НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК.621.396.67 

НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана

fadeeva.n.u@gmail.com

v.i.litun@gmail.com

Задача обзора земной и водной поверхности вокруг охраняемых объектов сегодня может быть с успехом решена в комплексах, оснащенных зеркальными антеннами (ЗА) со специальной формой диаграммы направленности (ДН). ЗА обеспечивают эффективное излучение сверхкоротких импульсов, что необходимо для обнаружения с высоким разрешением малогабаритных объектов [1]. Очевидными недостатками таких антенн являются их высокие массогабаритные характеристики и сопряженные с ними сложности конструирования и производства системы транспортировки в случае мобильных комплексов. Также множество технологических трудностей возникают при производстве ЗА с большой апертурой (т.е. обеспечивающих узкий луч).

Одним из наиболее простых и высокотехнологичных решений поставленной задачи могло бы явиться использование в качестве антенны радиолокационного комплекса микрополосковой антенной решетки. ДН специальной формы может быть сформирована за счет особенностей системы распределения сигнала. Вопросы разработки и конструирования печатных антенных решеток и элементов решеток сантиметрового диапазона длин волн рассмотрены в докладе [2].

Существуют несколько вариантов конструкции излучателей, применяемых для использования в широкой полосе частот [3]. Одним из наиболее интересных вариантов исполнения широкополосного излучателя АР является трехмерный V-образный излучатель [4]. Питание в этом случае может осуществляться зондом (коаксиальной линией), либо микрополосковой линией. Трехмерные модели с двумя вариантами подачи энергии приведены на рис. 1.

Эскиз модели такого излучателя приведен на рис. 2.

В качестве подложки взят тонкий металлизированный диэлектрик, удобный для построения такой конструкции.

При такой форме излучателя с одной стороны, длина зонда h, а значит и его реактивное сопротивление минимально, с другой – значительное расстояние между подложкой и кромкой излучателя, связанное с углом наклона θ, позволяет увеличить эффективную толщину подложки. Малое реактивное сопротивление зонда дает возможность согласовать линию передачи и излучатель в широкой полосе частот. Увеличенная эффективная толщина подложки улучшает согласование излучателя со свободным пространством. На рис.3 приведены графики КСВН в полосе частот элементарного двумерного прямоугольного излучателя и трехмерного V-образного излучателя при различных углах наклона печатного элемента к горизонтали.

Рис. 3. КСВН элементарного двумерного прямоугольного излучателя (θ=0°) и трехмерного V-образного излучателя при различных углах подъема боковых частей θ

Анализ электродинамических характеристик начальной модели производился методом моментов. Особенно удобно его использование при отсутствии в модели диэлектрической подложки.

При учёте наличия подложки было произведено сравнение результатов моделирования методом конечных элементов (диэлектрик вплотную прилегал к излучателю) и метода моментов с использованием функции Грина плоскослоистых структур (диэлектрик параллелен земле и имеет ту же толщину, что и в первом случае). Определённый таким образом КСВН по входному 50-омному порту различался для описанных выше случаев на  доли процента, что позволило сделать выбор для дальнейшего анализа свойств исследуемой антенны в пользу метода моментов.

При различных значениях угла θ проводилась оптимизация методом Нелдера-Мида (симплекс-методом) продольного размера антенны и положения точки запитки по критерию минимизации усреднённого КСВН и минимизации максимума КСВН в полосе (9…10) ГГц при шаге 0.25 ГГц.

В случае, когда θ=0°, излучатель представляет собой прямоугольный патч с зондовым питанием. Излучатель согласован с линией питания по уровню КСВН=2 в чрезвычайно узкой полосе. Согласование для излучателей с большими значениями угла  θ значительно лучше. При θ=50° КСВН не превышает 1.1 в полосе 1 ГГц.

Как следует из анализа графиков на рис.3, при больших углах θ между плоскостью основания и печатным элементом согласование зонда и излучателя лучше. Величина углов ограничивается свойствами материала. При угле сгиба подложки β=180-2θ меньшем, чем 90 градусов, слой металлизации материала подложки деформируется. Таким образом, угол θ может быть выбран в пределах от 30 ° до 45 °.

Анализ электродинамических характеристик модели методом конечных элементов смешанного порядка позволяет получить значения КСВН для различных вариантов питания. Моделирование было проведено для случаев зондовой (модель с сосредоточенным портом (СП)) и микрополосковой (МП) запитки. Результаты моделирования приведены в таблице.

Ширина полосы излучателя при различных вариантах запитки

Видно, что для выбранного диапазона углов θ=30°…40° наибольшая ширина полосы достигается при использовании зондовой запитки.

На рис. 4 и 5 приведены иллюстрирующие таблицу диаграммы Смита и графики КСВН для случаев СП и МП при θ=40°.

а)

б)

Рис. 4. Расчет КСВН для модели излучателя с сосредоточенным портом: а) диаграмма Смита; б) график КСВН

а)

б)

Рис. 5. Расчет КСВН для модели излучателя с микрополосковым портом: а) диаграмма Смита; б) график КСВН

Для экспериментальной проверки результатов моделирования был собран одиночный излучатель, показанный на рис.6. Угол подъема боковых частей θ=45°. В качестве подложки выбран материал RogersRT 5880. Толщина диэлектрика составляет 0,38 мм. Этот материал достаточно гибкий, чтобы соблюсти геометрические размеры. С одной стороны подложки металлизация полностью стравлена. Большой размер металлизированного экрана позволяет сделать говорить об адекватности экспериментального образца расчетной модели, в которой рассматривается излучатель с бесконечной плоскостью земли.

Рис. 6. Экспериментальный образец V-образного излучателя

При помощи анализатора цепей AgilentE8363Bпроизведены измерения КСВН, результаты которых показаны на рис. 7.

Рис. 7. Результат измерений КСВН экспериментального образца V-образного излучателя

Полоса излучателя по уровню КСВН<2,0 составляет 6,6 ГГц.

Одним из достоинств V-образного излучателя является симметричная диаграмма направленности без провалов, показанная на рис. 8. Это позволит использовать излучатель в качестве элемента антенной решетки.

Рис. 8. Диаграмма направленности излучателя

Результаты моделирования элемента в составе прямоугольной решётки с шагом 20 мм между в обеих плоскостях позволяют сделать вывод о взаимовлиянии на уровне ниже -16 дБ в рабочей полосе частот.

На рис. 9 приведён вариант конструкции фрагмента антенной решетки.

Рис. 9. Фрагмент антенной решетки: 1 – металлизированный участок; 2 – диэлектрическая подложка; 3 – диэлектрическое основание; 4 – зонд; 5 – диаграммообразующая схема; 6 – конструкционные диэлектрические пирамиды

Основную конструктивную нагрузку несут пирамиды из вспененного полистирола (ПС1-150) 6. Диэлектрическая проницаемость этого материала близка к диэлектрической проницаемости воздуха и не влияет на согласование линии питания и излучателя. Вспененный полистирол обладает также малой плотностью и прост в обработке.  Металлизированный с двух сторон твердый диэлектрик является основанием конструкции 3. На плоскости А выполнена система распределения мощности антенной решетки 5. Излучатели соединены с системой распределения через металлизированные отверстия. Таким образом, основание несет как конструктивную нагрузку, так и является частью диаграммообразующей схемы. Достоинством такой конструкции является то, что паразитное излучение микрополосковой линии, образующей диаграммообразующую схему, не влияет на диаграмму направленности фрагмента антенной решетки.

В настоящее время проводятся работы по изготовлению и экспериментальному исследованию предлагаемого фрагмента антенной решетки. Разрабатываются технологии и оснастка для серийного производства элемента антенной решетки.

Список литературы:

1. Фадеева Н.Ю., Голубцов М.Е., Парщиков А.А. Разработка зеркальной антенны со специальной формой диаграммы направленности применительно к условиям производства. В кн.: XVI международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» [Воронеж, 13-15 апреля 2010 г.]. – Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО, 2010.

2. Литун В.И., Прохорова В.В., Русов Ю.С., Фадеева Н.Ю. Печатная антенная решетка сантиметрового диапазона волн. В кн.: 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2011). Севастополь, 12-16 сентября 2011 г.: материалы конф. в 2т. – Севастополь: Вебер, 2011.

3.  Kin-LuWongCompactandBroadbandMicrostripAntennas. – NewYork: JohnWiley & Sons, 2002. – 327 с.

4. Фадеева Н.Ю., Литун В.И., Митрохин В.Н. Трехмерный широкополосный микрополосковый излучатель. В кн.: XVII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» [Воронеж, 13-15 апреля 2011 г.]. – Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО, 2011.