Широкополосная антенная решетка

 

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: широкополосная решетка содержит плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями. В металлизированных слоях выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв. Излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях. Каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок. Апертура рупорных излучателей следующего уровня в два раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня. Рупорные излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения, и их количество четное. Приведено соотношение для определения количества рупорных излучателей в каждом из остальных уровней. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкополосных антеннах, где известны поперечные и продольные излучатели. Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн и антенны в виде открытых продольных излучателей (Кюн Р. Микроволновые антенны. М. Судостроение, 1967, с.95, 198, 258, 304, 373, 420).

Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создания АС с полосой пропускания в несколько октав, до декады возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров (ширины диаграммы направленности (ДН), низкого уровня боковых лепестков, коэффициента усиления (КУ)) в указанной полосе частот.

Известно техническое решение, описанное в патенте США N 4001834, 1977, где предложена сборка из печатной антенны и передающей линии, изготовленных на единой плате. На одной стороне платы (лицевой) основная поверхность занята металлизированным (медным) проводником. На металлизации удалена часть поверхности, ограниченная конусом (рупором), сужающаяся часть которого переходит в щелевую линию. Если ВЧ энергия поступает через щелевую линию, то края конуса заставляют связаться с пространством Положение точки, в которой выполнено соединение микрополоска относительно щелевой линии, определяет импеданс антенны. На оборотной стороне платы расположен микрополосковый проводник, работающий в качестве передающей ВЧ линии (система возбуждения). Микрополосок проходит по щелевой линии и обеспечивает емкостную связь с последней.

Недостатками указанного устройства являются: относительно узкая полоса пропускания (до октавы); относительно большая линейная протяженность в несколько длин волн; значительные сложности согласования раскрыва антенны со свободным пространством в полосе частот.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания АС до декады; уменьшение линейной протяженности АС; получение динамического амплитудно-фазового распределения (АФР) на апертуре, что позволит довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания и согласования АС со свободным пространством, а также модификации ее ДН; разработка широкополосной линейной антенной решетки (ЛАР) с высоким коэффициентом усиления, низким уровнем боковых лепестков и подавленными побочными дифракционными максимумами в широкой полосе частот.

Это достигается тем, что в широкополосной антенной решетке, содержащей плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных на нескольких уровнях, при этом каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии рупорного излучателя следующего уровня на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок, и имеет апертуру в 2 раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня, причем излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения и их количество четное, а количество рупорных излучателей в каждом из остальных уровней определено соотношением 2^P-m, где p количество уровневых переходов, m номер уровня. Каждая последующая пара соседних излучателей (первого, второго и дp. уровней) пересечением своих внутренних стенок, образует излучатель более высокого уровня с металлизированным участком во внутренней области последнего с линейным размером апертуры в два раза больше предыдущего, процесс удвоения размера апертуры продолжается до тех пор, пока не достигается требуемый излучающий раскрыв. Такая конструкция ЛАР с набором неоднородностей в виде скачкообразных переходов позволяет реализовать схему последовательно-параллельных систем (областей связи длиной l₁, l₂,l_n), в которых созданы условия для возбуждения распространяющихся низших и высших мод, т.е. получить динамическое АФР на апертуре АР, что позволяет довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласования АР со свободным пространством и модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена широкополосная линейная антенная решетка, на фиг.2 механизм переотражений собственных волн на неоднородностях, на фиг.3 принцип суперпозиции распространяющихся высших и низших мод для случая синфазного возбуждения неоднородностей "скачкообразного" перехода.

На фиг.1 обозначены: 1 излучатель нулевого уровня (рупор (конус)); 2 излучатель первого уровня (направляющая система (область связи М₁) первого уровня длиной l₁); 3 внешние стенки (образующие) излучатели первого уровня; 4 внутренние (смежные) стенки (обраэующие) излучателей нулевого уровня; 5 излучатель второго уровня (направляющая система (область связи М₂) второго уровня длиной l₂); 6 излучатель третьего уровня (направляющая система (область связи М₃) третьего уровня длиной l₃); 7 щелевая линия; 8 микрополосковая линия (система возбуждения); сплошные линии лицевая сторона платы, затушеванная часть лицевой платы соответствует наличию металлизации, пунктиром обозначены микрополосковые линии на оборотной стороне платы, которые реализуют систему возбуждения ЛАР, штрихпунктирные линии, проведенные через точки О, О₁, О₂, и перпендикулярные раскрыву АР, являются осями симметрии соответственно для излучателей первого, второго и третьего уровней. Точки О, О₁, О₂ характеризуют местоположение неоднородностей, для которых могут быть строго сформулированы граничные условия, поскольку они находятся внутри направляющих систем, образованных продолжением внешних (наружных) стенок соответствующих излучателей, Так, для областей связи М₁ этими продолжениями являются отрезки О' O₁' и O"O₁; O'O₁ и O"O₁"; O'O₁' и O"O₁; O'O₁ и O" O₁"; для областей связи М₂ O₁'O₂' и O₁" O₂; O₁'O₂ и O₁" O₂"; для области связи М₃ O₂' O₃' и O₂" O₃". После точек O, O₁, O₂ линейный размер апертуры каждый раз скачком увеличивается в два раза. Точки O₃' и O₃" также характеризуют неоднородности, в которых излучатель третьего уровня (раскрыв антенной решетки) стыкуется со свободным пространством.

В общем случае образующие излучателей не обязательно должны быть прямыми линиями и являться продолжением прямой, они могут быть экспонентами, ломаными.

ЛАР, реализующая динамическое АФР на апертуре, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня (n_o 2^p) с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого. Пары соседних излучателей могут отстоять друг от друга на различных расстояниях, но должны быть всегда симметричны относительно осевой линии, проведенной через точку пересечения соседних (смежных) стенок и перпендикулярной раскрыву. У каждой пары соседних излучателей продолжены внешние (наружные) стенки (до взаимного из пересечения) на длину l₁, что позволяет создать n_o/2 неоднородностей в виде скачкообразного перехода и получить 2^P-1 излучателей первого уровня, в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод как высших, так и низших. Затем у каждой соседней пары излучателей первого уровня продолжены внешние стенки (до взаимного их пересечения) на длину l₂, что позволяет создать n_o/2² неоднородностей в виде скачкообразного перехода и получить 2^P-2 излучателей второго уровня (область связи М₂), в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод как высших, так и низших. Описанный процесс с соседними парами излучателей разных уровней продолжается до тех пор, пока n_o/2^P 1, где P характеризует количество уровней, скачков (для фиг.1, P 3).

В таком случае ЛАР в своем составе имеет количество элементов нулевого уровня n_o 2^P; количество элементов первого уровня n₁ 2^P-1; количество элементов второго уровня n₂ 2^P-2; количество элементов высшего уровня m n_m 2^P-m 1.

Особенностью построения структуры ЛАР является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме и содержит в своем составе неоднородность типа скачкообразный переход, которая возбуждает направляющую систему, для которой могут быть строго сформулированы граничные условия. Механизм формирования структуры поля в апертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а отличаются они только различными граничными условиями.

Излучатели любого уровня необязательно должны быть рупорами, в общем случае можно использовать любые плоские элементы, образующие которых описываются отдельной экспонентной или набором экспонент. Желательно, чтобы пересечение образующих соседних пар излучающих элементов образовывали острие а не плавную кривую, т.е. пересечение образующих описывалось разрывной функцией.

На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе. Для области связи М₁ плоскость 1 соответствует стыку O'O", часть пространства слева от стыка O'O" обозначена как область 1, плоскость 2 соответствует стыку O₁' O₁", пространство справа от стыка O₁'O₁", обозначено как область II.

Для областей связи M₂, M₃ плоскость 1 соответствует стыкам O₁'O₁"; O₂'O₂", а плоскость 2 стыкам O₂'O₂"; O₂'O₃" соответственно.

На плоскость из области 1 падает волна E_о единичной амплитуды структуры H₁. Часть энергии отражается обратно в область 1 в виде того же типа волны с амплитудой N_n}". Оставшаяся часть проходит в область связи M в виде волн H_p (сплошные линии) с амплитудамиN_m}_1p, где p 1, 2, 3.i, j, k. Количество типов волн в области M не ограничивается.

У плоскости 2 волны H_p приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды P_1p. Каждая из волн H_p на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой P_IpR_pI и отраженные волны учитываемых типов с амплитудами P_Ip{M_m}p_g, где p,g 1,2,3.i,j,k. Отраженные волны вновь падают на плоскость 1, частично проходят в область 1, остальная часть отражается в свою очередь в виде набора учитываемых волн.

Рассмотрев несколько последовательных отражений, можно обнаружить ряд закономерностей, позволяющих рассчитать амплитуды A_m^I и A_m^II поля, появившегося соответственно в областях I и II за счет многократных переотражений волн между неоднородностями. Амплитуды A_m^I и A_m^II равны сумме слагаемых, количество которых соответствует числу учитываемых волн; каждое слагаемое равно произведению коэффициента V_pI для A_m^I и R_pI для A_m^II на суммарную амплитуду волны с индексом p в области M вблизи плоскости 2.

Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн H₁, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами H_p одинаковой структуры, будет наблюдаться суперпозиция. Благодаря суперпозиции можно выделить либо только четные, либо только нечетные волны, либо получить набор всех волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности области l получить требуемый фазовый набег. На фиг.3 поясняется механизм суперпозиции для самого простого случая, когда в области связи M учтены только одна четная и одна нечетная моды (при этом механизм переотражений волн не рассматривается).

При синфазном возбуждении излучателей нулевого уровня волной H₁ в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородности скачкообразного перехода в областях связи M₁, M_2m M₃ распространяются низшие 1^',2^'; 1_a^'2_a^'; 1_б^', 2_б^' и высшие 1^'', 2^''; 1_a^'', 2_a^''; 1_б^'', 2_б^'' моды. При этом моды 1^' и 2^'; 1_a^' и 2_a^'; 1_б^' и 2_б^' окажутся в фазе, а 1^'' и 2^''; 1_a^'' и 2_a^''; 1_б^'' и 2_б^'' в противофазе.

В результате суперпозиции в каждой из областей M₁, M₂, M₃ останется только результирующая мода (1^' + 2^''); (1_a^' + 2_a^'); (1_б^' + 2_б^') нечетная, причем мощность, переносимая этой модой, равна сумме мощностей, подаваемых на вход.

Необходимо подчеркнуть, что если в обычной АР распределение поля на раскрыве считается дискретным, то в предлагаемой ЛАР оно является непрерывным (динамические АФР), что и объясняет отсутствие побочных дифракционных максимумов и широкую полосу пропускания до декады.

Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией антенной решетки, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы подавления побочных дифракционных максимумов, расширения полосы пропускания, согласования АР со свободным пространством и модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Предлагаемое изобретение это совершенная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающихся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Интерес к таким антеннам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления больших печатных плат, а также благодаря созданию новых диэлектрических материалов для подложек. Все этого показывает, что данная антенна найдет широкое применение в электротехнике.

Формула изобретения

ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены системы возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, отличающаяся тем, что излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, при этом каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии рупорного излучателя следующего уровня на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок, и имеет апертуру в два раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня, причем рупорные излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения и их количество четное, а количество рупорных излучателей в каждом из остальных уровней определено соотношением 2^p-m, где p - количество уровневых переходов, m - номер уровня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3