КОЛЬЦЕВАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЁТКА

Техническое решение (полезная модель) относится к радиотехнике, в частности к конструированию кольцевых фазированных антенных решеток (ФАР).
Известна фазированная антенная решетка, содержащая антенные элементы, расположенные по торцевому периметру металлического диска круглой формы, на внешней и внутренней стороне которого расположены схема питания и схема управления, выполненные по технологии многослойных печатных плат на базе полосковых и микро полосковых линий передачи. [1].
Недостатком данной фазированной антенной решетки является ее ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким техническим решением к заданному является кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая антенные элементы, расположенные по торцевому периметру металлического диска круглой формы, на внешней и внутренней стороне которого расположены схема питания и схема управления, выполненные по технологии многослойных печатных плат на базе полосковых и микро полосковых линий передачи. [2].
Недостатком данной кольцевой фазированной антенной решетки является ее ограниченные функциональные возможности. В основу заявленного технического решения положена задача создания такой кольцевой фазированной антенной решетки, которая расширит ее функциональные возможности за счет создания синфазного фазового фронта в направлении излучения, при сохранении высокой технологичности изготовления. Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в кольцевой фазированной антенной решетке, содержащей антенные элементы, расположенные по торцевому периметру металлического диска круглой формы, на внешней и внутренней стороне которого расположены схема питания и схема управления, выполненные по технологии многослойных печатных плат на базе полосковых и микро полосковых линий передачи, ее схема управления выполнена в виде 3-х дБ направленных ответвителей и делителей, соединенных между собой и расположенных в форме колец на поверхности металлического диска, а печатные антенные элементы присоединены к выходам 3-х дБ направленных ответвителей. при этом диаметр металлического диска выбирается из условия формирования синфазного фазового фронта электромагнитной волны в направлении излучения. На фиг. 1 изображена кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая антенные элементы 1, расположенные по торцевому периметру двух металлических дисков 2, ее общий вид. На фиг. 2 изображена схема управления кольцевой фазированной антенной решетки, содержащей шестнадцать антенных элементов 1, восемь 3-х дБ направленных ответвителей 3 и восемь делителей 4. На фиг. 3 изображена схема формирования синфазного фазового фронта 5 шестнадцати элементной кольцевой фазированной антенной решетки (для четырех антенных элементов 1) в направлении излучения. На фиг. 4 изображена восьми лучевая диаграмма направленности по азимуту (по торцевому периметру металлического кольца 2), шестнадцати элементной кольцевой фазированной антенной решетки. На фиг. 5 изображена схема управления тридцати двух элементной фазированной антенной решетки, содержащей тридцать два антенных элемента 1, тридцать два 3-х дБ направленных ответвителя 3, соединенных между собой, и расположенных в форме двух концентрических колец по шестнадцать штук на поверхности металлического диска (на рисунке не показан), шестнадцать делителей 4. На фиг. 6 изображена схема формирования синфазного фазового фронта 5 тридцати двух элементной кольцевой фазированной антенной решетки (для шести антенных элементов 1) в направлении излучения. На фиг. 7 изображена шестнадцати лучевая диаграмма направленности по азимуту (по торцевому периметру металлического кольца 2) тридцати двух элементной кольцевой фазированной антенной решетки.
ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ
Кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая антенные элементы 1, расположенные по торцевому периметру металлического диска 2 круглой формы, на внешней и внутренней стороне которого расположена схема питания (на рисунках не показана) и схема управления (см. фиг. 2, фиг. 5,), выполненные по технологии многослойных печатных плат на базе полосковых и микро полосковых линий передачи. Схема управления выполнена в виде 3-х дБ направленных ответвителей 3 (см. Антенны и устройства СВЧ. Под редакцией профессора Д.И. Воскресенского. Москва «Радио и связь» 1981, с. 384) и делителей 4, соединенных между собой и расположенных в форме концентрических колец на поверхности металлического диска 2, при этом печатные антенные элементы 1 присоединены к выходам 3-х дБ направленных ответвителей 3. Кольцевая фазированная антенная решетка может быть выполнена в виде нескольких металлических дисков 2, расположенных один над другим, на заданном расстоянии. Данная конструкция позволит обеспечить электронное сканирование в плоскости, нормальной к поверхности металлических дисков 2. Антенные элементы 1 могут быть выполнены как в виде пассивных печатных антенных излучателей, так и в виде активных печатных антенных излучателей. Активные антенные элементы 1 выполнены в виде печатных антенных излучателей, соединенных и согласованных с активными элементами, усилителями (на рисунке не показаны). Усилители активных антенных элементов 1 могут быть выполнены в виде приемных усилителей и в виде передающих усилителей. Данная конструкция позволяет обеспечить работу фазированной антенной решетки в приемном или в передающем режиме.
Кольцевая фазированная антенная решетка может быть выполнена таким образом, что по торцевому периметру металлического диска 2 расположено 16, или 32, или 48 антенных элементов 1, при этом число 3-х дБ направленных ответвителей 3 и делителей 4, расположенных в форме колец на поверхности металлического диска 2, пропорционально увеличивается, а диаметр металлического диска выбирается из условия формирования синфазного фазового фронта 5 электромагнитной волны в направлении излучения. (см. фиг. 3, фиг. 6). Кольцевая фазированная антенная решетка работает следующим образом. Схема управления обеспечивает формирование множества лучей в азимутальной плоскости (по торцевому периметру металлического диска 2) с перекрытием всей зоны обзора по пространству, (см. фиг. 4, фиг. 7). Принцип работы схемы управления шестнадцати элементной кольцевой антенной решетки состоит в следующем. Схема выполнена в виде одного кольца из восьми 3-х дБ направленных ответвителей 3 и восьми делителей 4. При подаче СВЧ сигнала на Вх. 1, он делится на два в делителе 4 и поступает на соответствующие входы 3-х дБ направленного ответвителея 3. (см. фиг. 2). Используя свойства направленного ответвителя 3, поле на входе антенного элемента 1 (и1) опережает по фазе на 90° поле на входе антенного элемента 1 (и2). Аналогично, поле на входе антенного элемента 1 (и4) опережает по фазе на 90° поле на входе антенного элемента 1 (и3). Таким образом, от Вх. 1 происходит возбуждение 4-х, антенных элементов 1 (и1, и2, и3, и4) с фазами 0°, 90°, 90°, 0°. При расположении антенных элементов 1 по торцевому периметру металлического диска 2 выбирается его диаметр, который позволяет подобрать расстояние антенного элемента 1 до синфазного фазового фронта 5 в направлении излучения равным 1/4 длины волны, что соответствует 90° задержки фазы. Таким образом происходит компенсация фазового разброса и получается синфазный фазовый фронт 5 в направлении излучения всех 4-х антенных элементов 1 (и1, и2, и3, и4) с фазами 90°, 90°, 90°, 90° Для компенсации фазового разброса в шестнадцати элементной кольцевой антенной решетке диаметр (2R, см. Фиг. З) металлического диска 2 составляет величину, равную примерно около 3-х длин волн СВЧ сигнала. Принцип работы схемы управления тридцати двух элементной кольцевой антенной решетки состоит в следующем. Схема выполнена в виде двух колец из шестнадцати 3-х дБ направленных ответвителей 3 и шестнадцати делителей 4. При подаче СВЧ сигнала на Вх. 1, он делится на два в делителе 4 и поступает на соответствующие входы 3-х дБ направленного ответвителея 3. (см. фиг. 5). Используя свойства направленного ответвителя 3, поле на входе антенного элемента 1 (и1) опережает по фазе на 135° поле на входе антенного элемента 1 (и3) и на 90° поле на входе антенного элемента 1 (и2). Аналогично, поле на входе антенного элемента 1 (и6) опережает по фазе на 135° поле на входе антенного элемента 1 (и4) и на 90° поле на входе антенного элемента 1 (и5). Таким образом, после векторного суммирования от Вх.1 происходит возбуждение 6-ти антенных элементов 1 (и1, и2, и3, и4, и5, и6) с фазами 0°, 90°, 135°, 135°, 90°, 0°. При расположении антенных элементов 1 по торцевому периметру металлического диска 2 выбирается его диаметр, который позволяет подобрать расстояние антенных элементов 1 (и1 ,и2, и3, и4, и5, и6) до синфазного фазового фронта 5 в направлении излучения равным 3/8 длины волны, что соответствует 135° задержки фазы, подобрать расстояние антенного элемента 1 до фазового фронта в направлении излучения равным 1/8 длины волны, что соответствует 45° задержки фазы. Таким образом происходит компенсация фазового разброса и получается синфазный фазовый фронт 5 в направлении излучения всех 6-ти антенных элементов 1 (и1, и2, и3, и4, и5, и6) с фазами 135°, 135°, 135°, 135°, 135°, 135°. Для компенсации фазового разброса в тридцати двух элементной кольцевой антенной решетке диаметр (2R, см. Фиг. 6) металлического диски 2 составляет величину, равную примерно около 6-ти длин волн СВЧ сигнала. Синфазный фазовый фронт 5, который формируется в направлении излучения за счет 3-х дБ направленных ответвителей 3 и диаметра металлического диска 2, позволяет получить 8 независимых лучей в шестнадцати элементной фазированной антенной решетке и 16 независимых лучей в тридцати двух элементной фазированной антенной решетке. (см. фиг. 4 и фиг. 7). Данная конструкция кольцевой фазированной антенной решетки позволяет расширить ее функциональные возможности, позволяет формировать заданное количество лучей в заданном направлении в азимутальной плоскости, при сохранении высокой технологичности изготовления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Свидетельство №6471, кл H01Q 21/00 по заявке №97107112/20 от 30.04.1997 г.
2. Патент РФ №88214, кл. H01Q 21/00 по заявке №2009128129/22 от 20.07.2009 г. - прототип.