МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ АДАПТАЦИЕЙ Российский патент 1999 года по МПК H01Q21/24 H01Q1/38 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к плоским микрополосковым антенным решеткам СВЧ диапазона с поляризационной адаптацией к излучаемому или принимаемому сигналам, и может найти применение в поляриметрических радиолокаторах для измерения параметров матрицы Мюллера, в радиоинтроскопах для дефектоскопии с помощью СВЧ волн при контроле технологических процессов, в строительстве, в медицинских диагностических и терапевтических СВЧ электромагнитных аппликаторах, в системах связи и метрологии.

Известна микрополосковая антенная решетка (Н. Entschladen, Nagel. Microstrip patch array antenna, Electron Letters,25 th October, 1984, v.20, N 22, pp. 931-933 ), содержащая нечетное количество полуволновых излучателей, выполненных в форме прямоугольника и разделенных между собой зазорами, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки, а боковые кромки излучателей расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки, центральный проводник отрезка входной коаксиальной линии передачи гальванически соединен с центральным излучателем антенной решетки, остальные излучатели связаны между собой электромагнитно. Антенная решетка с излучателями прямоугольной формы имеет линейную поляризацию, при выполнении излучателей квазиквадратной формы, из условия возбуждения двух ортогональных мод с равными амплитудами и в фазовой квадратуре обеспечивается круговая поляризация. Недостатками является невозможность осуществления поляризационной адаптации в режимах передачи и/или приема и невозможность разложения принимаемой волны на две ортогонально поляризованные компоненты.

Наиболее близким техническим решением - прототипом является плоская микрополосковая антенная решетка (патент Российской Федерации N 2087058. кл. H 01 Q 1/38 C1, 1997r.), содержащая нечетное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделены между собой зазорами одинаковой ширины, боковые кромки излучателей расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки, при этом центральный излучатель выполнен в форме квадрата, сторона которого равна половине длины волны, средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона излучателя равна половине длины волны, остальные излучатели плоской антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом возбуждающий элемент центрального излучателя подключен в одном его углу в точке пересечения одной и другой его смежных боковых, а к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, в точке, расположенной на середине боковой кромки, длиной, равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными боковыми кромками центрального излучателя соответственно, подключены возбуждающие элементы, идентичные возбуждающему элементу центрального излучателя, одни концы которого гальванически соединены о соответствующими излучателями, вторые концы возбуждающих элементов центрального и средних излучателей плоской микрополосковой антенной решетки гальванически соединены с введенной разводкой питания, выполненной в виде крестообразного ортогонального соединения четырех отрезков микрополосковых линий, оси которых попарно соосны и расположены параллельно центральным ветвям прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом диэлектрическая подложка разводки питания установлена параллельно диэлектрической подложке плоской микрополосковой антенной решетки, причем в центр крестообразного соединения четырех отрезков микрополосковых линий включен второй конец возбуждающего элемента центрального излучателя, а вторые концы возбуждающих элементов средних излучателей одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие отрезки микрополосковых линий крестообразного соединения по осевым линиям, при этом отрезок входной линии передачи подключен к продолжению одного из четырех отрезков микрополосковых линий крестообразного соединения, а длина остальных трех отрезков микрополосковых линий ограничивается точкой подключения соответствующего ему второго конца возбуждающего элемента крайнего среднего излучателя центральных ветвей прямоугольной координатной сетки.

Недостатками известного технического решения являются:
- наличие поляризационных потерь принимаемого антенной решеткой сигнала с ориентацией линейного вектора поляризации электрического поля в секторе углов больше 90^o и меньше 135^o;
- невозможность приема антенной решеткой сигнала с ориентацией линейного вектора поляризации электрического поля под углом 135^o;
- невозможность адаптации поляризационной характеристики антенной решетки;
- невозможность формирования антенной решеткой круговой или эллиптической поляризации сигнала в режиме излучения;
- невозможность работы антенной решетки в режиме приема, и в режиме передачи с поляризационно-модулированными сигналами.

Технической задачей данного изобретения является создание микрополосковой антенной решетки, обеспечивающей в приемопередающем режиме: - работать с сигнала любой линейной поляризации, ориентированной произвольно в секторе углов от 0^o до 180^o; - работать с сигналами любой круговой поляризации с правосторонним или левосторонним направлением вращения вектора поляризации; - в режиме приема принимать, а в режиме излучения формировать сигнал эллиптической поляризации с любым углом ориентации эллипса поляризации, с любым углом эллиптичности, с любым коэффициентом поляризации; - обеспечить в режиме излучения и в режиме приема полную поляризационную адаптацию для любого вида и параметров поляризации СВЧ сигнала; - обеспечить работу в режиме излучения и в режиме приема с любым видом поляризационно-модулированного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в микрополосковой антенной решетке, содержащей излучатели, выполненные в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделенные между собой, по каждой ветви прямоугольной координатной сетки, зазорами, а боковые кромки излучателей расположены параллельно соответствующим осям этой прямоугольной координатной сетки, при этом средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона излучателя равна половине длины волны, остальные излучатели антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине боковой кромки, длиной, равной длине волны, подключены возбуждающие элементы, выполненные в виде металлического штыря, одни концы которых гальванически соединены с соответствующими средними излучателями, а вторые концы гальванически соединены с разводкой питания, выполненной в виде четырех, ортогональных между собой, отрезков микрополосковых линий, оси которых попарно соосны и расположены параллельно центральным ветвям прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом диэлектрическая подложка разводки питания установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки, причем вторые концы возбуждающих элементов средних излучателей одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие отрезки микрополосковых линий разводки питания по осевым линиям, при этом отрезок входной линии передачи подключен к продолжению одного из четырех отрезков микрополосковых линий разводки питания, а введенные три отрезка входных линий передачи подключены к продолжению трех других отрезков микрополосковых линий разводки питания, при этом длина всех четырех отрезков микрополосковых линий разводки питания с другой стороны ограничивается точкой подключения соответствующего ему второго конца возбуждающего элемента средних излучателей, ближайших к началу координат одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки, причем микрополосковая антенная решетка содержит четное количество излучателей.

Микрополосковая антенная решетка структурно представляет собой две независимые взаимно перпендикулярные системы линеек излучателей, продольные оси которых параллельны соответствующим ветвям прямоугольной координатной сетки. Каждая линейка излучателей состоит из цепочки злектромагнитно связанных между собой пассивных излучателей в форме квадрата, со стороной, равной длине волны, и среднего активного излучателя в форме прямоугольника со сторонами, равными длине волны и половине длине волны соответственно, и соединенный возбуждающим элементом с соответствующим отрезком микрополосковой линии разводки питания. Каждой системе линеек излучателей присуще только то направление ориентации линейного вектора поляризации электрического поля, при котором продольная ось линейки излучателей будет параллельна соответствующей ветви прямоугольной координатной сетки. Поскольку каждый излучатель квадратной формы микрополосковой антенной решетки, соответствующей парой боковых кромок, одновременно входит в состав одной и другой систем линеек излучателей, то в каждом излучателе квадратной формы одновременно могут возбуждаться колебания двух независимых и ортогональных между собой линейных поляризаций - вертикальной и горизонтальной со своими значениями амплитудами и фазами. Каждая система средних активных излучателей, соответствующей ветви прямоугольной координатной сетки, разделена на две, и каждая из них объединена лучем - лучи положительного направления, первый луч ось ОХ и второй луч OY, и лучи отрицательного направления, третий луч ось - XO и четвертый луч ось -OY оси координат. Каждая из систем средних излучателей подключена к соответствующему отрезку микрополосковой линии разводки питания, которая в свою очередь подключена к соответствующей входной линии передачи. Ось - XOX с системой средних излучателей соответствует вертикальной составляющей линейного вектора поляризации сигнала, а ось -YOY с системой средних излучателей соответствует горизонтальной составляющей линейного вектора поляризации сигнала.

В режиме излучения, в зависимости от амплитуды и фазы СВЧ сигнала, подаваемого на каждую из четырех входных линий передачи разводки питания микрополосковой антенной решеткой, формируется электромагнитное поле заданного вида поляризации. Так, например, микрополосковая антенная решетка: при равноамплитудном и синфазном возбуждении первой и третьей систем средних излучателей, а второй и четвертой систем подключение к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с вертикальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при возбуждении второй и четвертой систем средних излучателей, а первой и третьей систем подключение к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с горизонтальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 0^o, 0^o,180^o, 180^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается линейно поляризованный сигнал с ориентацией вектора напряженности электрического поля под углом 45^o (относительно первого и второго лучей прямоугольной координатной сетки); при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 180^o, 180^o, 0^o, 0^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается сигнал с ориентацией вектора напряженности электрического поля под углом 135^o (относительного второго и третьего лучей прямоугольной координатной сетки); при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 0^o, 90^o, 0^o, 90^o, или 90^o, 0^o, 90^o, 0^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается сигнал круговой правосторонней или левосторонней поляризации, соответственно. Устанавливая амплитудно-фазовое распределение на первой, второй, третьей и четвертой системах средних излучателей по другим законам, можно: формировать излучаемый сигнал эллиптической поляризации, менять угол эллиптичности, менять угол ориентации эллипса поляризации и соотношение амплитуд большой и малой осей эллипса поляризации, т.е. коэффициент эллиптичности. Таким образом можно формировать различные виды поляризационной модуляции сигнала (К.Г. Гусев, А.Д. Филатов, А.П. Сополев / Поляризационная модуляция. М.: Сов. Радио, 1974, стр. 83).

В режиме приема, на апертуру антенной решетки падает поляризованная электромагнитная волна с любым видом поляризации: линейно - поляризованная волна, с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля в секторе углов от 0^o до 180^o, волна с круговым правосторонним или левосторонним вращением вектора поляризации, эллиптически поляризованная волна с любым коэффициентом эллиптичности, с любым углом ориентации эллипса поляризации и любым углом эллиптичности. На микрополосковых излучателях вектор напряженности электрического поля принятого сигнала раскладывается, как суперпозиция двухкоординатно - ориентированных, в принятой прямоугольной координатной сетке, на две координатные составляющие сигнала - вертикальную и горизонтальную, каждая из которых возбуждает соответствующую ей систему линеек излучателей с последующим построчным и постолбцевым суммированием в соответствующем для каждой линейки среднем активном излучателе. Окончательное суммирование сигналов со средних излучателей происходит в соответствующем отрезке микрополосковой линии разводки питания и результирующие амплитудные и фазовые составляющие принятого сигнала, адекватные поляризации принятого сигнала, поступают в соответствующие четыре отрезка входных линий передачи.

Таким образом, амплитудно - фазовое распределение на четырех входных отрезках линий передачи адекватно заданному виду поляризации и поляризационным характеристикам излучаемой или/и принимаемой микрополосковой антенной решеткой электромагнитной волны.

Полная симметрия апертуры микрополосковой антенной решетки относительно средних активных излучателей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки обеспечивает симметричную диаграмму направленности в E и H плоскостях, а закон амплитудного распределения в апертуре антенной решетки является симметрично опадающим к краям апертуры, что обеспечивает низкий уровень боковых лепестков.

Микрополосковая антенная решетка может быть снабжена блоком управления поляризации (БУП), который может быть выполнен состоящим из первого и второго фазовращателя, выходные каналы которых соединены с входными каналами первого и второго трехдецибельными делителями мощности соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входные каналы первого и второго фазовращателя являются выходными ортогонально поляризационными каналами БУП.

Введение БУП в микрополосковую антенную решетку обеспечивает прием одновременно двух ортогональных линейно поляризованных составляющих сигнала (бимодальный прием) и направляет каждую из выделенных поляризационных составляющих сигнала в соответствующий выходной поляризационный канал; в режиме излучения обеспечивает возможность использовать некоторые виды поляризационной модуляции сигнала.

БУП может быть выполнен состоящим из первого и второго трехдецибельного делителя мощности, выходные каналы каждого из которых соединены с входными каналами соответствующих фазовращателей, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал первого и второго трехдецибельного делителя мощности соединены с выходными каналами третьего трехдецибельного делителя мощности, входной канал которого является входным каналом БУП.

Такое выполнение БУП позволяет обеспечить работу микрополосковой антенной решетки с линейно поляризованными сигналами с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля в секторе углов от 0^o до 180^o в режимах круговой - правосторонней или левосторонней поляризации сигнала; осуществлять поляризационную адаптацию; обеспечивает возможность использовать некоторые виды поляризационной модуляции сигнала.

БУП может быть выполнен состоящим из первого трехдецибельного делителя мощности, один выходной канал которого соединен с входным каналом первого фазовращателя, а другой его выходной канал и выходной канал первого фазовращателя соединены с входным и развязанным каналами трехдецибельного направленного ответвителя соответственно, проходной и связанный каналы которого соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельными делителями мощности соответственно, выходные каналы второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал первого трехдецибельного делителя мощности является входным каналом БУП.

Такое выполнение БУП позволяет обеспечить микрополосковой антенной решетке работать с сигналами линейной, круговой и эллиптической поляризации, регулировать угол ориентации эллипса поляризации, менять угол эллиптичности, менять соотношение амплитуд большой и малой осей эллипса поляризации (коэффициент эллиптичности), осуществлять полную поляризационную адаптацию в режиме приема и режиме излучения, работать с различными видами поляризационной модуляции сигнала.

БУП может быть выполнен состоящим из последовательно соединенных первого переключателя и первого циркулятора, второе плечо которого соединено с первым каналом второго переключателя, второй канал которого соединен со вторым каналом первого переключателя, третий канал соединен с первым каналом третьего переключателя, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой, третье плечо первого циркулятора соединено со вторым каналом третьего переключателя, при этом четвертый переключатель последовательно соединен со вторым циркулятором, второе плечо которого соединено с первым каналом пятого переключателя, второй канал которого соединен со вторым каналом четвертого переключателя, третий канал соединен с первым каналом шестого переключателя, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой, третье плечо второго циркулятора соединено со вторым каналом шестого переключателя, при этом третий канал первого переключателя и третий канал четвертого переключателя подключены к выходным каналам первого двухканального делителя мощности с коммутируемыми каналами и перестраиваемым коэффициентом деления, входной канал которого является входным каналом БУП, а пятый канал второго переключателя и пятый канал пятого переключателя соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельными делителями мощности соответственно, каждый выходной канал второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соединен с входным каналом фазовращателя соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а третий канал третьего переключателя и третий канал шестого переключателя являются выходными поляризационными каналами микрополосковой антенной решетки.

Такое выполнение БУП позволяет обеспечить микрополосковой антенной решетке режим приема одновременно двух ортогональных линейно поляризованных составляющих сигнала (бимодальный прием) и выделять каждую составляющую сигнала в соответствующий выходной поляризационный канал; осуществлять в режиме приема, в режиме излучения или в режиме приемопередачи равноценную работу с сигналами линейной поляризации с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля в секторе углов от 0^o до 180^o; работать с сигналами круговой поляризации - правосторонней или левосторонней; работать с сигналами эллиптической поляризации, менять угол ориентации эллипса поляризации, менять угол эллиптичности, менять соотношение амплитуд большой и малой осей эллипса поляризации (коэффициент эллиптичности), обеспечивать поляризационную адаптацию во всех режимах работы антенной решетки, работать с различными видами поляризационной модуляции сигнала, обеспечивать высокую поляризационную помехозащищенность.

На фиг. 1 изображена конструкция микрополосковой антенной решетки с поляризационной адаптацией; на фиг. 2 - конструкция микрополосковой разводки питания микрополосковой антенной решетки с поляризационной адаптацией; на фиг. 3 - конструкция металлического экрана, разделяющего диэлектрические подложки антенной решетки и разводки питания; на фиг. 4 - структурная схема блока управления поляризацией антенной решетки с двухканальным поляризационно-ортогональным входом/выходом; на фиг. 5 - структурная схема блока управления антенной решетки для линейной и круговой поляризации с поляризационной адаптацией; на фиг. 6 - структурная схема блока управления поляризацией антенной решетки для любых видов поляризации (линейная, круговая, эллиптическая), с поляризационной адаптацией, с возможностью регулирования угла ориентации, угла эллиптичности, коэффициента эллиптичности эллипса, поляризации, с возможностью работать с различными видами поляризационной модуляции сигнала; на фиг. 7 - структурная схема блока управления поляризацией антенной решетки с переключаемыми режимами работы, с поляризационной адаптацией, с возможностью работы на любых видах поляризации и с возможностью работы с поляризационно-модулированными сигналами.

Микрополосковая антенная решетка 1 содержит четное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделены между собой, по каждой ветви прямоугольной координатной сетки, зазорами 2 и 3 соответственно, а боковые кромки излучателей расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки. Средние излучатели 4 одной и другой центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона 7 каждого из которых, параллельная соответствующей центральной ветви 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона 8 излучателя 4 равна половине длины волны, остальные излучатели 9 антенной решетки 1 выполнены в форме квадрата, сторона 10 которого равна длине волны, при этом к каждому среднему излучателю 4 одной и другой центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине боковой кромки 7, длиной, равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными боковыми кромками 11 и 12, длиной, равной половине длины волны, двух средних излучателей 13 и 14, ближайших к началу координат одной и другой центральных ветвей 5 и 6 третьего квадранта прямоугольной системы координат соответственно, подключены возбуждающие элементы 15, выполненные в виде металлического штыря, одни концы которых гальванически соединены с соответствующими средними излучателями 4, а вторые концы гальвалически соединены с разводкой питания 16, выполненной в виде четырех, ортогональных между собой, отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20, оси 21, 22, 23 и 24 которых попарно соосны и расположены параллельно центральным ветвям 5 и 6 прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом диэлектрическая подложка разводки питания 16 установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки 1, причем вторые концы возбуждающих элементов 15 средних излучателей 4 одной и другой центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие отрезки микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16 по осевым линиям 21, 22, 23 и 24, при этом входные линии передачи 25, 26, 27 и 28 подключены к продолжению четырех отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16. Длина всех четырех отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16 с другой стороны ограничивается точкой подключения соответствующего ему второго конца возбуждающего элемента 15 средних излучателей 4, ближайших к началу координат центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки 1.

Диэлектрическая подложка разводки питания 16 и диэлектрическая подложка антенной решетки 1 разделены между собой общим металлическим экраном 29, в котором, в местах расположения возбуждающих элементов 15 выполнены круглые отверстия 30, образующие отрезки межуровневых коаксиальных переходов.

БУП (фиг. 4) состоит из первого 31 и второго 32 фазовращателей, выходные каналы которых соединены с входными каналами первого 33 и второго 34 трехдецибельными делителями мощности соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к входным линиям передачи 25, 26, 27 28 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а входные каналы первого 31 и второго 32 фазовращателей являются выходными ортогонально-поляризационными каналами БУП.

БУП (фиг. 5) состоит из первого 35 и второго 36 трехдецибельных делителей мощности, выходные каналы каждого из которых соединены с входными каналами соответствующих фазовращателей 37, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи 25, 26, 27 28 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а входной канал первого 35 и второго 36 трехдецибельных делителей мощности соединены с выходными каналами третьего трехдецибельного делителя мощности 38, входной канал которого является входным каналом БУП.

БУП (фиг. 6) состоит из первого трехдецибельного делителя мощности 39, один выходной канал которого соединен с входным каналом первого фазовращателя 40, а другой его выходной канал и выходной канал первого фазовращателя 40 соединены с входным и развязанным каналами трехдецибельного направленного ответвителя 41 соответственно, проходной и связанный каналы которого соединены с входными каналами второго 42 и третьего 43 трехдецибельными делителями мощности соответственно, выходные каналы второго 42 и третьего 43 трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами фазовращателей 44 соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а входной канал первого трехдецибельного делителя мощности 39 является входным каналом БУП.

БУП (фиг. 7) состоит из последовательно соединенных первого переключателя 45 и первого циркулятора 46, второе плечо которого соединено с первым каналом второго переключателя 47, второй канал которого соединен со вторым каналом первого переключателя 45, третий канал соединен с первым каналом третьего переключателя 48, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой 49, третье плечо первого циркулятора 46 соединено со вторым каналом третьего переключателя 48, при этом четвертый переключатель 50 последовательно соединен со вторым циркулятором 51, второе плечо которого соединено с первым каналом пятого переключателя 52, второй канал которого соединен со вторым каналом четвертого переключателя 50, третий канал соединен с первым каналом шестого переключателя 53, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой 54, третье плечо второго циркулятора 51 соединено со вторым каналом шестого переключателя 53, при этом третий канал первого переключателя 45 и третий канал четвертого переключателя 50 подключены к выходным каналам первого двухканального делителя мощности 55 с коммутируемыми каналами и перестраиваемым коэффициентом деления, входной канал которого является входным каналом БУП, а пятый канал второго переключателя 47 и пятый канал пятого переключателя 52 соединены с входными каналами второго 56 и третьего 57 трехдецибельными делителями мощности соответственно, каждый выходной канал второго 56 и третьего 57 трехдецибельных делителей мощности соединен с входным каналом фазовращателя 58 соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а третий канал третьего переключателя 48 и третий канал шестого переключателя 53 являются выходными поляризационными каналами микрополосковой антенной решетки 1.

Микрополосковая антенная решетка с поляризационной адаптацией работает следующим образом.

В режиме приема на апертуру микрополосковой антенной решетки 1 падает поляризованная электромагнитная волна с любым видом поляризации: линейно-поляризованная волна с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля в секторе углов от 0^o до 180^o волна с круговым правосторонним или левосторонним вращением вектора поляризации, эллиптически поляризованная волна с любым коэффициентом эллиптичности, с любым углом ориентации эллипса поляризации и любым углом эллиптичности и с любыми видами поляризационной модуляции. На микрополосковых излучателях 4 и 9 вектор напряженности электрического поля принятого сигнала раскладывается как суперпозиция двухкоординатно - ориентированных, в принятой прямоугольной системе координат на две координатные составляющие сигнала. Одна составляющая сигнала - это проекция, параллельная ветви 5, а другая составляющая сигнала - это проекция, параллельная ветви 6 прямоугольной координатной сетки антенной решетки 1. Проекция составляющей электрического поля систем излучателей каждого квадранта прямоугольной координатной сетки антенной решетки 1 возбуждает систему линеек излучателей, продольные оси которых ориентированы вдоль ветви 5 или 6, соответственно. В каждой возбужденной линейке излучателей результирующий сигнал выделяется на соответствующем ей активном среднем излучателе 4. Через возбуждающие элементы 15 сигнал со средних излучателей 4 поступает в соответствующие им отрезки микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16. Поскольку расстояние между возбуждающими элементами 15 равно или кратно длине волны, то в отрезках микрополосковых линий 17, 13, 19 и 20 разводки питания 16 происходит синфазное суммирование сигналов с подключенных к ним средних излучателей 4. Амплитудные и фазовые составляющие результирующих сигналов, адекватные поляризации принятого сигнала, с отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 поступают в входные линии передачи 25, 26, 27 и 28 соответственно. Таким образом, результирующий сигнал, в зависимости от вида поляризации принимаемого сигнала, на каждой выходной линии передачи 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 будет иметь свою амплитуду и фазу. Амплитудно-фазовое распределение по четырем входным линиям передачи 25, 26, 27 и 28 полностью определяет характеристики принятого микрополосковой антенной решеткой 1 сигнала.

В режиме излучения на каждую из четырех входных линий передачи 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 микрополосковой антенной решеткой 1 подается амплитуда и фаза СВЧ сигнала, соответствующая заданному виду поляризации результирующего излучаемого электромагнитного поля. Так, например, микрополосковая антенная решетка 1: при равноамплитудном и синфазном возбуждении первой и третьей систем средних излучателей, а второй и четвертой систем подключение к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с вертикальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при возбуждении второй и четвертой систем средних излучателей, а первой и третьей систем подключение к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с горизонтальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 0^o, 0^o, 180^o, 180^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается линейно поляризованный сигнал с ориентацией вектора напряженности электрического поля под углом 45^o; при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 180^o, 180^o, 0^o, 0^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается сигнал с (ориентацией вектора напряженности электрического поля под углом 135^o; при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 0^o, 90^o, 0^o, 90^o или 90^o, 0^o, 90^o, 0^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается сигнал круговой правосторонней или левосторонней поляризации соответственно. Устанавливая амплитудно-фазовое распределение на первой, второй, третьей и четвертой системах средних излучателей по другим законам, можно: формировать излучаемый сигнал эллиптической поляризации, менять угол эллиптичности, менять угол ориентации эллипса поляризации и соотношение амплитуд большой и малой осей эллипса поляризации, т.е. коэффициент эллиптичности.

При подключении БУП (фиг. 4) микрополосковая антенная решетка 1 работает следующим образом. В режиме приема трехдецибельные делители мощности 33 и 34 осуществляют синфазное суммирование сигналов с каналов 25 и 27 вертикально и с каналов 26 и 28 горизонтально поляризованных составляющих соответственно, а фазовращателями 31 и 32 устанавливается требуемое фазовое распределение, обеспечивая тем самым раздельный прием одновременно двух ортогональных линейно-поляризованных составляющих сигнала (бимодальный прием). В режиме излучения за счет двухканального поляризационного входа обеспечивается возможность использования некоторых видов поляризационной модуляции сигнала.

При подключении БУП (фиг. 5) микрополосковая антенная решетка 1 работает следующим образом. Трехдецибельными делителями мощности 38, 35 и 36 устанавливается равноамплитудное распределение между выходными каналами, а фазовращателями 35 и 36 необходимое фазовое распределение и сигналы поступают на входные каналы 25, 27 и 26, 28 разводки питания 16; антенная решетка 1, обеспечивая тем самым работу с линейно-поляризованными сигналами с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля в секторе углов от 0^o до 180^o, в режимах круговой - правосторонней или левосторонней поляризации сигнала осуществляет поляризационную адаптацию; обеспечивает возможность использовать некоторые виды поляризационной модуляции сигнала.

При подключении БУП (фиг. 6) микрополосковая антенная решетка 1 работает следующим образом. Фазовращатель 40 устанавливает такое соотношение фаз между сигналами, полученными с трехдецибельного делителя мощности 39, после суммирования которых в трехдецибельном направленном ответвителе 41 на его выходах получаются сигналы с заданным амплитудным соотношением, которые поступают на входные каналы первого 42 и второго 43 трехдецибельных делителей мощности, где делятся пополам и поступают на входные каналы фазовращателей 44. С выходных каналов фазовращателей 44 сигналы поступают на соответствующие входные каналы 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 антенной решетки 1. В этом режиме при равноамплитудном распределении и соответствующих фазовых соотношениях может формироваться сигнал: - с круговой поляризацией правостороннего и левостороннего направления вращения; - с любой ориентацией линейного вектора поляризацией в секторе углов от 0^o до 180^o; - с эллиптической поляризацией с возможностью изменения угла эллиптичности, угла ориентации эллипса поляризации и коэффициента эллиптичности; - осуществлять поляризационную адаптацию. При полном перераспределении энергии в направленном ответвителе 40 в проходной канал сигнал поступает на входной канал делителя мощности 42 и через фазовращатели 44 на входные каналы 25 и 27 разводки питания 16 антенной решетки 1. В этом режиме поляризация будут линейная вертикальная. При перераспределении энергии в связанный канал направленного ответвителя 41 сигнал поступает на входной канал трехдецибельного делителя мощности 43 и через фазовращатели 44 на входные каналы 26 и 28 разводки питания 16 - поляризация будет линейная горизонтальная.

При подключении БУП (фиг. 7) микрополосковая антенная решетка 1 работает с коммутируемыми режимами, позволяющими обеспечить работу с любой поляризацией сигнала, с различными видами поляризационной модуляции сигнала, в режиме приема и в режиме излучения может осуществлять адаптацию поляризации сигнала, а в режиме приема выделять две ортогональные линейно-поляризованные составляющие сигнала (бимодальный прием) в соответствующий выходной поляризационный канал.

В режиме излучения сигнал поступает на входной канал двухканального делителя мощности 55 с коммутируемыми каналами и перестраиваемым коэффициентом деления, который устанавливает поляризационные режимы работы антенной решетки 1. В режиме половинного деления делителем мощности 55 сигнал поступает через переключатели 45 и 47 на входной канал трехдецибельного делителя мощности 56, с выходных каналов которого через фазовращатели 58 на входные каналы 25 и 27 разводки питания 16, а через переключатели 50 и 52 на трехдецибельный делитель мощности 57, с выходных каналов которого через фазовращатели 58 на входные каналы 26 и 28 разводки питания 16 антенной решетки 1. В зависимости от разового распределения на выходных каналах БУП можно формировать сигнал с любой круговой поляризацией и любой линейной поляризацией в секторе углов от 0^o до 180^o. В режиме неравного деления делителем мощности 55 можно формировать сигнал эллиптически поляризованным. В режиме вертикальной поляризации весь сигнал с делителя мощности 55 поступает через переключатели 45 и 47, делитель 56, фазовращатели 58 на входные каналы 25 и 27 разводки питания 16, а входные каналы 26 и 28 через переключатель 52 подключены к согласованной нагрузке 54. В режиме горизонтальной поляризации - переключение входных каналов 25 и 27 на согласованную нагрузку 49, а каналов 26 и 28 на делитель мощности 55.

В режиме приема сигнал любого вида поляризации на антенной решетке 1 раскладывается на две ортогональные линейно-поляризованные составляющие сигнала - вертикальную и горизонтальную. Выделенные поляризационные составляющие сигнала через входные каналы 25, 26, 27 и 28 разводки питания 16 на фазовращатели 58. Вертикальные составляющие сигнала суммируются в делителе мощности 56 и через переключатели 47 и 48 поступают в выходной канал составляющей сигнала вертикальной поляризации, а горизонтальные составляющие сигнала суммируются в делителе мощности 57 и через переключатели 52 и 53 поступают в выходной канал составляющей сигнала горизонтальной поляризации.

При работе в режиме приема-передачи, в БУП по каждому поляризационному каналу подключаются - переключателями 45, 47 и 48 циркулятор 46 канала вертикальной поляризации, - переключателями 50, 52 и 53 циркулятор 51 канала горизонтальной поляризации.

Симметрия микрополосковой антенной решетки 1 во всех режимах работы и при работе с БУП сохраняет симметрию диаграммы направленности в E и H плоскостях и низкий уровень боковых лепестков.

Изобретение относится к области микрополосковых антенн СВЧ с поляризационной адаптацией к излучаемому и принимаемому сигналам и может найти применение в поляриметрических радиолокаторах для измерения параметров матрицы Мюллера, в радиоинтроскопах, в медицинских СВЧ электромагнитных аппликаторах, в системах связи и метрологии. Техническим результатом является возможность работы решетки с любым видом линейной поляризации, ориентированной произвольно в секторе углов от 0 до 180°, и с любым видом круговой поляризации - правосторонней или левосторонней, с эллиптической поляризацией, с поляризационно-модулированными сигналами. Микрополосковая антенная решетка содержит четное количество излучателей в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделены зазорами. Средние излучатели выполнены в форме прямоугольника, одна сторона равна длине волны, другая, смежная с ней сторона равна половине длины волны, остальные излучатели выполнены в форме квадрата со стороной, равной длине волны. К каждому среднему излучателю на середине боковой кромки подключены возбуждающие элементы, выполненные в виде металлического штыря. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Микрополосковая антенная решетка, содержащая излучатели, выполненные в форме прямоугольников, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки, и разделенные между собой по каждой ветви прямоугольной координатной сетки зазорами, а стороны излучателей расположены параллельно соответствующим ветвям этой прямоугольной координатной сетки, при этом средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольников, одна сторона которых, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая, смежная с ней сторона излучателя, равна половине длины волны, остальные излучатели выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине стороны, равной длине волны, подключены возбуждающие элементы, выполненные в виде металлических штырей, одни концы которых гальванически соединены с соответствующими средними излучателями, а вторые концы гальванически соединены с разводкой питания, выполненной в виде четырех, ортогональных между собой, отрезков микрополосковых линий, оси которых попарно соосны и расположены параллельно центральным ветвям прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом диэлектрическая подложка разводки питания установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки, причем вторые концы возбуждающих элементов средних излучателей одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие отрезки микрополосковых линий разводки питания по осевым линиям, при этом отрезок входной линии передачи подключен к продолжению одного из четырех отрезков микрополосковых линий разводки питания, отличающаяся тем, что введены три отрезка входных линий передачи, которые подключены к продолжению трех других отрезков микрополосковых линий разводки питания, при этом длина всех четырех отрезков микрополосковых линий разводки питания с другой стороны ограничивается точкой подключения соответствующего ему второго конца возбуждающего элемента средних излучателей, ближайших к началу координат одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, причем микрополосковая антенная решетка содержит четное количество излучателей. 2. Микрополосковая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что введен блок управления поляризацией (БУП), выходные каналы которого подключены к входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал БУП является входным каналом микрополосковой антенной решетки. 3. Микрополосковая антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что БУП состоит из первого и второго фазовращателей, выходные каналы которых соединены с входными каналами первого и второго трехдецибельных делителей мощности соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входные каналы первого и второго фазовращателей являются входными ортогонально поляризационными каналами БУП. 4. Микрополосковая антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что БУП состоит из первого и второго трехдецибельных делителей мощности, выходные каналы каждого из которых соединены с входными каналами соответствующих фазовращателей, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал первого и второго трехдецибельных делителей мощности соединены с выходными каналами третьего трехдецибельного делителя мощности, входной канал которого является входным каналом БУП. 5. Микрополосковая антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что БУП состоит из первого трехдецибельного делителя мощности, один выходной канал которого соединен с входным каналом первого фазовращателя, а другой его выходной канал и выходной канал первого фазовращателя соединены с входным и развязанным каналами трехдецибельного направленного ответвителя соответственно, проходной и связанный каналы которого соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соответственно, выходные каналы второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал первого трехдецибельного делителя мощности является входным каналом БУП. 6. Микрополосковая антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что БУП состоит из последовательно соединенных первого переключателя и первого циркулятора, второе плечо которого соединено с первым каналом второго переключателя, второй канал которого соединен со вторым каналом первого переключателя, третий канал соединен с первым каналом третьего переключателя, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой, третье плечо первого циркулятора соединено со вторым каналом третьего переключателя, при этом четвертый переключатель последовательно соединен со вторым циркулятором, второе плечо которого соединено с первым каналом пятого переключателя, второй канал которого соединен со вторым каналом четвертого переключателя, третий канал соединен с первым каналом шестого переключателя, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой, третье плечо второго циркулятора соединено со вторым каналом шестого переключателя, при этом третий канал первого переключателя и третий канал четвертого переключателя подключены к выходным каналам первого двухканального делителя мощности с коммутируемыми каналами и перестраиваемым коэффициентом деления, входной канал которого является входным каналом БУП, а пятый канал второго переключателя и пятый канал пятого переключателя соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соответственно, каждый выходной канал второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а третий канал третьего переключателя и третий канал шестого переключателя являются входными поляризационными каналами микрополосковой антенной решетки.