Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 12, стр. 1165-1171

ВВЕДЕНИЕ

Сверхдипазонные антенные решетки – это новый класс сверхширокополосных антенных решеток с полосой частот более 10 : 1, т.е. перекрывающих более одного диапазона волн. Такие антенные решетки могут найти применение в перспективных многофункциональных многодиапазонных системах радиолокации, радиомониторинга и связи.

В работах [1–6] исследованы линейные, кольцевые и плоские антенные решетки с полосой рабочих частот более 10 : 1. Следует отметить, что линейные и кольцевые антенные решетки имеют сравнительно небольшое усиление, а недостатком плоских фазированных решеток является падение усиления с увеличением угла сканирования.

В работах [7, 8] исследованы цилиндрические антенные решетки (ЦАР) из биконусов и вырезок из биконусов. В отличие от плоских, ЦАР позволяют обеспечить в одной (азимутальной) плоскости сканирование без потери усиления. В работах [7, 8] показана возможность сверхдиапазонного режима согласования ЦАР, но при большом уровне бокового излучения.

В работе [9] с использованием электродинамического моделирования показано, что полоса согласования ЦАР с цилиндрическим экраном увеличивается с увеличением числа возбуждаемых линейных антенных решеток (ЛАР) и может превысить 40 : 1. Вместе с тем с ростом количества возбуждаемых ЛАР возрастает боковое излучение ЦАР. В результате показано, что для заданного диаметра ЦАР существует оптимальное количество возбужденных ЛАР, при котором рабочая полоса частот максимальна как с точки зрения согласования, так и допустимого уровня бокового излучения. Для исследованной модели рабочая полоса частот равна 20 : 1.

Цель данной работы – доказать возможность реализации сверхдиапазонного режима работы ЦАР без экрана при сканировании луча путем численного моделирования, а также экспериментально исследовать фрагмент ЦАР ТЕМ рупоров с металлизацией межрупорного пространства и системой питания в виде 32-канального делителя мощности.

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРАГМЕНТА ЦАР

Элементом исследуемого фрагмента ЦАР является ЛАР, а элементом ЛАР –ТЕМ рупор (рис. 1). Фрагмент ЦАР (рис. 2) состоит из восьми линейных антенных решеток (ЛАР) ТЕМ рупоров с металлизацией межрупорного пространства, входы которых расположены на цилиндрической поверхности радиусом R₀ = 370 мм. Каждая ЛАР содержит восемь ТЕМ рупоров со следующими геометрическими параметрами: W = 1 мм, L = 100 мм, P_x = 30 мм, P_y = 20 мм (см. рис. 1).

Рис. 1.

Элемент ЦАР.

Рис. 2.

Фрагмент ЦАР.

Для формирования плоского фазового фронта в апертуре ЦАР при излучении решетки вдоль оси Ох каждую ЛАР необходимо возбудить с определенной фазой. Фазовые сдвиги между ЛАР при формирования плоского фронта, ортогонального плоскости yz, определяются формулой:

Рассмотрим сначала синфазное возбуждение элементов ЛАР. На рис. 3 показаны соответствующие диаграммы направленности (ДН) G(θ) фрагмента ЦАР в Н- и Е-плоскостях на четырех частотах, рассчитанные с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Как видно на рисунке, несмотря на отсутствие экрана, использованного в работе [9], отношение излучения “вперед–назад” с ростом частоты до 10 ГГц увеличивается до 19 дБ.

Рис. 3.

Диаграммы направленности фрагмента ЦАР в синфазном режиме в Н-плоскости (а) и Е-плоскости (б) на частотах: f = 0.7 (1), 3 (2), 6 (3) и 10 ГГц (4).

Далее исследуем характеристики фрагмента ЦАР при сканировании с использованием МКЭ. На рис. 4 представлены ДН фрагмента ЦАР при сканировании в Е-плоскости на четырех частотах. При этом сканирование в Н-плоскости осуществляется путем переключения возбужденных ЛАР в составе ЦАР. В силу осевой симметрии ЦАР такое (азимутальное) сканирование не влияет на ее характеристики, в том числе при сканировании в Е-плоскости.

Рис. 4.

Диаграммы направленности ЦАР при сканировании в Е-плоскости на частотах 1 (а), 3 (б), 5 (в) и 8 ГГц (г); отклонение луча θ = 0 (1), 15°^{(2) и 30° (3).}

Проведем исследование характеристик согласования фрагмента ЦАР. На рис. 5 приведены частотные зависимости коэффициента отражения от входа фрагмента ЦАР для трех значений углов отклонения луча. Видно, что отклонение луча в Е-плоскости на угол θ вплоть до 30° практически не сказывается на характеристике согласования фрагмента ЦАР.

Рис. 5.

Зависимости коэффициента отражения от частоты: θ = 0° (1), 15° (2) и 30° (3).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАКЕТА ФРАГМЕНТА ЦАР

Для экспериментального исследования был разработан и изготовлен макет фрагмента ЦАР с системой питания (рис. 6а), в которой использованы разработанные и исследованные ранее [5, 6] делители мощности: с последовательным делением на основе 50-омной коаксиальной линии (рис. 6б) и с параллельным делением на основе двухпроводной симметричной полосковой линии (рис. 7). Делитель мощности на коаксиальной линии, показанный на рис. 6б, имеет 50-омный вход 1 и четыре 12.5-омных выхода (2–5). Каждый выход делителя мощности на коаксиальной линии соединен с входом 1 восьмиканального делителя мощности на симметричной двухпроводной полосковой линии (рис. 7) с выходами (2–9). В итоге система питания имеет 32 синфазных выхода с волновым сопротивлением 100 Ом. Характеристики используемых делителей мощности подробно описаны в работах [5, 6]. Каждый из делителей обеспечивает неравномерность распределения мощности на выходах не более 0.2 дБ, фазы – не более 1 град. Тепловые потери в коаксиальном делителе – не более 0.13 дБ, а в полосковом – не более 0.77 дБ, т.е. суммарные тепловые потери в системе питания – не более 0.9 дБ. Потери на излучение системы питания – не исследовались.

Рис. 6.

Макет фрагмента ЦАР: а – общий вид системы питания; б –продольное сечение делителя в Е-плоскости, 1 – вход (50 Ом), 2–5 – выходы (12.5 Ом).

Рис. 7.

Делительв Н-плоскости: а – вид сверху, б – вид сбоку (все размеры даны в мм); 1 – вход делителя (12.5 Ом), 2‒9 – выходы делителя (100 Ом).

Для реализации синфазного фронта с целью обеспечения необходимых для этого фазовых сдвигов между ЛАР в соответствии с формулой (1) была разработана и изготовлена плата с линиями задержек (рис. 8).

Рис. 8.

Плата с линиями задержек.

При изготовлении экспериментального образца, как и в работе [9] использована схема “антенна на граунде”, что позволяет в случае бесконечного граунда в соответствии с законом зеркального отражения в два раза уменьшить число элементов в решетке без изменения характеристик согласования. Фотография экспериментального образца 32-элементного фрагмента ЦАР показана на рис. 9а, макета ЛАР – на рис. 9б.

Рис. 9.

Фотографии макетов ЦАР (а) и ЛАР (б).

Макет ЦАР состоит из восьми ЛАР ТЕМ рупоров с металлизацией межрупорного пространства, входы которых расположены на цилиндрической поверхности радиусом R₀ = 370 мм. Каждая ЛАР содержит восемь ТЕМ рупоров с геометрическими параметрами, показанными на рис. 1: W = 1 мм, L = 100 мм, P_x = 30 мм, P_y = 20 мм. Отметим, что величина R₀ исследуемой ЦАР существенно больше, чем в работе [9]. Поэтому оптимальное количество ЛАР должно быть существенно больше, чем в работе [9]. Однако при разработке макета мы ограничились восемью ЛАР для удобства сравнения с плоской ФАР, исследованной в [5, 6].

Измерения проводили в безэховой камере при помощи скалярного анализатора цепей Р2М-40 производства компании “Микран”. Результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения на входе макетов ЦАР и ЛАР приведены на рис. 10.

Рис. 10.

Зависимости коэффициента отражения от частоты в синфазном режиме; 1 – моделирование ЦАР, 2 – измерения ЦАР, 3 – измерения ЛАР.

Как видно на рисунке, результаты моделирования (для бесконечного граунда) и измерения коэффициеннта отражения экспериментального макета фрагмента ЦАР (для конечного граунда) близки между собой. При этом измеренная полоса согласования фрагмента ЦАР по уровню –10 дБ в два раза превосходит полосу согласования фрагмента ЛАР (см. рис. 10) и плоской антенной решетки [5, 6], что подтверждают теоретические результаты, полученные в работе [9].

При измерении ДН испытуемую ЦАР использовали в качестве приемной антенны, а измерительную рупорную антенну П6-23А – в качестве передающей. При этом расстояние между испытуемой и передающей антеннами составляло 4 м, что обеспечило условие дальней зоны для измерений ДН на частотах от 3 до 7 ГГц.

Результаты моделирования и измерений ДН экспериментального макета ЦАР на частотах 3, 5 и 7 ГГц приведены на рис. 11, где F(θ) – нормированные ДН. Следует отметить хорошее совпадение расчетных и экспериментальных графиков до уровня –15 дБ. Расхождение расчетных и экспериментальных графиков в области ниже уровня ‒15 дБ можно объяснить ошибками измерения из-за низкого уровня сигнал/шум.

Рис. 11.

Нормированные диаграммы направленности антенной решетки в H-плоскости на частотах 3 (а), 5 (б) и 7 ГГц (в): кривые 1 – результаты моделирования, кривые 2 – данные измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных результатов численного моделирования и измерений харктеристик излучения и согласования экспериментального макета фрагмента ЦАР, содержащей восемь ЛАР можно сделать следующие выводы:

1. Теоретическая рабочая полоса частот фрагмента ЦАР более 28 : 1.

2. Полоса согласования экспериментального макета фрагмента ЦАР по уровню –10 дБ – более 16 : 1 и существенно превосходит полосу согласования экспериментального макета ЛАР (8 : 1).

3. Результаты измерений диаграмм направленности экспериментального макета фрагмента ЦАР на четырех частотах близки к результатам численного моделирования выше уровня – 15 дБ.