МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2000 года по МПК H01Q1/38 H01Q21/06 H01Q21/24 

Данное изобретение относится к области радиотехники, в частности к плоским микрополосковым антенным решеткам СВЧ-диапазона, и может найти применение в системах передачи и приема информации сигнала с линейной вертикальной, горизонтальной или круговой поляризацией, в радиоинтроскопах для дефектоскопии с помощью СВЧ-волн в строительстве, в медицинских диагностических и терапевтических СВЧ электромагнитных аппликаторах, в системах связи и метрологии.

Известна микрополосковая антенна (Daniel Н. Schaubert, Frederick G.Farrar, Arthur Sindoris, Scott T. Hayes /Microstrip Antennas with Frequency Agility and Polarization Diversity. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-29, 1981, N 1, January, pp.118-123), содержащая излучатель, выполненный в форме квадрата, к которому подключены четыре независимых коаксиальных входа формирования четырех различных видов поляризации: линейной - вертикальной и горизонтальной, круговой - правосторонней и левосторонней. Вид поляризации устанавливается коммутацией соответствующего входа излучателя на источник СВЧ-энергии. При формировании управляемых по поляризации приемопередающих многоэлементных фазированных антенных решеток на основе таких излучателей требуются достаточно сложные (ветвистые) фидерные цепи с большим количеством делителей мощности и коммутирующих устройств, что приводит к значительным потерям СВЧ-мощности, большой мощности источника постоянного напряжения для коммутирующих устройств, сложного алгоритма управления коммутирующими устройствами. Эти факторы являются существенным недостатком данной микрополосковой антенны.

Наиболее близким техническим решением - прототипом является плоская микрополосковая антенная решетка (патент Российской Федерации N 2087058, кл. H 01 Q 1/30 C1, 1977), содержащая нечетное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделены между собой зазорами одинаковой ширины, стороны 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 квадрата прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной 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 сторон, а к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине стороны, равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными сторонами центрального излучателя соответственно, подключены возбуждающие элементы, идентичные возбуждающему элементу центрального излучателя, одни концы которого гальванически соединены с соответствующими средними излучателями, вторые концы возбуждающих элементов центрального и средних излучателей плоской микрополосковой антенной решетки гальванически соединены с введенной разводкой питания, выполненной в виде крестообразного попарно ортогонального соединения четырех отрезков микрополосковык 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 центральны 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 микрополсковых 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:
- невозможность работы антенной решетки в режиме излучения с сигналом вертикальной или горизонтальной поляризации;
- невозможность выделять антенной решеткой в режиме приема раздельно вертикальную и горизонтальную составляющую сигнала;
- невозможность работы антенной решетки в режиме приема и в режиме излучения с сигналами круговой поляризации.

Технической задачей данного изобретения является создание микрополосковой антенной решетки способной: - работать в режиме излучения и в режиме приема СВЧ-сигнала с линейной вертикальной или горизонтальной поляризацией; - работать в режиме излучения и в режиме приема с любой круговой поляризацией с правосторонним или левосторонним направлением вращения вектора поляризации.

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 стороны излучателей расположены параллельно соответствующим ветвям этой прямоугольной координатной сетки, при этом средние излучатели четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующему лучу прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона излучателя равна половине длины волны, остальные излучатели микрополосковой антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом к каждому среднему излучателю четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине стороны, 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 взаимно перпендикулярных попарно отрезков микрополосковых линий, оси которых расположены параллельно четырем взаимно перпендикулярным попарно лучам средних излучателей прямоугольной координатной сетки соответственно, диэлектрическая подложка разводки питания установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки, при этом вторые концы возбуждающих элементов средних излучателей четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие взаимно перпендикулярные попарно отрезки микрополосковых линий разводки питания по осевым линиям, отрезок входной линии передачи подключен к продолжению одного отрезка микрополосковой линий разводки питания, количество излучателей микрополосковой антенной решетки выбрано четным, при этом четыре средних излучателя соответственно четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки, расположены в форме квадрата, каждая сторона которого образована двумя внешними, по отношению к началу координат микрополосковой антенной решетки, сторонами двух средних излучателей, одной стороной, равной длине волны, одного среднего излучателя и одной стороной, равной половине длины волны, другого среднего излучателя двух взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом внешние стороны длиной, равной длине волны, четырех средних излучателей, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки, и соответствующие им линейки средних излучателей соответственно четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки расположены на соответствующих лучах прямоугольной координатной сетки, и к этим сторонам подключены возбуждающие элементы, причем длина первого, второго, третьего и четвертого взаимно перпендикулярных попарно отрезков микрополосковых линий разводки питания с одной стороны ограничена точкой подключения второго конца возбуждающего элемента четырех средних излучателей, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки, четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей прямоугольной координатной сетки соответственно, а к продолжению второго, третьего и четвертого взаимно перпендикулярных попарно отрезков микрополосковых линий разводки питания подключены второй, третий и четвертый отрезки входных линий передачи.

Микрополосковая антенна решетка структурно представляет собой две независимые взаимно перпендикулярные линейки излучателей, продольные оси которых параллельны соответствующим лучам прямоугольной координатной сетки. Каждая линейка излучателей состоит из цепочки электромагнитно 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 длины волны соответственно, соединенного 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 соответствующему лучу прямоугольной координатной сетки.

Поскольку каждый излучатель квадратной формы микрополосковой антенной решетки соответствующей парой сторон одновременно входит в состав одной и другой систем линеек излучателей, то в каждом излучателе в форме квадрата одновременно могут возбуждаться колебания двух независимых и ортогональных между собой линейных поляризаций - вертикальной и горизонтальной со своими амплитудами и фазами. Каждая система средних активных излучателей соответствующего луча прямоугольной координатной сетки объединена соответствующим отрезком микрополосковой линии разводки питания с подключенной к нему входной линией передачи, первая и третья системы средних излучателей, соответствующие им лучи которых параллельны, адекватны вертикальной, а вторая и четвертая системы средних излучателей, соответствующие им лучи которых параллельны, - горизонтальной составляющим линейного вектора поляризации электрического поля микрополосковой антенной решетки.

В режиме излучения при равноамплитудном распределении и в зависимости от фазы СВЧ-сигнала, подаваемого на каждую из четырех входных линий передачи микрополосковой антенной решеткой, формируется электромагнитное поле заданного вида поляризации. Так, например, микрополосковая решетка: при фазовом распределении 0^o и 180^o первой и третьей систем средних излучателей соответственно, а второй и четвертой систем подключения к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с вертикальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при фазовом распределении 90^o и 180^o второй и четвертой систем средних излучателей соответственно, а первой и третьей систем подключены к согласованной нагрузке - излучает сигнал линейной поляризации с горизонтальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при фазовом распределении 0^o, 90^o, 180^o, 270^o соответственно первой, второй, третьей и четвертой систем средних излучателей - излучается сигнал круговой поляризации.

В режиме приема на апертуру антенной решетки падает поляризованная электромагнитная волна: линейно вертикально или горизонтально поляризованная волна, волна с круговой правосторонним или левосторонним вращением вектора поляризации. На микрополосковык излучателях вектор напряженности электрического поля принятого сигнала раскладывается как суперпозиция двухкоординатно - ориентированных, в принятой прямоугольной сетке, на две координатные составляющие сигнала - вертикальную и горизонтальную, каждая из которых возбуждает соответствующую ей систему линеек излучателей с последующим построчным и постолбцовым суммированием в соответствующем для каждой линейки среднем активном излучателе. Суммирование сигналов со средних излучателей происходит в соответствующем отрезке микрополосковой линии разводки питании, 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 принимаемой микрополосковой антенной решеткой электромагнитной волны.

Микрополосковая антенная решетка может быть выполнена с подключением к четырем линейкам крайних пассивных излучателей, выполненных в форме квадрата со стороной, равной длине волны, введенных четырех линеек излучателей, выполненных в форме квадрата со стороной, равной длине волны, идентичных пассивным излучателям в форме квадрата со стороной, равной длине волны, микрополосковой антенной решетки, центры введенных излучателей расположены в узлах прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки, при этом введенные четыре линейки излучателей установлены со стороны внешних сторон четырех линеек крайних излучателей соответственно, причем первая линейка введенных излучателей установлена к первой линейке излучателей, ограниченной первым и вторым взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна первому лучу прямоугольной координатной сетки, вторая линейка введенных излучателей установлена к второй линейке излучателей, ограниченной вторым и третьим взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна второму лучу прямоугольной координатной сетки, третья линейка введенных излучателей установлена к третьей линейке излучателей, ограниченной третьим и четвертым взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна третьему лучу прямоугольной координатной сетки, четвертая линейка введенных излучателей установлена к четвертой линейке излучателей, ограниченной четвертым и первым взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна четвертому лучу прямоугольной сетки, при этом количество излучателей квадратной формы, заключенных в соответствующих взаимно перпендикулярных попарно лучах прямоугольной координатной сетки, одинаково и количество излучателей в строке равно количеству излучателей в столбце, а зазоры, разделяющие между собой излучатели по каждой прямоугольной координатной сетки, выполнены одинаковой ширины.

Такое выполнение микрополосковой антенной решетки создает симметрию апертуры, что в свою очередь позволяет обеспечить: более точное воспроизведение заданных поляризационных характеристик; высокую степень симметрии амплитудного распределения по апертуре антенной решетки относительно средних активных излучателей; полную симметрию диаграммы направленности антенной решетки в ортогональных плоскостях прямоугольной координатной сетки; низкий уровень боковых лепестков; свести к минимуму число типоразмеров топологии апертуры антенной решетки; увеличить технологическую воспроизводимость при производстве и повысить вероятность выхода годных.

Микрополосковая антенная решетка может быть снабжена блоком управления поляризации (БУП), который может быть выполнен состоящим из переключателя, первый и второй выходные каналы которого соединены с входными каналами первого и второго трехдецибельных делителей мощности соответственно, а третий выходной канал соединен с согласованной нагрузкой, вторые выходные каналы трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами первого и второго фазовращателей соответственно, выходные каналы которых и первые выходные каналы первого и второго трехдецибельных делителей мощности являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал переключателя является выходным каналом БУП.

Введение БУП в микрополосковую антенную решетку обеспечивает переключаемый прием линейно поляризованных составляющих сигнала с вертикальной или горизонтальной поляризацией.

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

Такое выполнение БУП обеспечивает микрополосковой антенной решетке работу в режиме приема и в режиме излучения работать с сигналами круговой поляризации.

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 трехдецибельного делителя мощности с коммутируемыми каналами, 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, второй выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности и первый и второй выходные каналы третьего трехдецибельного делителя мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых и первый выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 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 соединены с соответствующими выходными каналами четвертого трехдецибельного делителя мощности, входной канал которого является входным каналом БУП.

Такое выполнение БУП позволяет обеспечить микрополосковой антенной решетке переключаемые режимы работы: режим приема, режим передачи, режим приемопередачи; режимы работы с линейно поляризованными сигналами - вертикальной или горизонтальной поляризации или работу с сигналами круговой поляризации - правосторонним или левосторонним направлением вращения вектора поляризации.

На фиг. 1 изображена конструкция микрополосковой антенной решетки; на фиг. 2 - конструкция микрополосковой антенной решетке с симметричной апертурой; на фиг. 3 - конструкция микрополосковой разводки питания микрополосковой антенной решетки; на фиг. 4 - конструкция металлического экрана, разделяющего диэлектрические подложки антенной решетки и разводки питания; на фиг. 5 - структурная схема блока управления поляризации для линейно поляризованных сигналов вертикальной или горизонтальной поляризации; на фиг. 6 - структурная схема блока управления поляризации для сигналов с круговой поляризацией правосторонним или левосторонним направлением вращения вектора поляризации; на фиг. 7 - структурная схема блока управления поляризацией антенной решетки с переключаемыми режимами работы (на прием, на излучение, приемопередающий режим) и переключаемыми видами поляризации сигнала линейной вертикальной или горизонтальной или круговой правосторонней или левосторонней.

Микрополосковая антенная решетка 1 (фиг.1) содержит четное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки, и разделенных между собой по каждой ветви прямоугольной координатной сетки зазорами 2 и 3 соответственно, а стороны излучателей расположены параллельно соответствующим ветвям этой прямоугольной координатной сетки. К каждому среднему излучателю 4 четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7, 8 прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине стороны 9, равной длине волны, подключены возбуждающие элементы 13. Средние излучатели 4 четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона 9 которого, параллельная соответствующему лучу 5, 6, 7, 8 прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона 10 излучателя 4 равна половине длины волны, остальные излучатели 11 микрополосковой антенной решетки 1 выполнены в форме квадрата, сторона 12 которого равна длине волны. Четыре средних излучателя 4 соответственно четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7, 8 прямоугольной координатной сетки, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки 1, расположены в форме квадрата, каждая сторона которого образована двумя внешними, по отношению к началу координат микрополосковой антенной решетки 1, сторонами двух средних излучателей 4, одной стороной 9, равной длине волны, одного среднего излучателя 4 и одной стороной 10, равной половине волны, другого среднего излучателя 4 двух взаимно перпендикулярных попарно лучей 5 и 6, 6 и 7, 7 и 8, 8 и 9 прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом внешние стороны 14, равные длине волны, четырех средних излучателей 15, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки 1, и соответствующие им линейки средних излучателей 4 соответственно четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки расположены на соответствующих лучах 5, 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки, к этим сторонам 14 подключены элементы 13, выполненные в виде металлического штыря. Одни концы возбуждающих элементов 13 гальванически соединены с соответствующими средними излучателями 15 и 4, а вторые концы гальванически соединены с разводкой питания 16, выполненной в виде четырех взаимно перпендикулярных попарно отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20, оси которых расположены параллельно четырем взаимно перпендикулярным попарно лучам 5, 6, 7 и 8 средних излучателей 4 и 15 прямоугольной координатной сетки соответственно, диэлектрическая подложка разводки питания 16 установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки 1, при этом вторые концы возбуждающих элементов 13 средних излучателей 4 и 15 четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие взаимно перпендикулярные попарно отрезки микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16 по осевым линиям. Длина первого 17, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 взаимно перпендикулярных отрезков микрополосковых линий разводки питания 16 с одной стороны ограничена точкой подключения второго конца возбуждающего элемента 13 четырех средних излучателей 15 четырех взаимно перпендикулярных попарно лучей 5, 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки соответственно, а к продолжению первого 17, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 взаимно перпендикулярных отрезков микрополосковых линий разводки питания 16 подключены первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 отрезки входных линий передачи. Диэлектрическая подложка разводки питания 16 и диэлектрическая подложка антенной решетки 1 разделены между собой общим металлическим экраном 25, в котором в местах расположения возбуждающих элементов 13 выполнены круглые отверстия 26, образующие отрезки межуровневых коаксиальных переходов.

В микрополосковую антенную решетку 1 (фиг.2) к четырем линейкам крайних пассивных излучателей 11, выполненных в форме квадрата, со стороны их внешних сторон 12 подключены введенные четыре линейки излучателей 27, 28, 29 и 30, идентичных пассивным излучателям 11, центры которых расположены в системе координат микрополосковой антенной решетки 1. Первая введенная линейка излучателей 27 установлена к первой линейке излучателей 11, ограниченной первым 5 и вторым 6 взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна первому лучу 5 прямоугольной координатной сетки, вторая введенная линейка излучателей 28 установлена ко второй линейке излучателей 11, ограниченной вторым 6 и третьим 7 взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна второму лучу 6 прямоугольной координатной сетки, третья введенная линейка излучателей 29 установлена к третьей линейке излучателей 11, ограниченной третьим 7 и четвертым 8 взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна третьему 7 лучу прямоугольной координатной сетки, четвертая введенная линейка излучателей 30 установлена к четвертой линейке излучателей 11, ограниченной четвертым 8 и первым 5 взаимно перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна четвертому лучу 8 прямоугольной координатной сетки. Количество излучателей квадратной формы 27, 29, 29 и 30, заключенных в соответствующих взаимно перпендикулярных попарно лучах 5 и 6, 6 и 7, 7 и 8, 8 и 5 прямоугольной координатной сетки, одинаково и количество излучателей в строке равно количеству излучателей в столбце. Зазоры 3, разделяющие между собой излучатели по каждой ветви прямоугольной координатной сетки, выполнены одинаковой ширины.

БУП (фиг. 5) состоит из переключателя 31, первый и второй выходные каналы которого соединены с входными каналами первого 32 и второго 33 трехдецибельных делителей мощности соответственно, а третий выходной канал соединен с согласованной нагрузкой 34, вторые выходные каналы трехдецибельных делителей мощности 32 и 33 соединены с входными каналами первого 35 и второго 36 фазовращателей соответственно, выходные каналы которых и первые выходные каналы первого 32 и второго 33 трехдецибельных делителей мощности являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а входной канал переключателя 31 являются выходным каналом БУП.

БУП (фиг. 6) состоит из первого трехдецибельного делителя мощности 37, первый и второй выходные каналы которого соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности 38 и 39 соответственно, второй выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 38 и первый и второй выходные каналы третьего трехдецибельного делителя мощности 39 соединены с входными каналами фазовращателей 40 соответственно, выходные каналы которых и первый выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 38 являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а входной канал первого трехдецибельного делителя мощности 37 является входным каналом БУП.

БУП (фиг.7) состоит из последовательно соединенных первого переключателя 41 и первого циркулятора 42, второе плечо которого соединено с первым каналом второго переключателя 43, второй канал которого соединен со вторым каналом первого переключателя 41, третий канал соединен с первым каналом третьего переключателя 44, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой 45, третье плечо первого циркулятора 42 соединено со вторым каналом третьего переключателя 44, при этом четвертый переключатель 46 последовательно соединен со вторым циркулятором 47, второе плечо которого соединено с первым каналом пятого переключателя 48, второй канал которого соединен со вторым каналом четвертого переключателя 46, третий канал соединен с первым каналом шестого переключателя 49, а четвертый канал соединен с согласованной нагрузкой 50, третье плечо второго циркулятора 47 соединено со вторым каналом шестого переключателя 49, при этом третий канал первого переключателя 41 и третий канал четвертого переключателя 46 подключены к выходным каналам первого трехдецибельного делителя мощности 51 с коммутируемыми каналами, входной канал которого является входным каналом БУП, а пятый канал второго переключателя 43 и пятый канал пятого переключателя 48 соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности 52 и 53 соответственно, второй выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 52 и первый и второй выходные каналы третьего трехдецибельного делителя мощности 53 соединены с входными каналами фазовращателей 54 соответственно, выходные каналы которых и первый выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 52 являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 микрополосковой антенной решетки 1, а третий канал третьего переключателя 44 и третий канал шестого переключателя 49 соединены с соответствующими выходными каналами четвертого трехдецибельного делителя мощности 50, входной канал которого является входным каналом БУП.

Микрополосковая антенная решетка работает следующим образом.

В режиме приема на апертуру микрополосковой антенной решетки 1 падает поляризованная электромагнитная волна: линейно поляризованная волна вертикальной или горизонтальной поляризации, волна с круговым правосторонним или левосторонним вращением вектора поляризации. На микрополосковых излучателях 4, 15 и 11 вектор напряженности электрического поля принятого сигнала раскладывается как суперпозиция двухкординатно - ориентированных, в принятой прямоугольной системе координат, на две координатные составляющие сигнала. Одна составляющая сигнала - это проекция, параллельная лучам 5 и 7, а другая составляющая сигнала - это проекция параллельная лучам 6 и 8 прямоугольной координатной сетки антенной решетки. Проекция составляющей электрического поля системы излучателей, ограниченных парой взаимно перпендикулярных лучей 5-6, 6-7, 7-8, 8-5, на соответствующий луч 5 6, 7 и 8 прямоугольной координатной сетки и параллельной ему возбуждает систему излучателей 11, продольные оси которых ориентированы вдоль этого же луча. В каждой возбужденной линейке излучателей 11 результирующий сигнал выделяется на соответствующем ей активном среднем излучателе 4 и 15 луча 5, 6, 7, 8 прямоугольной координатной сетки соответственно. Через возбуждающие элементы 13 сигнал со средних излучателей 4 и 15 поступает в соответствующие им отрезки микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16. Поскольку расстояние между возбуждающими элементами 13 равно или кратно длине волны, то в отрезках микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 разводки питания 16 происходит синфазное суммирование сигналов с подключенных к ним средних излучателей 4 и 15. Результирующие амплитудные и фазовые составляющие, адекватные поляризации принятого сигнала, с отрезков микрополосковых линий 17, 18, 19 и 20 поступают в выходные линии передачи 21, 22, 23 и 24 соответственно. Таким образом, результирующий сигнал, в зависимости от вида поляризации принимаемого сигнала, на каждой выходной линии передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 будет иметь свою амплитуду и фазу. Таким образом амплитудно-фазовое распределение по четырем выходным линиям передачи 21, 22, 23 и 24 полностью определяет характеристики принятого микрополосковой антенной решеткой 1 сигнала.

B режиме излучения на каждую из четырех входных линий передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 микрополосковой антенной решеткой 1 подается амплитуда и фаза СВЧ-сигнала, соответствующая заданному виду поляризации результирующего излучаемого электромагнитного поля. Так, например, при равноамплитудном и синфазном возбуждении систем средних излучателей 4 и 15 первого 5 и третьего 7 лучей прямоугольной системы координат антенной решетки 1, а систем средних излучателей 4 и 15 второго 6 и четвертого 8 лучей подключение к согласованным нагрузкам - микрополосковой антенной решеткой 1 излучается сигнал линейной поляризации с вертикальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при равноамплитудном и синфазном возбуждении систем средних излучателей 4 и 15 второго 6 и четвертого 8 лучей, а подключение систем средних излучателей 4 и 15 первого 5 и третьего 7 лучей к согласованным нагрузкам излучает сигнал линейной поляризации с горизонтальной ориентацией вектора напряженности электрического поля; при равноамплитудном возбуждении и фазовом распределении 0^o, 90^o, 180^o, 270^o четырех систем средних излучателей 4 и 15 соответственно 5, 6, 7 и 8 лучей излучается сигнал круговой поляризации с правосторонним направлением вращения вектора поляризации, а при фазовом распределении 0^o, 270^o, 180^o, 90^o - левосторонним направлением вращения.

В микрополосковой антенной решетке 1 (фиг. 2) зазоры 3 выполнены одинаковой ширины, что обеспечивает в режиме приема и в режиме излучения, за счет сокращения типоразмеров, более точно воспроизводить топологию апертуры антенной решетки в процессе изготовления и тем самым более точно воспроизводить заданные амплитудные, фазовые и поляризационные характеристики, а также обеспечить полную симметрию диаграммы направленности антенной решетки в ортогональных плоскостях и уменьшить уровень боковых лепестков.

При подключении БУП (фиг.5) микрополосковая антенная решетка 1 работает следующим образом. Переключателем 31 коммутируется поляризационный режим работы антенной решетки 1. Работа с сигналом вертикальной поляризации осуществляется подключением трехдецибельного делителя мощности 32 и фазовращателя 35, формирующих равноамплитудное распределение 0^o 180^o фазовое распределение на входных линиях передачи 21 и 22 разводки питания 16 антенной решетки 1, а входные линии передачи 23 и 24 через трехдецибельный делитель мощности 33 подключены к согласованной нагрузке 34. При режиме работы на горизонтальную поляризацию коммутация переключателя 31 обратная.

При подключении БУП (фиг. 6) микрополосковая антенная решетка 1 работает в режиме круговой поляризации. Трехдецибельными делителями мощности 37, 38 и 39 формируется равноамплитудное распределение между входными линиями передачи 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16, а фазовращателями 40 - фазовое распределение 0^o, 90^o, 180^o и 270^o (правосторонняя) или 0^o, 270^o, 180^o и 90^o (левосторонняя).

При подключении БУП (фиг.7) микрополосковая антенная решетка 1 работает в режиме излучения, в режиме приема и в режиме приемопередачи с поляризацией сигнала линейной вертикальной и горизонтальной, с круговой правосторонней и левосторонней.

В режиме излучения трехдецибельный делитель мощности 51 с коммутируемыми каналами устанавливает поляризационные режимы работы антенной решетки 1. В режиме круговой поляризации делитель мощности 51 работает в режиме половинного деления и сигнал поступает через переключатели 41 и 43, делитель мощности 52 на входные каналы 21 и 23, а через переключатели 46 и 48, делитель мощности 53 на входные каналы 22 и 24 разводки питания 16 антенной решетки 1. Фазовращатели 54 устанавливают фазовое распределение круговой поляризации. В режиме вертикальной поляризации весь сигнал с делителя мощности 51 поступает через переключатели 41 и 43, делитель мощности 52 на входные каналы 21 и 23, а входные каналы 22 и 24 через переключатель 43 подключены к согласованной нагрузке 50. В режиме горизонтальной поляризации входные каналы 21 и 23 коммутируются на согласованную нагрузку 45, а каналы 22 и 24 - на делитель мощности 51.

В режиме приема сигнал в зависимости от вида поляризации на излучателях антенной решетке 1 раскладывается на две ортогональные линейно поляризованные составляющие - вертикальную и горизонтальную. Выделенные поляризованные составляющие сигнала через входные каналы 21, 22, 23 и 24 разводки питания 16 поступает в БУП. Вертикальные составляющие суммируются в делителе мощности 52 и через переключатели 43 и 44 поступает в один выходной канал трехдецибельного делителя мощности 55, а горизонтальные составляющие суммируются в делителе мощности 53 и через переключатели 48 и 49 поступают в другой выходной канал делителя мощности 55. В режиме круговой поляризации сигналы в делителе мощности 55 суммируются.

При работе в режиме приема-передачи в БУП по каждому поляризационному каналу подключаются переключателями 41, 43 и 44 циркулятор 42 канала вертикальной поляризации, переключателями 46, 48 и 49 циркулятор 47 канала горизонтальной поляризации.

Изобретение относится к микрополосковым антенным решеткам СВЧ-диапазона и может найти применение в поляриметрических радиолокаторах, радиоинтроскопах, медицинских электромагнитных аппликаторах, системах приема и передачи информации. Техническим результатом является создание микрополосковой антенной решетки, способной работать с линейной вертикальной и горизонтальной поляризацией и круговой правосторонней и левосторонней поляризацией. Микрополосковая антенная решетка содержит четное количество излучателей в форме прямоугольника, которые размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и разделены между собой зазорами. Средние излучатели четырех взаимно перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого 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 в точке, расположенной на середине боковой кромки, подключен возбуждающий элемент. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Микрополосковая антенная решетка, содержащая 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 стороны излучателей расположены параллельно соответствующим ветвям этой прямоугольной координатной сетки, при этом средние излучатели четырех перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующему лучу прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая, смежная с ней сторона излучателя, равна половине длины волны, остальные излучатели микрополосковой антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом к каждому среднему излучателю четырех перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине стороны, равной длине волны, подключены возбуждающие элементы, выполненные в виде металлического штыря, одни концы которых гальванически соединены с соответствующими излучателями, а вторые концы гальванически соединены с разводкой питания, выполненной в виде четырех перпендикулярных отрезков микрополосковых линий, оси которых расположены параллельно четырем перпендикулярным лучам средних излучателей прямоугольной координатной сетки соответственно, а диэлектрическая подложка разводки питания установлена параллельно диэлектрической подложке микрополосковой антенной решетки, при этом вторые концы возбуждающих элементов средних излучателей четырех перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки включены в соответствующие перпендикулярные отрезки микрополосковых линий разводки питания по осевым линиям, отрезок входной линии передачи подключен к продолжению одного отрезка микрополосковой линии разводки питания, отличающаяся тем, что микрополосковая антенная решетка содержит четное количество излучателей, при этом четыре средних излучателя соответственно четырех перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки, ближних к началу координат микрополосковой антенной решетки, расположены в форме квадрата, каждая сторона которого образована двумя внешними, по отношению к началу координат микрополосковой антенной решетки, сторонами двух средних излучателей, одной стороной, равной длине волны одного среднего излучателя, и одной стороной, равной половине длины волны другого среднего излучателя двух перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки соответственно, при этом внешние стороны длиной, равной длине волны четырех средних излучателей, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки, и соответствующие им системы средних излучателей соответственно четырех перпендикулярных лучей прямоугольника координатной сетки расположены на соответствующих лучах прямоугольной координатной сетки и к этим сторонам подключены возбуждающие элементы, причем длина первого, второго, третьего и четвертого перпендикулярных отрезков микрополосковых линий разводки питания с одной стороны ограничена точкой подключения второго конца возбуждающего элемента четырех средних излучателей, ближайших к началу координат микрополосковой антенной решетки, четырех перпендикулярных лучей прямоугольной координатной сетки соответственно, а к продолжению второго, третьего и четвертого перпендикулярных отрезков микрополосковых линий разводки питания подключены введенные второй, третий и четвертый отрезки входных линий передачи. 2. Микрополосковая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что к четырем линейкам крайних пассивных излучателей, выполненных в форме квадрата со стороной, равной длине волны, подключены введенные четыре системы излучателей, выполненных в форме квадрата, со стороной, равной длине волны, идентичные пассивным излучателям в форме квадрата со стороной, равной длине волны микрополосковой антенной решетки, центры введенных излучателей расположены в узлах прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки, при этом введенные четыре системы излучателей установлены со стороны внешних сторон четырех линеек крайних излучателей соответственно, причем первая система введенных излучателей установлена к первой линейке излучателей, ограниченной первым и вторым перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна первому лучу прямоугольной координатной сетки, вторая система введенных излучателей установлена ко второй линейке излучателей, ограниченной вторым и третьим перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна второму лучу прямоугольной координатной сетки, третья система введенных излучателей установлена к третьей линейке излучателей, ограниченной третьим и четвертым перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна третьему лучу прямоугольной координатной сетки, четвертая система введенных излучателей установлена к четвертой линейке излучателей, ограниченной четвертым и первым перпендикулярными лучами прямоугольной координатной сетки, продольная ось которой параллельна четвертому лучу прямоугольной координатной сетки, при этом количество излучателей в форме квадрата заключенных в соответствующих перпендикулярных лучах прямоугольной координатной сетки одинаково и количество излучателей в строке равно количеству излучателей в столбце, а зазоры, разделяющие между собой излучатели по каждой ветви прямоугольной координатной сетки, выполнены одинаковой ширины. 3. Микрополосковая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что введен блок управления поляризации (БУП), выходные каналы которого подключены к соответствующим входным линиям передачи микрополосковой антенной решетки, а входной канал БУП является входом микрополосковой антенной решетки. 4. Микрополосковая антенная решетка по п.3, отличающаяся тем, что БУП состоит из переключателя, первый и второй выходные каналы которого соединены с входными каналами первого и второго трехдецибельных делителей мощности соответственно, а третий выходной канал соединен с согласованной нагрузкой, вторые выходные каналы трехдецибельных делителей мощности соединены с входными каналами первого и второго фазовращателей соответственно, выходные каналы которых и первые выходные каналы первого и второго трехдецибельных делителей мощности являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал переключателя является входным каналом БУП. 5. Микрополосковая антенная решетка по п.3, отличающаяся тем, что БУП состоит из первого трехдецибельного делителя мощности, первый и второй выходные каналы которого соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соответственно, второй выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности и первый и второй выходные каналы третьего трехдецибельного делителя мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых и первый выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности являются выходными каналами БУП, которые подключены к соответствующим входным линиям передачи разводки питания микрополосковой антенной решетки, а входной канал первого трехдецибельного делителя мощности является входным каналом БУП. 6. Микрополосковая антенная решетка по п.3, 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 трехдецибельного делителя мощности с коммутируемыми каналами, входной канал которого является входным каналом БУП в режиме излучения, а пятый канал второго переключателя и пятый канал пятого переключателя соединены с входными каналами второго и третьего трехдецибельных делителей мощности соответственно, второй выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности и первый и второй выходные каналы третьего трехдецибельного делителя мощности соединены с входными каналами фазовращателей соответственно, выходные каналы которых в первый выходной канал второго трехдецибельного делителя мощности 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 соединены с соответствующими выходными каналами четвертого трехдецибельного делителя мощности, входной канал которого является входным каналом БУП при работе в режиме приема.