Антенный элемент фазированной антенной решетки с улучшенной частотной избирательностью

Антенный элемент фазированной антенной решетки с улучшенной частотной избирательностью относится к антенной технике и может быть использован в качестве антенного элемента низкопрофильной многоэлементной фазированной антенной решетки (ФАР), а также в качестве самостоятельного антенного элемента или в составе группы антенных элементов. Техническим результатом предполагаемого устройства является реализация улучшенной частотной избирательности антенного элемента, при обеспечении полосы пропускания 10-12% и сектора электронного сканирования ±60°, и дополнительным результатом является уменьшение на ~20% продольного размера антенного элемента по отношению к прототипу. Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом антенном элементе низкопрофильной ФАР, представляющем собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определенным шагом, и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном на высоте приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковый резонатор, полосковые проводники, образующие плечи вибратора, которые через питающую полосковую линию соединены с запитывающим элементом, кроме того, плечи вибратора загнуты на 90 градусов в сторону экрана, а плоскость установки вибратора, развернута на 45 градусов относительно продольной оси строк, при чем симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы пропускания антенного элемента осуществляется введенными дополнительными полосковыми резонаторами, представляющими собой набор полосковых линий, формирующими электромагнитную связь с плечами вибратора посредством краевого эффекта затекания электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора и кромки плеч вибратора, и соответствующей настройкой полосковых резонаторов, плеч вибратора и взаимного расположения их относительно друг друга. За счет того, что плечи вибратора на расстоянии ~/10 от центра загнуты на 90 градусов в сторону экрана, уменьшился его продольный размер по отношению к прототипу.

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве антенного элемента низкопрофильной многоэлементной фазированной антенной решетки (ФАР), а также в качестве самостоятельного антенного элемента или в составе группы антенных элементов.

К настоящему времени разработано и введено в действие достаточно много антенных систем (АС) наземного, воздушного, морского и космического базирования с электронным управлением луча (ЭУЛ). Это обстоятельство может послужить основанием для вывода о том, что основные принципы построения АС с ЭУЛ уже сложились [1, 2]. Однако возрастающие требования информационного обеспечения систем управления и разведки приводят к необходимости улучшения электрических характеристик, совершенствования конструкций и технологии производства АС в целом и отдельных элементов в частности, а современные вычислительные средства и программное обеспечение дает возможность их реализации.

В тех случаях, когда к АС 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, 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 антенной решетки 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.

Недостатками данного технического решения являются относительно большие габаритные размеры излучателя, которые неприемлемы для проектирования низкопрофильной многоэлементной ФАР, относительно узкий сектор электронного сканирования, составляющий ±45°, низкая частотная избирательность и необходимость регулировки за счет смещения в вертикальном направлении емкостных элементов.

Наиболее близкой по технической сущности является антенный элемент низкопрофильной фазированной антенной решетки (пат. RU 131241 U1, МПК H01Q 21/08, «Антенный элемент низкопрофильной фазированной антенной решетки», авторы: Анурин А.А., Санников М.Е.).

Данный антенный элемент представляет собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определенным шагом, и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном на высоте, приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковые проводники, образующие плечи вибратора, конструктивно объединенные с резонатором, представляющего собой полосковую линию с емкостными печатными или сосредоточенными элементами на концах линии и питающей полосковой линией, нижний конец которой соединен с запитывающим элементом, при этом симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы антенного элемента осуществляется полосковым резонатором, формирующими электромагнитную связь с плечами вибратора посредством щелевой неоднородности в месте соединения плеч вибратора и соответствующей настройкой резонатора, плеч вибратора и взаимного расположения их относительно друг друга, к тому же, с целью уменьшения взаимовлияния антенных элементов и увеличения сектора электронного сканирования ФАР до ±60° при обеспечении частотной полосы пропускания 10-12% плоскость установки вибратора развернута на 45 градусов по отношению к продольной оси строк, а плечи вибратора на расстоянии ~/7 от центра загнуты на 90 градусов в сторону экрана.

При работе фазированной антенной решетки в сложной электромагнитной обстановке часто требуется частотная избирательность антенного элемента, которую, указанное выше техническое решение, не обеспечивает, поэтому далее в тракте модуля устанавливается фильтрующий элемент, занимающий ощутимую часть полезного объема. К тому же рассогласование между фильтром и антенным элементом приводит к изрезанности амплитудно-фазовой характеристики тракта, характер которой меняется при изменении угла отклонения луча ДН ФАР, что в свою очередь негативно сказывается на качестве работы ФАР в целом.

Техническим результатом предполагаемой полезной модели является реализация улучшенной частотной избирательности антенного элемента, при обеспечении полосы пропускания 10-12% и сектора электронного сканирования ±60°, что позволяет устранить указанный выше недостаток прототипа и избежать установки фильтрующего элемента в модуле, тем самым достигается дополнительный результат - уменьшение на ~20% продольного размера антенного элемента по отношению к прототипу, что улучшает его массогабаритные показатели.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом антенном элементе низкопрофильной ФАР, представляющем собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определенным шагом, и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном на высоте приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковый резонатор, полосковые проводники, образующие плечи вибратора, которые через питающую полосковую линию соединены с запитывающим элементом, кроме того, с целью уменьшения взаимовлияния антенных элементов, плечи вибратора загнуты на 90 градусов в сторону экрана, а плоскость установки вибратора, развернута на 45 градусов относительно продольной оси строк, при чем симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы пропускания антенного элемента осуществляется введенными дополнительными полосковыми резонаторами, представляющими собой набор полосковых линий, формирующими электромагнитную связь с плечами вибратора посредством краевого эффекта затекания электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора и кромки плеч вибратора, и соответствующей настройкой полосковых резонаторов, плеч вибратора и взаимного расположения их относительно друг друга. За счет того, что плечи вибратора на расстоянии ~/10 от центра загнуты на 90 градусов в сторону экрана, уменьшился его продольный размер по отношению к прототипу.

Для повышения технологичности изготовления, антенный элемент, как и прототип, выполнен из одной печатной платы, которая может устанавливаться на запитывающий элемент либо методом пайки, либо методом механического крепления, обеспечивающего электрическую связь с полосковой линией, при этом, в процессе производства элемент не требует регулировки.

Для пояснения выше представленного описания заявляемого антенного элемента на фигурах изображены:

на фиг. 1 - конструкция антенного элемента;

на фиг. 2 - схема размещения над общим плоским экраном антенных элементов в составе ФАР;

на фиг. 3 - расчетные значения КСВ антенного элемента в составе ФАР при сканировании в азимутальной плоскости в секторе ±60°;

на фиг. 4 - расчетные значения КСВ антенного элемента в составе ФАР при сканировании в угломестной плоскости в секторе ±60°;

на фиг. 5 - расчетные значения КСВ антенного элемента в составе ФАР при сканировании в плоскости поперек излучателя в секторе ±60°;

на фиг. 6 - расчетные значения КСВ антенного элемента в составе ФАР при сканировании в плоскости вдоль излучателя в секторе ±60°;

на фиг. 7 - расчетное значение КСВ и значения КСВ 2х экспериментальных образцов одиночного антенного элемента (расположенного вне ФАР), содержащего два полосковых резонатора.

на фиг. 8 - экспериментальные характеристики частотной избирательности заявляемого антенного элемента и прототипа.

Предлагаемый антенный элемент представляет собой симметричный вибратор (см. фиг. 1), расположенный над проводящим экраном на высоте приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона и изготовленный по печатной технологии из двухсторонней фольгированной диэлектрической подложки 1, содержащей полосковые проводники, образующие плечи вибратора 2, конструктивно объединенные с полосковыми резонаторами 3, представляющими собой отрезки полосковых линий и питающую полосковую линию 5, нижний конец которой соединен с записывающим элементом 6, отличающийся от прототипа тем, что симметрированное возбуждение плеч вибратора 2 и формирование полосы антенного элемента осуществляется полосковыми резонаторами 3, формирующим электромагнитную связь с плечами вибратора 2 посредством краевого затекания 4 электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора 3 и кромки плеч вибратора 2 и соответствующей настройкой полосковых резонаторов 3, плеч вибратора 2 и взаимного расположения их друг относительно друга. Крутизна спада частотной характеристики антенного элемента определяется количеством полосковых резонаторов и величиной зазора между ними.

Для уменьшения взаимовлияния антенных элементов, улучшения частотной избирательности и уменьшения продольного размера антенного элемента при обеспечении частотной полосы пропускания 10-12% и сектора электронного сканирования±60°, плечи вибратора 2 на расстоянии ~/10 от центра загнуты на 90 градусов в сторону экрана (см. фиг. 1). Плоскость установки антенного элемента 7, как и в прототипе, развернута на 45 градусов по отношению к продольной оси строк (см. фиг. 2).

С целью повышения технологичности изготовления, антенный элемент, как и прототип, выполнен из одной печатной платы, которая может устанавливаться на запитывающий элемент 6 либо методом пайки, либо методом механического крепления, обеспечивающего электрическую связь с питающей полосковой линией 5, при этом в процессе производства элемент не требует регулировки.

Устройство (антенный элемент фазированной антенной решетки с улучшенной частотной избирательностью) работает следующим образом.

Электромагнитный сигнал подается с запитывающего элемента 6 через питающую полосковую линию 5 на полосковые резонаторы 3, последний из которых формирует электромагнитную связь с плечами вибратора 2 посредством краевого затекания 4 электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора 3 и кромки плеч вибратора 2.

Симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы антенного элемента осуществляется соответствующей настройкой резонаторов, плеч вибратора и взаимного расположения их относительно друг друга. Разворот плоскости установки вибратора на 45 градусов по отношению к продольной оси строк ФАР и загиб плеч вибратора на 90 градусов в сторону экрана позволяют обеспечить сектор сканирования ФАР в азимутальной и угломестной плоскостях до ±60°.

В качестве примера, подтверждающего работоспособность заявляемого антенного элемента, на фиг. 3, 4, 5 и 6 представлены, полученные в ходе электромагнитного моделирования, значения КСВ антенного элемента, расположенного в составе бесконечной ФАР, при сканировании в разных плоскостях в секторе ±60°.

В качестве примера, подтверждающего достоверность электромагнитного моделирования на фиг. 7 представлены расчетное значение КСВ и значения КСВ 2х экспериментальных образцов одиночного антенного элемента (расположенного вне ФАР), содержащего два полосковых резонатора, полученные входе моделирования 8, и полученные измерением 2х экспериментальных образцов 9.

В качестве примера, подтверждающего улучшенную частотную избирательность заявляемого антенного элемента, на фиг. 8 представлены результаты измерения частотной избирательной характеристики прототипа 10 и экспериментального образца заявляемого антенного элемента 11.

Таким образом, предлагаемая полезная модель по отношению к прототипу за счет введения полосковых резонаторов, формирующих электромагнитную связь с плечами вибратора посредством краевого затекания электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора и кромки плеч вибратора позволяет улучшить частотную избирательность антенного элемента ФАР и дополнительно уменьшить на ~ 20% продольный размер антенного элемента по отношению к прототипу, при обеспечении полосы пропускания 10-12% и сектора электронного сканирования ±60°.

Перечень литературы

1. Неганов В.., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. / под ред. В.А. Неганова - М.: Радиотехника, 2009. - 720 с.

2. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004.- 488 с.

Антенный элемент фазированной антенной решетки (ФАР) с улучшенной частотной избирательностью, представляющий собой излучатель, расположенный в составе ФАР с определённым шагом, и состоящий из симметричного вибратора, расположенного над проводящим экраном на высоте, приблизительно равной одной десятой средней длины волны рабочего диапазона, выполненного по печатной технологии на двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке и содержащего полосковый резонатор, полосковые проводники, образующие плечи вибратора, которые через питающую полосковую линию соединены с запитывающим элементом, кроме того, плечи вибратора загнуты на 90° в сторону экрана, а плоскость установки вибратора, развёрнута на 45° относительно продольной оси строк, отличающийся тем, что симметрированное возбуждение плеч вибратора и формирование полосы пропускания антенного элемента осуществляется введенными дополнительными полосковыми резонаторами, представляющими собой набор полосковых линий, формирующими электромагнитную связь с плечами вибратора посредством краевого эффекта затекания электромагнитной волны в месте наложения последнего полоскового резонатора и кромки плеч вибратора, и соответствующей настройкой полосковых резонаторов, плеч вибратора и взаимного расположения их относительно друг друга, причем плечи вибратора загнуты на 90° в сторону экрана на расстоянии ~/10 от центра.