НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК.621.372.8

МГТУ им. Н.Э. Баумана

temaforyou@yandex.ru

chernshv@bmstu.ru

Развивающееся в последние десятилетия направления сверхкорокоимпульсной  (СКИ) и сверхширокополосной (СШП) радиолокации требует создания эффективных антенных систем. В то же время растущие потребности в адаптации и диаграммоформировании обуславливают применение антенных решёток (АР). В связи с этим задача разработки излучателей для СКИ и СШП решёток сегодня актуальна. В работе исследуются излучатели в печатном исполнении Х-диапазона длин волн для построения полотна АР непосредственно на выходах микрополосковых плат разводки СВЧ мощности, что позволяет получить простые и надёжные конструкции решёток.  При этом возможны два варианта – использование широкополосных антенн с полосой порядка 15-20 % в Х-диапазоне (примером такой антенны может служить широкополосный вибратор на диэлектрической подложке без металлизации [1]) и применение сверхширокополосных излучателей на основе, например, антенн Вивальди (АВ), оптимизированных в рассматриваемой широкой полосе по согласованию и параметрам диаграммы направленности (ДН). Результаты применения последнего подхода при разработке излучателей АР представленны в данной работе.

Исследование одиночной модифицированной антенны Вивальди. АВ - СШП щелевые излучатели бегущей волны на основе щели с экспоненциальным  профилем - ранее неоднократно были описаны в литературе [2], [3]. Было показано, что СШП свойства такой антенны обеспечиваются благодаря плавной трансформации характеристического сопротивления щелевой линии для обеспечения эффективной излучающей способности сегментов щели с размерами порядка половины длины излучаемой волны [4].

Профиль щели АВ описывается выражениями вида:

W (y) = Ws_in∙e^α∙^y,   α = (1/L_a)∙ln(Ws_out / Ws_in),

где Ws_in -ширина шелевой линии в области возбуждения, Ws_out - ширина щелевой линии на выходе антенны, L_a - длина нерегулярной щелевой линии.

Такие АВ обладает требуемыми СШП характеристиками. В тех случаях, когда требуется построить ШП радиоэлектронную систему с относительной полосой частот излучаемого сигнала 15-20 %, удачно можно использовать антенны с СШП характеристиками, оптимизированные в конкретной полосе частот. При этом за счёт отказа от СШП свойств антенне могут быть приданы другие полезные характеристики.

Для устранения недостатков конструкция СШП АВ была доработана для оптимального функционирования в диапазоне частот 8.5 – 10 ГГц при требовании минимальных габаритов излучателя. Геометрическая структура модифицированной АВ (МАВ) с упрощенной ШП схемой возбуждения щели показана на рисунке 1. Щелевые канавки у раскрыва решают одновременно две задачи: обеспечение широкополосного согласования как единичного излучателя, так и излучателя в сотаве АР, а также устранение существенного для АВ уровня обратного излучения в требуемой полосе.

Рис. 1. Геометрия структуры МАВ

Процесс параметрической оптимизации харакетристик антенны, проводимый при вариации глубин канавок, проиллюстрирован на рисунках 2 и 3. Здесь Dl_knee– величина приращения базовых глубин канавок, выбранных изначально, равными L_k1 = 4 мм, L_k2 = 6 мм. На рисунке 2 отражены частотные зависимости модуля коэффициента отражения на входе антенны, на рисунке 3 представлены частотные зависимости уровня обратного излучения МАВ.

Рис. 2. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения МАВ для различных Dl_knee

Рис. 3. Частотная зависимость уровня обратного излучения МАВ для различных Dl_knee

Исследование модифицированной антенны Вивальди в составе АР. Описанная МАВ была исследована в составе косоугольной равноамлитудной ФАР. На рисунке 4 показана вырезка из такой АР, с помощью которой были исследованы характеристики направленности и согласования излучателя в составе решётки. Здесь же приведена геометрия сетки АР. Для исследования антенной системы было проведено электродинамичское моделирование во временной области. Задача решалась методом конечного интегрирования при возбуждении структуры электромагнитным сигналом с требуемой полосой частот анализа. При этом возбуждался центральный элемент  исследуемого сегмента АР, в результате чего определялись коэффициенты связи центрального элемента с другими излучателями сегмента, а также коэффициент отражения единичного излучателя. Полученные результаты позволили при использованиии принципа суперпозиции рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения на входе излучателя в составе АР [5] для случая равноамплитудного возбуждения решётки при сканировании в Н-плоскости в секторе углов 0 - 40 ⁰.

Рис 4. Структура исследуемого сегмента АР и геометрия сетки

а рисунке 5 проиллюстрированы частотные зависимости модуля коэффициента отражения при сканировании в описанном режиме. На рисунках 6 и 7 продемонстрированы полярные ДН излучателя в составе АР для различных частот диапазона в Е и Н-плоскостях соответственно. Стоит отметить, что предложенная конфигурация излучателей позволила обеспечить качественное широкополосное согласование и стабильность харакетристик направленности в диапазоне частот 8,5 - 10,2 ГГц.

Рис. 5. Частотные зависимости модуля коэффициента отражения при сканировании в Н-плоскости

Рис. 6. Сечения ДН МАВ в составе ФАР в Е-плоскости

Рис. 7. Сечения ДН МАВ в составе ФАР в Н-плоскости

Для верификации результатов, полученных при исследовании согласования элемнта во временной области, было проведено электродинамичесое моделирование МАВ в составе бесконечной периодической равноамплитудной АР. Вычисления проводились с использованием метода конечных элементов при представлении поля над элементом АР с помощью модели канала Флоке [5]. При этом поле в ячейке Флоке было описано 98 гармониками Флоке с не более чем тремя вариациями в Е и Н-плоскостях антенны.   Полученные частотные зависимости модуля коэффициента отражения при изменении угла сканирования в Н-плоскости (angle_scan) представлены на рисунке 8. Общий характер результатов, полученных при решении задачи в частотной области, близок к частотному поведению коэффициента отражения, найденному ранее, что позволяет сделать вывод о высокой достоверности результатов моделирования.

Рис. 8. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения МАВ в составе бесконечной периодической  косоугольной АР

Выводы. Представленная в работе модификация известной СШП АВ позволяет строить на её основе печатные ШП АР, обеспечивая широкополосное согласование элемента в составе решётки при существенном уменьшении уровня взаимных связей с соседними излучателями и частотной стабильности ДН.

Литература

1.               Чернышев С.Л., Виленский А.Р. Разработка излучателей для сверхкороткоимпульсных антенных решёток. Доклады XYII МНТК «Радиолокация.Навигация.Связь», Воронеж, 2011, стр. 2159 - 2170.

2.               P. J. Gibson, “The Vivaldi aerial”, 9th European Microwave Conference, pp. 101-105,1979.

3.               Gazit, E., “Improved Design of the Vivaldi Antenna,” IEE Proceedings, Vol.135, No.2: pp.89-92, 1999.

4.               R. Janaswamy and D. H. Schaubert, “Analysis of tapered slot antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 33, pp. 1058–1065, Sept. 1987.

5.               Н. Амитей, В. Галиндо, Ч. Ву. Теория и анализ фазированных антенных решёток. – М.: Изд-во «Мир», 1974. – 455 с.