ПЕЧАТНО-ПОЛОСКОВЫЙ ШУНТОВОЙ ВИБРАТОР
PRINTED STRIPPED SHUNTING DIPOLE

Предлагаемое устройство относится к технике СВЧ и может быть использовано в антенных решетках, в том числе фазированных антенных решетках (ФАР), и как самостоятельная антенна в радиотехнике, радиосвязи, радиолокации.
Известны печатно-полосковые петлевые вибраторы, используемые как самостоятельные антенны или элементы антенных решеток [1], [2]. Они обеспечивают возможность согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением полосковой фидерной линии за счет выбора соотношения ширины активного вибратора, подключенного к фидерной линии, и пассивного вибратора, их длины, а также расстояния между ними [3].
Однако в известной конструкции печатно-полосковых петлевых вибраторов возможность получения низкого волнового сопротивления шлейфа, образованного полосками вибраторов, ограничена возможностями технологии производства печатных плат в части изготовления очень узких зазоров. Следствием этого является увеличение коэффициента отражения и снижение КПД антенны в диапазоне частот.
Наиболее близким по технической сущности, выполняемой функции и конструктивному построению к предлагаемому шунтовому вибратору является петлевой вибратор с щелевым питанием [2] (Фиг. 4). Он содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены: плоская проводящая пластина Т-образной формы, образующая разделенные щелью плечи первого вибратора и экран питающей полосковой линии, второй ленточный вибратор, параллельный первому и соединенный своими концами с концами плеч первого вибратора. На другой стороне подложки расположена питающая полосковая линия, пересекающая щель в Т-образной пластине.
Однако в таком петлевом вибраторе технологически трудно обеспечить низкое волновое сопротивление шлейфа, образованного проводниками вибраторов, поскольку для этого требуется реализовать очень узкий зазор между первым и вторым вибраторами. В результате высокого волнового сопротивления шлейфа увеличивается коэффициент отражения и снижается КПД антенны в диапазоне частот. Кроме того, такой петлевой вибратор имеет большую общую ширину первого и второго вибраторов, параллельно расположенных в общей плоскости. Это увеличивает его габариты и занимает место, необходимое для размещения дополнительных пассивных вибраторов (директоров), при использовании такого вибратора в составе директорной антенны (антенны Уда-Яги или "волновой канал").
Предлагаемое устройство отличается тем, что второй вибратор расположен на другой стороне подложки, чем первый, а проекции первого и второго вибраторов на одну из сторон подложки перекрываются между собой.
Этим достигается увеличение погонной емкости линии передачи шлейфа, образованного проводниками первого и второго вибраторов, и уменьшение габаритов устройства. Увеличение погонной емкости обеспечивает уменьшение волнового сопротивления шлейфа, за счет чего увеличивается наклон частотной характеристики реактивной проводимости шлейфа, что приводит к лучшей компенсации частотной характеристики реактивного сопротивления вибратора, вследствие чего увеличивается диапазон частот согласования и КПД антенны.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом фиг. 1, а также чертежом фиг. 2, на котором представлен печатный директорный излучатель ФАР на основе предлагаемого печатного шунтового вибратора, и графиками фиг. 3, на которых представлены результаты его моделирования.
1
2
Печатно-полосковый шунтовой вибратор (фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1 толщиной t, на одной стороне которой расположена плоская проводящая пластина T-образной формы 2, содержащая первый вибратор длиной L и шириной b, разделенный на два плеча щелевым зазором шириной s. На другой стороне подложки расположены второй вибратор 3 длиной L и шириной w и питающая полосковая линия 4. Перемычки 5 соединяют концы первого и второго вибраторов между собой.
1
2
o
Печатно-полосковый шунтовой вибратор работает следующим образом: электромагнитная волна, поступающая по полосковой линии 4, возбуждает щелевую линию, распространяется по ней и возбуждает плечи первого вибратора и два короткозамкнутых шлейфа на плоской двухпроводной линии, образованной первым и вторым вибраторами. Вследствие электромагнитной связи первого и второго вибраторов возбуждается второй вибратор. Путем выбора отношения ширин первого b и второго w вибраторов обеспечивается равенство волнового сопротивления питающей полосковой линии и активного входного сопротивления шунтового вибратора. За счет выбора длины L первого и L второго вибраторов, а также расстояния L между соединяющими их перемычками 5 обеспечивается равенство нулю реактивного сопротивления шунтового вибратора. Значение волнового сопротивления короткозамкнутых шлейфов, требуемое для компенсации частотной характеристики реактанса вибратора и сохранения малой величины реактивного входного сопротивления шунтового вибратора в диапазоне частот, определяется выбором ширины вибраторов b и w (при их фиксированном отношении). В результате сопротивление шунтового вибратора оказывается близким к волновому сопротивлению полосковой линии в широком диапазоне частот, что обеспечивает согласование устройства, уменьшение его коэффициента отражения и повышение КПД. Поскольку проекция второго вибратора 3 на плоскость проводящей Т-образной пластины 2 не выходит за ее пределы, уменьшаются габариты устройства.
o
2
1
Отличие диэлектрической проницаемости подложки от единицы приводит к различной степени увеличения электрической длины шлейфа и вибраторов. Для сопряжения электрических длин шлейфа и вибраторов соединения концов первого и второго вибраторов могут быть расположены друг от друга на расстоянии меньшем, чем длина вибраторов: L<L≤L, и выполнены, например, с помощью нескольких металлизированных отверстий в подложке.
x
y
0
1
2
3
4
1
3
4
0
1
st
0
s
s
На фиг. 3 приведены результаты моделирования печатного директорного излучателя ФАР (см. Фиг. 2) на основе заявляемого шунтового вибратора, а именно частотные зависимости коэффициента отражения на входе излучателей в составе ФАР при излучении по нормали к поверхности ФАР и под углом 30°. Результаты получены с помощью программы для электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ CST Microwave Studio [4]. Шаг элементов ФАР в плоскости вибраторов D=57,5 мм, в поперечной плоскости D=51,4 мм. Диэлектрическая проницаемость подложки излучателя , ее высота A=52,5 мм, ширина B=48 мм и толщина t=1 мм. Размеры проводящих элементов: L=32 мм, L=44 мм, L=35 мм, L=33,6 мм, L=25,2 мм; h=19 мм, h=34,5 мм, h=48,5 мм; b=7,8 мм, b=10, b=3 мм, w=18 мм, w=6 мм, L=31 мм, l=21,7 мм, s=0,5 мм, z=12,7 мм, d=5 мм; h=14 мм, р=2 мм, Х=18,5 мм.
В диапазоне частот 2,51…3,08 ГГц коэффициент отражения на входе устройства не превышает 0,4, что соответствует КПД ФАР (при отсутствии потерь в материалах) не менее 0,84.
Шунтовой вибратор использован в перспективной разработке активной ФАР для изделия 5П-27М-ПО.
Источники информации
1. Herper, J.С., A. Hessel, and В. Tomasic, "Element Pattern of an Axial Dipole in a Cylindrical Phased Array, Part 2: Element Design and Experiments," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-33, March 1985, pp. 273-278.
2. Edward, В., and D. Rees, "A Broadband Printed Dipole with Integrated Balun," Microwave Journal, Vol. 30, May 1987, pp. 339-344.
3. Phased Array Antenna Handbook, edited by R.J. Mailloux, second ed., Artech House, 2005.
4. CST Microwave Studio, www.cst.com.