Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 10, стр. 979-986

ВВЕДЕНИЕ

Развитие сверхширокополосных (СШП) и многодиапазонных радиоэлектронных систем требует создания сканирующих остронаправленных антенн, функционирующих в очень широком диапазоне частот, в том числе с отношением верхней частоты к нижней более 10 : 1, т.е. перекрывающих более одного диапазона волн. В качестве таких (сверхдиапазонных) сканирующих антенн могут быть использованы фазированные антенные решетки (ФАР) с полосой рабочих частот более 10 : 1. При разработке сверхдиапазонных ФАР возникает ряд серьезных проблем, главная среди которых – согласование решетки с периодом, который много меньше длины волны.

В работах [1–4] исследованы антенные решетки ТЕМ-рупоров без экрана. Эти решетки согласованы в широкой полосе частот. В работе [4] в результате электродинамического моделирования показано, что синфазные бесконечные решетки ТЕМ-рупоров могут быть согласованы в полосе частот более 40 : 1. При сканировании в Е-плоскости в секторе 90° полоса согласования уменьшается до 27 : 1. Полоса согласования 36-элементной решетки в синфазном режиме составляет 10 : 1, при сканировании в секторе 60° – 7 : 1. При этом существенным недостатком решеток без экрана является большое заднее излучение.

В работах [5–10] исследованы антенные решетки с экраном. В работе [6] исследованы бесконечная и конечная (144 элемента) двумерно-периодическая решетка ТЕМ-рупоров с металлизацией межрупорного пространства и полосой согласования в синфазном режиме 10 : 1. При сканировании в секторе 90° в Н-плоскости полоса согласования бесконечной решетки составила 10 : 1, а при сканировании в Е-плоскости – 5 : 1.

В работах [7–10] исследованы двухполяризационные антенные решетки. Рассмотренные в работах [7, 8] решетки состоят из 64-х элементов (8 × 8) в виде неоднородной щелевой линии. В синфазном режиме полосы согласования решеток составили 12 : 1 [7] и 9 : 1 [8]. При сканировании в секторе 90° полоса согласования решетки в работе [7] сужается до 8 : 1, а при сканировании в секторе 60° в работе [8] – до 7 : 1.

В работах [9, 10] исследована двухполяризационная решетка из 576 (24 × 24) проводников квадратного переменного поперечного сечения и показана возможность реализации сверхдиапазонного режима работы (полоса согласования в синфазном режиме и при сканировании в секторе 90° в Н-плоскости составила 34 : 1, а в Е-плоскости – 15 : 1).

Сверхдиапазонные двумерно-периодические ФАР с системой питания не исследовались. Цель данной работы рассмотреть такую решетку.

1. АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ

Функциональная схема антенной решетки с системой питания представлена на рис. 1. На рисунке видно, что система питания решетки состоит из двух частей. Первая представляет собой делитель мощности с последовательным делением на коаксиальной линии, вторая часть – с параллельным делением на полосковой линии. Полотно решетки состоит из 32-х ТЕМ-рупоров (4 × 8) с металлизацией межрупорного пространства.

Рис. 1.

Функциональная схема антенной решетки с системой питания.

На рис. 2а–2г показаны соответственно элемент решетки, вид сверху антенной решетки с системой питания, вид сбоку и общий вид. Решетка из 32-х элементов расположена над бесконечным металлическим экраном, что эквивалентно увеличению числа ее элементов до 64-х (8 × 8). Элемент решетки имеет следующие параметры: входной импеданс Z_вход = 100 Ом, длина L = 100 мм, период P_x = 30 мм, P_y = 20 мм, входная толщина W = 1 мм. Позади решетки на расстоянии 170 мм от входа ТЕМ-рупоров расположен металлический экран размером 300 × 100 мм. Таким образом, задача исследования характеристик решетки из 64-х ТЕМ-рупоров сводится к исследованию решетки из 32-х ТЕМ-рупоров.

Рис. 2.

Антенная решетка с системой питания: а – элемент решетки, б – вид сверху антенной решетки с системой питания, в – вид сбоку, г – общий вид.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Система питания антенной решетки показана на рис. 3. Делитель мощности на 50-омной коаксиальной линии имеет один вход и четыре выхода. Каждый выход делителя мощности на коаксиальной линии соединен с входом восьмиканального делителя мощности на симметричной двухпроводной полосковой линии. В итоге получена система питания с 32 выходами с волновым сопротивлением 100 Ом.

Рис. 3.

Система питания антенной решетки, на вставке – увеличенный фрагмент.

Продольное сечение четырехканального делителя мощности на коаксиальной линии приведено на рис. 4. Делитель имеет вход (1) с волновым сопротивлением 50 Ом и четыре выхода (2–5) с волновыми сопротивлениями 12.5 Ом, которые обеспечивают равномерное синфазное деление мощности на выходе с амплитудой –6 дБ. Восьмиканальный делитель мощности на симметричной двухпроводной полосковой линии показан на рис. 5. Он содержит вход 1 с волновым сопротивления 12.5 Ом и восемь выходов (2–9) с волновыми сопротивлениями 100 Ом, с равномерным синфазным делением мощности на выходе с амплитудой –9.5 дБ.

Рис. 4.

Делитель мощности на коаксиальной линии: 1 – вход, 2–5 – выходы.

Рис. 5.

Делитель мощности на полосковой линии (все параметры – в мм): а – вид сверху, б – вид сзади; 1 – вход, 2–9 – выходы.

Результаты расчета частотных зависимостей коэффициентов отражения четырехканального и восьмиканального делителя с использованием метода конечных элементов показаны на рис. 6. Видно, что в полосе частот ниже 7 ГГц коэффициент отражения каждого из делителей ниже –25 дБ.

Рис. 6.

Зависимости коэффициентов отражения четырехканального (1) и восьмиканального (2) делителей мощности от частоты.

В результате численного моделирования были также найдены зависимости модулей коэффициентов передачи делителей мощности на коаксиальной и полосковой линиях от частоты, которые представлены на рис. 7а, 7б соответственно. На рис. 7а приведены соответствующие зависимости на выходах 2–5 делителя мощности на коаксиальной линии, а на рис. 7б – на выходах 2–9 делителя на полосковой линии.

Рис. 7.

Зависимости модулей коэффициентов передачи четырехканального (а) и восьмиканального (б) делителей мощности от частоты; на рис. 7а выходы 2 (1), 3 (2), 4 (3), 5 (4) , на рис. 7б – выходы 2, 9 (1), 3, 8 (2), 4, 7 (3), 5, 6 (4).

В результате численного моделирования найдена разность фаз коэффициентов передачи на выходах четырехканального и восьмиканального делителей относительно выходов 2, 9 (рис. 8). Результаты для выходов четырехканального делителя показаны на рис. 8а, а для выходов восьмиканального делителя – на рис. 8б.

Рис. 8.

Зависимости разности фаз коэффициентов передачи на выходах четырехканального (а) и восьмиканального (б) делителей мощности от частоты; на рис. 8а выходы 3 (1), 4 (2), 5 (3), на рис.8б выходы 3, 8 (1), 4, 7 (2), 5, 6 (3).

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ

С использованием метода конечных элементов было проведено численное исследование характеристик антенной решетки совместно с системой питания. На рис. 9 представлены зависимости коэффициента отражения синфазной антенной решетки от частоты. Видно, что решетка без экрана и с экраном согласована по уровню –10 дБ в полосе частот 0.35…6.6 ГГц, т.е полоса согласования решетки примерно 19 : 1. Таким образом, наличие экрана сзади решетки данной конструкции не приводит к ухудшению согласования, поэтому далее исследуется только решетка с экраном.

Рис. 9.

Зависимости коэффициентов отражения синфазных антенных решеток без экрана (1) и с экраном (2) от частоты.

На рис. 10а, 10б показаны диаграммы направленности (ДН) синфазной антенной решетки в Н- и Е-плоскости соответственно на частотах f = = 0.5, 2, 4 и 6.5 ГГц. Видно, что отношение вперед–назад с ростом частоты увеличивается до 23 дБ.

Рис. 10.

Диаграмма направленности синфазной антенной решетки в Н- (а) и Е-плоскости (б) на четырех частотах: f = = 0.5 (1), 2 (2), 4 (3) и 6.5 ГГц (4).

На рис. 11, 12 показаны зависимости коэффициента отражения от частоты при сканировании в Н- и Е-плоскости, соответственно. На рис. 11 показаны зависимости коэффициента отражения от частоты при сканировании в секторе 40° и 90°. На рисунке видно, что при сканировании полоса согласования не уменьшается. На рис. 12 показаны зависимости при сканировании в секторе 30°, 60° и 90°. На рисунке видно, что при сканировании в секторе 60° полоса согласования практически такая же, как в синфазном режиме (19 : 1), а при сканировании в секторе 90° полоса согласования сужается до 15 : 1.

Рис. 11.

Зависимость коэффициента отражения от частоты антенной решетки при сканировании в Н‑плоскости: при сканировании в секторе 40° (1) и 90° (2).

Рис. 12.

Зависимость коэффициента отражения от частоты антенной решетки при сканировании в Е‑плоскости: при сканировании в секторе 30° (1), 60° (2) и 90° (3).

Нормированные ДН антенной решетки при сканировании в Н-плоскости на частотах 2, 4, 5 и 6.5 ГГц представлены на рис. 13а–13г, соответственно. На рисунке видно, что с увеличением частоты растут боковые лепестки и на частоте f = = 6.5 ГГц уровень первого бокового лепестка достигает уровня –10 дБ при сканировании на угол 20° и –4 дБ при сканировании на угол 45°.

Рис. 13.

Диаграммы направленности антенной решетки при сканировании в Н-плоскости на частотах 2 (а), 4 (б), 5 (в) и 6.5 ГГц (г); синфазной решетки (1); при сканировании на 20° (2) и 45° (3).

Нормированные ДН антенной решетки при сканировании в Е-плоскости на частотах 2, 4, 5 и 6.5 ГГц представлены на рис. 14а–14г соответственно. На рисунке видно, что с увеличением частоты растут боковые лепестки и на частоте f = = 6.5 ГГц уровень первого бокового лепестка достигает уровня –10 дБ при сканировании на угол 45°, что, однако, существенно ниже, чем при сканировании в Н-плоскости.

Рис. 14.

Диаграммы направленности антенной решетки при сканировании в Е-плоскости на частотах 2 (а), 4 (б), 5 (в) и 6.5 ГГц (г); синфазной решетки (1); при сканировании на 15° (2), 30° (3) и 45° (4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных в работе результатов, можно сделать следующие выводы.

1. Показана возможность реализации сверхдиапазонного режима работы фазированной антенной решетки с системой питания при сканировании в секторе 90°.

2. При сканировании в Е-плоскости сектор сканирования ограничивается нарушением согласования решетки.

3. При сканировании в Н-плоскости сектор сканирования ограничивается ростом первого бокового лепестка.