Способ построения широкополосной антенной решётки
METHOD OF CONSTRUCTING A BROADBAND ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в приемопередающих активных фазированных антенных решетках (АФАР).
Известен способ построения антенной решетки (АР) [1 - стр. 313 - Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. - 432 с.], в котором в стенке волновода, закороченном на конце, выполняют ряд щелей, каждая из которых имеет длину λ/2, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, при этом расстояние между щелями и между крайними щелями и концами волновода устанавливают равными соответственно λ и λ/2.
Недостатком известного способа является ограниченность рабочей полосы частот [1 - стр. 316], высокий профиль, составляющий λ/4 и высокий вес за счет необходимости использования металлических волноводов.
Известен способ построения антенной решетки [2 - стр. 144 - Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д. и др. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. М: Радио и связь. 1988. - 240 с.], при котором печатные вибраторы с плечами из проводящих металлических пластин прямоугольной формы, располагают на диэлектрической подложке, приподнятой над проводящим экраном, плоскость подложки параллельна проводящему экрану и приподнята над ним на высоту L, при этом вибраторы расположены эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки.
К недостатками известного способа следует отнести:
- недостаточную полосу рабочих частот полосковых излучателей, составляющую не более 3% [3 - стр. 128 - Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. - 144 с.], в то время как в системах связи требуются полосы 12% и более;
- высокий профиль антенной решетки, около λ/4.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения антенной решетки [4 - патент РФ №2592731, МПК H01O 21/00, «Способ построения антенной решетки», опубл. 27.07.2016 г.], взятый за прототип, при котором печатные вибраторы с плечами из проводящих металлических пластин, располагают на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом печатные вибраторы расположены эквидистантно в узлах прямоугольной сетки.
y
x
Диэлектрические подложки прямоугольной формы, каждая из которых содержит линейку печатных вибраторов, устанавливают таким образом, чтобы плоскости диэлектрических подложек были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящему экрану, плечи печатных вибраторов были расположены параллельно проводящему экрану на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, при этом расстояние d между соседними диэлектрическими подложками по оси Y устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости Y, а расстояние d между центрами печатных вибраторов по оси X - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости X, в каждой диэлектрической подложке в ее верхней и нижней части между печатными вибраторами выполняют прямоугольные пазы, соединяют диэлектрические подложки между собой по оси Y путем плотной установки в эти пазы диэлектрических профилей квадратного сечения, в которых выполнены поперечные канавки в местах их установки в пазы, при этом нижние диэлектрические профили крепят к проводящему экрану клеем или винтами, а запитку каждого печатного вибратора осуществляют с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру с помощью врубных разъемов, расположенных у основания диэлектрических подложек.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточная полоса рабочих частот полосковых излучателей, составляющая не более 3% [3 - стр. 128], в то время как в системах связи требуются полосы 12% и более;
- высокий профиль антенной решетки, около λ/4.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот антенной решетки.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения широкополосной антенной решетки, при котором печатные вибраторы с плечами из проводящих металлических пластин, располагают на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом печатные вибраторы размещают эквидистантно в узлах прямоугольной сетки, а запитку каждого печатного вибратора осуществляют с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру.
B
B
Согласно изобретению, размещают плоскость диэлектрической подложки с печатными вибраторами параллельно проводящему экрану, уменьшают длину вибраторов таким образом, чтобы шаг их размещения в плоскости X не превышал 0,25 λ, где λ- длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки, снижают шаг размещения вибраторов в плоскости Y, так, чтобы края плечей соседних вибраторов соприкасались между собой.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение высоты профиля антенной решетки.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в предлагаемом способе диэлектрическую подложку с печатными вибраторами устанавливают параллельно проводящему экрану, в то время как в прототипе плоскости диэлектрических подложек с печатными вибраторами перпендикулярны проводящему экрану;
Y
- в предлагаемом способе края вибраторов в плоскости Y соприкасаются между собой, в то время как в прототипе диэлектрические подложки с печатными вибраторами в этой плоскости расположены с шагом d.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения широкополосной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведен один из вариантов широкополосной антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа.
На фиг. 2 приведена расчетная частотная зависимость КСВ антенной решетки.
На фиг. З приведена расчетная зависимость коэффициента усиления антенной решетки от частоты.
На фиг. 4 приведена расчетная диаграмма направленности антенной решетки на нижней рабочей частоте.
На фиг. 5 приведена расчетная диаграмма направленности антенной решетки на верхней рабочей частоте.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- располагают печатные вибраторы с плечами из проводящих металлических пластин, на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом печатные вибраторы размещают эквидистантно в узлах прямоугольной сетки -1,
- осуществляют запитку каждого печатного вибратора с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру - 2;
B
B
- размещают плоскость диэлектричекой подложки с печатными вибраторами параллельно проводящему экрану, уменьшают длину печатных вибраторов таким образом, чтобы шаг их размещения в плоскости X не превышал 0,25 λ, где λ - длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки - 3;
- снижают шаг размещения печатных вибраторов в плоскости Y, так, чтобы края плечей соседних печатных вибраторов соприкасались между собой - 4.
y
x
Один из вариантов широкополосной антенной решетки из 32 вибраторов, построенной с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг. 1) диэлектрическую подложку с печатными вибраторами 1, размещенными эквидистантно в узлах прямоугольной сетки, при этом плечи печатных вибраторов выполнены из проводящих металлических пластин, а диэлектрическая подложка 1 размещена над проводящим экраном 2. Вертикальные диэлектрические пластины 3, расположенные с шагом d в плоскости Y и соединенные с диэлектрической подложкой с печатными вибраторами 1 с помощью выступов 4, а также вертикальные диэлектрические пластины 5, расположенные перпендикулярно вертикальным диэлектрическим пластинам 3 с шагом d в плоскости X и соединенные с диэлектрической подложкой с печатными вибраторами 1 с помощью выступов 6.
Края плечей печатных вибраторов соприкасаются по оси Y и размещены в зонах металлизации 7 и 8, вытянутых в плоскости Y. Запитка печатных вибраторов осуществляется в точках 9, через верхние концы полосковых линий, расположенных на вертикальных диэлектрических пластинах 3. Нижние концы полосковых линий (на фиг. 1 не показаны) подключены к внешнему фидеру (на фиг. 1 не показан).
Плоскость диэлектрической подложки 1 с печатными вибраторами размещена параллельно проводящему экрану 2.
B
B
B
Шаг размещения печатных вибраторов в плоскости X не превышает 0,25 λ, где λ- длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки. Расстояние между диэлектрической подложкой с печатными вибраторами 1 и проводящим экраном 2 не превышает 0,16 λ.
Диэлектрическая подложка с печатными вибраторами 1, проводящий экран 2 и вертикальные диэлектрические пластины 3 могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита или другого фольгированного диэлектрика. Печатные вибраторы и полосковые линии выполняются с помощью травления.
Вертикальные диэлектрические пластины 5 могут быть выполнены из стеклотекстолита или другого диэлектрика.
Расчетная частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) антенной решетки приведена на фиг. 2. По уровню КСВ равного 2 перекрытие по крайним рабочим частотам антенной решетки составляет не менее 1,75.
Расчетная зависимость коэффициента усиления антенной решетки от частоты приведена на фиг. 3.
Расчетные диаграммы направленности для антенной решетки размером 64×64 излучателя на нижней рабочей частоте приведены на фиг. 4, а на верхней рабочей частоте - на фиг. 5. Предлагаемая антенная решетка обеспечивает сканирование в плоскости X в угловом секторе ±70° в рабочей полосе частот без возникновения дифракционных лепестков.
Предложенный способ обеспечивает расширение полосы рабочих частот антенной решетки, по сравнению с прототипом, не менее, чем в 6 раз.
B
B
Предложенный способ обеспечивает снижение профиля антенной решетки до 0,16 λ, в то время как в прототипе он составляет 0,25 λ.
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.