Вибраторная антенная система Российский патент 2023 года по МПК H01Q9/28 

Предлагаемая вибраторная антенная система (ВАС) относится к области радиотехники диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована в радиолокационных и радионавигационных системах различного назначения для определения направления на пеленгуемый объект по разностной диаграмме направленности, близкий к нулю минимум которой лежит на одной прямой, соединяющей радиолокатор с пеленгуемым объектом. Актуальность совершенствования таких ВАС обусловлена всё возрастающими требованиями к пеленгационным радиотехническим системам в отношении их габаритов и массы, надёжности, а также необходимостью повышения уровня производственной и эксплуатационной технологичности.

Известна ВАС, описанная 29 марта 1988года в патенте США № 4734700 под названием “Group antenna with electronically phase-controlled beam”. Согласно резюме (Abstract) в этом патенте предложено реализовать в воображаемом трёхмерном объёме [например, в объёме в виде сферы, - см. фиг. 5 полного Описания этого патента] восемь областей со смежными границами, содержащих множественность индивидуальных излучателей, питаемых линиями передачи СВЧ диапазона. После компоновки и необходимых электрических соединений этих излучателей и вспомогательных элементов данная антенная система формирует суммарный сигнал, один угломестный разностный сигнал и два азимутальных разностных сигнала, используемые для радиолокации цели и её сопровождения при перемещении. Как следует далее из полного Описания этого патента, выходы каналов с вышеупомянутыми сигналами, а также вспомогательные нерабочие выходы ВАС соединены с согласованными нагрузками во избежание электромагнитных отражений [см. столбец 1, строки 56 – 66 Описания]. При этом в качестве вспомогательных элементов используются синфазно-противофазные кольцевые делители мощности [см. фигуры 7 – 12 Описания], а также можно применить двойные волноводные тройники (магические Т) [см. столбец 1, строки 45 – 50 Описания]. В процессе построения данной ВАС в коаксиальном, полосковом или волноводном исполнениях возникают многочисленные пересечения линий передачи, которые следует должным образом реализовать [см. столбец 2, строки 9 – 49 Описания].

В качестве предложенного технического воплощения данной ВАС, рекомендовано использовать горизонтально поляризованные петлевые или дипольные (другими словами, вибраторные) излучатели [см. столбец 5, строки 31 – 42, а также фигуру 5 Описания]. При этом подчёркивается уверенность, что при таких излучателях необходимые для радиопеленгации сигналы будут должным образом сформированы [см. многоступенчатую Формулу изобретения этого патента].

Однако практическая реализация трёхмерных конструкций в диапазоне СВЧ неизбежно ограничивается требованиями качественного и надёжного электрического соединения всех излучателей и вспомогательных элементов между собой при необходимости обеспечить требуемое взаимное расположение последних в пространстве компоновки. Этим обстоятельством обусловлено стремление добиться максимально возможной производственной и эксплуатационной технологичности изделий диапазона СВЧ. И в этом плане описанная волноводная реализация ВАС не позволяет существенно продвинуться к достижению требуемых на сегодняшний день показателей миниатюризации и технологичности.

Известна также ВАС, описанная 12 апреля 1994 года в патенте США № 5302961 под названием “Antenna aperture with main lobe jammer nulling capability”. Из резюме (Abstract) этого патента следует, что в нём предусмотрена непрямоугольная антенная апертура, содержащая четыре прямоугольные области для приёма электромагнитных сигналов. При этом реализована способность формировать в окружающем пространстве предписанные суммарный луч (суммарную диаграмму направленности), первый и второй разностные лучи, а также двойной разностный луч, так что произведение первого и второго разностных лучей равны произведению суммарного и двойного разностного лучей. Упомянутая способность обеспечивается применением в этом устройстве должным образом соединённых классических базовых элементов, как то: волноводы, усилители, аттенюаторы, приёмо-передающие модули, двойные волноводные тройники (другими словами: магическое «Т») [см. столбец 3, строки 48-60, а также столбец 16, строки 2-14 Описания патента США № 5302961]. Там задействованы также вибраторные (дипольные) элементы[см. столбец 7, строки 5-18, а также столбец 15, строки 10-16 Описания]. При этом указывается, что данная система может быть применена как для приёма, так и для передачи зондирующих радиосигналов [см. столбец 4, строки 31-53 Описания].

В результате, описанная ВАС при соответствующем исполнении формирует в окружающем пространстве разностные лучи как с неодинаковыми [см. фигуры 4b, 4c, 4d Описания], так и с почти одинаковыми [см. фигуры 4f, 4g Описания] боковыми лепестками, что можно использовать для решения задач пеленгации и радиолокации.

Однако, волноводное исполнение элементов ВАС, включая вибраторные излучатели, приводит к весьма громоздким конструкциям, собирать и настраивать которые весьма трудоёмко по времени и сопровождается существенными затратами сил и средств.

Таким образом, описанная в патенте США трёхмерная вибраторная антенная система не удовлетворяет современным требованиям в отношении эксплуатационной технологичности из-за трудоёмкости сборки, значительных габаритов, массы и стоимости изделия, а также его надёжности из-за большого количества волноводных фланцев, соединяемых винтами с гайками.

Известна также антенная система, которая при использовании полуволновых вибраторов может быть названа «Вибраторной антенной системой» (ВАС), описанная 10 ноября 1992 года в патенте США № 5162804 под названием “Amplitude distributed scanning switch system”. В этой системе формируются несколько независимых друг от друга (то есть, развязанных по соответствующим входам устройства) диаграмм направленности (лучей), в том числе и разносная диаграмма. В основе блок-схемы этой системы лежит классическая 8-лучевая матрица Батлера, дополненная ансамблем вспомогательных делителей мощности СВЧ и фазовращателей [см. фигуру 1 Описания этого патента]. В соответствии с данной блок-схемой описаны алгоритмы формирования лучей при условии использования круговой фазированной антенной решётки с восемью излучателями [см. фигуру 5 Описания]. Каких-либо рекомендаций о конкретном конструктивном исполнении этих излучателей [позиции 201 – 208 на фигуре 5] в патенте не приводится. По-видимому, они могут быть любыми, пригодными для решения задач радиопеленгации. Заявитель полагает, что это могут быть и вибраторные/дипольные излучатели, включая печатное их исполнение на фольгированных листовых органических диэлектриках.

В процессе описания принципа действия данной ВАС был обоснован механизм формирования разностной диаграммы направленности (луча) с минимумом сигнала, лежащем на соответствующем направлении на цель [см. столбец 5, строки 12 – 17 Описания] с уровнем ослабления порядка 12 дБ относительно максимумов [см. фигуру 7 Описания].

Однако при практической реализации описанной ВАС вряд ли целесообразно использовать стандартные прямоугольные волноводы, поскольку как матрица Батлера, так и круговая антенная решётка в волноводном исполнении весьма громоздки и характеризуются недостаточным уровнем производственной и эксплуатационной технологичности. Если же использовать печатное полосковое или микрополосковое исполнение элементов и излучателей, то для сборки всей ВАС неизбежно потребуются соединительные коаксиальные кабели (их должно быть как минимум восемь) между выходами планарной печатной 8-лучевой матрицы Батлера и входами излучателей 8-элементной трёхмерной круговой антенной решётки. Наличие таких кабелей не позволяет обеспечить высокий уровень надёжности радиопеленгации по минимуму разностной диаграммы направленности и эксплуатационной технологичности.

Прототипом предлагаемого изобретения выбрана вибраторная антенна, описанная 27 сентября 2015 года в патенте Российской Федерации № 2571156. Эта антенна может рассматриваться как частный случай простейшей вибраторной антенной системы (ВАС), в которой содержатся один полуволновый вибратор и один равноамплитудный квадратурный распределитель мощности СВЧ. Если электрические соединения выполнены согласно Формуле изобретения этого патента, то максимум диаграммы направленности антенны отклонён на 20 градусов от направления, перпендикулярного осевой линии обеих половин полуволнового вибратора [см. фигуру 7 Описания].

Однако форма диаграммы направленности в плоскости yoz электрического вектора Е [см. фигуры 2, 4 и 7 Описания] имеет вид «восьмёрки», ось которой отклонена на 20 градусов от перпендикуляра к вышеупомянутой осевой линии обеих половин диполя.

Таким образом, данная простейшая ВАС не обеспечивает формирование диаграммы направленности с достаточно глубоким минимумом/седловиной в направлении разностного сигнала и не может быть использована для радиопеленгации.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание более компактной и технологичной печатной вибраторной антенной системы с разностной диаграммой направленности, минимумы которой ярко выражены и расположены в плоскости, перпендикулярной как к осевой линии вибраторов, так и к плоскости подложки.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известную вибраторную антенную систему, содержащую вытянутый узкий проводник с малым поперечным сечением, разделённый в середине зазором на две половины со смежными и удалёнными концами по отношению друг к другу,

двухканальный равноамплитудный распределитель мощности, один из выходов которого соединён со смежным концом одной из половин проводника, а второй его выход соединён с удалённым концом другой половины проводника идентичными отрезками линий передачи, дополнительно введены идентичный узкий проводник с двумя половинами и соответствующими концами, первый и второй аналогичные распределители мощности, первая пара идентичных отрезков линий передачи, а также вторая пара одноступенчатых отрезков линий передачи, длина которых одинакова, но произвольна, при этом оба вытянутых узких проводника с двумя половинами каждый расположены соосно на общей оси, причём ориентация узких проводников на этой оси противоположна, при этом первый дополнительно введённый распределитель мощности соединён со смежным и удалённым концами дополнительно введённого узкого проводника первой дополнительно введённой парой идентичных отрезков линий передачи, два выхода второго дополнительно введённого распределителя мощности соединены с входами двух предыдущих распределителей второй дополнительно введённой парой одноступенчатых отрезков линий передачи, причём вход этого распределителя является входом вибраторной антенной системы, все три распределителя мощности выполнены синфазными, а идентичные отрезки линий передачи реализованы двухступенчатыми.

На фиг.1 изображена структурно-компоновочная схема вибраторной антенной системы, созданная на основе топологии её печатной платы, на фиг. 2 представлен фрагмент топологии лицевой стороны печатной платы ВАС, на фиг. 3 показаны совмещённые топологии лицевой и обратной сторон печатной платы ВАС, на фиг. 4 изображены те же совмещённые топологии с указанием направлений соответствующих токов, на фиг. 5 представлены теоретическая частотная характеристика модуля коэффициента отражения и результаты измерений, на фиг. 6 показаны теоретическая диаграмма направленности ВАС и результаты эксперимента.

Предлагаемая вибраторная антенная система (фиг. 1) содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку 1 толщиной Н с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон. На лицевой поверхности 2 параллельно большой стороне 4 на небольшом расстоянииот неё выполнены два идентичных вытянутых узких проводника с малым поперечным сечением, разделённые в середине зазорами 8 длиной на две половины, образованные проводниками 9, 10 и 11, 12 соответственно. При этом левый (на фиг. 1) вытянутый узкий проводник присутствовал в прототипе, а правый вытянутый узкий проводник является дополнительно введённым согласно Формуле предлагаемого изобретения. Проводники каждой из четырёх половин имеют смежные 13, 14 и 15, 16 концы. Эти же проводники 9, 10 и 11, 12 имеют и удалённые по отношению к смежным концы 17, 18 и 19, 20 соответственно. При этом все проводники 9, 10, 11 и 12 (другими словами: все четыре половины) имеют одинаковую длину и ширину . Они сформированы на лицевой поверхности 2 двухсторонне фольгированной изначально диэлектрической подложки 1 технологическими методами фотолитографии и избирательного/селективного травления медной фольги толщиной с пробельных мест (см. работу: Бушминский И.П., Морозов Г.В., «Технологическое проектирование микросхем СВЧ», - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001, 356 с.: ил.). Как правило, толщина медной фольги для отечественных фольгированных диэлектриков составляет 35 микрометров: = 0,035 мм. В тоже время, расстояние , характеризующее краевые технологические поля как вдоль больших 4, 5, так и вдоль малых 6, 7 сторон и ближайшими кромками печатных фольговых проводников любых проводящих фрагментов, назначается в отечественной конструкторско-технологической документации в пределах 0,2 – 0,5 мм: = 0,2…0,5 мм. В этой же документации и вышеупомянутой работе И.П. Бушминского, Г.В. Морозова ширина проводников 9, 10, 11 и 12 назначается, исходя из адгезионных свойств фольгированных диэлектриков, и имеет минимальное значение в пределах 1,0 – 1,5 мм: = 1,0…1,5 мм. При этом оба вышеупомянутых вытянутых узких проводника с двумя половинами 9, 10 и 11, 12 каждый расположены соосно на общей оси «а» - «а» и удалены друг от друга на расстояние порядка (3 – 5) толщин подложки. В результате, расстояние между удалённым концом 18 проводящей половины 10, относящейся к левому (фиг. 1) вытянутому узкому проводнику, и удалённым концом 19 проводящей половины 11, относящейся к правому вытянутому узкому проводнику, составит = (3…5)Н.

Три идентичных двухканальных равноамплитудных синфазных распределителя мощности выполнены также на лицевой поверхности 2 подложки 1 (фиг. 1). При этом левый верхний распределитель присутствовал в прототипе, а правый верхний и центральный нижний распределители дополнительно введены согласно Формуле предлагаемого изобретения, причём вход 21 центрального нижнего распределителя является входом всей предлагаемой ВАС. Конец печатного проводника этого входа отстоит от большой стороны 5 подложки 1 на величину ширины краевого технологического поля. Два выхода 22, 23 второго дополнительно введённого распределителя мощности, являющегося также центральным нижним распределителем (фиг. 1), соединены с входами 24, 25 двух предыдущих левого и правого распределителей второй дополнительно введённой парой одноступенчатых отрезков линий передачи 26, 27, длина которых одинакова, но произвольна.

В свою очередь, выходы 28, 29 первого дополнительно введённого распределителя мощности, являющегося правым верхним распределителем (фиг. 1), соединены соответственно со смежным 16 и удалённым 19 концами половин 12 и 11 дополнительно введённого узкого вытянутого проводника, являющегося на фиг. 1 правым узким вытянутым проводником. Соединение осуществлено первой дополнительно введённой парой идентичных двухступенчатых отрезков линий передачи 30 и 31. При этом два выхода 32, 33 левого верхнего распределителя мощности соединены соответственно со смежным 13 и удалённым 18 концами половин 9 и 10 первого узкого вытянутого проводника, являющегося на фиг. 1 левым узким вытянутым проводником. Соединение реализовано с использованием пары идентичных двухступенчатых отрезков линий передачи 34, 35. В результате, двухступенчатые отрезки 30, 31, 34 и 35 идентичны и характеризуются длиной каждой секции, а также ширинами и узкой и широкой секций соответственно. При этом ориентация узких вытянутых проводников, разделённых двумя зазорами 8 на две половины каждый, противоположна на оси «а» - «а» (фиг. 1), а все три идентичных двухканальных равноамплитудных синфазных распределителя мощности и дополнительно введённая пара одноступенчатых отрезков соединительных линий передачи 26, 27 между ними характеризуются различной шириной печатных проводников и , указанных на отдельном печатном фрагменте заявляемой ВАС (фиг. 2, серый цвет).

Таким образом, на лицевой поверхности 2 подложки 1 сформированы проводящие печатные фрагменты (фиг. 1, светло-серый цвет), находящиеся под потенциалом мощности генератора излучаемого сигнала, подводимого 50-омным коаксиальным кабелем к входу 21 ВАС. Для подключения кабеля на большой стороне 5 подложки 1 предусмотрена установка малогабаритного коаксиально-микрополоскового соединителя/разъёма типа SMA, центральный штырёк которого гальванически (например, пайкой) соединяется с печатным проводником входа 21 (на фиг. 1 разъём условно не показан).

Отводы корпуса разъёма также гальванически соединяются с обширным печатным заземлённым проводником 36, реализованным на обратной стороне 3 диэлектрической подложки 1 (фиг. 1, тёмно-серый цвет). На этой же стороне реализованы 4 печатных идентичных прямоугольных пьедестала 37, 38, 39 и 40 с размерами , верхние (на фиг. 1) основания которых являются продолжениями заземлённого проводника 36. Пьедесталы расположены под широкими линиями передачи двухступенчатых идентичных отрезков 30, 31, 34 и 35 (фиг. 1) на всю длину широких линий так, что вертикальные оси пьедесталов совпадают с вертикальными осями широких линий передачи, а именно: пьедестал 37 расположен под широкой линией двухступенчатого отрезка 30, пьедестал 38 – под широкой линией отрезка 31, пьедестал 39 – под широкой линией отрезка 35, пьедестал 40 – под широкой линией отрезка 34. Это обстоятельство иллюстрируется на фиг. 3, где изображена заявляемая ВАС с совмещёнными проводящими фрагментами обеих сторон 2 и 3 подложки 1 (фрагменты лицевой стороны 2 – светло-серый цвет, заземлённые фрагменты обратной стороны 3 – тёмно-серый цвет).

Принцип действия предлагаемой ВАС состоит в следующем.

Пусть к входу 21 через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом от генератора с внутренним вещественным сопротивлением (на фиг. 1 генератор, кабель и коаксиально-микрополосковый разъём условно не показаны) подводится гармонический СВЧ сигнал, амплитуда которого остаётся неизменной в полосе частот с нижней и верхней границами при центральной частоте . Напряжение поданного сигнала тремя синфазными равноамплитудными распределителями мощности, соединёнными между собой по схеме «ёлочка», делится на частоте на четыре равных части. При этом ширины и полосковых линий, указанные на фиг. 2, должны быть рассчитаны по хорошо известной методике (см., например, работу: «Справочник по элементам полосковой техники» /Под ред. А. Л. Фельдштейна. – М.: Связь, 1979, раздел 6.3, рис. 6.12), в которой заключительный этап модифицируется тем, что балластные резисторы с целью упрощения технологии реализации во всех трёх распределителях не используются. Последнее допустимо, поскольку оба излучателя предлагаемой ВАС, образованные двумя вытянутыми узкими проводниками, разделёнными в середине зазорами 8 на две половины 9, 10 и 11, 12 (фиг. 1), являются излучателями, описанными в прототипе и характеризующимися относительной полосой рабочих частот порядка (4…6)%. Фактически, в заявляемой ВАС используются два излучателя дипольного вида, у которых синфазные возбуждающие напряжения поступают с выходов 28, 29 и 32, 33 распределителей на одно смежное и одно удалённое плечо/конец в правом и левом излучателе (фиг. 1) соответственно. При этом, в отличие от прототипа, все три распределителя мощности являются синфазными, а идентичные отрезки линий передачи 30, 31, 34 и 35, хотя и реализованы двухступенчатыми, но они синфазность возбуждающих напряжений на концах 13, 18 и 16, 19 не искажают, осуществляя лишь трансформацию высоких значений вещественной части входного сопротивления (порядка 550…750 Ом) описанного в прототипе излучателя дипольного вида с центрально-концевым питанием до уровня волнового сопротивления = 71 Ом микрополосковых линий синфазных выходов 28, 29 и 32, 33 верхних (на фиг. 1) идентичных распределителей мощности. При этом волновые сопротивления и , величины которых необходимы для расчёта ширин и ступеней двухступенчатых отрезков линий передачи 30, 31, 34 и 35 (фиг. 1), определяются по классической методике проектирования двухступенчатых/двухсекционных трансформаторов сопротивлений, описанной, например, в работе: «Устройства СВЧ и антенны» /Под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2016, раздел 4.3, рис. 4.10.

В результате синфазного питания, как левый, так и правый (фиг. 1) излучатели дипольного вида с излучающими половинами 9, 10 и 11, 12 соответственно формировали бы, будучи уединёнными, в окружающем свободном пространстве две диаграммы направленности, максимумы которых были бы ориентированы в положительном направлении оси (то есть, по направлению орта ). В противоположном направлении (орт ) каждая из двух диаграмм направленности характеризуется значениями на 15…18 децибел меньше значений в положительном направлении оси (орт ). Это обусловлено существенным влиянием обширного заземленного печатного фрагмента 36, реализованного за излучателями на обратной стороне 3 подложки 1 и соединённого с заземлённым металлическим корпусом коаксиально-микрополоскового разъёма. Этот фрагмент вместе с пьедесталами 37, 38, 39 и 40 необходим как обратный проводник микрополосковых линий всех трёх двухканальных равноамплитудных синфазных распределителей и четырёх идентичных отрезков 30, 31, 34 и 35 соединительных линий передачи, реализованных двухступенчатыми (фиг. 1).

В результате токи , , и выходных концов широких микрополосковых линий с размером идентичных двухступенчатых линий передачи 30, 31, 34 и 35 являются синфазными и равноамплитудными: . Их направления в некоторый момент времени показаны на фиг. 4. Эти токи, покидая широкие отрезки микрополосковых линий с обратными заземлёнными проводниками в виде пьедесталов 37, 38, 39 и 40, на основании закона непрерывности полного тока приводят к появлению и поддержанию поверхностных токов проводимости , , и , которые будут нести на себе ничем не экранированные половины 9, 10, 11 и 12 обоих вытянутых узких проводников с малым поперечным сечением (фиг. 4). Именно эти синфазные и равноамплитудные поверхностные токи проводимости являются источниками электромагнитного излучения в окружающее свободное пространство. Фактически, согласно рекомендациям работы Г. Т. Марков, Д. М. Сазонов «Антенны», М.: Энергия, 1975. – 528 с., упомянутые поверхностные токи проводимости на половинах 9, 10, 11 и 12 можно считать «нитевидными», то есть, локализованными вдоль продольной оси «а» - «а». Изменяющиеся во времени «нитевидные» гармонические высокочастотные токи проводимости, протекающие по поверхности неэкранированных половин 9, 10, 11 и 12, согласно уравнениям Д. К. Максвелла неизбежно приводят к возникновению и поддержанию в окружающем пространстве переменных во времени электромагнитных полей. Эти поля, интерферируя в дальней зоне Фраунгофера, формируют в этой зоне итоговое электромагнитное излучение всей заявляемой ВАС.

В то же время, на общей оси «а» - «а» ориентация первого (левого) на фигурах 1 и 4 узкого вытянутого проводника, разделённого зазором 8 на две половины 9 и 10, противоположна ориентации второго (правого) идентичного узкого вытянутого проводника, разделённого аналогичным зазором 8 на две половины 11 и 12. Поэтому, несмотря на синфазность во времени «нитевидных» поверхностных токов проводимости , , и , их направления (другими словами: пространственная ориентация) попарно противоположны. Иными словами, токи и сонаправлены, синфазны во времени и равноамплитудны. Аналогично характеризуются токи и . Но первая пара токов в некоторый момент времени течёт влево, а вторая пара токов, будучи синфазной во времени (другими словами: будучи синхронизированной по времени) с первой парой, в тот же момент времени течёт вправо от вертикальной оси заявляемой ВАС (фиг. 4). Между тем, согласно материалам вышеупомянутой работы Г. Т. Маркова, Д. М. Сазонова, электромагнитные интерференционные процессы в дальней зоне Фраунгофера зависят не только от амплитуд и фаз «нитевидных» поверхностных токов проводимости, но и от пространственной ориентации этих токов, которая, в свою очередь, определяется конфигурацией топологии проводящих слоёв/рисунков лицевой 2 и обратной 3 поверхностей подложки 1 (фиг. 1).

В результате, перечисленные обстоятельства приводят к исчезновению (при практической реализации: к ярко выраженному ослаблению) электромагнитного поля в точках дальней зоны Фраунгофера, лежащих в плоскости , проходящей через ось перпендикулярно плоскости подложки 1, что соответствует азимутальному углу (отсчитываемому от оси в направлении оси ), равному или . При изменении угла в ту или иную стороны интенсивность излучения ВАС начинает возрастать. Вместе с тем, интенсивность излучения зависит и от угла места , отсчитываемого от положительного направления оси к отрицательному. Количественную оценку интенсивности излучения целесообразно дать с использованием трёхмерной системы электромагнитного моделирования “CST Studio Suite”, бессрочная лицензия на использование которой приобретена Заявителем в 2019 году. За счёт использования встроенного оптимизатора этой системы возможно подобрать геометрические размеры топологии (другими словами: настроить ВАС) с целью добиться её качественного согласования с генератором сигналов. Результаты оптимизации будут также использоваться далее при изготовлении опытного образца, что позволит заметно сократить объём работы и затраты средств по экспериментальной отработке ВАС.

Таким образом, при правильной настройке ВАС, то есть, при соответствующем расчёте ширины полосковых проводников и выверенной реализации одинаковости соответствующих длин, возникает ярко выраженный минимум электромагнитного излучения в точках плоскости . При этом в плоскости электрического вектора диаграмма направленности имеет ярко выраженный минимум (седловину) и характеризуется двухвершинной формой. Экстремумы этой диаграммы отклонены от оси в обе стороны на угол , величина которого определяется на конкретной частоте характером интерференционного процесса в дальней зоне Фраунгофера. Несмотря на формирование седловины в диаграмме направленности, согласование ВАС с генератором сохраняется, так как седловина обусловлена не эффектами отражения высокочастотных токов/напряжений от элементов печатной топологии, а взаимной компенсацией излучённых половинами 9, 10 и 11, 12 (фиг. 1) электромагнитных полей в точках дальней зоны Фраунгофера, лежащих в плоскости . Иными словами, в топологии предлагаемой ВАС отсутствуют какие-либо фрагменты, обладающие полосно-заграждающими свойствами, за счёт чего и наблюдался бы значительный уровень отражений высокочастотных токов/напряжений обратно к источнику сигнала, подключённого к входу 21 ВАС.

Конкретные величины геометрических размеров топологии предлагаемой печатной ВАС (иными словами: её настройка в целом) находятся как результат корректного расчёта ключевых геометрических размеров с использованием вышеупомянутой литературы, создавая тем самым начальный/стартовый облик ВАС для последующей оптимизации этих начальных размеров нелинейным оптимизатором системы “CST Studio Suite”. При этом реализуется возможность учёта диссипативных потерь в тонких фольговых проводниках фрагментов обеих сторон 2 и 3 подложки 1 (фиг. 1), а также потерь в материале её диэлектрика. Кроме того, полноволновое трёхмерное моделирование и оптимизация в “CST Studio Suite” позволяет учесть эффекты отражения (пусть хотя и малые) от изгибов печатных полосковых линий и скачков их геометрических размеров на стыках полосок, а также ввести в анализ расчёт влияния высших типов волн (другими словами: учесть многомодовую структуру локальных электромагнитных полей), которые возникают (хотя и быстро затухают при удалении от места возникновения) в областях перехода от несимметричных микрополосковых линий шириной к абсолютно не экранированным излучающим половинам 9, 10, 11 и 12 шириной каждая (фиг. 1).

В результате нахождения оптимальной совокупности геометрических размеров (другими словами: настройки) предлагаемая ВАС при использовании фольгированного стеклотекстолита FR-4 (= 4,58; производитель: ООО «Электроконнект», 630090, г. Новосибирск, ул. Инженерная, дом 4) толщиной = 1 мм характеризуется для волнового сопротивления = 50 Ом и центральной частоты = 2,8 ГГц следующими ключевыми размерами, указанными на фигурах 1 и 2 и упомянутыми выше в тексте Описания (в миллиметрах):

На этих же фигурах указаны и дополнительные параметры, формирующие полное представление о размерах (в миллиметрах) топологии предлагаемой ВАС, причём строчными буквами «» с индексами обозначены дополнительные размеры лицевой стороны 2 подложки 1, а строчными буквами «» - обратной стороны 3 (фигуры 1 и 2):

Совокупность этих размеров обеспечивает хорошее согласование ВАС с генератором, что следует из частотной характеристики модуля входного коэффициента отражения оптимизированной/настроенной антенны (фиг. 5, позиция 41, сплошная кривая – теоретическая величина). Это подтверждает обоснованность механизма интерференции в дальней зоне Фраунгофера электромагнитных полей «нитевидных» поверхностных токов проводимости , , и , которые несут на себе излучающие половины 9, 10, 11 и 12 обоих идентичных вытянутых узких проводников с малым поперечным сечением, разделённых в середине зазорами 8 с размером (фиг. 1).

Для экспериментального подтверждения результатов решения поставленной задачи был изготовлен опытный образец предлагаемой ВАС с вышеприведенными геометрическими размерами и питанием коаксиальным кабелем РК 50-1-11 (= 50 Ом), причём размеры подложки 1 (фиг. 1) составили:

- длина больших сторон 4 и 5: 96 мм;

- длина малых сторон 6 и 7: 25 мм.

Согласование ВАС с генератором проверялось в безэховой камере с использованием векторного анализатора электрических цепей Rohde & Schwarz RS-ZVL-13 и отражено на фиг. 5 точками в позициях 42. Диаграмма направленности (в терминах коэффициента усиления) измерялась по общепринятой методике для дальней зоны Фраунгофера с применением стандартной калибровки и измерений с использованием линейно поляризованного рупорного облучателя, генератора сигналов E8257D PSG и поворотных устройств по азимуту и углу места с точностью установки углов . Результаты измерений для плоскости электрического вектора представлены на фиг. 6 точками в позициях 43. Там же для сравнения показана диаграмма направленности, рассчитанная в системе “CST Studio Suite” (сплошная кривая в позиции 44).

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: создание более компактной и технологичной печатной вибраторной антенной системы с разностной диаграммой направленности, минимумы которой ярко выражены и расположены в плоскости, перпендикулярной как к осевой линии вибраторов, так и к плоскости подложки. В практически реализованной печатной ВАС минимальное значение диаграммы направленности в её седловине отличается от максимальных значений диаграммы на 19 децибел.

Данные обстоятельства в совокупности позволяют рекомендовать предлагаемую вибраторную антенную систему для использования в стационарных и мобильных радиолокационных и радионавигационных системах различного назначения для определения направления на пеленгуемый объект по линейно поляризованной разностной диаграмме направленности, когда к системам предъявляются повышенные (более жёсткие) требования к отличию максимальных значений диаграммы направленности от значения в её седловине.

Сущность изобретения в том, что печатная вибраторная антенная система содержит прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон. На лицевой поверхности 2 параллельно большой стороне 4 в непосредственной близости к ней выполнены два идентичных вытянутых узких проводника, разделённых в середине зазорами 8 на две соосные половины 9, 10 и 11, 12 со смежными 13, 14 и 15, 16, а также удалёнными 17, 18 и 19, 20 концами. При этом ориентация половин 9, 10 и 11, 12 на общей оси противоположна. Здесь же вблизи другой большой стороны 5 выполнены три идентичных двухканальных равноамплитудных распределителя мощности без балластных резисторов, соединённых между собой по двоично-этажной схеме «ёлочка», образуя 4-канальный синфазный делитель мощности. Вход делителя расположен на большой стороне 5 и является входом антенной системы. Два удалённых друг от друга выхода 28 и 32 делителя соединены со смежными концами 16 и 13 половин 12 и 9 посредством двух идентичных двухступенчатых отрезков линий передачи 30 и 34 соответственно. Два смежных выхода 29 и 33 делителя соединены аналогичными двухступенчатыми отрезками 31, 35 с расположенными рядом удалёнными концами 19 и 18 половин 11 и 10 соответственно. Техническим результатом при реализации заявленного решения является создание более компактной и технологичной печатной линейно поляризованной вибраторной антенной системы с разностной диаграммой направленности, имеющей ярко выраженную седловину в направлении, перпендикулярном торцу большой стороны. 6 ил.

Вибраторная антенная система, содержащая вытянутый узкий проводник с малым поперечным сечением, разделённый в середине зазором на две половины со смежными и удалёнными концами по отношению друг к другу, двухканальный равноамплитудный распределитель мощности, один из выходов которого соединён со смежным концом одной из половин проводника, а второй его выход соединён с удалённым концом другой половины проводника идентичными отрезками линий передачи, отличающаяся тем, что в неё дополнительно введены идентичный узкий проводник с двумя половинами и соответствующими концами, первый и второй аналогичные распределители мощности, первая пара идентичных отрезков линий передачи, а также вторая пара одноступенчатых отрезков линий передачи, длина которых одинакова, но произвольна, при этом оба вытянутых узких проводника с двумя половинами каждый расположены соосно на общей оси, причём ориентация узких проводников на этой оси противоположна, при этом первый дополнительно введённый распределитель мощности соединён со смежным и удалённым концами дополнительно введённого узкого проводника первой дополнительно введённой парой идентичных отрезков линий передачи, два выхода второго дополнительно введённого распределителя мощности соединены с входами двух предыдущих распределителей второй дополнительно введённой парой одноступенчатых отрезков линий передачи, причём вход этого распределителя является входом вибраторной антенной системы, все три распределителя мощности выполнены синфазными, а идентичные отрезки линий передачи реализованы двухступенчатыми.