МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ПОЛОСКОВАЯ СВЧ АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике, в частности к многоэлементным полосковым СВЧ антеннам, и может быть использована в качестве фазированной антенной решетки (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемо-передающих систем.
Обширный круг задач, выдвигаемых наукой и техникой перед разработчиками радиосистем, приводит к необходимости создания антенн различного назначения с разнообразными заданными характеристиками. Реализация требуемых характеристик может быть достигнута выбором типа антенны, ее параметров, элементной базы, габаритов и т.д.
Известна многоэлементная полосковая СВЧ антенна (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И.Воскресенского, М. : Радио и связь, 1981, стр.189), где в качестве излучающих элементов используются печатные вибраторы, возбуждаемые трехпроводной (трехпластинчатой) полосковой линией.
Известна также многоэлементная полосковая СВЧ антенна (патент №2256261, МКИ H01Q 1/38, опубл. 27.02.05, авторы: Панфилов В.И., Шабалин А.В.) содержащая, упорядоченно размещенные перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя, симметричные полосковые вибраторы. Плечи вибраторов запитаны в противофазе симметрично-полосковыми линиями, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами. Симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных конструкций. Плечи вибраторов представляют собой две крайние одноименные и одну центральную, с противоположной ориентацией в плоскости решетки по отношению к крайним, полоски, переходящие в расположенные над общим пассивным отражателем и соединяющиеся под углом 90° к продольной оси плеч вибратора с торцами указанных полосок полосковые отрезки. Полосковый отрезок, соединяющийся с плечом вибратора, являющимся центральной полоской, имеет линейный скос с сужением ширины в сторону плеча на одну треть на расстоянии, составляющим четверть средней длины волны рабочего диапазона, и настроечную выемку в месте соединения полоскового отрезка с торцом центральной полоски в пределах полуширины полоски. Возбуждение вибраторов симметричной трехпроводной полосковой линией осуществлено через ВЧ соединители, установленные на металлической стойке на уровне общего пассивного отражателя.
И в той и другой антенне поляризация излучаемого сигнала совпадает с плоскостью расположения экранных полосок запитывающих линий (классическая схема).
На практике очень часто возникает конструктивная необходимость встраивания дополнительной антенной решетки (АР) в существующую антенну с определенной (горизонтальной или вертикальной) системой возбуждения, и при определении целесообразности той или иной схемы совмещения оценивается влияние взаимодействия совмещаемых антенных решеток на их характеристики. Взаимовлияние зависит от соотношения рабочих длин волн, поляризации обеих решеток, конструктивных схем вибраторов и т.д. Поэтому, создав, например, развязку по поляризации можно уменьшить взаимное влияние совмещаемых антенных решеток.
Как правило, для обеспечения снижения ветровой нагрузки на антенну, блоки системы деления сигнала выполняются на делителях мощности с горизонтальной ориентацией экранных плоскостей. В этом случае, реализация излучателей с вертикальной поляризацией потребует дополнительного ввода вертикальных стоек с высокочастотными (ВЧ) разъемами и соединительными ВЧ кабелями (по числу ВЧ излучателей). Это приведет к тому, что конструкция совмещенной антенны существенно усложнится, а ее вес, в целом, возрастет.
В связи с отсутствием прототипа - ближайшего аналога многоэлеметной полосковой СВЧ антенны с вертикальной поляризацией и системой деления, реализованной на полосковых трехплоскостных линиях, расположенных в горизонтальной плоскости, заявитель предлагает формулу изобретения без разделения на ограничительную и отличительную части.
Предлагаемая полезная модель расширяет арсенал многоэлементных полосковых СВЧ антенн и позволяет существенно упростить конструкцию антенны, где излучатели разных диапазонов, например, для радиолокации и опознавания «свой-чужой», совмещены в одном излучающем раскрыве АР.
Эта конструкция содержит упорядочение размещенные на одной линии или плоскости в соответствии со схемой, например линейной или плоской ФАР, перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя на высоте равной четверти средней длины волны рабочего диапазона симметричные полосковые вибраторы. Плечи полосковых вибраторов запитаны в противофазе симметричными полосковыми линиями передачи, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами, и выполнены в виде печатной или металлической полоски (или иной формы) полуволновой длины, имеющей в средней своей части разрыв, величиной равной половине высоты запитывающей линии. Запитывающая линия, в свою очередь, выполнена в виде сборной трехслойной, с чередованием полосковых и диэлектрических слоев, конструкции, где центральная и две экранирующие полоски имеют вдоль своих осей симметрии пазы. Глубина пазов равна ширине плеча вибратора. При помощи этих пазов металлическая полоска, образующая плечи вибратора, соединяется под углом 90° с полосками запитывающей линии, образуя жесткую конструкцию. При этом, одно из плеч вибратора гальванически соединяется с одной из экранных полосок запитывающей линии, а другое - гальванически соединяется с ее центральной полоской и при пересечении другой экранной полоски запитывающей линии, электромагнитным способом, замыкается на нее через емкость, конструктивно образованную пространством между ними.
По существу, вибраторы, по предлагаемой конструктивной схеме, встраиваются в выходные плечи делителей мощности, что позволяет, как минимум, исключить ВЧ разъемы, соединительный ВЧ кабель и стойки под ВЧ разъемы, т.е. конструкция совмещенной антенны упрощается, снижается ее вес, и появляется еще одно дополнительное качество - кросс-поляризация вибраторами не возбуждается.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3:
на фиг.1 - схема фрагмента ФАР;
на фиг.2 - конструкция полуволнового вибратора заявляемой антенны с участком возбуждения вибратора трехпроводной полосковой линией;
на фиг.3 - экспериментальные результаты по КСВ одиночного полуволнового вибратора изготовленного по предлагаемой конструктивной схеме.
Предлагаемая многоэлементная полосковая СВЧ антенна, содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy, и на высоте равной четверти средней длины волны рабочего диапазона над плоскостью общего пассивного отражателя 1, перпендикулярно к нему симметричные полосковые вибраторы 2 (фиг.1). Плечи 3, 4 полосковых вибраторов 2 (фиг.2) запитаны в противофазе симметричными полосковыми линиями передачи, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами. Плечи 3, 4 выполнены в виде печатной или металлической полоски (или иной формы) полуволновой длины, имеющей в средней своей части разрыв 5, шириной равной половине высоты запитывающей линии 6. Запитывающая линия 6, в свою очередь, выполнена в виде сборной трехслойной конструкции, с чередованием полосковых слоев 7, 8, 9 и диэлектрических слоев 10. Центральная полоска 8 и две экранирующие полоски 7, 9 этой трехслойной конструкции имеют вдоль своих осей симметрии пазы 11. Глубина пазов 11 равна ширине плеч 3, 4 вибратора 2. При помощи этих пазов 11 металлическая полоска, образующая плечи 3, 4 вибратора 2, соединяется под углом 90° с полосками запитывающей линии 6, образуя жесткую конструкцию. При этом плечо 4 вибратора 2 гальванически соединяется с экранной полоской 9 запитывающей линии 6, а другое плечо 3 гальванически соединяется с ее центральной полоской 8. Кроме того, плечо 3 вибратора 2 при пересечении экранной полоски 7, электромагнитным способом замыкается на нее через емкость, конструктивно образованную пространством между ними. В паз 11 экранной полоски 7 вводится диэлектрический изолятор 12 с низкой диэлектрической проницаемостью, который не позволяет плечу 3 гальванически замкнуться на экранную полоску 7.
На фиг.3 приведен экспериментальный результат по КСВ одиночного полуволнового вибратора, выполненного по предлагаемой конструктивной схеме, где видно, что полоса пропускаемых частот в диапазоне «L» не менее 20%. Плечи данного вибратора выполнены в виде металлической полоски длиной а=100 мм, шириной Ш=20 мм и величиной b/2, как показано на фиг.2, где b - высота запитывающей линии, которая равна 13 мм.
Работа предлагаемой ПМ осуществляется следующим образом: при приеме плоская падающая электромагнитная волна возбуждает в плечах 3 вибраторов 2, соединенных с центральными полосками 8 запитывающих линий 6, электромагнитное поле, которое в свою очередь, наводит поле на других плечах 4 этих же вибраторов 2, соединенных гальванически с экранными полосками 9 запитывающих линий 6. При этом диэлектрический изолятор 12 с низкой диэлектрической проницаемостью, вводимый в пазы 11 экранных полосок 7 запитывающих линий 6, не позволяет плечам 3 гальванически замкнуться на экранные полоски 7.
При передаче СВЧ сигналов в АР происходит аналогичная картина: система деления мощности СВЧ сигналов возбуждает плечи 3 вибраторов 2 гальванически замкнутых на центральные полоски 8 запитывающих линий 6, которые, в свой очередь, возбуждают (наводят) электромагнитное поле на других плечах 4 этих же вибраторов 2, соединенных гальванически с экранными полосками 9 тех же запитывающих линий 6.
Предложенная конструктивная схема уже используется на предприятии в двух изделиях, а именно, в фазированных синфазных двухэлементных АР с диаграммами специальной формы. Кроме того, проводилось встраивание фрагмента дополнительной АР, изготовленной по заявляемой конструктивной схеме, работающей в диапазоне «D» на вертикальной поляризации, с общим числом элементов в решетке N=120, в ФАР выпускаемого изделия, работающую на горизонтальной поляризации в диапазоне «L». Эксперимент подтвердил ожидаемые результаты в части фазочастотных характеристик антенны, т.е. была получена достаточно хорошая развязка по поляризации, и при этом, не произошло усложнения конструкции основной АР изделия.