Антенный фрагмент фазированной антенной решетки с управляемой поляризацией

Антенный фрагмент (АФ) фазированной антенной решетки (ФАР) с управляемой поляризацией относится к антенной технике и может быть использован в качестве самостоятельной антенны, а также в качестве элемента многоэлементной ФАР и позволяет принимать или излучать высокочастотные (ВЧ) сигналы произвольной поляризации. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение характеристик ФАР, в части расширения полосы пропускания, улучшения равномерности развязки между входами вибраторов, обеспечения идентичности каналов, улучшения технологичности, повышения электрической прочности, снижения СВЧ потерь и реализации низкого уровня коэффициента стоячей волны (КСВ) в полосе частот не менее 30%. АФ ФАР с управляемой поляризацией представляет собой линейную антенную решетку по четыре ТИ, расположенных с периодом dx, dy в строке и между строк и закрытых общим радиопрозрачным укрытием. Каждый ТИ выполнен по классической схеме верхнего питания и состоит из двух ортогонально пересекающихся полуволновых печатных вибраторов, объединенных в объемную конструкцию с настроечными элементами (разомкнутыми реактивными шлейфами (РРШ)) и ВЧ узлом симметрирования и возбуждения над общим проводящим экраном на высоте ср/4. ТИ расположены в плоскости, параллельной проводящему экрану, и выполнены на одной двухсторонней печатной плате (снижающей СВЧ потери в печатной плате), а запитывающий ВЧ узел располагается в перпендикулярной плоскости и является опорой для плеч вибратора. Каждый вибратор противофазно запитывается и возбуждается от своего ВЧ узла за счет использования двух ортогонально пересекающихся "U" колен на связанных иолосковых (печатных или металлических) линиях, плечи ТИ гальванически соединяются с четырьмя выходами "U" колен с помощью винтов с последующей их опайкой.

Для обеспечения существенного расширения полосы пропускаемых частот ТИ сверху основной платы симметрично относительно центра ТИ располагаются настроечные элементы - крестообразные РРШ, оси симметрии которых совпадают с осями симметрии вибраторов входящих в ТИ, длина настроечных элементов ~ср/8.

Электрическая связь между РРШ и плечами ТИ осуществляется с помощью окна связи, которое выполнено, например, в виде крестообразной щели, и расположено в центре ТИ с нижней стороны РРШ.

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве самостоятельной антенны, а также в качестве элемента многоэлементной фазированной антенной решетки (ФАР) и позволяет принимать или излучать высокочастотные (ВЧ) сигналы произвольной поляризации.

Антенны с качанием луча, как правило, должны обладать широкой полосой пропускания рабочих частот. Особенно это важно для ФАР при больших углах качания луча (±45°) и большой апертуре антенны. Это вызвано тем, что входное сопротивление полуволновых вибраторов в составе ФАР в достаточно широких пределах изменяется в зависимости от изменения частоты и от угла сканирования. Поэтому согласование входного сопротивления вибраторов, используемых в ФАР с большими углами качания луча, является одной из важнейших задач при их проектировании и реализации.

Примером фазированных антенных решеток с хорошим согласованием служат антенны, где каждый излучатель представляет собой систему взаимно ортогональных вибраторов с раздельным возбуждением [1].

Систему из двух перпендикулярных вибраторов с совмещенными фазовыми центрами принято называть турникетной антенной или турникетным излучателем (ТИ). Очевидно, что подбором соотношения амплитуд и фаз токов на входах ТИ в направлении максимального излучения может быть обеспечена любая желаемая поляризация поля.

Известна двухдиапазонная многолучевая приемопередающая ФАР [2], состоящая из антенного фрагмента (АФ), представляющего собой линейную решетку из двух рядов по три турникетных излучателя в строке, образующих гексагональную сетку. Излучатели расположены с определенным периодом в строке и между строк над общим экраном. Каждый ТИ состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию печатных вибраторов, выполненных на диэлектрических подложках совместно с симметрирующими устройствами в виде щели, замкнутой на одном конце. Щель разделяет вибратор на два плеча, образуя тем самым щелевой волновод, к которому подсоединены плечи вибратора. Возбуждение плеч вибраторов осуществляется полосковой линией с коаксиально-полосковым переходом на конце (нижнее возбуждение).

В этой антенне используются симметрирующее устройство в виде щелевого волновода и бесконтактная схема возбуждения, что приводит к сужению полосы пропускаемых частот отдельного вибратора и существенно сказывается на согласовании при качании луча в пределах ±45° в составе решетки. Не случайно рассмотренные в статье реальные конструкции антенных устройств на ТИ, работающие в диапазонах частот: 800900 МГц и 18301990 МГц, реализованы лишь для полос пропускания 11,8% и 8,3%, соответственно. А приведенная в статье полоса пропускаемых частот 20-40% для одиночного вибратора не может быть реализована в составе больших антенных решеток. Для расширения полосы пропускания потребуется применение специальных мер по согласованию.

Наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом, является антенный фрагмент ФАР с управляемой поляризацией [3], содержащий четыре печатных ТИ, каждый из которых (см. фиг.1) состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов 2, расположенных с определенным периодом в строке и между строк над общим проводящим экраном 1 на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона (ср/4) и закрытых общим радиопрозрачным укрытием (РПУ). Каждый печатный вибратор выполнен на общей диэлектрической подложке 4 по классической схеме верхнего питания и содержит полосковые проводники, образующие плечи вибратора, конструктивно объединенные с симметрирующим устройством 5, 5а. Симметрирование и возбуждение каждого вибратора, входящего в антенный фрагмент, осуществляется тремя связанными полосковыми проводниками 5, 5а, 7 длиной cp/4, два из которых, средний 5 и левый крайний 5а, образуют щелевой волновод, верхние концы которого гальванически подключены к плечам вибратора, а нижние - короткозамкнуты. Третий правый крайний 7 проводник, являющийся запитывающей линией и имеющий настроечный элемент, выполненный в виде ступеньки 8 в полоске 7, нижним концом соединен с ВЧ разъемом 9, расположенным на плате, а верхним - с плечом печатного вибратора 2, который подключен к левому крайнему полосковому проводнику. Такая конструкция обеспечивает развязку между входными каналами турникетного излучателя не менее 20 дб.

К недостаткам прототипа следует отнести небольшую ширину рабочей полосы пропускания (при уровне КСВ 2,17-2,3) частот, СВЧ потери в подложке платы, низкую электропрочность, не идентичность каналов, определяемую конструктивной схемой ТИ.

Предлагаемая полезная модель фрагмента ФАР более технологична, т.к. в ней имеется возможность объединения двух идентичных ТИ на одной двухсторонней печатной плате, а ВЧ узлы симметрирования и возбуждения, выполняющие одновременно и роль опор для ТИ, изготавливаются отдельно. Стыковка с ТИ производится во время общей сборки турникетного фрагмента совместно с РПУ, что подчеркивает ее технологичность в условиях производства.

Можно ожидать, что предлагаемая полезная модель позволит объединить на одной печатной плате любое количество ТИ - все будет определяться возможностями технологического оборудования и размерами используемых материалов для ТИ.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение характеристик ФАР, в части расширения полосы пропускания, улучшения равномерности развязки между входами вибраторов, обеспечения идентичности каналов, улучшения технологичности, повышения электрической прочности, снижения СВЧ потерь и реализации низкого уровня коэффициента стоячей волны (КСВ) в полосе частот не менее 30%.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в антенном фрагменте ФАР с управляемой поляризацией, представляющем собой линейную антенную решетку по четыре ТИ, расположенных с периодом dx, dy в строке и между строк и закрытых общим РПУ, при этом каждый ТИ выполнен по классической схеме верхнего питания и состоит из двух ортогонально пересекающихся полуволновых печатных вибраторов, объединенных в объемную конструкцию с настроечными элементами (разомкнутыми реактивными шлейфами (РРШ)) и высокочастотным (ВЧ) узлом симметрирования и возбуждения над общим проводящим экраном на высоте ср/4, ТИ расположен в плоскости, параллельной проводящему экрану, и выполнен на одной двухсторонней печатной плате (снижающей СВЧ потери в печатной плате), а запитывающий ВЧ узел располагается в перпендикулярной плоскости, является опорой для плеч вибратора, при этом каждый вибратор противофазно запитывается и возбуждается от своего ВЧ узла за счет использования в вибраторе двух ортогонально пересекающихся "U" колен на связанных полосковых (печатных или металлических) линиях, плечи ТИ гальванически соединяются с четырьмя выходами "U" колен с помощью винтов с последующей их опайкой.

Для обеспечения существенного расширения полосы пропускаемых частот ТИ сверху основной платы симметрично относительно центра ТИ располагаются настроечные элементы - крестообразные РРШ, оси симметрии которых совпадают с осями симметрии вибраторов входящих в ТИ, длина настроечных элементов ~ср/8.

Электрическая связь между РРШ и плечами ТИ осуществляется с помощью окна связи, которое выполнено, например, в виде крестообразной щели, и расположено в центре ТИ с нижней стороны РРШ.

Отличительной особенностью фрагмента ФАР от прототипа является то, что ТИ образован на одной двухсторонноей печатной плате вместо 2х односторонних вертикально пересекающихся печатных плат в прототипе.

Для пояснения конструкции предлагаемой полезной модели представлены:

На фиг.1 - конструктивная схема печатного ТИ (прототипа)

На фиг.2 - конструктивная схема антенного фрагмента с управляемой поляризацией.

На фиг.3 - конструктивная схема печатного ТИ в сборе предлагаемой полезной модели фрагмента ФАР.

На фиг.4 (а, б, в) - экспериментальные данные, подтверждающие технический результат предлагаемой конструкции ТИ (расширение полосы пропускания).

Для того чтобы реализовать ТИ, необходимо изготовить систему из двух пересекающихся вибраторов на одной горизонтальной плате с совмещенными фазовыми центрами (см. фиг.3).

Предлагаемая конструкция антенного фрагмента для ФАР с управляемой поляризацией снабжена проводящим экраном 1 (металлическим отражателем), роль которого выполняет корпус приемопередающего модуля (НИМ). Один антенный фрагмент объединяет в единую конструкцию четыре ТИ 2, которые устанавливаются на корпусе НИМ и закрыты общим РПУ 1а (см. фиг.2).

Подключение ТИ к разъемам НИМ выполняется за счет применения полужестких или гибких кабелей 6, размещаемых на полосках 5, 5а U колена.

В конструкции ТИ сверху настроечного элемента 3 устанавливаются диэлектрические фиксаторы 10 для фиксации плат печатных вибраторов вдоль оси симметрии, которые в антенном фрагменте поджимаются корпусом РПУ 1а. Диэлектрический фиксатор 10 представляет собой пенопластовый невысокий цилиндр, который устанавливается выше РРШ 3 (см. фиг.2).

Четыре антенных фрагмента образуют подрешетку ФАР. Подрешетки являются составными частями большой ФАР и строятся по гексагональной (треугольной) схеме, что позволяет сократить число элементов ФАР на 16% (по сравнению с квадратной схемой размещения подрешетки ТИ) и избежать дифракционных «боковиков». В частности, общее количество подрешеток, входящих в ФАР с большой апертурой и большим углом качания луча, может составлять более одной тысячи штук.

Принцип работы антенного фрагмента заключается в том, что находясь в поле плоской падающей волны, он, являясь пассивным устройством, своими ТИ в соответствии с известными и присущими им характеристиками принимает ВЧ сигналы двух линейных поляризаций для дальнейшей их обработки в ППМ. При передаче с помощью ТИ излучаются ВЧ сигналы произвольной управляемой поляризации, сформированные в ППМ.

Суммарное поле ВЧ сигналов от всех ППМ образует ВЧ поле всей антенны в дальней зоне и представляет собой суммарную управляемую диаграмму направленности ФАР.

Из всех известных способов согласования входного сопротивления вибраторов в полосе частот наиболее приемлемым является способ применения дополнительных цепей связи [4].

Параллельное подключение РРШ 3 крестообразной формы к плечам вибраторов ТИ позволяют существенно расширить полосу пропускания вибраторов ТИ за счет взаимной компенсации реактивных составляющих входных сопротивлений вибраторов, короткозамкнутых шлейфов 5, 5а (U колено) и РРШ 3.

На фиг.4 (а, б, в) приведены результаты макетирования ТИ на одной горизонтально расположенной двухсторонней печатной плате в полосе частот от 1 Ггц до 1,8 Ггц.

Прогнозируемые рабочие характеристики ТИ были подтверждены результатами испытаний при макетировании одиночных излучателей и в составе антенной решетки из ТИ.

Предлагаемый антенный фрагмент ФАР с управляемой поляризацией представляет собой линейную решетку, содержащую четыре печатных ТИ 2. Каждый ТИ 2 состоит из двух объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов. ТИ 2 упорядоченно размещены на одной линии на расстоянии, равном 0,64 друг от друга, и на высоте, равной ср/4 рабочего диапазона над общим проводящим экраном 1.

Каждый из вибраторов 2 выполнен на диэлектрической двухсторонней подложке 4 (фиг.3) по классической схеме верхнего питания.

Симметрирование и возбуждение вибраторов 2 каждого турникетного излучателя, входящих в антенный фрагмент, осуществляется двумя связанными полосковыми проводниками 5, 5а длиной ср/4 короткозамкнутыми в нижней части и ВЧ кабелем 6 проложенным на одной из связанных линий, гальваническое соединение жилы и брони ВЧ кабеля методом пайки осуществляется в верхней части U колена.

На фиг.4 для сравнения приведены пунктиром характеристики одиночного печатного ТИ (прототипа) настроечных элементов РРШ.

Предложенная схема АФ перспективна для антенн с большой апертурой и большими углами качания луча. АФ технологичен, регулировку ТИ для ФАР осуществляют лишь в период разработки, регулировка ТИ в составе АФР не требуется в связи с расширенной полосой пропускания ТИ по сравнению с рабочей полосой (9-10%). В этой полосе развязка составляет не менее 25 Дб, при качании луча в Е и Н плоскостях решетки из трех излучателей на углы ±45° КСВ составит 2,2-2,5.

Таким образом, за счет того, что в антенном фрагменте ФАР с управляемой поляризацией, представляющем собой линейную антенную решетку по четыре ТИ, расположенных с периодом dx, dy в строке и между строк и закрытых общим РПУ, при этом каждый ТИ выполнен по классической схеме верхнего питания и состоит из двух ортогонально пересекающихся полуволновых печатных вибраторов, объединенных в объемную конструкцию с настроечными элементами (РРШ) и ВЧ узлом симметрирования и возбуждения над общим проводящим экраном на высоте ср/4, ТИ расположен в плоскости, параллельной проводящему экрану, и выполнены на одной двухсторонней печатной плате, а запитывающий ВЧ узел располагается в перпендикулярной плоскости, является опорой для плеч вибратора, при этом каждый вибратор противофазно запитывается и возбуждается от своего ВЧ узла за счет использования двух ортогонально пересекающихся "U" колен на связанных полосковых (печатных или металлических) линиях, плечи ТИ гальванически соединяются с четырьмя выходами "U" колен с помощью винтов с последующей их опайкой, настроечные элементы (РРШ) выполнены в крестообразной форме, с окнами связи с нижней стороны, их оси симметрии совпадают с осями симметрии вибраторов, входящих в ТИ, обеспечивается улучшение характеристик ФАР, в части расширения полосы пропускания, улучшения равномерности развязки между входами вибраторов, обеспечения идентичности каналов, улучшения технологичности, повышения электрической прочности, снижение СВЧ потерь и реализации низкого уровня коэффициента стоячей волны в полосе частот не менее 30%.

Список использованной литературы.

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. \ под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и Связь, 1981. стр.33.

2. Бей Н.А., Прилуцкий А.А. Двухдиапазонные многолучевые приемопередающие фар для систем сотовой связи третьего поколения. Антенны. 2005, вып.10 (101) с 48.

3. Патент РФ 92745, H01Q 21/26, заявка 2009144253 от 30.11.2009.

4. Сканирующие антенные системы СВЧ. 4.2. - /перевод с англ. под ред. Г.Т.Маркова, А.Ф.Чаплина. - М.: Советское радио, 1969, с.459-460, 474-490

5. Г.З.Айзенберг. - Антенны ультракоротких волн. - М.: "Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио", 1957. стр.262, 263.

1. Антенный фрагмент фазированной антенной решетки с управляемой поляризацией, представляющий собой линейную антенную решетку по четыре турникетных излучателя (ТИ), расположенных с периодом dx, dy в строке и между строк и закрытых общим радиопрозрачным укрытием, при этом каждый ТИ выполнен по классической схеме верхнего питания и состоит из двух ортогонально пересекающихся полуволновых печатных вибраторов, объединенных в объемную конструкцию с настроечными элементами (разомкнутыми реактивными шлейфами (РРШ)) и высокочастотным (ВЧ) узлом симметрирования и возбуждения над общим проводящим экраном на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона, отличающийся тем, что ТИ расположен в плоскости, параллельной проводящему экрану, и выполнен на одной двухсторонней печатной плате, а запитывающий ВЧ узел располагается в перпендикулярной плоскости и является опорой для плеч вибратора, при этом каждый вибратор противофазно запитывается и возбуждается от своего ВЧ узла за счет использования в вибраторе двух ортогонально пересекающихся "U" колен на связанных полосковых (печатных или металлических) линиях, плечи ТИ гальванически соединяются с четырьмя выходами "U" колен с помощью винтов с последующей их опайкой, настроечные элементы (РРШ) располагаются сверху основной платы излучателя, выполнены в крестообразной форме, и имеют окна связи с нижней стороны, причем оси симметрии РРШ совпадают с осями симметрии вибраторов, входящих в ТИ.

2. Антенный фрагмент по п.1, отличающийся тем, что длина настроечного элемента (РРШ) равна примерно одной восьмой части средней длины волны рабочего диапазона.