АНТЕННОЕ ПОЛОТНО АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ANTENNA CURTAIN FOR ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY BASED ON BROADBAND RADIATING ELEMENTS

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в радиосистемах различного назначения, например в радиолокационных, пеленгационных, связных.
Как известно, построение излучающего полотна широкополосной активной фазированной антенной решетки (АФАР) сопряжено с двумя основными трудностями. Во-первых, это разработка широкополосного излучателя с диаграммой направленности, слабо зависящей от рабочей частоты, а во-вторых, это обеспечение сканирования антенной решетки в заданном секторе без образования дифракционных лепестков, которые негативно сказываются на помехозащищенности радиосистемы, в состав которой входит антенное полотно.
Известно антенное полотно активной фазированной антенной решетки (АФАР), содержащее излучатели широкополосной антенной решетки, в которой излучающие элементы размещены в узлах гексагональной сетки (см. патент США №5227808, кл. H01Q 15/20, 1993). Данная конструкция имеет большие продольные габаритные размеры, особенно длину излучателя, что влияет на габаритные размеры ФАР. Применяемый резистивный делитель напряжения имеет ряд недостатков: потери в мощности, зависимость от температуры окружающей среды. В случае применения малогабаритных чип-резисторов возникает жесткое ограничение по максимально допустимой мощности, которое определяется применяемым чип-элементом. В случае использования пленочного резистора резко повышается стоимость производства подложек излучателей ФАР. Предлагаемое авторами применение гибких материалов может привести к деформации ФАР при воздействии вибрационных нагрузок, что усложняет ее установку на объект.
макс
макс
Известно также полотно приемной телевизионной антенны, состоящее из двух подключенных к общей нагрузке симметричных относительно продольной оси частей, каждая из которых представляет собой контур со средней длиной, близкой к максимальной длине волны рабочего диапазона λ, образованный короткозамкнутым вибратором, расположенным параллельно продольной оси на удалении 0,20…0,25 λ от нее, и разрезным вибратором, две части которого имеют в области подключения нагрузки расширение с параллельным поперечной оси краем, концы разрезного вибратора смещены от концов короткозамкнутого вибратора в сторону продольной оси и соединены с ними перемычками, и в каждую из двух частей полотна помимо упомянутого основного контура вводятся дополнительный разрезной вибратор, две части которого соединяют промежуточные точки короткозамкнутого вибратора основного контура с точками подключения нагрузки (см. патент РФ на полезную модель №29807, кл. H01Q 9/00, 2003).
Недостатками данного устройства являются его низкие функциональные возможности, обусловленные узкой полосой рабочих частот.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является приемное полотно автомобильной антенны, включающее несущую основу из изоляционного материала с нанесенным на нее проводящим слоем, при этом проводящий слой выполнен из металлической фольги на клеевой основе (см. патент РФ на полезную модель №38083, кл. H01Q 13/28, 2004).
Недостатками данного технического решения также являются низкие функциональные возможности устройства, обусловленные его узкой полосой рабочих частот.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения полосы его рабочих частот, обусловленного созданием широкого сектора электронного сканирования с помощью антенны.
Технический результат достигается за счет того, что полотно антенной решетки имеет несущую основу в виде прямоугольной сетки из изоляционного материала с расположенной на ней, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линией полоскового делителя мощности, выполненной из электропроводящего материала, и образующие приемную и передающую подрешетки антенны линейные излучатели, каждый из которых состоит из широкополосных излучающих элементов, выполненных с возможностью возбуждения, которое поступает на них от, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линии полоскового делителя мощности, при этом линейные излучатели размещены в узлах прямоугольной сетки.
Кроме того, каждый линейный излучатель состоит из, по меньшей мере, четырех широкополосных излучающих элементов.
Кроме того, каждый линейный излучатель выполнен с возможностью изменения ширины и формы его диаграммы направленности за счет изменения количества образующих его широкополосных излучающих элементов.
Кроме того, расстояние между соседними линейными излучателями равно (0,55-0,7)·λ, где λ - значение длины волны, соответствующей величине среднего значения частоты рабочего диапазона антенны.
Кроме того, по меньшей мере, одна симметричная полосковая линия выполнена, по меньшей мере, четырехканальной, а приемная и передающая подрешетки антенны выполнены с возможностью изменения апертуры антенны.
Кроме того, по меньшей мере, одна симметричная полосковая линия полоскового делителя мощности выполнена с использованием тонкопленочной технологии изготовления микросхем.
Кроме того, электропроводящий материал, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линии размещен на несущей основе в виде слоя, который закрыт дополнительным слоем из изоляционного материала.
Кроме того, дополнительный слой выполнен из пленки на клеевой основе.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где на фиг.1 показана конструкция линейных излучающих элементов, на фиг.2 представлен общий вид апертуры АФАР, где используется предлагаемое антенное полотно, на фиг.3 показана геометрия размещения излучателей в АФАР, на фиг.4 - диаграммы направленности АФАР при отклонении луча от нормали на угол 40 градусов на центральной частоте (сплошная линия) и при отклонении от центральной частоты на 5% (пунктирная линия).
Полотно антенной решетки имеет несущую основу в виде прямоугольной сетки из изоляционного материала (на чертежах не показаны) с расположенной на ней, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линией 1 полоскового делителя мощности 2, выполненной из электропроводящего материала, и образующие приемную 3 и передающую 4 подрешетки антенны линейные излучатели 5, каждый из которых состоит из широкополосных излучающих элементов 6, выполненных с возможностью возбуждения, которое поступает на них от, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линии 1 полоскового делителя мощности 2, при этом линейные излучатели 5 размещены в узлах 7 прямоугольной сетки.
Каждый линейный излучатель 5 может состоять из, по меньшей мере, четырех широкополосных излучающих элементов 6.
Каждый линейный излучатель 5 может быть выполнен с возможностью изменения ширины и формы его диаграммы направленности за счет изменения количества образующих его широкополосных излучающих элементов 6.
Расстояние между соседними линейными излучателями 5, как правило, равно 0,6·λ, где λ - значение длины волны, соответствующей величине среднего значения частоты рабочего диапазона антенны.
По меньшей мере, одна симметричная полосковая линия 1 может быть выполнена, по меньшей мере, четырехканальной.
Приемная 3 и передающая 4 подрешетки антенны могут быть выполнены с возможностью изменения апертуры антенны.
По меньшей мере, одна симметричная полосковая линия 1 полоскового делителя 2 мощности может быть выполнена с использованием тонкопленочной технологии изготовления микросхем.
Электропроводящий материал, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линии 1 может быть размещен на несущей основе в виде слоя, который закрыт дополнительным слоем из изоляционного материала (на чертежах не показано), при этом дополнительный слой может быть выполнен из пленки на клеевой основе.
Принцип использования предлагаемого полотна антенной решетки становится понятным из приведенного ниже описания построения его конструкции.
Полотно антенной решетки состоит из широкополосных излучающих элементов 6, показанных на фиг.1. Такая конструкция позволяет упростить сборку, настройку и обслуживание радиосистемы, составной частью которой является представленное антенное полотно. Каждый линейный излучатель 5 состоит из, по меньшей мере, четырех широкополосных излучающих элементов 6, которые возбуждаются симметричной полосковой линией 1 полоскового делителя 2 мощности (фиг.1). Полосковый делитель мощности может содержать, по меньшей мере, четыре канала. Использование излучающих элементов 6 позволяет обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики антенной решетки. Объединение излучателей 5 в группы при поломке позволяет заменить вышедший из строя блок излучателей и не искать отдельный неработоспособный элемент. Это, в свою очередь, уменьшает время и трудоемкость технического обслуживания антенной системы. Данный подход также позволяет упростить конструкцию антенной системы АФАР. Линейки излучателей 5, в свою очередь, сгруппированы в кластеры, например, по восемь линеек (см. фиг.3).
Вид апертуры антенны, состоящей из приемной 3 и передающей 4 подрешеток с линейными излучателями 5, показан на фиг.2 и 3.
Такой подход к построению АФАР позволяет пространственно развязать каналы приема и передачи радиолокационного комплекса и тем самым повысить его характеристики и снизить его стоимость.
Линейные излучатели 5 в предлагаемом варианте построения апертуры АФАР размещены в узлах 7 прямоугольной сетки, которая позволяет получить наиболее простую конструкцию АФАР и применять наиболее простые алгоритмы управления фазовращателями при сканировании лучом.
Ширина диафрагмы направленности (см. фиг.4) линейного излучателя 5 и ее форма при необходимости могут быть изменены путем изменения количества излучающих элементов 6, входящих в состав линейного излучателя 5, а также за счет создания специального амплитудно-фазового распределения, формируемого делителем мощности 2, входящим в состав линейного излучателя 5.
Шаг между линейными излучателями 5 равен 19 мм или (0,55-0,7)·λ для средней частоты рабочего диапазона антенны. Это позволяет обеспечить сектор без дифракционного сканирования в пределах ±40 градусов для средней частоты рабочего диапазона, что является вполне достаточным для решения практических задач радиолокации. Диаграммы направленности антенного полотна при отклонении луча на угол 40 градусов представлены на фиг.4.
Для осуществления предложенного устройства требуются известные, широко применяемые материалы и оборудование, которое известно специалистам в данной области техники. Это обуславливает соответствие предлагаемой полезной модели критерию «промышленная применимость».
Использование изобретения позволяет расширить функциональные возможности АФАР за счет расширения полосы рабочих частот, обусловленного созданием широкого сектора электронного сканирования с помощью антенны.