Гибридная система питания антенных решёток
HYBRID ANTENNA ARRAY POWER SUPPLY SYSTEM

Область применения
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения планарных антенных решеток (АР) с повышенным уровнем коэффициента полезного действия (КПД) и низким уровнем боковых лепестков (УБЛ).
Уровень техники
Известна линейная антенна сверхвысокой частоты (патент RU №2279741, МПК H01Q13/22, опубл. 07.10.2006), которая состоит из многоканального делителя мощности, последовательной системы излучателей и элемента связи излучателей с выходами многоканального делителя мощности. Многоканальный делитель мощности выполнен на несимметричной полосковой линии и размещен на широкой стенке внутри прямоугольной трубы. Периодическая система излучателей выполнена в виде окон на узкой стенке прямоугольной трубы. Элементы связи выполнены в виде емкостных или индуктивных вибраторов, отстоящих от другой узкой стенки прямоугольной трубы на расстоянии в одну четверть средней длины волны.
Известна плоская антенна (патент RU №2016444, МПК H01Q13/18, опубл. 07.15.1994), содержащая многослойную структуру, образованную экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосковыми проводниками схемы питания, решетку объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосковыми проводниками схемы питания.
Недостатком указанных технических решений является реализация делителя мощности на печатной плате, что не позволяет их эффективно применять для апертур АР с линейными размерами в несколько десятков длин волн, особенно для двумерных массивов излучателей ввиду повышенного уровня потерь.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является плоская щелевая антенная решетка (патент RU №2024129, МПК H01Q13/10, опубл. 11.30.1994), которая содержит размещенные на печатной плате параллельно полосковые волноводы. Металлический экран печатной платы образует общую широкую стенку полосковых волноводов, их вторые широкие стенки образованы полосками с гребенчатыми шлейфами по краям. В полосках выполнены излучающие щели, а в металлическом экране - щели связи, которые соединены с блоком формирования сигналов, состоящим из запитывающих волноводов и волноводных распределителей мощности, размещенных на обратной стороне металлического экрана
Недостатком данного устройства является сложность регулирования амплитудного распределения, в частности, ограничение на величину связей волновода и щелей, влияющих на заданное амплитудное распределение, что при небольших апертурах, например, для малогабаритных антенн может быть недостаточным для его реализации. Кроме того использование H-тройников в качестве элементов разветвления не позволяет обеспечить межканальную развязку, что в приемных радиосистемах может оказаться критической проблемой.
Сущность изобретения
Техническая задача направлена на создание СВЧ системы питания планарных многоэлементных АР, применение которой позволяет достигать высокой эффективности излучения при низком уровне боковых лепестков, также обеспечивая высокую повторяемость электрических параметров без необходимости настройки.
Техническим результатом предложенного решения является повышение КПД, управление амплитудным распределением с точностью не хуже ±0,5 дБ и улучшение диапазонных свойств многоэлементных АР для широкополосных малогабаритных радиосистем.
Основной технический результат достигается тем, что
- гибридная система питания антенных решеток включает излучающую часть, выполненную в виде щелевой структуры, расположенной на диэлектрической подложке;
- щелевая структура выполнена в виде двухмерной решетки коллинеарных антенн, возбуждаемых последовательно-параллельным способом микрополосковой линией;
- микрополосковая линия включает точки питания с заданными амплитудами, разнесенными вдоль микрополосковой линии на расстояния, кратные электрической длине волны;
- каждая точка питания соединена через микрополосково-коаксиально-волноводный переход с волноводным неравновесным синфазным делителем, ступени которого соединены последовательно;
- топология щелевой коллинеарной антенны образует последовательно расположенные излучающие щели, возбуждаемые щелевой линией.
Формирование печатной топологии, задающей режим стоячей волны, обеспечивает максимальный отбор подводимой мощности, при заданном законе амплитудного распределения, так как отсутствует диссипация на согласованных нагрузках в отличие от режима бегущей волны, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.
Коллинеарное расположение излучателей при прямолинейной системе последовательно-параллельного деления снижает диссипативные потери, так как уменьшается общая протяженность линий возбуждения, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.
Выполнение коллинеарных антенн в виде щелей, возбуждаемых щелевой линией увеличивает полосу согласования, так как уменьшается значение постоянной распространения, и как следствие, увеличивается резонансный размер таких излучателей, что при больших апертурах АР снижает их общее число. Увеличивается направленность по сравнению с микрополосковой структурой из-за обужения диаграммы направленности (ДН) не в плоскости коллинеарной антенны дополнительно на значение до 3 дБ. Кроме того снижается чувствительность электрических характеристик к изменению относительной диэлектрической проницаемости подложки ввиду низкого эффективного значения.
N
пп
Применение последовательно-параллельного возбуждения обеспечивает частотную стабильность направленных характеристик АР, а именно направление максимума и коэффициент направленного действия в полосе, определяемой количеством последовательных излучателей с шагом d по критерию, задающему их максимальное количество
где: γ - постоянная распространения,
k - волновое число,
λ - постоянная распространения излучающей щелевой лини,
dθ - коэффициент расширения луча ДН.
Введение точек питания, разнесенных вдоль микрополосковой линии на расстояния, кратные электрической длине волны технически обеспечивает последовательно-параллельное возбуждение и регулировку амплитудного распределения.
Волноводная реализация распределительной системы деления мощности параллельных апертур задает значение амплитудных весов точек питания при минимальных диссипативных потерях, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.
Последовательное соединение ступеней волноводного делителя позволяет минимизировать неравновесность амплитуд между каналами одной ступени по сравнению с классическим способом попарного включения в каждое плечо следующей ступени.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен участок топологии щелевой коллинеарной антенны с графическим пояснением условия синфазности поля излучения каждой щели, на фиг. 2 представлен участок топологии двухмерной щелевой структуры с графическим пояснением условия синфазного параллельного возбуждения коллинеарных антенн, на фиг. 3 изображен общий вид топологии АР с гибридной системой питания, при этом контуром выделена волноводная система параллельного деления, расположенная внутри рефлектора АР, на фиг. 4 показана общая конструкция АР с гибридной системой питания, на фиг. 5 показано крепление платы и возбуждение АР с гибридной системой питания, на фиг. 6 представлены укрупненные участки печатной платы двухмерной щелевой структуры, на фиг. 7 - типичный вид нормированной ДН в E-плоскости.
Осуществление изобретения
Техническая реализация признаков АР с гибридной системой питания определяет следующую конструкцию, которая может видоизменяться в зависимости от требований, выдвигаемых к АР. Конструкция АР, спроектированной на основе гибридной системы питания, включает признаки, объединяющие особенности различных типов антенн и принципов их построения, а именно:
- печатная топология излучающей части,
- режим стоячей волны,
- коллинеарное расположение излучателей,
- последовательное питание излучателей с разбиением на параллельно возбуждаемые участки апертуры,
- волноводная распределительная система деления мощности параллельных апертур.
Печатная плата 1 с щелевой топологией расположена над рефлектором 2, внутри которого расположен волноводный неравновесный синфазный делитель 3 с развязкой, ступени которого соединены последовательно друг за другом, при этом высота волновода уменьшена на величину до 50% относительно стандартного значения для соответствующего диапазона частот. Точки питания 4, расположенные вдоль микрополоска 5 на печатной плате 1, соединены через микрополосково-коаксиально-волноводный переход с волноводным неравновесным синфазным делителем 3.
Антенна с гибридной системой питания работает следующим образом. На вход волноводного неравновесного синфазного делителя 3 подается СВЧ сигнал, делящийся в соотношении 1:1, а затем ответвляется в заданной пропорции на каждой последовательной ступени так, чтобы обеспечить амплитудное распределение, определяющее УБЛ АР. С каждого выхода волноводного неравновесного синфазного делителя 3 СВЧ сигналы заданной амплитуды возбуждают волну электрического тока последовательно-параллельно в нескольких точках питания 4 через микрополосково-коаксиально-волноводные переходы, разнесенных кратно электрической длине волны и расположенных вдоль микрополоска 5. Распространяющаяся волна вдоль микрополоска 5 возбуждает последовательно-параллельно коллинеарные щелевые антенны 6, шаг которых составляет электрическую длину волны, при этом печатная излучающая щелевая структура работает в режиме стоячей или квазистоячей волны, обеспечивая максимальный отбор мощности СВЧ сигнала без его диссипации на согласованной нагрузке в отличие от режима бегущей волны.
Крайние щели в коллинеарной антенне работают в режиме холостого хода, то есть сопротивление нагрузки . Условие синфазности поля излучения каждой щели задается следующим соотношением (пояснение на фиг. 1)
,
где  - постоянная распространения щелевой линии питания,
- длина щелевой линии питания,
- постоянная распространения излучающей щелевой лини,
- длина излучающей щелевой линии,
- длина волны в диэлектрике.
Крайние участки микрополосковой линии разомкнуты и работают в режиме холостого хода, то есть сопротивление нагрузки . Условие синфазности поля излучения коллинеарных антенн друг относительно друга при их параллельном возбуждении задается следующим соотношением (пояснение на фиг. 2)
,
где:  определяет фазовый набег до первого участка последовательной апертуры АР,
определяет фазовый набег до второго участка последовательной апертуры АР.
Парциальные диаграммы направленности (ДН) каждой коллинеарной щелевой антенны 6 в суперпозиции формируют ДН антенной решетки с гибридной системой питания, при этом последовательно-параллельное возбуждение обеспечивает частотную стабильность максимума ДН вследствие того, что парциальные ДН последовательных апертур при отклонении частоты от центрального значения имеют встречный наклон, и как следствие, суммарное излучение происходит строго по нормали.
Таким образом, предложенное изобретение повышает КПД антенной решетки, а значит эффективность излучения.
Кроме того, использование печатной топологии излучающей части обеспечивает простоту изготовления, планарность конструкции, что существенно улучшает массогабариты антенной решетки и упрощает серийное производство.