пропускания ввиду частотной зависимости максимума диаграммы направленности при последовательном возбуждении излучателей, а также сложность одновременной реализации низкого уровня боковых лепестков и коэффициента отражения из-за различной ширины щелей при одинаковом волновом сопротивлении проводника. В целом конфигурация прямоугольных щелей, прорезанных в непрерывном экране, не позволяет достигать широких полос согласования. Кроме того использование поглощающей нагрузки снижает КПД антенны.
Известна широкополосная антенна линейной поляризации (патент RU 119528, опубл. 20.08.2012), содержащая круглый волновод, у которого одна торцевая стенка закорочена, лист двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, на котором выполнены согласующие полоски, излучатель и 50-омный коаксиальный кабель. Лист двухстороннего фольгированного стеклотекстолита закрепляется в отрезке круглого волновода с помощью клея. Коаксиальный кабель устанавливается по оси отрезка круглого волновода, внешний и внутренний проводники кососрезанного участка коаксиального кабеля имеют омический контакт с противоположными сторонами излучателя, коаксиальный кабель также имеет омический контакт с отрезком круглого волновода. Внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны, центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°.
Техническое решение обеспечивает ширину полосы согласования до двухкратного перекрытия крайних частот. Недостатком является использование волновода, что при построении сверхширокополосной антенной решётки ограничивает верхнюю рабочую частоту из-за слишком большого шага, нарушающего условие отсутствия побочных максимумов диаграммы направленности. Помимо этого конструкция антенны существенно снижает её применимость или полностью ограничивает выше X- или K-диапазонов соответственно, где поперечные размеры любого коаксиального кабеля слишком велики по отношению к диаметру волновода.
Известен сверхширокополосный облучатель с высоким коэффициентом эллиптичности (патент RU 163383, опубл. 25.01.2016), который содержит печатную дипольную антенну турникетного типа, выполненную на кварцевой подложке, содержащий скрещенные несимметричные диполя в форме лепестка, расположенный горизонтально над поверхностью рефлектора. Каждый несимметричный диполь снабжен реактивным шлейфом. Реактивный шлейф и несимметричный диполь соединены металлическим переходом, а на пересечении осей несимметричных диполей расположена металлическая втулка, к которой прикреплена полиимидная шайба.
Недостатком является применение квадрупольного возбуждения, что существенно усложняет реализацию делителя/сумматора для объединения антенных элементов в решётку. Использование коаксиального кабеля ограничивает верхнюю частотную границу реализуемости, например, выше K-диапазона по причине слишком миниатюрных размеров печатных диполей и узких зазоров между ними по отношению к диаметру коаксиалов.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является панельная антенна (патент RU 2273079, опубл. 01.01.2000). Панельная антенна включает в себя ряд излучателей, рефлектор, сумматор-делитель, радиопрозрачное укрытие и разъем. Каждый излучатель питается коаксиальным кабелем, при этом выполнен в виде плоской металлической рамки со щелью и четырьмя шлейфами, которые могут быть отогнуты. Внутренний проводник кабеля соединен с одной половинкой рамки, а внешний проводник – с другой половинкой рамки, плоскость рамки параллельна отражателю. Рамка имеет пластины для её крепления к отражателю в точках нулевого потенциала.
Основным недостатком антенны является использование четырёх шлейфов, величина отгиба которых от плоскости щелей регулирует уровень КСВН. Данный приём существенно снижает её применимость или полностью ограничивает выше X- или K-диапазонов соответственно, где электрические размеры антенных элементов малы и точность реализации каждого узла, в том числе шлейфов, требует слишком высокого уровня. Исполнение щелей в печатном варианте не представляется возможным ввиду нереализуемости отогнутых шлейфов. Вытекающим недостатком является сложность реализации точно заданного амплитудно-фазового распределения при построении антенной решётки с низким уровнем боковых лепестков, например, ниже –20 дБ. Применение с этой целью коаксиального кабеля также не представляется возможным, применение печатного делителя/сумматора затруднено ввиду отогнутых шлейфов.
Сущность изобретения
Техническая задача направлена на создание планарного антенного элемента, пригодного для построения сверхширокополосных антенных решёток вплоть до миллиметрового диапазона частот.
Техническим результатом предложенного решения является расширение полосы пропускания линейных антенных решёток до двухкратного перекрытия крайних частот при шаге меньше длины волны верхней границы полосы и повышение КНД на величину до трёх децибел относительно коллинеарных решёток такой же эффективной длины с дипольными элементами.
Не каждый антенный элемент обладает частотной стабильностью направленных характеристик при сохранении полосы согласования, что противоречит определению полосы пропускания. Рассматриваемое изобретение полностью удовлетворяет указанному определению полосы пропускания.
Основной технический результат достигается тем, что
– сверхширокополосная антенная решётка состоит из печатных антенных элементов, расположенных над рефлектором на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы при заполнении пространства до рефлектора воздушным или частично воздушным слоем и выполненных на верхнем слое двухслойной или многослойной диэлектрической подложки;
– печатные антенные элементы представляют собой щель, образованную замкнутым электрическим контуром H-образной формы с высокоомным сопротивлением, причём электрические контуры соединены гальванически посредством металлических полигонов, заданных размеров и подобранных для каждой пары антенных элементов, образуя единый слой со щелями, ширина которых увеличивается при удалении от их центра, образуя переход на электрический контур, а ширина линий и периметр электрических контуров, расположенных по краям решётки, меньше относительно размеров центральных;
– многоканальный неравновесный делитель/сумматор реализован в соответствии с последовательно-параллельной схемой или параллельной, при этом количество последовательно возбуждаемых  антенных элементов  с шагом  задаётся следующим соотношением:
<img file="00000003.jpg" he="15" wi="71" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где  – постоянная распространения в линии возбуждения,
– волновое число свободного пространства,
– длина волны свободного пространства,
– коэффициент расширения луча ДН при амплитудном взвешивании.
Stack-Up
Выбор расположения антенных элементов на двухслойной или многослойной диэлектрической подложке, или реализация на подвешенных линиях в виде полосковой структуры зависит от диапазона частот. Например, для миллиметровых волн требуется последовательность нескольких ядер, образующих  печатной платы, для формирования экрана на заданном удалении и реализуемости сопротивления всех линий и элементов антенной решётки. Наличие диэлектрика неизбежно сужает полосу пропускания, поэтому не рекомендуется использовать подложки с высокой диэлектрической проницаемостью.
Расположение антенных элементов над рефлектором на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы и заполнение пространства до рефлектора воздушным или частично воздушным слоем обеспечивает формирование ДН заданной формы вплоть до удвоенной частоты при сохранении частотной стабильности импедансных свойств. Выбор материала и объёма заполнения влияет на полосу пропускания. С целью достижения максимальной широкополосности не рекомендуется использовать полное заполнение пространства диэлектрическим материалом.
Известно, что щель, прорезанная в бесконечном экране, является идеальным аналогом электрического диполя лишь с тем отличием, что направление максимума ДН ориентировано вдоль её оси, а срез ДН в поперечном сечении имеет вид восьмёрки, то есть излучение неизотропное. Таким образом, формирование линейной щелевой решётки в плоскости перпендикулярной вектору напряжённости электрического поля позволяет увеличить коэффициент усиления на величину до трёх децибел относительно коллинеарных решёток такой же эффективной длины с дипольными элементами, имеющими изотропный вид ДН в поперечном сечении.
Задание ширины линий и периметра электрических контуров, расположенных по краям решётки, меньше относительно размеров центральных, служит для наилучшего согласования в условиях отличной импедансной нагруженности по сравнению с остальными антенными элементами, окружёнными с обеих сторон.
Возбуждение антенных элементов волной электрического тока, распространяющейся по линии, нагруженной распределённой ёмкостью, минимизирует амплитуду отражённой волны от холостоходного участка данной линии. В случае снижения требования на ширину полосы согласования допускается отсутствие распределённой ёмкости, при этом достаточно выбрать протяжённость участка линии между её разомкнутым краем и центром возбуждаемой щели равной четверти электрической длины волны.
Гальваническое соединение электрических контуров посредством металлических полигонов, подобранных для каждой пары антенных элементов, позволяет изменять распределение поверхностного тока, тем самым регулировать комплексное входное сопротивление каждого антенного элемента в отдельности для наилучшего согласования.
Увеличение ширины щелей при удалении от их центра позволяет достичь наиболее равномерного коэффициента отражения в полосе частот и является ещё одним механизмом воздействия на импедансную характеристику антенной решётки.
Выполнение условия высокоомного сопротивления линий электрических контуров при том, что их ширина существенно меньше ширины щелей обеспечивает оптимальное соотношение электрической и магнитной компонент запасённой энергии в ближней зоне в соответствии с принципом взаимодополняющих структур.
Реализация многоканальной системы возбуждения в соответствии с последовательно-параллельной схемой или параллельной позволяет оптимальным образом добиваться заданной полосы пропускания решётки при известной полосе пропускания антенного элемента. В случае требования максимально возможной полосы необходимо применять параллельную схему возбуждения, в случае сужения ширины рабочих частот допускается применение последовательно-параллельной схемы. В обоих случаях система возбуждения может иметь неравные веса для достижения меньшего уровня боковых лепестков (УБЛ) относительно равноамплитудного распределения в зависимости от назначения разрабатываемой антенной решётки.
Частотная стабильность направленных характеристик антенной решётки с последовательно-параллельным возбуждением, а именно направление максимума и коэффициент направленного действия, зависит от количества последовательных элементов  с шагом . Критерий максимального количества  задаётся следующим образом
<img file="00000003.jpg" he="15" wi="71" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где  – постоянная распространения в линии возбуждения,
– волновое число свободного пространства,
– длина волны свободного пространства,
– коэффициент расширения луча ДН при амплитудном взвешивании.
При выполнении указанного условия основной луч ДН всегда ориентирован по нормали к апертуре решётки без провалов в его центре, сохраняя правильную форму во всём телесном угле наблюдения.
Как правило, наиболее сложно достичь увеличения полосы согласования вниз по частоте относительно центрального значения. Исполнение антенного элемента в виде щели, образованной замкнутым электрическим контуром H-образной формы, позволяет расширить полосу согласования на величину не менее октавы, при условии выполнения неравенства  ≥ 1,2 для нижней частоты рабочей полосы. Данный эффект обусловлен взаимокомпенсацией сопряжённых компонент запасённой энергии в ближней зоне антенны. Величина  определяет волновое число в среде значением относительной диэлектрической проницаемости , величина  определяет максимальный размер антенного элемента.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображён общий вид верхнего слоя печатной платы, содержащего все элементы антенной решётки, фиг. 2 отображает все слои печатной платы, включая систему возбуждения антенной решётки, фиг. 3 показывает укрупнённый вид части верхнего слоя печатной платы с элементами антенной решётки, фиг. 4 демонстрирует график частотной зависимости амплитуды коэффициент отражения, фиг. 5 демонстрирует ДН в плоскости решётки (E-плоскость) при последовательно-параллельном возбуждении для центральной частоты и крайних частот выделенного диапазона, фиг. 6 демонстрирует ДН в плоскости решётки (E-плоскость) при параллельном возбуждении для центральной частоты и крайних частот выделенного диапазона.
Осуществление изобретения
Техническая реализация изобретения с использованием всех существенных признаков рассмотрена на примере печатной антенной решётки K-диапазона с низким УБЛ.
Сверхширокополосная антенная решётка выполнена на нескольких слоях печатной платы 1, которая расположена над рефлектором 2 на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы. Каждый элемент антенной решётки представляет собой щель 3, образованную замкнутым электрическим контуром H-образной формы 4, при этом электрические контуры соединены гальванически посредством металлических полигонов 5, заданных размеров и подобранных для каждой пары антенных элементов, образуя единый слой со щелями. В качестве системы распределения мощности антенной решётки выступает многоканальный неравновесный делитель/сумматор 6, реализованный в соответствии с последовательно-параллельной схемой. Антенные элементы, расположенные на верхнем слое печатной платы 1, возбуждаются волной электрического тока заданной амплитуды в зависимости от требуемого УБЛ с помощью линии 7, нагруженной распределённой ёмкостью. С целью плавной трансформации сопротивления линий возбуждения 7 в области, соединяющей систему распределения мощности и антенные элементы, используется переход 8, образованный сужающимся земляным полигоном верхнего слоя печатной платы 1 и земляным полигоном, повторяющим форму линий возбуждения 7 нижнего слоя печатной платы 1, при этом непосредственно вблизи антенных элементов земляной полигон верхнего слоя печатной платы 1 расширяется до размера полигона 5.
Работа устройства
Рассматриваемая сверхширокополосная антенная решётка является пассивным устройством, в котором отсутствуют активные элементы или невзаимные узлы типа ферритов, поэтому режим её работы не имеет значения. Для удобства пусть решётка функционирует в режиме передачи. Сигнал СВЧ, поданный на её вход, возбуждает волны электрического тока, мощность которых делится в пропорции 1:1 на первой ступени неравновесного многоканального делителя 6. На следующих параллельных и последовательных ступенях каждый канал отбирает такую долю оставшейся мощности, совокупность которых формирует заданное амплитудное распределение вдоль антенной решётки, обеспечивающее требуемый УБЛ. Волны электрического тока, распространяющиеся вдоль линий 7 с амплитудой, соответствующей мощности каждого канала, возбуждают щели 3, образованные замкнутыми электрическими контурами H-образной формы 4. Суперпозиция поля излучения линейной поляризации каждой щели 3 формирует ДН антенной решётки. Вследствие того, что парциальные ДН параллельных участков решётки с последовательно включенными элементами при отклонении частоты от центрального значения имеют встречный наклон, суммарное излучение происходит строго по нормали. Рефлектор 2 обеспечивает однонаправленное излучение, при этом регулируя его размеры можно в небольших пределах изменять УБЛ антенной решётки и коэффициент отражения крайних её элементов.