ДВУХДИАПАЗОННАЯ СОВМЕЩЕННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1996 года по МПК H01Q21/30 

Изобретение относится к радиоэлектронике, антенной технике, преимущественно сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Известны многодиапазонные антенны сантиметрового диапазона (см. "Зарубежная радиоэлектроника" N 3, 1978, стр.38-62) [1] Двухчастотные антенные решетки частный случай таких антенн. В известных двухдиапазонных антеннах решена задача "совмещения разночастотных антенн в одном излучающем раскрыве" (см. Л.И. Пономарев "Сканирующие многочастотные антенные решетки"
гл. 6 в кн. "Проблемы антенной техники"/ Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. Радио и связь, 1989 [2]
Аналогами изобретения являются двухдиапазонные совмещенные антенные решетки (Л.И. Пономарев, Л.В. Гордиенко, А.Ю. Павлов, "Исследование характеристик сканирующих двухчастотных совмещенных вибраторных антенных решеток". Изв. ВУЗов, "Радиоэлектроника", т. 36, N 5, 1993, стр. 41-48 [3] и Л.И. Пономарев, В. И. Степаненко, "Результаты анализа и оптимизации двухчастотной совмещенной волноводной ФАР". В кн. "Антенны". Сборник статей. Вып. 34/ Под ред. А.А. Пистолькорса. М. Радио и связь, 1986, стр. 68-84 [4]). Решетки аналоги содержат раскрыв, заполненный излучателями двух типоразмеров: в первом случае это вибраторы, во втором открытые концы волноводов. Известно также, что в антенных решетках могут использоваться печатные излучатели (А.Ф. Чаплин, И. Г. Яковенко, Е.М. Ящишин, "Исследование некоторых видов печатных решеток". В кн. "Антенны". Сборник статей. Вып. 32/ Под ред. Д.И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1985, стр. 63-75 [5]). Существуют, например, полосковые антенные решетки бегущей волны, представляющие систему параллельных полосковых линий с излучающими неоднородностями, обладающие из-за отсутствия резонансных элементов достаточной широкополосностью (Н.Д. Козырев "Антенны космической связи". Учебное пособие для ВУЗов. М. Радио и связь, 1990, рис. 2.27 на стр. 63 [6]). Антенная решетка не является двухдиапазонной.

Недостатки решеток-аналогов, общая классификация которых приведена в [2] следующие: сложность конструкции, проблемы с обеспечением одномодовых режимов, отсутствие планарности, нетехнологичность.

Прототипом изобретения является антенная решетка [2] п. 7 на стр. 112. Решетка-прототип содержит общий (совмещенный) раскрыв с излучателями, который в первом диапазоне возбуждается фидерами как обычная решетка, а во втором диапазоне "образует импедансную структуру, возбуждаемую от облучателей, расположенных на периферии раскрыва". В двухдиапазонной антенне-прототипе первый диапазон высокочастотный, а второй низкочастотный.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции и большие размеры облучателя и возбудителя импедансной структуры раскрыва во втором диапазоне. Недостатки обусловлены принципом распределения частот: раскрыв как импедансная структура возбуждается на низких частотах, где размеры известных облучателей и возбудителей велики, в повышение их эффективности требует усложнения конструкции.

Решаемой технической задачей является уменьшение размеров и упрощение конструкции двухдиапазонной совмещенной антенной решетки. Ее решение обеспечивается тем, что в двухдиапазонной совмещенной антенной решетке, состоящей из излучателей и фидеров первого диапазона, образующих импедансную структуру для второго диапазона в раскрыве решетки, и размещенных на периферии раскрыва облучателя и возбудителя импедансной структуры, фидеры первого диапазона выполнены в виде параллельно расположенных несимметричных полосковых линий на общей металлизированной с экранной стороны диэлектрической подложке, излучатели первого диапазона выполнены в виде неоднородностей, периодически расположенных в поле полосковых линий, между полосковыми проводниками полосковых линий параллельно проводникам расположены дополнительные полосковые проводники так, что образуют совместно с полосковыми проводниками полосковых линий на поверхности диэлектрической подложки дифракционную решетку, являющуюся импедансной структурой для второго диапазона, возбудитель импедансной структуры для второго диапазона выполнен в виде рупорного возбудителя поверхностной E-волны диэлектрической подложки с частотой возбуждения выше частоты возбуждения неоднородностей первого диапазона.

Существенными отличительными признаками изобретения являются: реализация фидеров первого диапазона в виде параллельно расположенных несимметричных полосковых линий на общей металлизированной диэлектрической подложке, излучателей первого диапазона в виде неоднородностей, периодически расположенных в поле полосковых линий, расположение на поверхности диэлектрической подложки дополнительных полосковых проводников параллельно полосковым проводникам полосковых линий так, что все полосковые проводники образуют импедансную структуру второго диапазона в виде дифракционной решетки, возбуждаемой во втором диапазоне рупорным возбудителем поверхностей E-волны диэлектрической подложки с частотой возбуждения выше частоты возбуждения неоднородностей первого диапазона.

На фиг. 1 изображена конструкция двухдиапазонной совмещенной антенной решетки с излучающими неоднородностями первого диапазона в виде печатных шлейфов, подключенных к полосковым линиям, и фокусирующим устройством облучения второго диапазона в виде параболического цилиндра. На фиг. 2 изображен вариант исполнения излучающих неоднородностей первого диапазона в виде ступенек скачков ширины полоскового проводника полосковой линии. На фиг. 3 изображен вариант исполнения излучающих неоднородностей первого диапазона в виде печатных дисков с электромагнитной связью по полю с полосковой линией. На фиг. 4 изображен вариант излучающих неоднородностей первого диапазона в виде щелей в экранной металлизации подложки под полосковым проводником полосковой линии, расположенных перпендикулярно по проводнику. На фиг. 5 изображена конструкция двухдиапазонной совмещенной антенной решетки с фокусирующим устройством облучения второго диапазона в виде линзы на кромке диэлектрической подложки. На фиг. 6 изображена конструкция двухдиапазонной совмещенной антенной решетки с двумя облучателями второго диапазона, фокусирующим устройством в виде апланатической линзы на кромке диэлектрической подложки, полосковым делителем мощности и фазовращателями первого диапазона.

Двухдиапазонная совмещенная антенная решетка на фиг. 1 содержит металлизированную с экранной стороны диэлектрическую подложку 1, на которой расположены параллельно полосковые проводники 2, образующие совместно с диэлектрической подложкой 1 полосковые линии фидеры первого диапазона. Расстояние между полосковыми проводниками 2 не превышает длины волны первого диапазона. С полосковыми проводниками 2 кондуктивно связаны печатные шлейфы 3, точки подключения которых периодически расположены вдоль полосковых проводников 2. "Период" в расположении печатных шлейфов 3, являющихся на фиг. 1 неоднородностями-излучателями первого диапазона, близок к длине волны первого диапазона в полосковой линии. Вблизи одной кромки диэлектрической подложки 1 концы полосковых проводников 2 соединены через резисторы 4 с заземленными контактными площадками 5. Сопротивление резисторов 4 равно волновому сопротивлению полосковых линий, что обеспечивает режим бегущей волны в полосковых линиях при нерезонансных излучателях первого диапазона в широкой полосе частот. Противоположные концы проводников 2 в режиме передачи подключают к генератору первого диапазона, на фиг. 1 условно не показанному.

Между полосковыми проводниками 2 параллельно им расположены дополнительные полосковые проводники 6, ширина которых, количество, расстояние между которыми, а также расстояние до полосковых проводников 2 выбраны такими, что проводники 6 совместно с проводниками 2 образуют для второго диапазона на поверхности диэлектрической подложки 1 импедансную структуру в виде дифракционной решетки. Это обеспечивается при приблизительном равенстве ширины полосковых проводников 2 ширине дополнительных полосковых проводников 6, а также приблизительном равенстве всех расстояний между параллельно расположенными проводниками. Период дифракционной решетки близок к длине поверхностной E-волны второго диапазона в примененной на фиг. 1 диэлектрической подложке 1. Этот период определяет количество дополнительных полосковых проводников 6, размещенных между каждой парой полосковых проводников 2 с учетом того, что, как отмечено выше, расстояние между парой полосковых проводников 2 не превышает длины волны первого диапазона.

Выбор отношения ширины полосковых проводников 2 (а также ширины дополнительных полосковых проводников 6) к периоду дифракционной решетки зависит от соотношения многих параметров: диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки 1, толщины ее, размеров апертуры в плоскости E, КИП раскрыва, длины волны второго диапазона. Кроме того, следует учитывать возможность появления паразитных резонансов при "широких" полосковых проводниках 2, "толстых" подложках 1 и их "малой" диэлектрической проницаемости на частотах первого диапазона. Для подавления возможных паразитных резонансов в первом диапазоне концы дополнительных проводников 6 следует соединить с условно не показанными на фиг. 1 "заземленными" резисторами, как это изображено на фиг. 1 для полосковых проводников 2 и резисторов 4.

У кромки диэлектрической подложки 1, параллельной полосковым проводникам 2, расположен рупорный возбудитель 7 поверхностной E-волны в виде металлической коробчатой конструкции, выполняющей на фиг.1 также функцию отражающего фокусирующего устройства, поскольку одна "грань" конструкции имеет профиль параболического цилиндра, в фокусе которого размещен облучатель в виде открытого конца волновода 8 с фланцем. Кромка диэлектрической подложки 1 расположена в рупорном раскрыве возбудителя 7 поверхностной E-волны диэлектрической подложки. Металлизация экранной стороны диэлектрической подложки 1 соединена с коробчатой металлической конструкцией рупорного возбудителя 7.

Рассмотрим работу двухдиапазонной совмещенной антенной решетки фиг. 1 в режиме передачи.

В первом диапазоне излучателями на фиг. 1 являются неоднородности фидерного тракта в виде печатных шлейфов 3, размещенных периодически в поле фидеров первого диапазона параллельно расположенных полосковых линий с полосковыми проводниками 2. Регулярная антенная решетка из таких излучателей в раскрыве возбуждается от генератора первого диапазона, на фиг. 1 условно не показанного, подключаемого посредством также не показанного на фиг. 1 фазированного делителя мощности к ненагруженным резисторами 4 концам полосковых проводников 2 и экранной металлизации диэлектрической подложки 1. Бегущая волна первого диапазона возбуждает неоднородности, поля излучения которых, суммируясь в дальней зоне, формируют в верхнем полупространстве диаграмму направленности в соответствии с амплитудно-фазовыми соотношениями токов в раскрыве. Резисторы 4 поглощают неизлученную часть мощности, предотвращая формирование "вредных" лепестков диаграммы направленности отраженной волной. Амплитудно-фазовое распределение токов помимо не показанного на фиг. 1 фазированного делителя зависит также от ширины и длины печатных шлейфов 3, которые могут быть разными в разных точках раскрыва. Дополнительные полосковые проводники 6 слабо возбуждаются в первом диапазоне.

Способ подавления возможных резонансов рассмотрен выше. Математические соотношения для оценки параметров раскрыва в первом диапазоне не отличаются от приведенных в кн. "Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Учебное пособие для ВУЗов/ Под ред. Д.И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1981 [7]
Во втором диапазоне для работы в режиме передачи к фланцу волновода 8 следует подключить выход условно не показанного на фиг. 1 генератора второго диапазона. Мода H₁₀ излучается открытым концом волновода 8 внутрь коробчатой металлической конструкции рупорного возбудителя 7 поверхностной E-волны; волна падает на параболический цилиндрический отражатель коробчатой конструкции, переотражается им и синфазно возбуждает раскрыв собственно рупорного возбудителя 7, что приводит к возбуждению в металлизированной диэлектрической подложке 1 поверхностной E-волны. Последняя, распространяясь вдоль подложки 1, достигает импедансной структуры в виде дифракционной решетки из полосковых проводников 2 и дополнительных полосковых проводников 6. Период дифракционной решетки близок к длине поверхностной E-волны, поэтому дифракционная решетка возбуждается и излучает как синфазно возбужденная апертура в верхнее полупространство, формируя главный лепесток диаграммы направленности. Изменением в некоторых пределах ширины полосковых проводников 2 и 6 и периода дифракционной решетки по раскрыву можно создать требуемое амплитудно-фазовое распределение токов во втором диапазоне.

Излучающие неоднородности первого диапазона печатные шлейфы 3 занимают лишь незначительную часть раскрыва и слабо влияют на работу антенной решетки во втором диапазоне, увеличивая, тем не менее, уровень боковых лепестков. Снизить уровень можно, например, неэквидистантным расположением излучающих неоднородностей первого диапазона: [2] стр. 136.

Решение технической задачи уменьшения размеров и упрощения конструкции антенной решетки объясняется тем, что второй диапазон возбуждения импедансной структуры раскрыва в виде дифракционной решетки более высокочастотный, чем первый диапазон (в прототипе наоборот), что позволило сделать компактными возбудитель, фокусирующее устройство и облучатель второго диапазона; полосковые проводники 2 полосковых нитей фидеров первого диапазона являются одновременно проводниками дифракционной решетки на поверхности диэлектрической подложки 1 импедансной структуры второго диапазона, что помимо конструктивного преимущества дает еще и технологическое.

Излучающие неоднородности первого диапазона могут быть очень разными: фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, и т.п.

На фиг 2 излучающими неоднородностями первого диапазона являются ступеньки 9 скачков ширины полосковых проводников 2.

На фиг. 3 показана возможная форма неоднородностей-излучателей первого диапазона в виде печатных дисков 10, связанных по полю с полосковыми линиями (некондуктивная связь), см. рис. 2.36 на стр. 64 в кн. Б.А. Панченко, Е.И. Нефедов "Микрополосковые антенны". М. Радио и связь, 1986 [8]
Особый интерес представляют неоднородности-излучатели первого диапазона (фиг. 4) в виде щелей 11, выполненных в экранной металлизации диэлектрической подложки 1 под полосковыми проводниками 2 полосковых линий перпендикулярно этим проводникам. Их влияние на работу антенны во втором диапазоне минимально из-за ортогональности токов двух диапазонов в экранной металлизации диэлектрической подложки 1. Выбор того или иного типа неоднородностей для конкретных применений зависит от требуемой поляризации, соотношения частот двух диапазонов, применяемых материалов диэлектрических подложек и т.д.

Рассмотрим двухдиапазонную совмещенную антенную решетку (фиг. 5). Она отличается от конструкции на фиг. 1 тем, что возбудитель 12 поверхностной E-волны конструктивно объединен с облучателем в виде H-секториального рупора, фланец которого служит для подключения (в режиме передачи) к выходу генератора второго диапазона, на фиг. 5 условно не показанного. Фокусировка в плоскости H антенной решетки на фиг. 5 осуществляется диэлектрической линзой, выполненной на кромке диэлектрической подложки 1; профиль линзы показан на фиг. 5 пунктиром. Излучатели первого диапазона выполнены в виде печатных дисков, подобных изображенным на фиг. 3.

Работа антенной решетки на фиг. 5 не требует дополнительных пояснений.

На фиг. 6 изображена двухдиапазонная совмещенная антенная решетка, содержащая два H-секториальных рупорных облучателя 13 с фланцами для второго диапазона, размещенных в коробчатой экранирующей конструкции рупорного возбудителя 14 поверхностной E-волны диэлектрической подложки 1. Фокусировка в плоскости H осуществляется апланатической линзой на кромке подложки 1. Это позволяет получить во втором диапазоне две независимые диаграммы направленности. На фиг. 6 схематично показаны управляемые фазовращатели 15 первого диапазона, например, подобные приведенным на рис. 21.5a, стр. 62 [7] реализованные печатной технологией на диэлектрической подложке 1, а также полосковый держатель мощности с полосковыми проводниками 16 для возбуждения антенной решетки в первом диапазоне. Такая конструктивная реализация удобна для использования двухдиапазонной совмещенной антенной решетки в качестве сканирующей ФАР.

Работа антенной решетки фиг. 6 в обоих диапазонах аналогична рассмотренным выше решеткам.

Отметим, что возможно построение на основе предложенных конструкций трехдиапазонных антенных решеток с низкочастотным третьим диапазоном. Для этого вдоль дополнительных полосковых проводников 6 следует периодически расположить излучающие неоднородности с периодом, равным длине волны третьего диапазона в полосковой линии фидере третьего диапазона, образованном дополнительными полосковыми проводниками 6 и металлизированной диэлектрической подложкой 1. Аналогично могут быть созданы и четырехдиапазонные антенные решетки.

Работоспособность предложенной антенной решетки подтверждена испытаниями макета, подобного фиг. 5. Первый диапазон трехсантиметровый, второй - восьмимиллиметровый; апертура 120•120 мм, диэлектрическая подложка из полиэтилена толщиной 2 мм. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: антенная техника сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Сущность изобретения: антенная решетка содержит излучатели и фидеры первого диапазона, образующие раскрыв в виде импедансной структуры для второго диапазона, а также размещенные на периферии раскрыва облучатель и возбудитель импедансной структуры. Импедансная структура выполнена в виде дифракционной решетки из полосковых проводников на поверхности металлизированной с экранной стороны диэлектрической подложки. Часть полосковых проводников дифракционной решетки, регулярно расположенных по раскрыву импедансной структуры, совместно с металлизированной диэлектрической подложкой образует несимметричные полосковые линии, являющиеся фидерами первого диапазона. В поле несимметричных полосковых линий периодически расположены неоднородности, например шлейфы, щели, печатные диски, являющиеся нерезонансными излучателями первого диапазона. Импедансная структура в виде дифракционной решетки возбуждается рупорным возбудителем поверхностной E-волны диэлектрической подложки на втором диапазоне более высокочастотном, чем первый. 6 ил.

Двухдиапазонная совмещенная антенная решетка, состоящая из излучателей и фидеров первого диапазона, образующих импедансную структуру для второго диапазона в раскрыве антенной решетки, и облучателя и возбудителя импедансной структуры, размещенных на периферии раскрыва антенной решетки, отличающаяся тем, что фидеры первого диапазона выполнены в виде параллельно расположенных несимметричных полосковых линий на общей диэлектрической подложке, металлизированной с экранной стороны, излучатели первого диапазона выполнены в виде неоднородностей, периодически расположенных в поле несимметричных полосковых линий, и между полосковыми проводниками несимметричных полосковых линий параллельно им расположены дополнительные полосковые проводники, образующие совместно с полосковыми проводниками несимметричных полосковых линий на поверхности диэлектрической подложки дифракционную решетку, являющуюся импедансной структурой для второго диапазона, а возбудитель импедансной структуры для второго диапазона выполнен в виде рупорного возбудителя поверхностной Е волны диэлектрической подложки с частотой возбуждения выше частоты возбуждения излучателей первого диапазона.