ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
WIDEBAND ANTENNA ARRAY

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в широкополосных антеннах, где применяются поперечные и продольные излучатели.
Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн и антенны в виде открытых продольных излучателей (Кюн Р. Микроволновые антенны, М., Судостроение, 1967, с.95, 198, 258, 304, 373, 420).
Указанные антенные системы являются эффективными устройствами, позволяющими получать требуемые технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создания антенных систем с полосой пропускания в несколько октав - до декады - возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров (ширины диаграммы направленности, низкого уровня боковых лепестков, коэффициента усиления, коэффициента отражения) в указанной полосе частот.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2052878, где предложена широкополосная антенна, изготовленная на диэлектрической подложке с металлизированными поверхностями. На одной стороне платы (экранная сторона) основная поверхность занята металлизированным (медным) проводником. На металлизации удалена часть поверхности, ограниченная излучающим плоским рупором, образованным двумя пересекающимися плоскими рупорами, сужающаяся часть которых переходит в щелевую линию, а точка пересечения смежных стенок лежит на оси симметрии излучающего рупора. Если высокочастотная энергия поступает через щелевые линии, то края излучающего рупора связаны со свободным пространством. Местоположение точек, в которых выполнено соединение микрополосковой линии относительно щелевой линии, реализуют узлы возбуждения, которые определяют импеданс антенны. На оборотной стороне платы (токонесущая сторона) расположены микрополосковые проводники, работающие в качестве высокочастотной линии передачи (система возбуждения). Микрополосок пересекает щелевую линию и обеспечивает емкостную связь с последней.
Недостатками указанного устройства являются:
- сложность согласования волновых сопротивлений щелевой и микрополосковой линий передачи;
- ограниченная (небольшая) мощность, передаваемая щелевой линией.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является разработка широкополосной антенной решетки с большой передаваемой мощностью и частотно-независимым узлом возбуждения, получение управляемого динамического амплитудно-фазового распределения на раскрыве антенны.
Это достигается тем, что широкополосная антенная решетка, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличается тем, что левая (правая) образующие рупоров всех уровней выполнены на токонесущей стороне платы и являются продолжением микрополосковых проводников системы возбуждения, под которыми удалена металлизация, а правая (левая) образующие выполнены на экранной стороне платы в виде среза экрана (удаления металлизации), при этом образующие пересекаются под углом α, образуя узел возбуждения рупора низшего (нулевого) уровня, который возбуждается волной электромагнитного поля структуры ТЕМ, импеданс которого зависит только от угла раскрыва рупора.
Поскольку структура многоуровневого излучающего раскрыва (широкополосной антенны) построена по принципу иерархических систем с вложенными процессами, то его амплитудно-фазовое распределение является динамическим, поэтому включением в один из уровней системы возбуждения (правый или левый) управляемого элемента (регулируемые фазовращатель, линия задержки, аттенюатор) легко и просто осуществляется изменение отношения амплитуд распространяющихся мод, что позволяет эффективно управлять положением максимума диаграммы направленности.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого устройства.
На фиг.1 изображена двухуровневая широкополосная антенна;
на фиг.2, 3 поясняется принцип суперпозиции распространяющихся мод для случаев синфазного, противофазного равноамплитудного и синфазного неравноамплитудного возбуждения апертуры антенны;
на фиг.3а - принцип суперпозиции распространяющихся мод для случая противофазного равноамплитудного возбуждения апертуры антенны;
на фиг.3б - принцип суперпозиции распространяющихся мод для случая синфазного неравноамплитудного возбуждения апертуры антенны;
на фиг.4 изображены нормированные диаграммы направленности;
на фиг.5 изображена многоуровневая широкополосная антенна;
фиг.6 поясняет иерархию построения многоуровневого излучающего раскрыва, образованного из рупорных излучателей, размещенных на нескольких уровнях.
На фигурах 1, 2, 3, 4, 5 обозначены:
1 - образующие плоских рупоров, выполненные на токонесущей стороне платы в виде микрополосковых проводников;
2 - образующие плоских рупоров, выполненные на экранной стороне платы в виде «среза» экрана (удаления металлизации);
3 - управляемый элемент;
4 - поверхности экранной стороны платы, на которых удалена металлизация, обозначены в окружности;
5 - плоский рупор нулевого (низшего) уровня;
6 - плоский рупор первого уровня;
7 - плоский рупор второго уровня;
8 - плоский рупор третьего уровня;
9 - система возбуждения апертуры широкополосной антенны, выполненная в виде набора параллельно-последовательно включенных микрополосковых проводников, имеющих многоуровневую иерархию построения и симметричных относительно входа (точки O2');
М - точка пространственного наложения (пересечения) образующих 1, 2 рупоров нулевого уровня, в которой реализован узел возбуждения;
α - угол между образующими 1 и 2, который характеризует угол раскрыва рупора нулевого уровня;
O, O1, O2 - точки, через которые проходят оси симметрии, перпендикулярные раскрыву, они же точки соединения (электрического контакта) образующих 1, 2 рупоров нулевого, первого, второго и т.д. уровней соответственно.
Система 9 возбуждения апертуры широкополосной антенны - сплошные линии - микрополосковые проводники, выполненные на токонесущей стороне платы, которые реализуют систему возбуждения; затушеванная часть экранной стороны платы соответствует наличию металлизации, пунктиром обозначены контуры поверхности экранной стороны платы, на которой удалена металлизация.
В микрополосковой линии передачи основной волной электромагнитного поля является волна структуры ТЕМ, которая характеризуется наличием только поперечных составляющих электрического и магнитного поля. Скорость распространения и волновое сопротивление волны ТЕМ практически не зависят от частоты. Для щелевой линии основной волной электромагнитного поля является волна структуры ТЕ, которая кроме поперечных составляющих имеет в своем составе и продольную составляющую. Поэтому скорость распространения и волновое сопротивление волны ТЕ сильно зависят от частоты, кроме того, она имеет критическую частоту, ниже которой высокочастотная энергия по щелевой линии вообще не передается. В общем случае входное сопротивление антенны является комплексным, которое имеет активную и реактивную составляющие. Для большинства антенн активная составляющая входного сопротивления характеризуется величиной порядка 70-100 Ом. Щелевая линия, выполненная на широко распространенных диэлектрических подложках с волновым сопротивлением 70-100 Ом, имеет ширину щели порядка 0.08-0.1 мм, сотые доли миллиметра, что вызывает большие технологические сложности при ее исполнении (изготовлении). Кроме того, малая ширина щели резко ограничивает передаваемую мощность.
Указанную проблему можно решить, если узел возбуждения и плоский рупор исполнить не в одной плоскости (как это сделано в патентах РФ №№2052877, 2052878), а в двух параллельных плоскостях, которые пространственно разнесены на некоторое расстояние. В таком случае плоский рупор будет возбуждаться волной структуры ТЕМ, что полностью решает проблему согласования, а выбор расстояния между плоскостями решает проблему передаваемой мощности. Такой «узел возбуждения» с теоретической точки зрения является идеальным, поскольку его электрические параметры определяются только геометрией системы (углом раскрыва рупора), он совершенно не зависит от частоты и не имеет никаких ограничений на передаваемую мощность. При этом точка М не обладает никакими особенностями в отличие от рупора, образующие которого лежат в одной плоскости и возбуждаются щелью, которая в свою очередь возбуждается посредством микрополосковой линии передачи, включенной в режим короткого замыкания либо холостого хода.
В предлагаемом техническом решении поставленная цель достигается посредством реализации (исполнения) образующих рупоров на разных сторонах диэлектрической подложки, имеющей некоторую толщину. Образующая 1, выполненная на токонесущей стороне платы, является продолжением микрополоскового проводника системы 9 возбуждения, под которым удалена металлизация; образующая 2 выполнена на экранной стороне платы в виде среза экрана (удаления металлизации). В точке М образующие 1 и 2 накладываются друг на друга в пространстве (пересекаются) под углом α. Поскольку под образующей 1 удалена металлизация, то электрические силовые линии поля волны структуры ТЕМ замыкаются на образующую 2, возбуждая рупор 5 волной ТЕМ. Если угол α выбран небольшим, то в рупоре сохраняется структура поля волны ТЕМ, только изменяется ориентация ее электрических силовых линий. В системе 9 возбуждения электрические силовые линии были направлены сверху вниз (микрополосковый проводник - экран), а в рупоре 5 они направлены слева направо (микрополосковый проводник - экран), см. фиг.1. При этом точка М не обладает никакими особенностями, она просто характеризует местоположение узла возбуждения, который определяет импеданс рупора Z. В данном случае импеданс рупора является функцией только угла раскрыва α и определяется выражением:
.
0
1
2
Широкополосная антенная решетка, построенная по принципу иерархических систем с вложенными процессами, представляет из себя набор плоских рупоров нулевого уровня 5 (N) с линейными размерами раскрыва больше половины наименьшей длины волны требуемого частотного диапазона, расположенных попарно один возле другого. Пары соседних рупорных излучателей должны быть симметричны относительно осевой линии, проведенной через точку O пересечения соседних (смежных внутренних) образующих 1, 2 и перпендикулярной раскрыву. У каждой пары соседних излучателей нулевого уровня продолжены внешние (наружные) образующие 1, 2 (до их взаимного пересечения точки O1) на определенную длину, что позволяет создать N рупорных излучателей первого уровня 6, в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод, как высших, так и низших, более низкого частотного диапазона. Затем у каждой соседней пары рупорных излучателей первого уровня продолжены внешние образующие 1, 2 (до их взаимного пересечения точки O2) на некоторую длину, что позволяет создать N излучателей второго уровня 7, в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод, как высших, так низших, еще более низкого частотного диапазона. Описанный процесс с соседними парами рупоров разных уровней продолжается до тех пор, пока не будет сформирован нужный раскрыв, обеспечивающий требуемую полосу пропускания. Продолжение образующих 1, 2 для рупоров всех уровней необязательно должно выполняться на диэлектрической подложке, они могут быть исполнены в виде проводящих стержней или проволок, для которых диэлектрической основой является окружающая среда (свободное пространство), см. фиг.5. Также они не обязательно должны быть прямыми, а могут быть ломанными или экспонентами - это определяется уже особенностями конкретного исполнения. С теоретической точки зрения нет никаких ограничений на создание широкополосной антенны с любой требуемой полосой пропускания (на предложенных принципах). В таком случае широкополосная антенна в своем составе имеет:
0
m
- количество элементов нулевого уровня N=2;
1
m-1
- количество элементов первого уровня N=2;
2
m-2
- количество элементов второго уровня N=2;
m
m-p
- количество элементов уровня m N=2;
- количество элементов высшего уровня, когда p=m, N=1;
m-p
- общее количество элементов, формирующих протяженную структуру широкополосной антенны с динамическим амплитудно-фазовым распределением, определяется выражением N=Σ2, где m - количество уровневых переходов; p - номер уровня.
Для фиг.1 и 5 p=1 и 3, а N=3 и 15 соответственно.
Особенностью построения структуры широкополосной антенной решетки является то, что элементы любого уровня (кроме нулевого) построены по одинаковой схеме, механизм формирования структуры поля в апертуре элементов всех уровней совершенно одинаков, а отличаются они только граничными условиями. Значит, структура построения широкополосной антенны строго подчиняется теории иерархических систем с вложенными процессами, это особенно хорошо видно на фиг.6. Из фиг.1, 5, 6 следует, что широкополосную антенну в первом приближении можно рассматривать как свернутый рупор, который характеризуется коэффициентом пространственного укорочения (сжатия):
,
h
fh
где L - протяженность исходного рупора, a L - протяженность свернутого рупора, представляющего широкополосную антенну. Если исходный рупор имеет только одну точку входа (управления) O2', то свернутый рупор характеризуется количеством точек управления n=2 для фиг.1 и n=8 для фиг.5.
Амплитудно-фазовое распределение на апертуре широкополосной антенны является динамическим, легко управляемым по любой из точек входа. На фиг.2, 3 представлена суперпозиция для простейшего случая двухуровневой антенны при синфазном равноамплитудном (фиг.2), неравноамплитудном (фиг.3б) и противофазном равноамплитудном возбуждении апертуры (фиг.3а). Как следует из фиг.2, 3а, при равноамплитудном возбуждении результирующее распределение на раскрыве является симметричным относительно центра, а при неравноамплитудном - несимметричным (смещенным), причем величина этого смещения зависит от соотношения амплитуд распространяющихся мод. Пространственные моды характеризуются различной углочастотной зависимостью, поэтому соотношение их амплитуд определяет направление положения максимума диаграммы направленности антенны. Для простейшего случая возбуждения апертуры четной и нечетной распространяющимися модами распределение электрического поля на раскрыве можно представить в виде
; ;
1
1
10
где A, ψ - амплитуда и фаза низшей моды H;
2
2
A, ψ - амплитуда и фаза высшей моды H20;
12
β, ψ - отношение амплитуд и разность фаз высшей и низшей мод.
Нормированные значения функции усиления раскрыва с распределением (1) описываются выражением
где  - обобщенная угловая координата,
sinΘcosφ - направляющие косинусы,
λ - длина волны в свободном пространстве;
Θ, φ - пространственные углы сферической системы координат,
а
- линейный размер раскрыва (апертуры),
- размер раскрыва, нормированный к длине волны.
12
0.5p
а
На фиг.4 построены нормированные диаграммы направленности согласно выражению (2), где ψ=0.5π; , из которых следует, что посредством перераспределения мощности между распространяющимися модами (изменения отношения амплитуд) можно очень эффективно управлять положением максимума диаграммы направленности в пространстве, при этом форма ДН практически не изменяется, а уровень боковых лепестков не превышает стандартных значений; β=0 соответствует случаю синфазного равноамплитудного возбуждения раскрыва - фиг.2; β=0.5…2 соответствуют случаю неравноамплитудного синфазного возбуждения раскрыва - фиг.3б. При размере раскрыва =1.8λ ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности 2Θ=38°. При отношении амплитуд распространяющихся мод β=0.5…2 и пространственном фазовом набеге между ними  максимум диаграммы направленности смещается на угол Θ=17.5° и 25° соответственно (фиг.4), то есть более чем на половину ширины диаграммы; при этом форма диаграммы направленности практически не изменяется, а уровень боковых лепестков не превышает стандартных значений. В обычных антеннах, и даже фазированных антенных решетках, с указанным размером апертуры и одним управляемым элементом такой результат недостижим.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией широкополосной антенной решетки, которая имеет частотно-независимый узел возбуждения с большой передаваемой мощностью, управляемое динамическое амплитудно-фазовое распределение на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласования, передаваемой мощности и управления диаграммой направленности. Предлагаемое техническое решение - это совершенная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Особенно эффективной широкополосная антенна будет в областях применения, где для излучения используются сверхкороткие импульсы, длительностью порядка пико- и наносекунды - это цифровые системы связи и передачи данных, подповерхностная локация, радиолокационное сверхразрешение, системы имитации электромагнитного импульса ядерного взрыва, а также в линиях беспроводной передачи электрической энергии.