МОДЕЛЬ ПОЛНОПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в приемных, передающих и приемопередающих антенных устройствах радиотехнических систем различного назначения, в частности для создания фазированных антенных решеток радиолокаторов с управляемой поляризацией для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Развивающиеся в последние десятилетия направления сверхкороткоимпульсной (СКИ) и сверхширокополосной (СШП) радиолокации требует создания эффективных малогабаритных антенных систем, которые должны обеспечивать управление всеми видами поляризации и иметь достаточную широкополосность, для того, чтобы получить максимум информации о лоцируемом объекте.
Одним из многочисленных отличий современных радиолокационных станций от их предшественниц является использование в антенной решетке антенн с ортогональными линейными поляризациями. Эти антенны позволяют станции излучать и принимать сигнал с произвольной поляризацией. Кроме того, использование антенн с разными поляризациями позволяет выяснить поляризационную структуру принимаемого сигнала и тем самым получить больше информации о цели в сравнении с классическими радиолокаторами. Поляризационная информация используется для распознавания радиолокационных целей по поляризационному портрету, а также для повышения помехоустойчивости алгоритмов цифровой обработки сигналов. Для таких антенн помимо широкой рабочей полосы частот предъявляется дополнительное требование по развязке между поляризациями.
Предполагаемая модель относится к низкопрофильным антеннам с двойной поляризацией, в частности к технологическому оснащению широкополосных антенн наземного и авиационного базирования.
Из существующего уровня техники известно, что лучшим вариантом низкопрофильных антенн с конструктивной точки зрения являются полосковые и микрополосковые антенны, но они не удовлетворяет требованиям широкополосности и развязки по поляризациям, так как имеют рабочую полосу частот всего несколько процентов от центральной и развязку в высокочастотной части рабочего диапазона порядка 10-12 дБ. Для использования в СКИ локаторах с полнополяризационной обработкой информации рабочий диапазон частот антенн должен составлятькак минимум 10%, а развязка по поляризациям должна быть не менее 20-25 дБ.
Расширению рабочего диапазона планарных антенн (ПА) посвящено много работ [1]. Все они сводятся, как правило, к трем известным вариантам:
1. К увеличению толщины диэлектрика [2]. Но с электродинамической точки зрения высота ПА ограничена неравенством
которое исключает существование в планарных антеннах высших типов волн, имеющих несколько вариаций поля по толщине подложки.
r
2. Уменьшению диэлектрической проницаемости подложки (ε) (патент RU 2390890 C2, опубликован: 27.05.2010, бюл. №15) [3]. Показанные в описании к патенту варианты конструкций антенн имеют ряд существенных недостатков, а именно: усложненная конструкция антенны, особенно на диапазонах X и выше, когда детали антенны из-за малых размеров приходится выполнять с высокой точностью и как следствие, сложность сборки. Наличие поверхностных волн, даже при небольшой высоте подъема излучателя над экранной плоскостью уменьшается развязка на верхнем участке рабочего диапазона до 8-10 дБ. Это наблюдается у всех антенн такой конструкции и главное, невозможность работать со всеми видами поляризации.
3. Использованию пассивных дополнительных излучателей (RU 173890 U1, опубликовано 18.09.2017, бюл. №26) [4]. Создание многослойных антенн с добавлением дополнительных пассивных излучателей также усложняет конструкцию антенны и увеличивает ее высоту, что нежелательно, особенно при применении в БПЛА.
Как уже было сказано одной из проблем для микрополосковых антенн простой конструкции является низкий уровень развязки между поляризациями. Основной причиной этого является возбуждение поверхностных волн, что приводит к снижению эффективности излучения, а в случае, когда антенна располагается на подложке конечных размеров, к деформации диаграммы направленности. Одним из основных вариантом увеличения развязки используется метод двухточечной запитки при одной поляризации или четырех точечная запитка при ортогональных поляризациях [5], (используется в патенте RU 167296 U1, опубликовано: 27.12.2016, бюл. №36) [6]. При идеальной работе схемы питания штыри, расположенные симметрично центра излучателя, возбуждаются в противофазе. За счет этого поле рабочих колебаний имеет нули в требуемых плоскостях, что обеспечивает развязку элементов возбуждения. Развязка элементов возбуждения устраняет, в свою очередь, связь между ортогональными колебаниями ПА.
В качестве прототипа полезной модели выбран патент RU 2276822 С2, опубликован 20.05.2006, бюл. №14 [7], где применен квадратный планарный излучатель, возбуждаемые элементы расположены на диагоналях излучателя и возбуждение волн каждого вида поляризации осуществляются в двух точках, лежащих на одной диагонали симметрично центра излучателя и сдвинутых по фазе на 180 градусов. Недостатком данной конструкции является то, что питание к излучателю подводится через делитель мощности, который делит мощность входящего сигнала на две равные части, сконструированный по принципу делителя Уилкинсона или подобный ему, а также применение фазосдвигающих цепей, сдвигающих сигналы на 180°. Это значительно усложняет конструкцию антенны.
Целью заявленного технического решения является создание широкополосной планарной антенны, не имеющей указанных выше недостатков прототипа и обеспечивающей достаточную развязку между поляризациями и позволяющей работать локаторам с полнополяризационной обработкой сигналов.
Указанная цель достигается за счет новой конструкции простой технологичной низкопрофильной антенны, способной работать на линейных и круговых поляризациях с СКИ и имеющая развязку между поляризациями более (- 25) дБ.
r
r
Антенна содержит экран, на котором установлена диэлектрическая пластина с ε близким к единице, например, материал типа ПС-1-100 с ε=1,05, на другой поверхности которой, расположена излучающая пластина квадратной формы. Через экран и диэлектрическую пластину к излучателю проходят два питающих штыря имеющие гальванический контакт с излучающим элементом. Такой способ возбуждения, а именно с помощью питающего зонда, находящегося внутри антенны, приводит к появлению индуктивности, которую часто называют остаточной [8]. Индуктивность штыря тем больше, чем больше его длина и меньше диаметр. В центре экрана установлен металлический полый цилиндр высотой меньшей, чем высота подложки. Из структуры поля основных колебаний следует, что штырь в центре антенны не влияет на них, так как он попадает в нуль электрического поля и на нем не наводится электрический ток. При уменьшении остаточной индуктивности в антенне возникают колебания нулевого порядка, которые называют конденсаторными колебаниями. Металлический полый цилиндр в данной конструкции выполняет роль конденсатора, компенсирующего остаточную индуктивность, и при определенном диаметре цилиндра и зазоре между цилиндром и излучателем эти колебания могут приблизиться к частоте основного колебания [8]. Графики зависимости уровня развязки и диаметра цилиндра показаны на фиг. 3. Соотношения внутреннего диаметра к внешнему d/D=0.9÷0,95.
Каждый штырь с помощью фидера подключен к своему приемопередатчику. Наличие двух штырей и двух фидеров позволяет возбуждать две ортогональные поляризации, а при создании фазового сдвига между ними, круговые и эллиптические поляризации. Фазовые сдвиги формируются схемами управления приемопередатчиков. Применение диэлектрического материала с низкой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить рабочую полосу антенны и снизить потери в диэлектрике, тем самым повысить коэффициент полезного действия антенны и сделать конструкцию жесткой и виброустойчивой, особенно это необходимо при использовании в БПЛА.
Точки подключения проводников к полосковому излучателю расположены на одном расстоянии от центра квадратного излучателя под углом 90°, причем расстояния от его центра соответствуют требованию согласования линий передачи с планарной антенной. Импеданс изменяется от нуля в центре до сопротивления на краю согласно выражения:
i
e
где R - входное сопротивление, R - входное сопротивление на краю и х -расстояние от центра излучателя, L - высота излучателя. Точку подачи СВЧ энергии при заданном входном сопротивлении можно найти из формулы:
r
Конструкция предполагаемой полезной модели поясняется чертежами: На фиг. 1 показана 3D модель антенного модуля, где под цифрой (1) обозначено основание антенного модуля (экрана), под цифрой (2) диэлектрическая подложка с низким значением диэлектрической проницаемости, в данной модели это материал ПС 1-100 с ε=1,05 Высота подложки выбирается исходя из конструктивных задач и ширины рабочего диапазона. Как правило, находится в пределах 0,07÷0,12λ, в данном варианте 0,08λ, определено заданными габаритами. Уменьшение соотношения приводит к сужению рабочей полосы, увеличение - к появлению высших типов поверхностных волн и как следствие уменьшению развязки. Под цифрой (3) квадратный излучающий элемент, который меньше размеров экрана. Размеры излучателя могут быть в пределах 0,4÷0,6λ. Под цифрой (4) показан металлический цилиндр в центре экрана. Излучатель запитывается в двух точках питания фидерами (5), расположенными между центром и краем излучателя и создающих ортогонально расположенные вектора напряженности электрического поля, при этом, каждый из СВЧ входов через СВЧ разъем соединен с соответствующим входом приемопередатчика. В центре основания установлен металлический полый цилиндр имеющий высоту меньшую, чем высота подложки. Определенные соотношения диаметра и высоты цилиндра позволяют получить значение развязки между поляризациями более (-30) дБ.
Наружный диаметр полого цилиндра выбирается из соотношения d/λ=0.02÷0,3, в данном проекте 0,29λ. Соотношения внутреннего диаметра к внешнему d/D=0.9÷0,95. Зазор между излучателем и цилиндром 0,1÷3 мм.
На фиг. 2. Показан разрез антенного модуля. 1 - металлическое основание (экран); 2 - подложка; 3 - металлический излучатель; 4 - металлический цилиндр; 5 - коаксиальная линия питания.
На фиг. 3. Показана зависимость развязки и диаметра цилиндра.
1) - 0.02λ; 2) - 0.08λ; 3) - 0.08λ; 4) - 0.29λ.
На фиг. 4 показана зависимость КСВ антенны от частоты.
Таким образом, предлагаемая полезная модель полнополяризационной антенной системы обладает более простой конструкцией по сравнению с прототипом, не требует использование делителя мощности и обеспечивает развязку по поляризациям более (-30) дБ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wong K.L. CompactandBroadbandMicrostripAntennas. N.Y.: John Wiley & Sons, 2002.
2. By D. Orban and G.J.K. Moernaut, The Basics of Patch Antennas, Updated 2009 Orban Microwave Products., www.orbanmicrowave.com
3. Патент (RU 2530242 C1) Опубликовано: 10.10.2014. Бюл. №28 Широкополосная двухдиапазоннаямикрополосковая антенна
4. Патент (RU 173890 U1), Опубликовано 18.09.2017. Бюл. №26 Антенный модуль.
5. Патент (RU 2390890 С2) Опубликовано: 27.05.2010. Бюл. №15. Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика (варианты)
6. Патент (RU 167296 U1). Опубликовано: 27.12.2016. Бюл. №36 Широкополосная двухдиапазоннаямикрополосковая антенна
7. Патент (RU 2276822 С2). Опубликовано: 20.05.2006. Бюл. 14, Планарная антенна двойной поляризации.
8. Банков С.Е. Антенны спутниковых навигаторов. - М.: Издательство «Перо», 2014. - 693 с.