Способ построения широкополосной антенной решетки
BROADBAND ANTENNA ARRAY CONSTRUCTION METHOD

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в фазированных антенных решетках (ФАР) для построения излучающей системы ФАР.
СР
СР
СР
CP
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 - длина волны середины рабочего диапазона частот антенной решетки, при этом расстояние между щелями и между крайними щелями и концами волновода устанавливают равными соответственно λ и λ/2.
СР
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 недостаткам 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;
СР
- высокий профиль антенной решетки около λ/4.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения антенной решетки [3 - патент РФ №2592721, МПК Н05К 3/46, «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.
СР
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, 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 излучателей. Для полосковых излучателей она составляет не более 3% [4 - стр. 128 - Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. - 144 с.]. Максимально достижимая в вибраторных излучателях полоса рабочих частот составляет 10…15% в соответствии с [5 - стр. 227 - Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Воскресенского Д.И. - М.: Радиотехника. 2012. - 744 с.]. Однако в современных устройствах передачи данных требуются значительно более широкие рабочие полосы;
СР
- высокий профиль антенной решетки около λ/4.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот антенной решетки.
Y
X
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения широкополосной антенной решетки, при котором располагают диэлектрические подложки прямоугольной формы с линейками печатных вибраторов над проводящим экраном, устанавливают диэлектрические подложки таким образом, чтобы их плоскости были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящему экрану, а печатные вибраторы были расположены эквидистантно в узлах прямоугольной сетки, при этом устанавливают расстояние d между соседними диэлектрическими подложками по оси Y из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости Y, а расстояние d между печатными вибраторами по оси X - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости X, выполняют запитку каждого печатного вибратора с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру.
В
В
Y
X
В
В
Согласно изобретению, устанавливают длину плечей вибраторов не более 0,5 λ, где λ - длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки, устанавливают шаг размещения вибраторов d и d из условия обеспечения требуемого сектора сканирования на длине волны λ, выполняют плечи вибратора в форме прямоугольного треугольника, прямые углы которых размещают в крайних верхних точках вибратора, при этом верхние края плечей вибраторов располагают горизонтально, размещают между плечами соседних вибраторов вертикальные полоски металлизации прямоугольной формы, высота верхнего края которых не превышает высоту верхнего края плеч вибратора, а нижний край не касается проводящего экрана, размещают над каждым вибратором полоски металлизации прямоугольной формы с длиной меньше длины вибратора таким образом, чтобы высота подложек с вибраторами и этими полосками не превышала 0,3 λ.
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
В
СР
СР
СР
- в предлагаемом способе высота диэлектрических подложек с печатными вибраторами не превышает 0,3 λ, где λ - длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки, в то время как в прототипе эта высота составляет 0,25 λ, где λ - длина волны середины рабочего диапазона антенной решетки. Для широкополосной АР с перекрытием 1,75 высота диэлектрической подложки в предлагаемом изобретении меньше высоты прототипа на 46% при условии, что величина λ предлагаемого способа и прототипа равны друг другу;
Y
X
В
СР
- в предлагаемом способе шаг размещения вибраторов d и d устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования на длине волны λ, в то время как в прототипе этот шаг выбирают, исходя изусловия обеспечения требуемого сектора сканирования на длине волны λ;
- в предлагаемом способе между плечами соседних вибраторов размещают вертикальные полоски металлизации прямоугольной формы, а над вибраторами - горизонтальные полоски металлизации прямоугольной формы, в то время как в прототипе дополнительные полоски металлизации отсутствуют.
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 вариант построения 16-элементной широкополосной антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа.
На фиг. 2 приведено построение 4-элементной антенной линейки.
На фиг. 3 приведена расчетная и экспериментальная частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) одного вибратора в составе антенной решетки.
На фиг. 4 приведена расчетная и экспериментальная частотная зависимость коэффициента усиления одного вибратора в составе антенной решетки.
На фиг. 5 приведена расчетная диаграмма направленности (ДН) АР размером 8×16 элементов при электронном сканировании в плоскости расположения 16 элементов на верхней рабочей частоте.
На фиг. 6 приведена расчетная ДН АР размером 8×16 элементов при электронном сканировании в плоскости расположения 16 элементов на нижней рабочей частоте.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- располагают диэлектрические подложки прямоугольной формы с линейками печатных вибраторов над проводящим экраном, устанавливают диэлектрические подложки таким образом, чтобы их плоскости были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно проводящему экрану, а печатные вибраторы были расположены эквидистантно в узлах прямоугольной сетки - 1;
Y
X
- устанавливают расстояние d между соседними диэлектрическими подложками по оси Y из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости Y, а расстояние d между печатными вибраторами по оси X - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в плоскости X - 2;
- выполняют запитку каждого печатного вибратора с помощью полосковой линии, которую подключают к внешнему фидеру - 3;
В
В
Y
X
В
- устанавливают длину плечей вибраторов не более 0,5 λ, где λ - длина волны верхней границы рабочего диапазона антенной решетки, устанавливают шаг размещения вибраторов d и d из условия обеспечения требуемого сектора сканирования на длине волны λ - 4;
- выполняют плечи вибратора в форме прямоугольного треугольника, прямые углы которых размещают в крайних верхних точках вибратора, при этом верхние края плечей вибраторов располагают горизонтально - 5;
- размещают между плечами соседних вибраторов вертикальные полоски металлизации прямоугольной формы, высота верхнего края которых не превышает высоту верхнего края плеч вибратора, а нижний край не касается проводящего экрана - 6;
В
- размещают над каждым вибратором полоски металлизации прямоугольной формы с длиной меньше длины вибратора таким образом, чтобы высота подложек с вибраторами и этими полосками не превышала 0,3 λ - 7.
Y
Вариант широкополосной антенной решетки из 16 вибраторов, построенной с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг. 1) проводящий экран 1, на котором вертикально установлены диэлектрические подложки 2 с шагом d.
В
Диэлектрические подложки 2 (фиг. 2) содержат линейку вибраторов, каждый из которых состоит из плечей 3 и 4, двух проводников симметрирующего устройства 5 и 6, а также возбуждающей полосковой линии, соединенной с внешним фидером (на фиг. 2 не показана), расположенной на другой стороне диэлектрической подложки 2. Плечи 3 и 4 вибратора выполнены в форме прямоугольного треугольника, прямые углы которых размещают в крайних верхних точках вибратора, при этом верхние края плечей вибраторов располагают горизонтально. Длина плечей вибраторов не превышает 0,5 λ.
В
X
Между плечами 3 и 4 соседних вибраторов установлены вертикальные полоски металлизации прямоугольной формы 7, высота верхнего края которых не превышает высоту верхнего края плеч вибратора, а нижний край не касается проводящего экрана 1. Над плечами вибраторов установлены горизонтальные полоски металлизации прямоугольной формы 8 с длиной меньше длины вибратора таким образом, чтобы высота подложек с вибраторами и этими полосками не превышала 0,3 λ. Вибраторы расположены на диэлектрической подложке 2 с шагом d.
Диэлектрические подложки 2 и проводящий экран 1 могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита или другого фольгированного диэлектрика. При этом печатные вибраторы на диэлектрической подложке 2, вертикальные и горизонтальные полоски металлизации прямоугольной формы 7 и 8 выполняются с помощью травления.
Расчетная и экспериментальная частотные зависимости КСВ вибратора в составе антенной решетки приведена на фиг. 3. По уровню КСВ равному 2 перекрытие по полосе антенной решетки составляет не менее 2,18.
Расчетный и экспериментальный коэффициент усиления (КУ) вибратора в составе антенной решетки приведен на фиг. 4. Изменение КУ вибратора в полосе рабочих частот составляет 6 дБ.
Антенная решетка позволяет выполнять электронное сканирование до ±60° на верхней и нижней частоте без возникновения дифракционных лепестков (фиг. 5 и 6).
X
Y
X max
Y max
При построении широкополосной антенной решетки шаг размещения печатных вибраторов d и d выбирают из условия отсутствия дифракционных максимумов при заданных максимальных углах отклонения луча θ и θ соответственно в плоскости X и Y, используя выражение [5 - стр. 65]:
Предложенный способ обеспечивает расширение полосы рабочих частот антенной решетки, по сравнению с прототипом, не менее, чем в 6 раз.
СР
Предложенный способ обеспечивает снижение высоты профиля антенной решетки в 2 раза относительно прототипа при условии, что величина λ предлагаемого способа и прототипа равны друг другу.
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали близкое совпадение полученных характеристик с расчетными.