[1]Полезная модель относится к антенной технике, в частности к многоэлементным СВЧ антеннам, и может быть использована в качестве фазированных антенных решеток (ФАР), как самостоятельно, так и в составе сложных приемо-передающих систем.
[2]В настоящее время существует большое многообразие СВЧ антенн, содержащих упорядоченно размещенные, в соответствии с одной из известных геометрий сетки ФАР, те или иные излучатели (волноводные, вибраторные, комбинированные, печатные и т.д.). Поэтому техника антенн, достигнув определенного «уровня зрелости», идет уже не по пути создания принципиально новых типов антенн и элементов тракта, а, в основном, по пути улучшения электрических характеристик, совершенствования конструкций и технологии производства.
[3]Известна фазированная антенная решетка (ФАР) с вибраторными излучателями, в которой вибраторы располагаются над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. (Антенны и устройства СВЧ. (Проектирование фазированных антенных решеток) /под ред. Д.И.Воскресенского М.: Радио и связь, 1981, стр.33, рис.2.10). Каждый излучатель состоит из плеч вибратора, симметрирующего устройства, проводящего экрана и входа питающей линии. В данную конструкцию, помимо собственно вибратора, входят симметрирующее устройство и подводящая линия, выполняющие дополнительно функции механических опор, поддерживающих плечи вибратора.
[4]Недостатком данной ФАР является то, что при определенных условиях наличие таких опор может привести к нежелательным резонансным явлениям, кроме того, при больших количествах вибраторов такой конструкции антенна в целом получается тяжелой и громоздкой.
[5]В тех случаях, когда к ФАР предъявляются жесткие требования по габаритам и массе, в качестве излучателей решетки могут быть использованы печатные вибраторы. Более того, при использовании печатной технологии в едином цикле можно изготавливать не только излучающие элементы, но и линии передачи, схемы деления, согласующие элементы и т.д.
[6]Известна линейная вибраторная ФАР (пат.№2264009, МПК 7 H01Q 21/08, Линейная вибраторная фазированная антенная решетка, авторы: Анурин А.А., Шабалин А.В.), состоящая из симметричных полуволновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии четверти средней длины волны рабочего диапазона и синфазно запитанных с помощью фидерного тракта.
[7]В данной ФАР одноименные печатные плечи вибраторов имеют точку запитки от фидерного тракта, размещенную на уровне плоскости проводящего экрана в основании вертикальных печатных участков возбуждения, переходящих в эти плечи под углом 90°, а противоположные печатные плечи вибраторов гальванически закорочены на корпус АР в местах соединения с проводящим экраном. При этом соседние вертикальные печатные участки возбуждения одноименных и противоположных плеч вибраторов снабжены установленными параллельно плоскости расположения участков согласующими емкостными плоскими проводящими элементами.
[8]Недостатком данного технического решения является сравнительно узкая полоса пропускаемых частот (10-15%).
[9]Наиболее близкой по технической сущности, является многоэлементная полосковая СВЧ антенна (пат.№2256261, МПК 7 H01Q 1/38, Многоэлементная полосковая СВЧ антенна и способы ее изготовления, авторы: Панфилов В.И., Шабалин А.В.), содержащая упорядоченно размещенные к плоскости общего пассивного отражателя симметричные полосковые вибраторы, плечи которых запитаны в противофазе симметрично-полосковыми линиями, снабженными симметрично-согласующими устройствами. Симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных конструкций. Плечи вибраторов представляют собой две крайние одноименные и одну центральную, с противоположной ориентацией в плоскости решетки по отношению к крайним, полоски, переходящие в расположенные над общим пассивным отражателем и соединяющиеся под углом 90° к продольной оси плеч вибратора. Полосковый отрезок, соединяющийся с плечом вибратора, являющимся центральной полоской, имеет линейный скос с сужением ширины в сторону плеча на одну треть на расстоянии, составляющим четверть средней длины волны рабочего диапазона, и настроечную выемку в месте соединения полоскового отрезка с торцом центральной полоски в пределах полуширины полоски.
[10]Недостатками данного технического решения является то, что симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных конструкций (три печатных платы), что, естественно, увеличивает вес всей СВЧ антенны в целом. Вибраторы в силу асимметрии конструкции имеют смещение фазового центра. Кроме того, в технологическом процессе изготовления данных вибраторов присутствует большая номенклатура печатных плат.
[11]Техническим результатом предполагаемой полезной модели является обеспечение при существенно меньших массогабаритных характеристиках антенны повышения технологичности ее изготовления и расширения полосы пропускаемых частот.
[12]Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой СВЧ антенне, содержащей упорядоченно размещенные на одной линии или плоскости в соответствии со схемой, например, линейной или плоской ФАР, перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя, симметричные полуволновые полосковые вибраторы. Плечи каждого вибратора возбуждаются в противофазе симметричными полосковыми линиями, являющимися неотъемлемой частью симметрирующе-согласующих устройств, через высокочастотные разъемы. Высокочастотные разъемы установливаются на металлических стойках на уровне общего пассивного отражателя. Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде трехпроводной полосковой линии, образованной двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями в металлическом слое на той же стороне диэлектрической пластины, что и плечи полосковых вибраторов. Причем, одна из боковых полосок трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской на длине, составляющей четверть средней длины волны рабочего диапазона, образует разомкнутый реактивный шлейф. Вторая же боковая полоска трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской на длине, составляющей четверть средней длины волны, образует двухпроводную симметричную линию, подключаемую к плечам полуволнового вибратора. Каждый вибратор представляет собой два широких проводника с окнами. Причем плечи каждого вибратора симметрично сужаются к его середине. С обратной стороны диэлектрической пластины, в области размещения трехпроводной полосковой линии, имеется возможность (при необходимости) введения проводящих элементов настройки емкостного характера.
[13]Конструктивные особенности предлагаемой СВЧ антенны, в частности, выполнение полосковых вибраторов с элементами настройки на одной печатной плате, а не на трех, как в прототипе, позволяет получить выигрыш по толщине вибратора, тем самым существенно снизить вес антенны в целом.
[14]Кроме того, существует возможность изготовлять печатные платы по групповой технологии и снизить номенклатуру плат.
[15]Изготовление в плечах полосковых вибраторов прямоугольных окон, наличие разомкнутого реактивного шлейфа, а также введение в область связанных полосковых проводников с обратной стороны платы регулировочных элементов, позволяет существенно расширить полосу рабочих частот антенны.
[16]Для пояснения описываемой СВЧ антенны на фиг.1 изображена схема размещения над общим пассивным отражателем (плоский экран) симметричных полосковых вибраторов заявляемой ФАР, размещенных в углах прямоугольной сетки, вид сверху;
[17]на фиг.2 - конструкция однослойного печатного вибратора заявляемой ФАР с участком возбуждения вибратора трехпроводной полосковой линией (компланарным полосковым волноводом);
[18]на фиг.3 - экспериментальные результаты по КСВ одиночного полоскового вибратора заявляемой антенны (I вариант: при Ш1=15 мм, Ш2=5 мм, S1=10 мм и II вариант: при Ш1=11 мм, Ш2=5 мм, S1=10 мм);
[19]на фиг.4 - экспериментальные результаты по КСВ для АР из пяти вибраторов с окнами, с общим отражателем (при d/λ=0,565, S1=10 мм), запитанных через синфазный равноамплитудный развязанный делитель на пять направлений;
[20]на фиг.5 - распределение поля в раскрыве плоской антенны (число вибраторов n=5, d/λ=0,565) при возбуждении вибраторов синфазным равноамлитудным делителем.
[21]Широкополосная линейная многоэлементная фазированная вибраторная АР содержит размещенные в прямоугольной сетке ФАР, на фиксированном расстоянии друг от друга dx и dy, и на малой высоте над плоскостью общего пассивного отражателя 1, перпендикулярно к нему симметричные полуволновые вибраторы 2, выполненные в виде полосковых проводников на диэлектрической пластине 3 (фиг.1).
[22]Плечи 4 каждого симметричного вибратора 2 представляют собой два широких полосковых проводника шириной Ш (Ш=40 мм) с окнами 5, ширина которых Ш1 (Ш1≈1/3Ш). Плечи 4 каждого вибратора 2 симметрично сужаются к его оси симметрии, образуя поверхности, к которым подключаются полосковые линии 6 и 7, являющиеся неотъемлемой частью симметрирующе-согласующего устройства (фиг.2).
[23]Каждое симметрирующе-согласующее устройство выполнено в виде трехпроводной полосковой линии 6, 7 и 8, образованной двумя параллельными, близко расположенными узкими щелями шириной Ш2 (Ш2=5 мм) в металлическом слое, на той же стороне диэлектрической пластины 3, что и плечи 4 полосковых вибраторов 2.
[24]Одна из боковых полосок 6 трехпроводной полосковой линии совместно с ее центральной полоской 7 на длине, составляющей λcp/4, образует двухпроводную симметричную линию, подключаемую к плечам 4 вибратора 2, а другая боковая полоска 8 трехпроводной полосковой линии с ее центральной полоской 7 на длине λcp/4 образует разомкнутый реактивный шлейф с зазором S1 (S1=10 мм).
[25]К трехпроводной полосковой линии 6, 7, 8 высокочастотный сигнал подводится через высокочастотный разъем 9 (50 Ом), установленный на металлической стойке 10. Крайние полоски 6 и 8 трехпроводной полосковой линии, гальванически закорочены на стойку 10 с высокочастотным разъемом 9, а ее центральная полоска 7 подсоединяется к центральному проводнику высокочастотного разъема 9.
[26]С обратной стороны диэлектрической пластины 3, в области связанных полосковых проводников трехпроводной полосковой линии 6, 7, 8, устанавливаются (при необходимости) плоские настроечные емкостные проводящие элементы 11.
[27]В предлагаемой СВЧ антенне вибраторы могут быть выполнены либо металлическими, либо печатными (на фиг.2 - печатный вариант выполнения вибраторов на стеклотекстолитовой основе (толщина t стеклотекстолита берется = 1 мм)).
[28]Широкополосная линейная многоэлементная СВЧ антенна, работающая в режиме фазированной антенной решетки, обеспечивает однополярное излучение полуволновых вибраторов в широкой полосе частот, в L-диапазоне, с качанием луча антенны в двух ортогональных плоскостях (в секторе углов ±45°).
[29]Предлагаемая конструкция печатных полуволновых вибраторов, из которых состоит заявляемая широкополосная линейная многоэлементная фазированная антенная решетка, позволяет существенно снизить ее вес (≈ в 2 раза), упростить замену вышедших из строя отдельных вибраторов (технология со снижением номенклатуры плат).
[30]Изготовление в плечах плоского вибратора по всей их длине прямоугольных окон, шириной Ш1 приблизительно равной 1/3 ширины плеча Ш, позволяет расширить полосу пропускания со стороны низкочастотного края рабочего диапазона волн.
[31]По результатам экспериментальных работ с одиночными вибраторами (Ш=40 мм, Ш1=11 мм, Ш2=5 мм, S=5 мм, S1=10 мм, t=1,0 мм), изготовленными по данному техническому решению (фиг.3), а так же при испытаниях макета плоской АР из пяти таких вибраторов (d/λ=0,565, S1=10 мм), запитанных через синфазный равноамлитудный развязанный делитель на пять направлений, были получены рабочие характеристики (фиг.4), подтверждающие заявленный технический результат. А именно, полоса рабочих частот предлагаемой антенны достигает 31% по уровню КСВ=1,3. Причем, наиболее предпочтительным, является зазор S1=10 мм, т.к. при малом зазоре происходит некоторое смещение фазового центра вибратора.
[32]На фиг.5 показана сформированная диаграмма направленности (ДН) при возбуждении вибраторов решетки (n=5, d/λ=0,565) синфазным равноамплитудным делителем мощности на 5 направлений.
[33]Электрическая симметрия плеч предлагаемого вибратора, достигается за счет симметричной топологии проводников компланарного волновода, при этом осевая линия центрального проводника должна совпадать с осью симметрии вибратора.
[34]Топология запитывающих линий, от плеч вибратора до точки возбуждения, выполняется плавно криволинейной с ориентацией центрального проводника вдоль оси симметрии данного вибратора (фиг.2).
[35]Результаты моделирования на ПЭВМ в системе Microvawe Offis показали, что диаграмма направленности предлагаемой антенны становится симметричной и, следовательно, фазовый центр совпадает с осью симметрии вибратора. Результаты были получены при использовании в качестве материала стеклотекстолита с t=1,0 мм; с обратной стороны платы был установлен настроечный элемент емкостного характера, входящий в топологию печатной платы вибратора.
[36]Предлагаемое техническое решение дает возможность подключения компланарных волноводов и к плечам вибраторов и к запитывающим фидерным линиям, которые могут быть как несимметричными полосковыми линиями, так и симметричными трехполоскосными высокодобротными линиями, обладающими меньшими потерями и лучшими экранирующими свойствами.
[37]Все выше перечисленное говорит о том, что создана новая и полезная вибраторная антенна, обеспечивающая рабочие характеристики в широком диапазоне частот.
