Антенный фрагмент фазированной антенной решетки с управляемой поляризацией

Авторы патента:

H01Q21/26 - крестообразные и им подобные антенны, содержащие системы из трех и более удлиненных элементов, ориентированных в радиальном направлении симметрично вокруг общего центра в горизонтальной плоскости

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

Технический результат предлагаемой полезной модели - расширение полосы пропускаемых частот ФАР с управляемой поляризацией.

Для достижения этого результата в антенном фрагменте ФАР, содержащем N турникетных печатных излучателей, каждый из которых состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов, расположенных с определенным периодом в строке над общим проводящим экраном на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона, при этом каждый печатный вибратор выполнен на диэлектрической подложке по классической схеме верхнего питания, симметрирование и возбуждение каждого вибратора, входящего в антенный фрагмент, осуществляется тремя связанными полосковыми проводниками длиной ср/4, два из которых, средний и левый крайний, образуют щелевой волновод, верхние концы которого подключены к плечам вибратора, а нижние - короткозамкнуты, а третий крайний правый проводник, являющийся запитывающей связанной линией и имеющий настроечный элемент, выполненный в виде ступеньки, нижним концом соединен с ВЧ разъемом, расположенным на диэлектрической подложке (плате), а верхним - с плечом вибратора, который подключен к левому крайнему полосковому проводнику.

Антенны с качанием луча, как правило, должны обладать широкой полосой пропускания рабочих частот. Особенно это важно для фазированных антенных решеток (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 [Антенны и устройства СВЧ. (Проектирование фазированных антенных решеток) /Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981. с.33].

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

Известна двухлучевая антенная решетка, построенная на турникетных излучателях [Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3-го поколения. - Антенны, 2005, вып.10(101), с.52], состоящих из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию печатных вибраторов, расположенных над общим экраном на высоте /4. Каждый вибратор состоит из двух пластин фольгированного диэлектрика, которые в дальнейшем, при сборке, механически соединяются с помощью винтов и гаек. На внешних сторонах пластин методом травления выполнены конфигурации вибраторов со щелями, представляющими часть симметрирующего устройства. На внутренней стороне одной из пластин напечатана полосковая линия, пересекающая щель либо на высоте плеч вибратора, либо несколько ниже. Излучающая система со стороны ТИ закрыта радиопрозрачным обтекателем.

Бесконтактная схема возбуждения и симметрирующее устройство, выполненное в виде щелевого волновода, приводят к сужению полосы пропускаемых частот. Кроме того, каждый вибратор турникетного излучателя состоит из двух пластин фольгированного диэлектрика, что усложняет конструкцию вибратора, да и ФАР в целом.

Наиболее близкой по технической сущности, т.е. прототипом, является двухдиапазонная многолучевая приемопередающая ФАР [Бей Н.А., Прилуцкий А.А. Двухдиапазонные многолучевые приемопередающие ФАР для систем сотовой связи 3-го поколения. - Антенны, 2005, вып.10(101), с.48], состоящая из антенных фрагментов, представляющих 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.

В прототипе, так же как и в аналоге, 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, в статье описываемой прототип, рассмотренные реальные конструкции антенных устройств на турникетных излучателях, 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.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в антенном фрагменте ФАР с управляемой поляризацией, представляющим собой линейную решетку, содержащую четыре турникетных печатных излучателя, каждый из которых состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов, расположенных с определенным периодом в строке над общим проводящим экраном на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона, при этом каждый печатный вибратор выполнен на диэлектрической подложке по классической схеме верхнего питания и содержит полосковые проводники, образующие плечи вибратора, конструктивно объединенные с симметрирующим устройством, симметрирование и возбуждение каждого вибратора, входящего в антенный фрагмент, осуществляется тремя связанными полосковыми проводниками длиной ср/4, два из которых, средний и левый крайний, образуют щелевой волновод, верхние концы которого подключены к плечам вибратора, а нижние - короткозамкнуты, третий крайний правый проводник, являющийся запитывающей линией и имеющий настроечный элемент, выполненный в виде ступеньки, нижним концом соединен с ВЧ разъемом, расположенным на плате, а верхним - с плечом вибратора, который подключен к левому крайнему полосковому проводнику.

Для пояснения конструкции предлагаемой полезной модели представлены:

на фиг.1 - конструктивная схема антенного фрагмента ФАР с управляемой поляризацией;

на фиг.2 - диэлектрические подложки с топологией печатных вибраторов турникетного излучателя;

на фиг.3-печатные вибраторы турникетного излучателя;

на фиг.4 - турникетный излучатель в сборке;

на фиг.5 - эквивалентная схема полуволнового вибратора со связанной запитывающей линией;

на фиг.6 - результаты моделирования полуволнового вибратора возбуждаемого связанной линией;

на фиг.7 - экспериментальные данные, подтверждающие технический результат предлагаемой конструкции турникетного излучателя.

Предлагаемый антенный фрагмент 1 (АФ1) ФАР с управляемой поляризацией представляет собой линейную решетку, содержащую четыре турникетных печатных излучателя 2. Каждый ТИ 2 состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов 3, 3а. Турникетные излучатели 2 упорядоченно размещены на одной линии на расстоянии, равном 0,64 друг от друга, и на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона над общим проводящим экраном 4 (фиг.1).

Каждый из вибраторов 3, 3а выполнен на диэлектрической подложке 5 (фиг.2) по классической схеме верхнего питания.

Симметрирование и возбуждение вибраторов 3, 3а каждого турникетного излучателя 2, входящих в антенный фрагмент 1, осуществляется тремя связанными полосковыми проводниками 6, 7, 8 длиной ср/4. Средний проводник 6 и левый крайний проводник 7 образуют щелевой волновод, верхние 'концы которого подключены к плечам 9, 9а, например, вибратора 3, а нижние его концы - короткозамкнуты (фиг.3). Правый крайний проводник 8 является запитывающей линией, которая имеет настроечный элемент 10, выполненный в виде ступеньки. Причем ширина «Ш1» настроечного элемента 10 должна быть больше ширины «Ш» запитывающей линии 8. Ступенька 10 может быть реализована и на средней полоске 6, или на средней 6 и запитывающей 8 полосках, важно лишь то, чтобы эти настроечные элементы были напротив друг друга, и между ними был зазор «S» (фиг.4).

Запитывающая линия 8 комбинированно связана с элементами вибратора 3, а именно, электромагнитно со щелевым волноводом (наличие зазора S=4 мм на длине /4) и контактным способом с плечом 9 вибратора 3. Плечо 9 подключено к свободной левой крайней полоске 7. Нижний конец запитывающей линии 8 присоединен к ВЧ разъему 11 (фиг.4).

Для того чтобы реализовать турникетный излучатель 2, необходимо изготовить систему из двух пересекающихся вибраторов 3, 3а с совмещенными фазовыми центрами (фиг.4).

В предлагаемой конструкции турникетного излучателя 2, для совмещения вибраторов, по осям симметрии выполняются пропилы 12, для одного вибратора - сверху вниз, для другого - снизу вверх на половину высоты платы (фиг.3), при этом перерезаемый проводник после сборки вибраторов восстанавливается с помощью металлических перемычек методом пайки (фиг.4).

Показанные на фиг.4 заклепки 13 используются для крепления корпуса ВЧ разъема 11 к корпусу диэлектрической подложки (платы) 5. После крепления заклепки 13 опаиваются к фольгированному элементу платы.

Предлагаемая конструкция АФ 1 для ФАР с управляемой поляризацией снабжена металлическим отражателем 4 (экраном), роль которого выполняет корпус приемопередающего модуля (ППМ). Один антенный фрагмент 1 объединяет в единую конструкцию четыре турникетных излучателя 2, которые расположены на корпусе ППМ и закрыты общим радиопрозрачным укрытием 14 (РПУ) (фиг.1).

Подключение ТИ к разъемам ППМ выполняется без промежуточных ВЧ кабелей за счет некоторого перемещения плат вибраторов в прорезанных щелях в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в пределах допусков на точность установки центров ВЧ разъемов на корпусах ППМ.

Фиксацию плат печатных вибраторов 3, 3а относительно друг друга под углом 90° (необходимую -для обеспечения требуемой развязки между входами вибраторов XW1 и XW2) обеспечивает диэлектрический фиксатор 15. Кроме этого, фиксатор 15 обеспечивает также фиксацию плат печатных вибраторов вдоль оси симметрии, т.к. в АФ он, в свою очередь, поджимается корпусом РПУ 14. Фиксатор 15 представляет собой пенопластовый невысокий цилиндр, в котором ортогонально друг другу прорезаны пазы (фиг.1).

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% 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, при приеме своими турникетными излучателями в соответствии с известными и присущими им характеристиками, принимает ВЧ сигналы двух линейных поляризаций для дальнейшей их обработки в ППМ. При передаче с помощью турникетных излучателей излучаются ВЧ сигналы произвольной управляемой поляризации, сформированные в ППМ.

Суммарное поле ВЧ сигналов от всех ППМ образует ВЧ поле всей антенны и, следовательно, в дальней зоне, в соответствии с формулой R=2D²/, сформирует управляемую диаграмму направленности антенной решетки, где

D - апертура АФАР;

- длина рабочей волны;

R - расстояние до точки наблюдения дальней зоны.

Из всех известных способов согласования входного сопротивления вибраторов в полосе частот [Сканирующие антенные системы СВЧ. Ч.2. - /перевод с англ. под ред. Г.Т.Маркова, А.Ф.Чаплина. - М.: Советское радио, 1969, с.459-460, 474-490], наиболее приемлемым, является способ применения дополнительных цепей связи между фидерными линиями в схеме симметрирования и возбуждения. Введение третьей полосковой линии длиной /4, электромагнитно связанной со щелевым волноводом и гальванически с плечом вибратора, подключенным к другой крайней полоске, позволило получить широкополосное симметрирующее устройство. Кроме того, емкостные элементы настройки, выполненные в виде ступенек, ширина которых больше ширины запитывающих полосковых линий, также расширяют полосу пропускаемых частот ФАР.

На фиг.5 показана эквивалентная схема полуволнового вибратора со связанной линией (схема составлена из соображений симметрии плеч вибратора относительно фазового центра, т.е. рассматривается одна половина вибратора), где

R - сопротивление вибратора (половины);

L₁, C₁- индуктивность и емкость запитывающей линии;

L₂, С₂ - индуктивность и емкость плеча вибратора;

С₀ - емкость настроечного элемента.

А на фиг.6 приведены результаты моделирования этого полуволнового вибратора со связанной запитывающей линией и с одним емкостным настроечным элементом (сплошная линия). Сравнивая с традиционно применяемым полуволновым вибратором (пунктирная кривая), в полосе частот 30%, предлагаемый излучатель имеет преимущество, а именно, снижение КСВ с 3,0 до 1,5.

Заявителем была изготовлена партия печатных ТИ в соответствии с заявляемой формулой на полезную модель.

Прогнозируемые рабочие характеристики ТИ подтверждены результатами испытаний при макетировании (фиг.7). В полосе 15,4% без подстройки были получены следующие результаты:

- развязка между входами каналов	- 20-32 дб;
- КСВ	- 2,17-2,39.

Предложенная схема АФ перспективна для антенн с большой апертурой и большим углом качания луча. АФ технологичен, регулировку можно осуществлять в составе ФАР, за счет настроечных элементов.

1. Антенный фрагмент ФАР с управляемой поляризацией, представляющий собой линейную решетку, содержащую N турникетных печатных излучателей, каждый из которых состоит из двух ортогонально объединенных в объемную конструкцию симметричных печатных вибраторов, расположенных с определенным периодом в строке над общим проводящим экраном на высоте, равной четверти средней длины волны рабочего диапазона, при этом каждый печатный вибратор выполнен на диэлектрической подложке по классической схеме верхнего питания и содержит полосковые проводники, образующие плечи вибратора, конструктивно объединенные с симметрирующим устройством, и питающую полосковую линию, нижний конец которой соединен с коаксиально-полосковым переходом, отличающийся тем, что симметрирование и возбуждение каждого вибратора, входящего в антенный фрагмент, осуществляется тремя связанными полосковыми проводниками длиной cp/4, два из которых, средний и левый крайний, образуют щелевой волновод, верхние концы которого подключены к плечам вибратора, а нижние - короткозамкнуты, а третий крайний правый проводник, являющийся запитывающей связанной линией и имеющий настроечный элемент, выполненный в виде ступеньки, нижним концом соединен с ВЧ разъемом, расположенным на диэлектрической подложке (плате), а верхним - с плечом вибратора, который подключен к левому крайнему полосковому проводнику.

2. Антенный фрагмент по п.1, отличающийся тем, что роль проводящего экрана выполняет стенка корпуса приемопередающего модуля с установленными на ней ВЧ разъемами.

3. Антенный фрагмент по п.1, отличающийся тем, что подключение его к ВЧ разъемам приемопередающего модуля выполняется без промежуточных ВЧ кабелей, точность установки центров данных разъемов достигается путем некоторого перемещения плат вибраторов в прорезанных щелях в вертикальной и горизонтальной плоскостях.