ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЛИНЕЙНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ВИБРАТОРНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Полезная модель относится к антенной технике, в частности к многоэлементным СВЧ антеннам, и может быть использована в качестве фазированных антенных решеток (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемо-передающих систем.
В настоящее время существует большое многообразие СВЧ антенн, содержащих упорядоченно размещенные, в соответствии с одной из известных геометрий сетки ФАР, те или иные излучатели (волноводные, вибраторные, комбинированные, печатные и т.д.). Поэтому техника антенн, достигнув определенного «уровня зрелости», идет уже не по пути создания принципиально новых типов антенн и элементов тракта, а, в основном, по пути улучшения электрических характеристик, совершенствования конструкций и технологии производства.
Известна фазированная антенная решетка (ФАР) с вибраторными излучателями, в которой вибраторы располагаются над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. (Антенны и устройства СВЧ. (Проектирование фазированных антенных решеток) /под ред. Д.И.Воскресенского М.: Радио и связь, 1981, стр.33, рис.2.10). Каждый излучатель состоит из плеч вибратора, симметрирующего устройства, проводящего экрана и входа питающей линии. В данную конструкцию, помимо собственно вибратора, входят симметрирующее устройство и подводящая линия, выполняющие дополнительно функции механических опор, поддерживающих плечи вибратора.
Недостатком данной ФАР является то, что при определенных условиях наличие таких опор может привести к нежелательным резонансным явлениям, кроме того, при больших количествах вибраторов такой конструкции антенна в целом получается тяжелой и громоздкой.
В тех случаях, когда к ФАР предъявляются жесткие требования по габаритам и массе, в качестве излучателей решетки могут быть использованы печатные вибраторы. Более того, при использовании печатной технологии в едином цикле можно изготавливать не только излучающие элементы, но и линии передачи, схемы деления, согласующие элементы и т.д.
Известна линейная вибраторная ФАР (пат.№2264009, МПК 7 H01Q 21/08, Линейная вибраторная фазированная антенная решетка, авторы: Анурин А.А., Шабалин А.В.), состоящая из симметричных полуволновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии четверти средней длины волны рабочего диапазона и синфазно запитанных с помощью фидерного тракта.
В данной ФАР одноименные печатные плечи вибраторов имеют точку запитки от фидерного тракта, размещенную на уровне плоскости проводящего экрана в основании вертикальных печатных участков возбуждения, переходящих в эти плечи под углом 90°, а противоположные печатные плечи вибраторов гальванически закорочены на корпус АР в местах соединения с проводящим экраном. При этом соседние вертикальные печатные участки возбуждения одноименных и противоположных плеч вибраторов снабжены установленными параллельно плоскости расположения участков согласующими емкостными плоскими проводящими элементами.
Недостатком данного технического решения является сравнительно узкая полоса пропускаемых частот (10-15%).
Наиболее близкой по технической сущности, является многоэлементная полосковая СВЧ антенна (пат.№2256261, МПК 7 H01Q 1/38, Многоэлементная полосковая СВЧ антенна и способы ее изготовления, авторы: Панфилов В.И., Шабалин А.В.), содержащая упорядоченно размещенные к плоскости общего пассивного отражателя симметричные полосковые вибраторы, плечи которых запитаны в противофазе симметрично-полосковыми линиями, снабженными симметрично-согласующими устройствами. Симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных конструкций. Плечи вибраторов представляют собой две крайние одноименные и одну центральную, с противоположной ориентацией в плоскости решетки по отношению к крайним, полоски, переходящие в расположенные над общим пассивным отражателем и соединяющиеся под углом 90° к продольной оси плеч вибратора. Полосковый отрезок, соединяющийся с плечом вибратора, являющимся центральной полоской, имеет линейный скос с сужением ширины в сторону плеча на одну треть на расстоянии, составляющим четверть средней длины волны рабочего диапазона, и настроечную выемку в месте соединения полоскового отрезка с торцом центральной полоски в пределах полуширины полоски.
Недостатками данного технического решения является то, что симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных конструкций (три печатных платы), что, естественно, увеличивает вес всей СВЧ антенны в целом. Вибраторы в силу асимметрии конструкции имеют смещение фазового центра. Кроме того, в технологическом процессе изготовления данных вибраторов присутствует большая номенклатура печатных плат.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является обеспечение при существенно меньших массогабаритных характеристиках антенны повышения технологичности ее изготовления и расширения полосы пропускаемых частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой СВЧ антенне, содержащей упорядоченно размещенные на одной линии или плоскости в соответствии со схемой, например, линейной или плоской ФАР, перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя, симметричные полуволновые полосковые вибраторы. Плечи каждого вибратора возбуждаются в противофазе симметричными полосковыми линиями, являющимися неотъемлемой частью симметрирующе-согласующих устройств, через высокочастотные разъемы. Высокочастотные разъемы установливаются на металлических стойках на уровне общего пассивного отражателя. Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде трехпроводной полосковой линии, образованной двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями в металлическом слое на той же стороне диэлектрической пластины, что и плечи полосковых вибраторов. Причем, одна из боковых полосок трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской на длине, составляющей четверть средней длины волны рабочего диапазона, образует разомкнутый реактивный шлейф. Вторая же боковая полоска трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской на длине, составляющей четверть средней длины волны, образует двухпроводную симметричную линию, подключаемую к плечам полуволнового вибратора. Каждый вибратор представляет собой два широких проводника с окнами. Причем плечи каждого вибратора симметрично сужаются к его середине. С обратной стороны диэлектрической пластины, в области размещения трехпроводной полосковой линии, имеется возможность (при необходимости) введения проводящих элементов настройки емкостного характера.
Конструктивные особенности предлагаемой СВЧ антенны, в частности, выполнение полосковых вибраторов с элементами настройки на одной печатной плате, а не на трех, как в прототипе, позволяет получить выигрыш по толщине вибратора, тем самым существенно снизить вес антенны в целом.
Кроме того, существует возможность изготовлять печатные платы по групповой технологии и снизить номенклатуру плат.
Изготовление в плечах полосковых вибраторов прямоугольных окон, наличие разомкнутого реактивного шлейфа, а также введение в область связанных полосковых проводников с обратной стороны платы регулировочных элементов, позволяет существенно расширить полосу рабочих частот антенны.
Для пояснения описываемой СВЧ антенны на фиг.1 изображена схема размещения над общим пассивным отражателем (плоский экран) симметричных полосковых вибраторов заявляемой ФАР, размещенных в углах прямоугольной сетки, вид сверху;
на фиг.2 - конструкция однослойного печатного вибратора заявляемой ФАР с участком возбуждения вибратора трехпроводной полосковой линией (компланарным полосковым волноводом);
на фиг.3 - экспериментальные результаты по КСВ одиночного полоскового вибратора заявляемой антенны (I вариант: при Ш1=15 мм, Ш2=5 мм, S1=10 мм и II вариант: при Ш1=11 мм, Ш2=5 мм, S1=10 мм);
на фиг.4 - экспериментальные результаты по КСВ для АР из пяти вибраторов с окнами, с общим отражателем (при d/λ=0,565, S1=10 мм), запитанных через синфазный равноамплитудный развязанный делитель на пять направлений;
на фиг.5 - распределение поля в раскрыве плоской антенны (число вибраторов n=5, d/λ=0,565) при возбуждении вибраторов синфазным равноамлитудным делителем.
x
y
Широкополосная линейная многоэлементная фазированная вибраторная АР содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга d и d, и на малой высоте над плоскостью общего пассивного отражателя 1, перпендикулярно к нему симметричные полуволновые вибраторы 2, выполненные в виде полосковых проводников на диэлектрической пластине 3 (фиг.1).
Плечи 4 каждого симметричного вибратора 2 представляют собой два широких полосковых проводника шириной Ш (Ш=40 мм) с окнами 5, ширина которых Ш1 (Ш1≈1/3Ш). Плечи 4 каждого вибратора 2 симметрично сужаются к его оси симметрии, образуя поверхности, к которым подключаются полосковые линии 6 и 7, являющиеся неотъемлемой частью симметрирующе-согласующего устройства (фиг.2).
Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде трехпроводной полосковой линии 6, 7 и 8, образованной двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями шириной Ш2 (Ш2=5 мм) в металлическом слое, на той же стороне диэлектрической пластины 3, что и плечи 4 полосковых вибраторов 2.
Одна из боковых полосок 6 трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской 7 на длине, составляющей λcp/4, образует двухпроводную симметричную линию, подключаемую к плечам 4 вибратора 2, а другая боковая полоска 8 трехпроводной полосковой линии с ее центральной полоской 7 на длине λcp/4 образует разомкнутый реактивный шлейф с зазором S1 (S1=10 мм).
К трехпроводной полосковой линии 6, 7, 8 высокочастотный сигнал подводится через высокочастотный разъем 9 (50 Ом), установленный на металлической стойке 10. Крайние полоски 6 и 8 трехпроводной полосковой линии, гальванически закорочены на стойку 10 с высокочастотным разъемом 9, а ее центральная полоска 7 подсоединяется к центральному проводнику высокочастотного разъема 9.
С обратной стороны диэлектрической пластины 3, в области связанных полосковых проводников трехпроводной полосковой линии 6, 7, 8, устанавливаются (при необходимости) плоские настроечные емкостные проводящие элементы 11.
В предлагаемой СВЧ антенне вибраторы могут быть выполнены либо металлическими, либо печатными (на фиг.2 - печатный вариант выполнения вибраторов на стеклотекстолитовой основе (толщина t стеклотекстолита берется = 1 мм)).
Широкополосная линейная многоэлементная СВЧ антенна, работающая в режиме фазированной антенной решетки, обеспечивает однополярное излучение полуволновых вибраторов в широкой полосе частот, в L-диапазоне, с качанием луча антенны в двух ортогональных плоскостях (в секторе углов ±45°).
Предлагаемая конструкция печатных полуволновых вибраторов, из которых состоит заявляемая широкополосная линейная многоэлементная фазированная антенная решетка, позволяет существенно снизить ее вес (≈ в 2 раза), упростить замену вышедших из строя отдельных вибраторов (технология со снижением номенклатуры плат).
Изготовление в плечах плоского вибратора по всей их длине прямоугольных окон, шириной Ш1 приблизительно равной 1/3 ширины плеча Ш, позволяет расширить полосу пропускания со стороны низкочастотного края рабочего диапазона волн.
По результатам экспериментальных работ с одиночными вибраторами (Ш=40 мм, Ш1=11 мм, Ш2=5 мм, S=5 мм, S1=10 мм, t=1,0 мм), изготовленными по данному техническому решению (фиг.3), а так же при испытаниях макета плоской АР из пяти таких вибраторов (d/λ=0,565, S1=10 мм), запитанных через синфазный равноамлитудный развязанный делитель на пять направлений, были получены рабочие характеристики (фиг.4), подтверждающие заявленный технический результат. А именно, полоса рабочих частот предлагаемой антенны достигает 31% по уровню КСВ=1,3. Причем, наиболее предпочтительным, является зазор S1=10 мм, т.к. при малом зазоре происходит некоторое смещение фазового центра вибратора.
На фиг.5 показана сформированная диаграмма направленности (ДН) при возбуждении вибраторов решетки (n=5, d/λ=0,565) синфазным равноамплитудным делителем мощности на 5 направлений.
Электрическая симметрия плеч предлагаемого вибратора, достигается за счет симметричной топологии проводников компланарного волновода, при этом осевая линия центрального проводника должна совпадать с осью симметрии вибратора.
Топология запитывающих линий, от плеч вибратора до точки возбуждения, выполняется плавно криволинейной с ориентацией центрального проводника вдоль оси симметрии данного вибратора (фиг.2).
Результаты моделирования на ПЭВМ в системе Microvawe Offis показали, что диаграмма направленности предлагаемой антенны становится симметричной и, следовательно, фазовый центр совпадает с осью симметрии вибратора. Результаты были получены при использовании в качестве материала стеклотекстолита с t=1,0 мм; с обратной стороны платы был установлен настроечный элемент емкостного характера, входящий в топологию печатной платы вибратора.
Предлагаемое техническое решение дает возможность подключения компланарных волноводов и к плечам вибраторов и к запитывающим фидерным линиям, которые могут быть как несимметричными полосковыми линиями, так и симметричными трехполоскосными высокодобротными линиями, обладающими меньшими потерями и лучшими экранирующими свойствами.
Все выше перечисленное говорит о том, что создана новая и полезная вибраторная антенна, обеспечивающая рабочие характеристики в широком диапазоне частот.