ФРАГМЕНТ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛОСКОВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ L ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к антенной технике, в частности, к многоэлементным полосковым сверхвысокочастотным (СВЧ) антеннам и может быть использована в качестве фрагмента фазированной антенной решетки (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемопередающих систем.
Существует большое разнообразие многоэлементных СВЧ антенн, содержащих упорядочение размещенные, в соответствии с геометрией гексагональной или прямоугольной сетки ФАР, те или иные излучатели (вибраторные, волноводные и др.). Поэтому техника антенн идет по пути создания принципиально новых типов антенн и по пути улучшения и совершенствования их конструкции и технологии производства.
В радиопромышленности для ФАР достаточно широко применяются следующие вибраторы:
- с использованием схем с U коленом для симметрирования полей на плечах вибраторов и их возбуждения; возбуждение может быть верхним или нижним относительно пассивного отражателя;
- с использованием связанных линий длиной четверть средней длины волны рабочего диапазона (λср/4), для симметрирования полей; возбуждение связанных линий и вибраторов - нижнее относительно пассивного отражателя;
- с возбуждением плеч вибраторов и симметрированием полей специальными конструктивными схемами, например, в высокочастотных (ВЧ) переходах от трехпроводной высокодобротной полосковой линии к двухпроводной, возбуждающей плечи вибраторов; возбуждение - только нижнее относительно пассивного отражателя;
- с использованием для возбуждения и симметрирования полей планарных щелевых полосковых волноводов на одной плате с плечами вибраторов; возбуждение - нижнее относительно пассивного отражателя.
Известна многоэлементная полосковая СВЧ антенна [1] содержащая упорядоченно размещенные к плоскости общего пассивного отражателя симметричные полосковые печатные вибраторы, плечи которых запитаны в противофазе симметрично-полосковыми линиями, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами. Симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных полосковых конструкций на трех платах.
Наряду с положительными качествами вибраторов этого типа (технологичность, широкая полоса пропускаемых частот), недостатком является высокая стоимость изготовления одного вибратора из-за использования ВЧ разъемов собственного производства и нерационального использования материалов при изготовлении.
Известна линейная вибраторная ФАР [2], состоящая из симметричных полуволновых вибраторов на одной печатной плате, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии λср/4 и синфазно запитанных с помощью элементов фидерного тракта.
В данной ФАР печатные плечи вибраторов имеют точку запитки от фидерного тракта через ВЧ разъем, размещенную на уровне плоскости проводящего экрана в основании вертикальных связанных печатных линий, переходящих на длине λср/4 в плечи вибраторов под углом 90°, а печатные проводники, смежные с точкой запитки вибраторов, гальванически закорочены на корпус в местах соединения с проводящим экраном. При этом вертикальные печатные участки возбуждения одноименных и противоположных плеч вибраторов снабжены установленными параллельно плоскости расположения участков согласующими емкостными плоскими проводящими элементами.
Недостатком данного технического решения является то, что конструктивная схема требует подстройки за счет емкостного настроечного элемента, располагаемого с обратной стороны платы, или за счет внесения в область связи дополнительного емкостного сопротивления. Схема узкополосная, имеет ВЧ потери из-за размещения печати с одной стороны платы.
Известна ФАР [3], в которой вибратор выполнен на одной печатной плате. Возбуждение и симметрирование полей на плечах печатного вибратора осуществляется двухщелевым планарным волноводом (или тремя полосковыми связанными линиями, образуемыми за счет двух щелей длиной λср/4). Центральная полоска подключается к жиле ВЧ разъема, левая полоска и правая полоска закорачиваются на корпус ВЧ разъема. Возбуждение плеч печатного вибратора осуществляется за счет гальванического соединения с ними левой и центральной полосок; правая полоска совместно с центральной полоской образуют разомкнутый реактивный шлейф. Влияние разомкнутого реактивного шлейфа на плечо вибратора должно быть минимальным. Эта конструктивная схема легко настраивается емкостным элементом с обратной стороны платы на широкую полосу. Возбуждение в этой конструктивной схеме - нижнее относительно пассивного отражателя, полоса пропускания частот - 31% по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ)=1,3.
К недостаткам этой схемы следует отнести дополнительные ВЧ потери в диэлектрике за счет размещения печати с одной стороны платы, а также удорожание конструкции вибратора из-за отсутствия серийно выпускаемых ВЧ разъемов необходимых габаритов.
Известна ФАР [4], которая содержит общий пассивный отражатель и симметричные коаксиальные полуволновые вибраторы (см. фиг.1), расположенные в соответствии со схемой ФАР перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя. В состав вибраторов входят: два плеча вибратора 1, которые имеют посередине оси симметрии зазор связи и запитаны через ВЧ кабели в противофазе по схеме верхнего питания, а также симметрирующее устройство 5 на симметричных связанных трубчатых линиях с короткозамыкателем 3, образующее короткозамкнутое U колено длинной λср/4, при этом расстояние от середины плеча вибратора 1 до общего пассивного отражателя 2 составляет λср/4. Запитывающий ВЧ кабель 4 проходит в одной из трубок симметрирующего устройства 5.
Применение в конструктивной схеме короткозамкнутого U колена позволяет уменьшить ВЧ токи, затекающие на броню кабеля за счет бесконечно большого входного сопротивления U колена.
Трубчатые конструкции вибраторов для ФАР имеют ряд существенных недостатков: большой вес, не технологичны, изготовление требует больших трудовых и финансовых затрат. По источникам [5] известно, что конструктивные схемы с использованием U колена узкополосны, для расширения полосы пропускаемых частот требуется применение специальных мер, например, включения цепей связи в вибраторы [6].
Как правило, подобные конструктивные решения используются при создании высокопотенциальных стратегических ФАР, работающих в узкой полосе частот. В печатном исполнении эта конструктивная схема может быть реализована на одной печатной плате, возбуждение вибраторов - верхнее или нижнее относительно пассивного отражателя. Для многих других применений в ФАР чаще используются печатно-полосковые вибраторы, но с меньшими уровнями излучаемой мощности.
Наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом, является фрагмент ФАР с полу волновыми коаксиальными вибраторами [4].
Технический результат предполагаемой полезной модели - улучшение характеристик ФАР, в части расширения полосы пропуская частот, повышения ее технологичности и снижения стоимости изготовления, модернизируемости конструктивного исполнения за счет расширения возможностей подбора материалов и комплектующих (металлизированный стеклотекстолит, ВЧ кабель, ВЧ разъемы).
Указанный технический результат достигается тем, что во фрагменте полосковой ФАР содержащем общий пассивный отражатель и симметричные полуволновые вибраторы, расположенные в соответствии со схемой ФАР перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя, каждый из которых включает два плеча вибраторов, которые имеют по середине оси симметрии зазор связи и запитаны через ВЧ кабели в противофазе по схеме верхнего питания, а также симметрирующее устройство и короткозамыкатель, которые образуют короткозамкнутое U колено длиной λср/4, при этом расстояние от середины плеча вибратора до общего пассивного отражателя составляет λср/4, конструкция симметричного полуволнового вибратора выполнена на одной печатной плате на базе двухстороннего текстолита, в которой на уровне общего пассивного отражателя размещен по оси симметрии вибратора кабельный ВЧ разъем, в связи с чем топология короткозамкнутого U колена выполнена криволинейно в сторону одного из плеч вибраторов, а ВЧ кабель от ВЧ разъема к плечам вибраторов проложен по криволинейной траектории в виде полукольца в сторону другого плеча вибраторов, кроме того, для расширения полосы пропускания частот, на одной из сторон печатной платы перпендикулярно и симметрично к зазору связи между печатными плечами вибраторов введен разомкнутый реактивный шлейф, гальванически соединенный с плечами вибраторов и имеющий по центру окно связи, расположенное напротив зазора связи плеч вибраторов.
Как уже указывалось выше эта конструктивная схема по сравнению с [2], [3] может быть реализована с верхним возбуждением при условии расширения полосы пропускаемых частот в 2-3 раза. Это возможно за счет введения в конструктивную схему полуволновых вибраторов разомкнутых реактивных шлейфов, например, на печатном материале типа "АРЛАН". Данный материал имеет следующие характеристики: толщина t=0,76 мм и диэлектрическая проницаемость ε=3,0, необходимые и достаточные для уменьшения потерь по СВЧ в диэлектрике. Разомкнутые реактивные шлейфы размещаются на одной из сторон печатных вибраторов, перпендикулярно и симметрично к зазору связи между плечами вибраторов. Разомкнутые реактивные шлейфы гальванически соединяются с плечами вибраторов, например, методом пайки, по центру они имеют окна связи направленные в сторону вибратора напротив зазора связи плеч вибраторов. Разомкнутые реактивные шлейфы не требуют дополнительной регулировки в составе ФАР.
Для реализации этой схемы при расположении кабельного ВЧ разъема в центре платы требуется изменение топологии U колена - выполнить ее криволинейной с изгибом на некоторый угол в одну из сторон от оси симметрии вибратора, а соединяющий ВЧ кабель от ВЧ разъема к плечам вибраторов - с уклоном в виде полукольца в другую сторону.
На фиг.2 изображена конструктивная схема печатного полуволнового вибратора заявляемой полезной модели, выполненного на одной печатной плате на базе двухстороннего текстолита:
1 - плечи вибратора;
2 - пассивный отражатель;
3 - короткозамыкатель;
4 - запитывающий ВЧ кабель;
5 - симметрирующее устройство;
6 - ВЧ разъем;
7 - разомкнутый реактивный шлейф (РРШ);
8 - печатная плата (на базе двухстороннего стеклотекстолита).
Плечи вибратора 1 представляют собой два прямоугольных полосковых проводника, расположенные с двух сторон печатной платы 8 гальванически соединенные на одной с выходными концами симметрирующего устройства 5, которое совместно с короткозамыкателем 3 образуют короткозамкнутое U колено и расположено на одной стороне печатной платы 8.
Симметрирующее устройство 5 выполнено в виде двухпроводной полосковой линии с криволинейной топологией. ВЧ кабель 4 от ВЧ разъема 6 проложен к плечам вибратора 1 по криволинейной траектории в сторону одного из плеч вибратора в виде полукольца на той же стороне печатной платы 8, что и симметрирующее устройство 5. Криволинейная топология симметрирующего устройства 5 и запитывающего ВЧ кабеля 4 симметрична относительно оси симметрии вибратора, что позволяет выровнять поля на плечах вибратора 1 и сохранить положение фазового центра в центре вибратора.
ВЧ разъем 6 устанавливается на печатной плате 8 строго по оси симметрии вибратора в окне печатной платы, повторяющем очертания ВЧ разъема 6; крепление ВЧ разъема 6 к печатной плате 8 осуществляется механическим способом в двух местах (крепится к печатной плате корпус ВЧ разъема и гайка, стягивающая детали ВЧ разъема после установки ВЧ кабеля в разъем) (места крепления на фигуре не показаны).
На одной из сторон вибратора строго по центру на плечах вибратора 1, симметрично его оси устанавливается разомкнутый реактивный шлейф 7, перпендикулярно и симметрично к зазору связи между плечами вибраторов 1, для максимального расширения полосы пропускания частот. Реактивный разомкнутый шлейф по центру имеет окно связи, расположенное напротив зазора связи плеч вибраторов.
Заявляемый фрагмент многоэлементной управляемой полосковой фазированной антенной решетки L диапазона (фиг.3) содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy, и на высоте λср/4 над плоскостью общего пассивного отражателя 2, перпендикулярно к нему симметричные полосковые полуволновые вибраторы, выполненные с использованием покупного корпуса ВЧ разъема 6.
Устройство (фрагмент ФАР) работает следующим образом:
При работе на прием падающая на решетку плоская волна наводит, в том числе и благодаря пассивному отражателю 2, на плечах вибраторов 1 противофазные напряжения равной амплитуды и фазы. Через схемы симметрирования (5, 3) и возбуждения (4), при участии разомкнутых реактивных шлейфов 7 (для расширения полосы пропускания), сигнал поступает на ВЧ разъемы 6. Эти сигналы суммируются через системы суммирования и фазирования антенны (на фигурах не показаны).
При работе на передачу зондирующий ВЧ сигнал от входа ФАР через систему деления и фазирования антенны подается на кабельные ВЧ разъемы 6, ВЧ кабели 4, короткозамкнутые U колена (симметрирующие устройства 5 и короткозамыкатель 3), разомкнутые реактивные шлейфы 7, на плечи вибраторов 1, которые и формируют суммарную диаграмму направленности, обеспечивая одностороннее излучение СВЧ сигнала в пространство благодаря пассивному отражателю 2.
За счет введения в схемы вибраторов разомкнутого реактивного шлейфа 7, благодаря взаимной компенсации реактивных составляющих входного сопротивления, происходит расширение полосы пропускания не менее, чем в 2-3 раза по уровню КСВ 1,5-1,6, что обеспечивает качание луча на углы ±45° от нормали.
На фиг.4 изображены экспериментальные результаты по КСВ одиночного вибратора на одной плате заявляемого фрагмента ФАР.
Испытания фрагментов ФАР из 9 элементов с шагом в dx=dy=0,6λcp ФАР, показали, что в рабочей полосе 10% уровень КСВ при качании луча в Е и Н (ортогональных) плоскостях на углы ±45° не превышает 2,1-2,2, а для промежуточных углов качания 15°-30° эта величина существенно ниже.
Возбуждение фрагментов ФАР, при испытании, осуществлялось через развязанный делитель мощности, качание луча фрагмента ФАР на углы ±45° относительно нормального положения выполнялось за счет изменения длин запитываемых ВЧ кабелей.
Анализируя частотные характеристики в соответствии с фиг.4, можно сделать принципиальный вывод о том, что в полосе частот по уровню КСВ, равному двум (Δf≈500 МГц), КСВ в этой полосе мало изменяется и имеет линейный характер, что является необходимым условием обеспечения качания основного луча ФАР на углы ±45° в рабочей полосе частот.
В настоящее время на предприятии по заявленному устройству разработана конструкторская документация и выпускается серия полосковых вибраторов.
Таким образом, введение во фрагмент многоэлементной управляемой полосковой ФАР L диапазона, содержащий общий пассивный отражатель и симметричные полуволновые вибраторы, расположенные в соответствии со схемой ФАР перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя, каждый из которых включает два плеча вибратора, которые имеют по середине оси симметрии зазор связи и запитаны через высокочастотный (ВЧ) кабель в противофазе по схеме верхнего питания, а также симметрирующее устройство и короткозамыкатель, которые образуют короткозамкнутое U колено длиной λср/4, при этом расстояние от середины плеча вибратора до общего пассивного отражателя составляет λср/4, конструкции симметричного полуволнового вибратора выполненной на одной печатной плате на базе двухстороннего текстолита, в которой на уровне общего пассивного отражателя размещен по оси симметрии вибратора кабельный ВЧ разъем, в связи с чем топология короткозамкнутого U колена выполнена криволинейно в сторону одного из плеч вибратора, а ВЧ кабель от ВЧ разъема к плечам вибратора проложен по криволинейной траектории в виде полукольца в сторону другого плеча вибратора, кроме того, для расширения полосы пропускания частот, на одной из сторон печатной платы перпендикулярно и симметрично к зазору связи между печатными плечами вибратора введен разомкнутый реактивный шлейф с окном связи в сторону вибратора, гальванически соединенный с плечами вибратора, позволяет улучшить технологичность изготовления вибратора и снизить его стоимость, увеличить модернизируемость конструктивного исполнения, при этом в рабочей полосе частот (~10%) обеспечивается качание луча на углы ±45° в E и H (ортогональных) плоскостях, так же как у прототипа.
Список используемой литературы:
1 Патент РФ №2256261 от 10.07.2005 г., заявка №2003126963 от 03.09.2003 г. «Многоэлементная полосковая СВЧ антенна», авторы Панфилов В.И., Шабалин А.В.
2 Патент РФ №2264009 от 10.11.2005 г., заявка №2004120214 от 01.07.2004 г. "Линейная вибраторная фазированная антенная решетка", авторы Анурин А.А., Шабалин А.В.
3 Патент РФ №90265 от 27.12.2009 г., заявка №2009131919 от 24.08.2009 г "Широкополосная линейная многоэлементная вибраторная фазированная антенная решетка", авторы Шабалин А.В., Тузаев И.Н.
4 Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. \ под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и Связь, 1981. стр.33 рис.210, 211.
5 Г.З.Айзенберг. - Антенны ультракоротких волн. - М.: "Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио", 1957. стр.262, 263, рис.13.1.XIII.
6 Сканирующие системы СВЧ т II Перевод с английского \ под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, т II., Советское радио М.: 1969, стр.459-478.