Многолучевая антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК H01Q15/02 H01Q19/06 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосной многолучевой антенной решетки с круговой поляризацией.

Известны многолучевые антенные решетки МЛАР с диараммообразующей схемой на основе линзы Рузе или Ротмана.

Одна из известных многолучевых антенных решеток содержит линейную решетку антенных элементов, плоскопараллельный волновод с двумя криволинейными контурами, зонды, расположенные на расстоянии 0,25 А от короткозамкнутой стороны первого криволинейного контура и соединенные коаксиальными кабелями с антенными элементами, и рупорные облучатели, расположенные со стороны второго криволинейного контура и соединенные с лучевыми входами.

Недостатками известного устройства являются большие масса и габариты, наличие множества коаксиальных соединителей, создающих отражения, и сложность изготовления.

Указанные йедостатки устранены выполнением многолучевой антенной решетки на основе полосковой техники методом печатной технологии.

Одна из известных МЛАР в полосковом исполнении содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположено заземленное основание, а на другой стороне- полосковая структура, состоящая из планарной линзы (аналога плоскопараллельного волновода), треугольных облучателей (аналогов рупорных облучателей и зондов), полосковых линий передачи и печатных монополей.

Недостатками известной МЛАР являются неудовлетворительное согласование треугольных облучателей и множественные переотражения в планарной линзе.

Наиболее близкой по технической сущности является многолучевая антенная решетка, содержащая линейную решетку антенных элементов и диаграммообразую- щую схему, выполненную в виде диэлектрической подложки, на одной стороне которой расположено заземленное основание, а на второй - полосковая структура, состоящая из планарной линзы, на первом контуре которой расположены первые треугольные облучатели, соединенные с антенными элементами, а на втором контуре которой расположены вторыетреугольныеоблучатели, попарно соединенные через трехдеци- бельные сумматоры (делители) мощности с лучевыми входами, причем электрические длины, линий передачи от первого контура планарной линзы, имеющего форму дуги окружности, до каждого из антенных элементов выполнены равными.

. Второй контур планарной линзы известной МЛАР выполнен также в виде дуги окружности, только в трех точках совпадающей с фокальной линией планарной линзы. Осевые линии треугольных облучателей направлены радиально, а их продолжения не выходят за границы противоположного контура. Для диапазона волн в пределах 0,52 d/A 0,64 (где d - ширина общего раскрыва пары треугольных облучателей) ширина диаграммы направленности - ДН, формируемой треугольным облучателем внутри планарной линзы, равна 120°, а угол, под которым виден противоположный контур со стороны любого треугольного облучателя, находится

в пределах 60 - 68°, что позволяет получить амплитудное распределение на противоположном контуре с неравномерностью 1 дБ. Причем для крайних треугольных облучателей равномерность амплитудного распределения достигается постоянством отношения F(«) / г(а) в секторе углов, где F( а )- диаграмма направленности, г(р ) - зависимость расстояния от данного треугольного облучателя до текущей точки на

противоположном контуре от угла а .Треугольные облучатели с уменьшенным в два раза раскрывом, соединенные попарно, обеспечивают улучшение согласования при той же длине треугольного облучателя.

Трехдецибельный сумматор мощности пропускает на выход подводимую энергию без потерь в случае синфазных и равноампли- тудных напряжений на входах. В других случаях энергия частично поглощается на

балансной нагрузке. Если энергия подводится только к одному из входов, то потери равны 6 дБ. При одинаковых амплитудах на входах потери из-за несинфазности пропорциональны з п2Ф/2, где Ф- сдвиг

фаз.

Недостатками известной МЛАР являются сравнительно высокие потери (сравнительно низкий КПД) при увеличении угла сканирования, и расширении частотного диапазона, вызванные несфокусированностью части треугольных облучателей, на втором контуре планарной линзы, нарушением равномерности и симметричности амплитудного распределения при изменении

частоты, переливанием части энергии за края противоположного контура, особенно при облучении крайними треугольными облучателями.

Цель изобретения - повышение КПД при увеличении угла сканирования и расширении частотного диапазона.

Цель достигается тем, что в многолучевой антенной решетке, содержащей линейную решетку антенных элементов и диаграммообразующую схему, выполненную в виде диэлектрической подложки, на одной стороне которой расположено заземленное основание, а на второй - полосковая структура, состоящая из планарной линзы, на первом контуре которой расположены первые треугольные облучатели, соединен- ные с антенными элементами, а на втором контуре - вторые треугольные облучатели, попарно соединенные через трехдецибель- ные сумматоры (делители) мощности с лучевыми входами, причем электрические длины линий передачи от первого контура планарной линзы, имеющего форму дуги окружности до каждого из антенных элементов выполнены равными, первые треугольные облучатели выполнены таким образом, что проекции их раскрывов на хорду дуги окружности первого контура планарной линзы равны между собой, второй контур планарной линзы выполнен в виде фокальной линии, для которой имеет место следующее соотношение:

Ini hi + (n-1) D sin 0| /Ve n 1, 2 ... N,

где Ini, 111 - расстояния от i-го фокуса фокальной линии до середины раскрыва n-го и бли- жайшего из первых треугольных облучателей, соответственно;

N - общее число первых треугольных облучателей;

D-расстояние между соседними антен- ными элементами;

0| - текущий угол сканирования; Јг- относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; причем каждый из вторых треугольных об- лучателей совмещен вершинами при основании с фокальной линией, а разность длин полосковых линий передачи, соединяющих входы (выходы) сумматора (делителя) мощности с парой вторых треугольных облучате- лей выбрана согласно следующему соотношению:

АЈГ

внеш 1внут)/ Убгэфф ( 1-внут - 1-внеш)/

где 1Внеш и 1Внут - длины полосковых линий передачи к внешнему и внутреннему, относительно оси планарной линзы, вторым тре- угольнымоблучателямпары

соответственно;

Јгэфф - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость среды для полосковой линии;

1-внут и 1-внеш - расстояния от середины раскрыва внутреннего и внешнего вторых треугольных облучателей пары до точки на дуге первого контура планарной линзы, находящейся в пределах от середины дуги до места пересечения дуги с биссектрисой угла, образованного линиями, соединяющими общую точку раскрывов указанной пары вторых треугольных облучателей с концами дуги первого контура, соответственно, а антенные элементы выполнены в виде логарифмических эллиптических сжатых на последних витках двухзаходных спиралей, расположенных на общей с диаграммооб- разующей схемой диэлектрической подложке, причем первая из ветвей каждой спирали соединена с полосковой линией передачи и расположена со стороны полосковой структуры, ,а вторая ветвь каждой спирали расположена со стороны заземленного основания на введенном в нем щелевом окне и соединена с заземленным основанием периферийным концом, причем внутренний край ветви спирали выполнен согласно следующим расчетным соотношениям:

(p)- R4(ip--w):

р 0;

Т

Г2 % (р) R ф -пг

О р л;

Г3 VRjp.Rgjjp .„у,

Г4 VRJP (р) RS ( (k + 1)лг;

п -VpS1 ф) RS ():

(к+1),

где m, n - числа, определяющие соотношение ширины проводящей и щелевой ветвей спирали;

k - число полувитков спирали, на которых изменяется эксцентриситет эллипса;

Rify). R2()n Rs()-известные функции, описывающие внешний край ветви спирали:

Ri R0eaP;

R2 Ro ea(P V 1-b

I . . 9 x

1 - b (p) cosz p

ftwflO

, ,ftWf«l I

Г2 () % (#) R # -п}

при 0

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосной антенной решетки с круговой поляризацией. Цель изобретения - по- вышение КПД при увеличении угла анализирования и расширении частотного диапазона. Многолучевая антенная решетка содержит планарную линзу 6, вторые треугольные облучатели 10, делитель мощности 13. Цель достигается тем, что вторые треугольные облучатели 10 расположены на фокальной линии планарной линзы 6, каждая пара смежных треугольных облучателей через две линии передачи неравной длины соединена с двумя выходами сумматоры 13 мощности, вход которого соединен с соответствующим лучевым входом. Указанная совокупность признаков позволяет уменьшить переливание энергии за края противоположного контура планарной линзы 6 при работе многолучевой антенной решетки на передачу, особенно при больших углах сканирования, а также сфазировать электромагнитные колебания на входах сумматора мощности 13, соответствующие данному углу падения электромагнитной волны на антенной решетки при работе на прием, что уменьшает токи в балансных сопротивлениях данного сумматора мощности 13. Расширение частотного диапазона достигается также тем, что антенные элементы выполнены в виде логарифмических эллиптически сжатых двухзаходных спиралей. Приведены математические выражения, описывающие края проводников спирали. 3 ил. (Л С

R3 Ro V 1 Ь&акс

I- ..2

1 - Ьмакс COS2 tp

где b - эксцентриситет эллипса;

Ro, a - параметры логарифмической спирали;

p- угол в полярной системе координат.

Совокупность - пара треугольных облучателей, установленных вершинами при основаниях на фокальной линии пленарной линзы и соединенная с входами сумматора мощности линиями передачи неравной длины, проявляет следующие свойства:

-позволяет точнее вписаться в фокальную линию по сравнению с одиночным тре- угольным облучателем, имеющим удвоенную ширину раскрыва, тем самым улучшить фазовое распределение на противоположном контуре планарной линзы и, следовательно, уменьшить потери в сумматорах мощности особенно для крайних лучевых входов и в более широком частотном диапазоне;

-переместить максимум ДН пары треугольных облучателей ближе к середине противоположного контура, несмотря на то, что осевые линии треугольных облучателей, особенно при расположении крайних из них на фокальной линии планарной линзы, направлены в сторону от се редины противоположного контура, тем самым, создать на противоположном контуре амплитудное распределение, симметрия которого меньше зависит от частоты и обеспечивает уменьшение переливания энергии за края противоположного контура и, следовательно, позволяет уменьшить потери при увеличении угла сканирования и расширении частотного диапазона;

-уменьшить R/ Ад, где R - радиус дуги первого контура, Ад-длина волны в диэлектрике планарной линзы, обеспечивающее допустимые фазовые искажения, при данной дуге первого контура (длине линейной решетки) и при данном максимальном угле сканирования.

Выполнение антенного элемента в виде логарифмической эллиптической сжатой на последних витках двухзаходной спирали, внутренний край проводника которой описывается выражением

ПИ %(p).R(,p лу, при р О

(iw-и)

5ГЗИ -%(p)-R2(p -Я)1

(

imvui i

Г4 Н-VR3 -RS(p -пУ

при k л р (k + 1) п

,

П5 И /Rgi у) . Rg (p - л): при (k+1 ),

где m, n - коэффициенты, определяющие соотношение ширины проводника и щели в спирали;

k - число полувитков, где происходит переход от логарифмической спирали к логарифмической эллиптически сжатой спирали;

Ri(# ), R2(p ) и Rz(p) - известные зависимости для внешнего края проводника спирали (проволочного проводника спирали), например вида Ri (p) R0 ea Ф,

30 R2()

Рз( ) - Ro е V У 1 - ь ,

.

Р

И -I

Ъ cos p

приводит к возможности выполнения антенного элемента совместно с линией передачи в виде единой полосковой структуры, что невозможно в известном устройстве, при этом уменьшились переотражения в местах соединений и, следовательно, уменьшились потери в широком частотном диапазоне: дополнительное свойство - повышение технологичности изготовления; возможности уменьшения расстояния между антенными элементами до D/ АМин 0,5; без увеличения взаимной связи между ними, вместо принятого расстояния

D

0,52 T-- 0,67 в известных устройствах (5), что позволяет соответственно уменьшить расстояния между первыми треугольными облучателями, обеспечив требуемую ДН и согласование без объединения их в пары через сумматор (делитель) мощности, тем самым добиться уменьшения потерь в широком частотном диапазоне; возможности выполнить логарифмическую

эллиптически сжатую на последних витках двухзаходную спираль с одинаковым по ее длине волновым сопротивлением/тем самым улучшить ее согласование с линией передачи и, следовательно, уменьшить потери в широком частотном диапазоне, дополнительное свойство - улучшение коэффициента эллиптичности.

Выполнение раскрывов первых треугольных облучателей, увеличивающимся от середины дуги первого контура к периферии, позволяет улучшить амплитудное рас- пределение на антенных элементах, а условие, что их проекции на хорду дуги равны между собой, позволяет минимизиро- вать фазовые аберрации.

На фиг. 1 изображена печатная плата многолучевой антенной решетки со стороны заземленного основания; на фиг. 2 - то же, со стороны полосковой структуры; на фиг. 3 - схема выбора точки на первом контуре пленарной линзы.

Многолучевая антенная решетка выполнена в виде печатной платы на диэлектрической подложке. На одной стороне (фиг. 1) печатной платы расположено заземленное основание 1 с щелевым окном 2, на котором расположены вторые ветви 3 антенных элементов, периферийные концы которых соединены с заземленным основанием 1.

Заземленное основание 1 имеет девять отверстий 5 (не показаны) для прохода центральных проводников 50-омных коаксиальных соединителей, являющихся лучевыми входами.

На другой стороне (фиг. 2) расположена полрсковая структура, состоящая из пла- нарной линзы 6. на первом контуре/пунктирная линия) которой расположены первые треугольные облучатели 7, соединенные по- лосковыми линиями 8 передачи с первыми ветвями 9 антенных элементов, на втором контуре которой расположены вторые треугольные облучатели 10, соединенные попар- но через полосковые линии 11 и 12 передачи с двумя входами соответствующего сумматора (делителя) 13 мощности, выход которого соединен с центральным проводником коаксиального соединителя через отверстие 5 в заземленном основании и диэлект- рической подложке (не показано), на боковых контурах которой расположены третьи треугольные облучатели 14.

Первый контур линзы 5 имеет форму дуги окружности, проведенной из общей точки центральной пары вторых треугольных облучателей 10. Проекции раскрывов первых треугольных облучателей 7 на ось ОХ равны между собой.

Второй контур планарной линзы имеет форму фокальной линии, удовлетворяющей условию: расстояние от точки фокальной линии до середины раскрыва одного из первых треугольных облучателей 6 равно , . DtslnGlJ , . 2 DfslnGl/ vЈT ||4 W (n-1)DjslnQ{

где D - расстояние между антенными элементами;.

Q - угол сканирования;

ЕГ- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки;

п - порядковый номер облучателя 7.

Фокальная линия рассчитана на ЭВМ с точностью до Я от 0 до 60° через 0.5°.

Раскрывы и осевые длины, треугольных облучателей 7, 10 и 14 выбраны из условий: на максимальной длине волны рабочего диапазона должен обеспечиваться плавный переход от волнового сопротивления в месте соединения с полосковой линией передачи к волновому сопротивлению в раскрыве треугольного облучателя, при этом необходимая длина осевой линии определена с учетом эффективной диэлектрической проницаемости, в зависимости от ширины полоски; на минимальной длине волны рабочего диапазона должно обеспечиваться совпадение фазового центра с раскры- вом треугольного облучателя или фазовое запаздывание на краях раскрыва не более Я/4.

Треугольные облучатели 14 соединены с согласованными нагрузками, второй конец которых перемычкой соединен с заземленным основанием 1.

Сумматоры (делители) 13 мощности вы-. полнены в виде двух полуколец длиной 0,25 Icp (где 1Ср - средняя длина рабочего диапазона с учетом диэлектрика и ширины полоски) с волновым сопротивлением 100 Ом, соединенных с одной стороны с 50-омным коаксиальным соединителем, а с другой - нагруженных на балансную нагрузку 200 Ом и на полосковые линии 11 и 12 передачи, имеющие каждая волновое сопротивление 1000м.

Полосковая линия 11 передачи, идущая от внешнего, относительно середины второго контура планарной линзы 6 второго треугольного облучателя 10, имеет большую электрическую длину, чем полосковая линия

12передачи, идущая от внутреннего второго треугольного облучателя 10 той же пары.

Разность электрических длин полоско- вых линий 11 и 12 передачи определяется расчетно по разности расстояний от выВыполнены МЛАР, имеющие двенадцать антенных элементов и девять лучевых входов на диэлектрических подложках с Ј 2,8 и Ј 2,5; а также в виде симметричной полосковой структуры на диэлектрических подложках с е 2,5.

Многолучевая антенная решетка работает следующим образом.

Падающая на антенные элементы электромагнитная волна согласованной поляризации возбуждает в активной области каждой логарифмической двухзаходной спирали поверхностную волну, которая распространяется к центру спирали, постепенно трансформируясь в волну ТЕМ двухпроводной линии, проводниками которой являются ветви 3 и 9 спирали.

Согласованной эллиптической поляризацией для первой полусферы пространства, например, со стороны заземленного основания 1 будет, например, левая эллиптическая поляризация, а для второй полусферы пространства, со стороны полосковой Структуры, согласованной поляризацией будет правая эллиптическая поляризация.

Волна ТЕМ двухпроводной линии в центре спирали трансформируется в волну ТЕМ несимметричной полосковой линии, полоской которой является полосковая линия 8 передачи, а заземленным основанием - ветвь 3 спирали и затем заземленное основание 1. От раскрывов первых треугольных облучателей 7 в планарной линзе 5 распространяются цилиндрические волны ТЕМ, фазы которых зависят от угла падения падающей электромагнитной волны на антенные элементы.

Цилиндрические волны ТЕМ в зависимости от сдвига фаз между ними фокусируются в соответствующих точках второго контура и возбуждают соответствующие раскрывы пары вторых треугольных облучателей 10, причем внешний второй треугольный облучатель 10 пары (внешний относительно середины второго контура планарной линзы) возбуждается с опережением по фазе относительно внутреннего треугольного облучателя 9 той же пары. Волны ТЕМ несимметричной линии передачи распространяются по полосковым линиям 11 и 12 передачи и приходят к входам сумматора 13 мощности в фазе и с почти одинаковыми амплитудами.

Суммирование мощности происходит почти без потерь на балансном сопротивлении сумматора 13 мощности. Суммирование мощности в сумматорах 13 мощности, соединенных с вторыми треугольными облучателями 10, раскрывы которых расположены

вне фокуса данного луча, происходит с потерями на балансных сопротивлениях. Однако эти потери меньше, чем у прототипа, особенно для больших углов сканирования

ив широком частотном диапазоне.

Проведенные испытания подтвердили возможность работы предложенной МЛАР в диапазоне с перекрытием 2:1 с максимальным углом сканирования ±51°. При этом

потери уменьшаются на 1,3 дБ для лучевого входа 35° и на 0,3 дБ для лучевого входа 0 . Формула изобретения Многолучевая антенная решетка, содержащая линейную решетку антенных элементов и диаграммообразующую схему, выполненную в виде диэлектрической подложки, на одной стороне которой расположено заземленное основание, а на второй - полосковая структура, состоящая из плапарной линзы, на первом контуре которой расположены первые треугольные облучатели, соединенные с антенными элементами, а на втором контуре -1- вторые треугольные облучатели, попарно соединенные через трехдецибёльные сумматоры мощности с лучевыми входами, причем электрические длины линий передачи от первого контура планарной линзы, имеющего форму дуги окружности, до каждого из

антенных элементов выполнены равными, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД при увеличении угла сканирования и расширении частотного диапазона, первые треугольные облучатели

выполнены таким образом, что проекции их раскрывов на хорду дуги Окружности первого контура планарной линзы равны между собой, второй контур планарной линзы выполнен в виде фокальной линии, для которой имеет место следующее соотношение:

N,

lni hi + (n-1) D - sineit/ n 1,2...

где Ini, Hi расстояние от i-ro фокуса фокаль- ной линии до середины раскрыва n-го и бли- жайшего из первых треугольных облучателей соответственно;

N - общее число первых треугольных облучателей;

D - расстояние между соседними антенными элементами;

©(- текущий угол сканирования;

ег- относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки, причем каждый из вторых треугольных облучателей совмещен .вершинами при основании с фокальной линией, а разность длин полосковых линий передачи, соединяющих входы сумматора мощности с парой вторых

треугольных облучателей выбрана согласно следующему соотношению:

внеш внут) / УЈгэфф (L-внут - 1-внеш) /

Ов

/VeT

где 1Внеш и 1Внут - длины полосковых линий передачи к внешнему и внутреннему относительно оси планарной линзы, вторым тре- угольнымоблучателямпары,

соответственно;

Јгэфф. эффективная относительная диэлектрическая проницаемость среды для полосковой линии,

1Внут и Ьвнеш. - расстояния от середины раскрыва внутреннего и внешнего вторых треугольных облучателей пары до точки на дуге первого контура планарной линзы, находящейся в пределах от середины дуги до места пересечения дуги с биссектрисой угла, образованного линиями, соединяющими общую точку раскрывов указанной пары вторых треугольных облучателей с концами дуги первого контура, соответственно, а антенные элементы выполнены в виде логарифмических эллиптических сжатых на последних витках двухзаходных спиралей, расположенных на общей с диаграммооб- разующей схемой диэлектрической подложке, причем первая из ветвей каждой спирали соединена с полосковой линией передачи и расположена со стороны полоско- вой структуры, а вторая ветвь каждой спирали расположена со стороны заземленного основания на введенном в нем щелевом окне и соединена с заземленным основанием периферийным концом, причем внутренний край ветви спирали выполнен согласно следующим расчетным соотношениям :

Г1 (/)-Р(р)-я:)5 Р 0;

Г2 %() РШ-яЯ

О

гз VRV(f).R$(p)-ny. 3i(

Г4 vR$(p) №(Ґ)-л)

(к + 1)л:; ,

W(p)-R$(p)-Jt)

(k+.1),

где m, n - числа, определяющие соотношение ширины проводящей и щелевой ветвей спирали;

к - число полувитков спирали, на которых изменяется эксцентриситет эллипса;

Ri(y), R2(0 и Rz(p)- известные функции, описывающие внешний край ветви спирали;

Ri R0eaP;

R2 Ro ea(P V 1 - b2 ((p

1 - b2 (p) cos2 p

R3 Ro V т РЈЗКС

1 -Ьмакс COS2p

где b - эксцентриситет эллипса;

RO. а - параметры логарифмической спирали;

р- угол в полярной системе координат.

Фиг.1

Фш.3