Использование гибридных печатных антенн для построения линейных приемных антенных решеток

УДК 621.396.67

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ ПЕЧАТНЫХ АНТЕНН ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ

ПРИЕМНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

С.А. Антипов, В.В. Негробов, С.М. Фёдоров

В работе предложен и исследован перспективный вариант сверхширокополосного направленного антенного элемента, который может быть использован для построения линейных приемных антенных решеток. В ходе проведения численных экспериментов были установлены частотные характеристики гибридной антенны в плане согласования с подводящим трактом, а также характеристики направленности излучения в исследуемом диапазоне частот

Ключевые слова: антенная решетка, гибридная антенна, численный эксперимент

Общей особенностью антенных систем, построенных на основе сверхширокополосных элементов (антенн Вивальди, ТЕМ-рупоров), является отсутствие фазового центра их элементов, что приводит к необходимости использования дорогостоящей процедуры их калибровки - создания базы данных их выходных сигналов, как функций от частоты и углов прихода электромагнитных волн, а также - их поляризационных параметров.

Избежать необходимости использования процедуры калибровки, или же существенно упростить данную процедуру, можно, используя линейные подрешетки. В этом случае отсутствие фазового центра каждого из элементов уже не является проблемой, так как фазовые диаграммы направленности элементов будут ориентированы в одном и том же направлении. Правда, при этом требуется разработать сверх-широкополосные полосковые антенные элементы, имеющие небольшие поперечные размеры (так как расстояние между ними не должно превышать половину длины волны на максимальной частоте рабочего диапазона в целях однозначного определения пеленга), относительно слабо влияющие друг на друга в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3 и более.

Решению поставленной задачи и посвящена данная работа, в которой рассмотрен гибридный антенный элемент [1-5], представляющий собой симметричный вибратор, возбуждаемый экспоненциально расширяющейся щелевой линией. Одиночный элемент изображен на рис. 1 а, а на рис. 1 б изображена подрешетка из двух горизонтально расположенных элементов. Топология гибридных элементов была раз-

Антипов Сергей Анатольевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46

Негробов Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(903) 653-21-64

Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 223-38-52

мещена на двухсторонней печатной плате с размерами 34.5x66x0.813 мм , изготовленной из материала Я04003. Перпендикулярно плате с элементом размещался металлический экран для уменьшения величины заднего лепестка в ДН элемента. Размеры экрана были выбраны: 74x80 мм. Каждый гибридный элемент был нагружен на сопротивление 150 Ом.

б)

Рис. 1. Изображение исследуемых гибридных элементов: а) - одиночный элемент с экраном; б) - подрешетка из двух гибридных элементов

Исследовалось качество согласования с подводящим трактом в исследуемом диапазоне частот (от 3 до 8 ГГ ц), а также, вид ДН в вертикальной и горизонтальной плоскости для слу-

чая одиночного элемента и в составе из двухэлементной горизонтально расположенной подрешетки.

Ниже представлены зависимости полного сопротивления (номограмма Вольперта-Смита, нормированная к сопротивлению 150 Ом), рис.2а, а также зависимость модуля коэффициента отражения, рис.2б. Сплошными линиями изображены зависимости для одиночного элемента, пунктирными - для элемента в составе из двухэлементной АР.

\ \ \

\ \ N

V % / / //

\ Л

V 4

\

3.5

4.5

5.5

6.5

7.5

б)

/ГГц

Рис. 2. Исследуемые частотные зависимости: а) - номограмма Вольперта-Смита, нормированная к 100 Ом; б) - зависимость модуля коэффициента отражения

На рис. 3а представлены зависимости КСВН, а на рис.3б - зависимость коэффициента усиления для одиночного элемента (сплошные линии) и для элемента в составе линейной под-решетки, состоящей из двух горизонтально расположенных элементов (пунктирная линия).

Рис. 3. Исследуемые характеристики гибридных элементов: а) - зависимость КСВН; б) - зависимость коэффициента усиления

На рис. 4 - 6 приведены зависимости ДН в горизонтальной плоскости для одного гибридного элемента в составе АР и для двух элементов, запитываемых синфазно. Из анализа данных зависимостей также можно сделать вывод в пользу пригодности подрешеток из двух гибридных элементов для реализации фазового метода пеленгации.

Рис. 4. Зависимость ДН в горизонтальной плоскости при / = 3ААо: а) - для одного элемента в составе АР; б) - для синфазно запитанных элементов

Рис. 5. Зависимость ДН в горизонтальной плоскости при / = 5 ААо: а) - для одного элемента в составе АР; б) -для синфазно запитанных элементов

Рис. 6. Зависимость ДН в горизонтальной плоскости при / = 8ААо: а) - для одного элемента в составе АР; б) -для синфазно запитанных элементов

Объединение гибридных печатных элементов в двухэлементные горизонтальные линейные подрешетки позволяет осуществлять пеленгацию фазовым методом, а кроме того, способствует снижению уровня боковых лепестков в ДН в вертикальной плоскости, рис. 7. Из рисунка видно, что объединение элементов в решетку позволило на частоте 8 ГГц снизить уровень боковых лепестков с -4.9 дБ до -6.2 дБ. Снижение уровня боковых лепестков наблюдается во всем исследуемом диапазоне частот.

Рис. 7. ДН в вертикальной плоскости на частоте / = 8 ГГц: а) - одиночный гибридный элемент; б) - гибридный элемент в составе АР

Таким образом, в ходе проведения численных экспериментов были установлены частотные характеристики гибридной антенны в плане согласования с подводящим трактом, а также характеристики направленности излучения в исследуемом диапазоне частот. Можно сделать вывод, что использование гибридных элементов в антенных системах является оправданным с точки зрения технологичности конструкции, т.к. фидерная линия расположена на одной печатной плате с излучателем. Кроме того, использование подрешетки из двух горизонтально расположенных гибридных элементов позволяет снизить максимальный уровень боковых лепестков в вертикальной плоскости с -4.9 дБ до -6.2 дБ на верхних частотах рабочего диапазона от 3 до 8 ГГц.

Литература

1. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Исследование кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки,

состоящей из экспоненциально расширяющихся щелевых элементов, нагруженных широкополосными электрическими вибраторами. // Антенны. 2010. № 6 (157). С. 60-66.

2. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рем-бовский Ю.А. Использование электрических вибраторов, запитываемых щелевыми линиями, для повышения чувствительности и снижения числа литер приемной антенной системы // Антенны. 2008. № 7-8(134-135). С. 36-43.

3. А.В. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский. Моделирование сверхширокополосных гибридных вибраторно-щелевых антенных элементов и кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, составленных на их основе // 9-я международная НТК «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж. Изд-во ВГУ. 2008. Т. 1. С. 529-539.

4. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рем-бовский Ю.А. Моделирование антенных решеток из симметричных электрических вибраторов, возбуждаемых с помощью неоднородных щелевых линий с потерями на излучение // Системы управления и информационные технологии. 2007. № 4.1 (30). С. 108-118.

5. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Экспериментальное исследование кольцевой радиопеленгаторной гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн. // 16-я международная НТК «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. Изд-во ВГУ. 2010. Т. 2. С. 1634-1645.

Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва

USE OF HYBRID PRINTED ANTENNA FOR CONSTRUCTION OF LINEAR

ANTENNA ARRAYS

S.A. Antipov, V.V. Negrobov, S.M. Fedorov

In this paper we proposed and researched a promising variant of superbroadband directional antenna element, which can be used to construct a linear receiving antenna array. By numerical experiments we studied frequency characteristics of the hybrid antenna for aligning with feeding path, and characteristics of radiation in researched frequency range

Key words: antenna array, hybrid antenna, numerical experiment