Способ построения антенной решётки
ANTENNA ARRAY CONSTRUCTION METHOD

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в приемопередающих активных фазированных антенных решетках (АФАР).
Известен способ построения антенной решетки [1 - стр. 313 - Сазонов 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] 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.], наиболее близкий к предлагаемому и взятый за прототип, 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 недостаткам прототипа 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;
- значительное увеличение массы антенной решетки при реализации антенной решетки на низких рабочих частотах, поскольку на одной сплошной подложке расположено несколько линеек с вибраторами, а со снижением частоты размеры вибраторов и расстояния между ними увеличивается;
- низкую вибропрочность конструкции, поскольку подложка с излучателями расположена параллельно проводящему экрану и разделена с ним воздушным промежутком, а конструктивные элементы, обеспечивающие прочность конструкции, отсутствуют.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является снижение массы антенной решетки.
Для решения указанной задачи предлагается способ построения антенной решетки, 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
Согласно изобретению, делят антенную решетку на подрешетки, каждая из которых содержит четное количество вибраторов и проводящий экран подрешетки, при этом в каждой подрешетке устанавливают диэлектрические подложки прямоугольной формы, каждая из которых содержит линейку печатных вибраторов, таким образом, чтобы плоскости диэлектрических подложек были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящему экрану подрешетки, плечи печатных вибраторов были расположены параллельно проводящему экрану подрешетки на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, в каждой диэлектрической подложке в ее верхней и нижней части между печатными вибраторами выполняют прямоугольные пазы, соединяют диэлектрические подложки подрешеток между собой 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 проводящим экранам подрешеток клеем или винтами, запитку каждого печатного вибратора осуществляют с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру с помощью врубных разъемов, расположенных у основания диэлектрических подложек, 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.
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение массы и повышение вибропрочности антенной решетки.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в предлагаемом способе антенная решетка разделена на подрешетки, каждая из которых имеет свой проводящий экран, что позволяет снизить массу антенной решетки за счет снижения площади проводящего экрана;
- в предлагаемом способе диэлектрические подложки с печатными вибраторами установлены перпендикулярно экранам подрешеток и соединены между собой с помощью диэлектрических профилей, что позволяет снизить массу антенной решетки за счет исключения массы диэлектрика, заполняющего промежутки между линейками вибраторов в прототипе;
- в предлагаемом способе диэлектрическую подложку с печатными вибраторами устанавливают перпендикулярно проводящим экранам подрешеток, в то время как в прототипе плоскость диэлектрической подложки параллельна проводящему экрану;
- в предлагаемом способе диэлектрические подложки с печатными вибраторами соединяют между собой с помощью диэлектрических профилей, что позволяет получить конструкцию с высокой вибропрочностью, в то время как в прототипе диэлектрическая подложка с печатными вибраторами расположена параллельно проводящему экрану и разделена с ним воздушным промежутком, а конструктивные элементы, обеспечивающие прочность конструкции отсутствуют, что не позволяет конструкцию прототипа использовать в реальных устройствах.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. приведен один из вариантов антенной решетки, построенной с использованием предложенного способа.
При реализации предложенного способа выполняют следующую последовательность действий:
- делят антенную решетку на подрешетки, каждая из которых содержит четное количество вибраторов и проводящий экран подрешетки, при этом в каждой подрешетке устанавливают диэлектрические подложки прямоугольной формы, каждая из которых содержит линейку печатных вибраторов таким образом, чтобы плоскости диэлектрических подложек были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящему экрану подрешетки, 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 - 1;
- выполняют в каждой диэлектрической подложке в ее верхней и нижней части между печатными вибраторами прямоугольные пазы - 2;
- соединяют диэлектрические подложки между собой путем плотной установки в эти пазы диэлектрических профилей квадратного сечения, в которых выполнены поперечные канавки в местах их установки в пазы - 3;
- прикрепляют диэлектрические профили, соединенные с нижними краями диэлектрических подложек, к проводящим экранам подрешеток клеем или винтами - 4;
- запитывают каждый печатный вибратор с помощью полосковой линии, подключение которой к внешнему фидеру осуществляется с помощью врубного разъема, расположенного у основания диэлектрической подложки - 5;
y
x
y
- устанавливают расстояние d между соседними диэлектрическими подложками по оси Y 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, при этом размеры проводящих экранов подрешеток несколько превышают расстояние d между соседними диэлектрическими подложками по оси Y и длину подложек подрешеток по оси X - 6.
Один из вариантов антенной решетки из 32 вибраторов, построенной с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг.) четыре подрешетки, каждая из которых включает в себя проводящий экран подрешетки 1, на котором установлены по две диэлектрические подложки 2 прямоугольной формы, каждая из которых содержит линейку печатных вибраторов 3. Диэлектрические подложки 2 установлены таким образом, чтобы плоскости диэлектрических подложек 2 были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящим экранам подрешетки 1.
y
x
Плечи печатных вибраторов 3 расположены параллельно проводящему экрану 1 на высоте меньшей или равной λ/4, при этом расстояние d между соседними диэлектрическими подложками 2 по оси Y устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости Y, а расстояние d между центрами печатных вибраторов 3 по оси X - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости X.
В каждой диэлектрической подложке 2 в ее верхней и нижней части между печатными вибраторами 3 выполняют прямоугольные пазы 4, соединяют диэлектрические подложки 2 между собой путем плотной установки в эти пазы 4 диэлектрических профилей 5 квадратного сечения, в которых выполнены поперечные канавки (на фиг. не показаны) в местах их установки в пазы 4. Нижние диэлектрические профили 5 крепят к проводящим экранам подрешеток 1 клеем или винтами. Запитку каждого печатного вибратора 3 выполняют с помощью полосковой линии, подключение которой к внешнему фидеру осуществляют с помощью врубных разъемов 6, расположенных у основания диэлектрических подложек 2.
Диэлектрические подложки 2 могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита или другого фольгированного диэлектрика, при этом печатные вибраторы 3 выполняются с помощью травления.
x
y
xmax
ymax
Расстояния между центрами печатных вибраторов 3 - d по оси X и d по оси Y выбирают из условия отсутствия дифракционных максимумов при заданных максимальных углах отклонения луча θ и θ соответственно в плоскости X и Y, используя выражение [4 - стр. 65 - Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Воскресенского Д.И. – М.: Радиотехника. 2012. - 744 с.]:
Предложенный способ обеспечивает снижение массы антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет разделения антенной решетки на подрешетки, каждая из которых имеет свой проводящий экран, что обеспечивает снижение площади проводящего экрана. А также за счет применения диэлектрических подложек 2 с печатными вибраторами 3, соединенных между собой диэлектрическими профилями 5, поскольку между линейками печатных вибраторов 3 имеется пустое пространство. В то время как в прототипе промежутки между линейками вибраторов заполнены диэлектриком, масса которого значительно превышает массу воздуха того же объема, а также используется сплошной проводящий экран на всю антенную решетку.
Предложенный способ обеспечивает повышение вибропрочности антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет соединения диэлектрических подложек 2 между собой диэлектрическими профилями 5. При этом в верхней и нижней части диэлектрических подложек 2 между вибраторами выполняют прямоугольные пазы 4, в которые устанавливают диэлектрические профили 5, в которых выполнены поперечные канавки в местах их установки в пазы 4. В то время как в прототипе диэлектрическая подложка с вибраторами расположена параллельно проводящему экрану и разделена с ним воздушным промежутком, при этом конструктивные элементы, обеспечивающие прочность конструкции отсутствуют, что не позволяет конструкцию прототипа использовать в реальных устройствах.
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.