АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ НИЗКОПРОФИЛЬНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве антенного элемента низкопрофильной многоэлементной фазированной антенной решетки (ФАР), а так же в качестве самостоятельного антенного элемента (АЭ) или в составе группы АЭ.
К настоящему времени разработано и введено в действие достаточно много антенных систем (АС) наземного, воздушного, морского и космического базирования с электронным управлением луча (ЭУЛ). Это обстоятельство может послужить основанием для вывода о том, что основные принципы построения АС с ЭУЛ уже сложились [1, 2]. Однако возрастающие требования информационного обеспечения систем управления и разведки приводят к необходимости улучшения электрических характеристик, совершенствования конструкций и технологии производства АС в целом и отдельных элементов в частности, а современные вычислительные средства и программное обеспечение дает возможность их реализации.
В тех случаях, когда к АС предъявляются жесткие требования по габаритам и массе, в качестве излучателей решетки могут быть использованы печатные вибраторы. Более того, при использовании печатной технологии в едином цикле можно изготавливать не только излучающие элементы, но и линии передачи, согласующие элементы и т.д.
Известна линейная вибраторная ФАР (пат. №90265, заявка №2009131919 от 24.08.2009, МПК H01Q 1/38, Широкополосная линейная многоэлементная вибраторная ФАР, авторы: Шабалин А.В., Тузаев И.Н.), состоящая из симметричных полуволновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии четверти средней длины волны рабочего диапазона (λср/4) и синфазно запитанных с помощью фидерного тракта.
В данной ФАР плечи вибраторов возбуждаются в противофазе симметричными полосковыми линиями, выполненными в виде трехпроводной полосковой линии, образованной двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями в металлической слое на той же стороне диэлектрической пластины, что и плечи полосковых вибраторов, а каждый вибратор представляет собой два широких проводника с окнами.
Недостатками данного технического решения являются относительно большие габаритные размеры излучателя, которые неприемлемы для проектирования низкопрофильной многоэлементной ФАР, и относительно узкий сектор электронного сканирования, составляющий ±45°.
Наиболее близкой по технической сущности, является печатная антенна (пат. №2264009, заявка №2004120214 от 01.07.2004, МПК 7 H01Q 21/08, Линейная вибраторная фазированная антенная решетка, авторы: Анурин А.А., Шабалин А.В.), состоящая из симметричных полуволновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии λср/4 и синфазно запитанных с помощью фидерного тракта.
В данной ФАР одноименные печатные плечи вибраторов имеют точку запитки от фидерного тракта, размещенную на уровне плоскости проводящего экрана в основании вертикальных печатных участков возбуждения, переходящих в эти плечи под углом 90°, а противоположные печатные плечи вибраторов гальванически закорочены на корпус антенной решетки (АР) в местах соединения с проводящим экраном. При этом соседние вертикальные печатные участки возбуждения одноименных и противоположных плеч вибраторов снабжены установленными параллельно плоскости расположения участков согласующими емкостными плоскими проводящими элементами.
Недостатками данного технического решения являются:
- относительно большая высота излучателей ФАР, составляющая λср/4, что недопустимо много для низкопрофильных ФАР;
- относительно узкий сектор электронного сканирования, составляющий ±45°;
- необходимость регулировки за счет смещения в вертикальном направлении емкостных элементов.
Для уменьшения высоты излучателей необходимо приблизить плечи вибраторов к плоскости проводящего экрана. Но приближение приводит к возникновению ряда проблем. Первая проблема - это уменьшение полосы пропускания антенным элементом с 10-15% до 5-7%, связанное с повышением входного сопротивления вибратора. Вторая проблема - это нарушение симметричного возбуждения плеч вибратора, связанного с уменьшением длины согласующих линий. Третья проблема - это увеличение взаимовлияния антенных элементов по торцевой поверхности плеч вибраторов.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели являются улучшение характеристик ФАР, в части реализации существенно меньших массогабаритных характеристик АЭ и повышении технологичности его изготовления, при обеспечении полосы пропускания антенным элементом 10-12% и сектора электронного сканирования ±60°.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом антенном элементе низкопрофильной ФАР, представляющем собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определенным шагом в строке и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковые проводники, образующие плечи вибратора, которые через полосковые проводники соединены с запитывающим элементом, симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы пропускания антенного элемента осуществляется введенным полосковым резонатором, представляющем собой полосковую линию с емкостными печатными или сосредоточенными элементами на концах линии и питающей полосковой линией, формирующими электромагнитную связь с плечами вибратора посредством щелевой неоднородности в месте соединения плеч вибратора, а также производится настройка взаимного расположения резонатора и плеч вибратора относительно друг друга, при этом сам вибратор расположен над проводящим экраном на высоте приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона. Кроме того, с целью уменьшения взаимовлияния антенных элементов и увеличения сектора сканирования ФАР плоскость установки вибратора развернута на 45 градусов по отношению к продольной оси строк, а плечи вибратора на расстоянии ~λ/20 от краев загнуты на 90 градусов в сторону экрана. Для повышения технологичности изготовления, антенный элемент выполнен из одной печатной двухсторонней платы, которая может устанавливаться на запитывающий элемент либо методом пайки, либо методом механического крепления, обеспечивающего электрическую связь с полосковой линией, при этом в процессе производства элемент не требует регулировки.
Для пояснения выше представленного описания заявляемого антенного элемента на фигурах изображены:
на фиг.1 - конструкция антенного элемента;
на фиг.2 - схема размещения над общим плоским экраном антенных элементов в составе ФАР;
на фиг.3 - расчетные значения коэффициента стоячей волны (КСВ) антенного элемента в составе ФАР при сканировании в азимутальной плоскости в секторе от 0 до ±60°;
на фиг.4 - расчетные значения КСВ антенного элемента в составе ФАР при сканировании в угломестной плоскости в секторе от 0 до ±60°;
на фиг.5 - экспериментальные и расчетные значения КСВ одиночного антенного элемента.
Предлагаемый антенный элемент представляет собой симметричный вибратор (см. фиг.1), расположенный над проводящим экраном на высоте приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона и изготовленный по печатной технологии из двухсторонней фольгированной диэлектрической подложки 1, содержащей полосковые проводники, образующие плечи вибратора 2, конструктивно объединенные с полосковым резонатором 3, представляющем собой полосковую линию с емкостными печатными или сосредоточенными элементами 4 на концах линии и питающую полосковую линию 5, нижний конец которой соединен с запитывающим элементом 6. Элементы 3, 4, 5 расположены на обратной стороне печатной платы. Симметрированное возбуждение плеч вибратора 2 и формирование полосы пропускания антенного элемента осуществляется полосковым резонатором 3, формирующим электромагнитную связь с плечами вибратора 2 посредством щелевой неоднородности 7 в месте соединения плеч вибратора 2 и соответствующей настройкой взаимного расположения резонатора 3 и плеч вибратора 2 друг относительно друга.
Для обеспечения АЭ широкоугольного сектора электронного сканирования ФАР плоскость его установки 8 развернута на 45 градусов по отношению к продольной оси строк (см. фиг.2), а плечи вибратора 2 на расстоянии ~λ/20 от краев загнуты на 90 градусов в сторону экрана (см. фиг.1), что позволяет уменьшить взаимовлияние АЭ в составе ФАР и обеспечить сектор электронного сканирования до ±60°.
Технологичность изготовления, достигается тем, что АЭ выполнен на одной печатной плате из двухсторонней фольгированной диэлектрической подложки 1, которая может устанавливаться на запитывающий элемент 6, например методом пайки или методом механического крепления, обеспечивающего электрическую связь с питающей полосковой линией 5, при этом в процессе производства элемент не требует регулировки.
Устройство (АЭ низкопрофильной ФАР) работает следующим образом:
Электромагнитный сигнал подается с запитывающего элемента 6 через питающую полосковую линию 5 на полосковый резонатор 3, который формирует электромагнитную связь с плечами вибратора 2 посредством щелевой неоднородности 7 в месте соединения плеч вибратора 2. Симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы АЭ осуществляется настройкой взаимного расположения резонатора 3 и плеч вибратора 2 относительно друг друга. Разворот плоскости установки вибратора на 45 градусов по отношению к продольной оси строк ФАР и загиб плеч вибратора на 90 градусов в сторону экрана позволяют обеспечить сектор сканирования ФАР в азимутальной и угломестной плоскостях до ±60°.
В качестве примера, подтверждающего работоспособность заявляемого антенного элемента, на фиг.3 и 4 представлены, полученные в ходе электромагнитного моделирования, значения КСВ антенного элемента, расположенного в составе бесконечной ФАР, при сканировании в азимутальной (см. фиг.3) и угломестной плоскостях (см. фиг.4) в секторах от 0° до ±60° в виде семейства кривых, где каждая кривая соответствует определенному углу сканирования с шагом в 5 градусов.
В качестве примера, подтверждающего достоверность электромагнитного моделирования на фиг.5 представлены результаты КСВ одиночного антенного элемента, полученные в ходе моделирования (а) и полученные измерением экспериментальных образцов (б).
Таким образом, за счет того, что в известное устройство, представляющее собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определенным шагом в строке и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковые проводники, образующие плечи вибратора, которые через полосковые проводники соединены с запитывающим элементом, введен полосковый резонатор, формирующий электромагнитную связь с плечами вибратора посредством щелевой неоднородности в месте соединения плеч вибратора и разворота плоскости установки вибратора на 45 градусов по отношению к продольной оси строк ФАР, а также загиба плеч вибратора на 90 градусов в сторону экрана позволяет улучшить характеристики ФАР, в частности уменьшить массогабаритные характеристики антенного элемента ФАР и расширить сектор электронного сканирования до ±60° при обеспечении полосы пропускания антенным элементом 10-12%.
Перечень литературы
1. Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн./под ред. В.А.Неганова - М.: Радиотехника, 2009. - 720 с.
2. Активные фазированные антенные решетки/Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.