Сверхширокополосный излучатель для фазированной антенной решетки диапазона частот 8,5-12,5 ггц

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других антенных системах, использующих фазированные антенные решетки. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности широкодиапазонной перестройки его рабочей частоты. Излучатель для фазированной антенной решетки имеет линейку из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, каждый из которых включает две диэлектрические пластины, которые металлизированы с обеих сторон и соприкасаются друг с другом одними своими сторонами, на каждой из других металлизированных сторон диэлектрических пластин, расположенных снаружи тела излучателя, выполнена, по меньшей мере, одна излучающая щель, на соприкасающихся металлизированных сторонах диэлектрических пластин расположены размещенный на симметричной полосковой линии делитель мощности с согласующим устройством, и, по меньшей мере, одна схема возбуждения, по меньшей мере, одной излучающей щели, которая электрически через согласующее устройство и симметричную полосковую линию делителя мощности соединена с, по меньшей мере, одной излучающей щелью. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других антенных системах, использующих фазированные антенные решетки (ФАР).

В настоящее время антенны с расширяющейся щелью применяются как излучатели с линейной поляризацией. В большинстве применений антенны с линейно расширяющейся щелью или с экспоненциально расширяющейся щелью известны как «щелевые антенны» или антенны Вивальди. Антенны с линейно расширяющейся щелью описаны в патенте США №4855749, кл. H01Q 1/38, 1989.

В патенте описывается оптоэлектронный трансивер, выполненный из кремния на сапфировой подложке, где щель может быть выполнена в виде линейной или экспоненциально расширяющейся щели. При этом в данном устройстве выявлен худший показатель по обратному отражению в полосе частот, а также то, что, применяя их в сканирующих системах или решетках с высокой плотностью компоновки, их электрические параметры при управлении положения луча могут изменяться в широком диапазоне либо приводить к провалам в форме диаграммы направленности. Другими словами, в данном устройстве отсутствует широкодиапазонная перестройка его рабочей частоты.

В последние годы, с развитием устройств цифровой обработки сигнала и модернизации радиочастотной и СВЧ-элементной базы расширяется рабочая полоса частот устройств радиолокации, радиопеленгации и сбора данных, что порождает спрос на сверхширокополосные излучатели и фазированные антенные решетки, имеющие высокие электрические показатели, малый вес и габариты, а также технологичность производства.

Известен пластинчатый излучатель фазированной антенной решетки, содержащий металлическую пластину прямоугольной формы, размещенную на диэлектрической опоре, установленной на поверхности плоского металлического экрана, коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с металлическим экраном, а внутренний посредством металлического штыря, проходящего через отверстие в металлическом экране, подключен к металлической пластине, при этом диэлектрическая опора выполнена в виде первой пары диэлектрических брусков, размещенных вдоль противоположных краев металлической пластины, причем внешняя боковая поверхность каждого из диэлектрических брусков и соответствующий край металлической пластины расположены в одной плоскости, при этом в секторе сканирования введена вторая пара диэлектрических брусков, расположенная вдоль свободных краев металлической пластины идентично первой паре диэлектрических брусков и образующая с ней рамку, ширина которой равна (0,04-0,07) λ, где λ - средняя длина волны рабочей полосы частот (см. авторское свидетельство СССР №1665422, кл. H01Q 9/00, 1991).

Недостатками известного устройства являются его низкие функциональные возможности, обусловленные отсутствием широкодиапазонной перестройки его рабочей частоты.

Также известна излучающая система линейной фазированной антенной решетки с вертикальной поляризацией поля, содержащая излучатель, жестко закрепленный на одной из сторон уголкового экрана с углом между сторонами от 65 до 135°, отличающаяся тем, что дополнительно на той же стороне уголкового экрана установлены 2n-1 излучателей с периодом расположения их, не превышающим 0,52λ_в, причем высота всех излучателей выполнена 0,2λн, а отношение длин волн составляет λ_н/λ_в≥1,5,

где λ_н - длина волны нижней границы диапазона рабочих частот;

λ_в - длина волны верхней границы диапазона рабочих частот;

n - число излучателей (см. патент РФ №2344523, кл. H01Q 1/38, 2009).

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемой полезной модели, однако ему также присущи недостатки, заключающиеся в низких функциональных возможностях устройства, обусловленных отсутствием широкодиапазонной перестройки его рабочей частоты.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности широкодиапазонной перестройки его рабочей частоты.

Данный технический результат достигается за счет того, что излучатель для фазированной антенной решетки имеет линейку из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, каждый из которых включает две диэлектрические пластины, которые металлизированы с обеих сторон и соприкасаются друг с другом одними своими сторонами, на каждой из других металлизированных сторон диэлектрических пластин, расположенных снаружи тела излучателя, выполнена, по меньшей мере, одна излучающая щель, на соприкасающихся металлизированных сторонах диэлектрических пластин расположены размещенный на симметричной полосковой линии делитель мощности с согласующим устройством и, по меньшей мере, одна схема возбуждения, по меньшей мере, одной излучающей щели, которая электрически через согласующее устройство и симметричную полосковую линию делителя мощности соединена с, по меньшей мере, одной излучающей щелью.

Кроме того, расстояние между излучающими элементами, входящими в линейку из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, равно четверти значения рабочей длины волны излучения фазированной антенной решетки.

Кроме того, он имеет экран, выполненный с возможностью установки на линейке из, по меньшей мере, двух излучающих элементов.

Кроме того, экран представляет собой металлическую пластинку с прорезанной в ней щелью, длина которой соответствует значению длины линейки из, по меньшей мере, двух излучающих элементов для установки на ней экрана.

Кроме того, диэлектрические пластины выполнены из материала с диэлектрической проницаемостью, равной 2-2,55.

Кроме того, металлизация сторон диэлектрических пластин выполнена из меди или алюминия, или латуни, и за счет того, что на металлизированные стороны диэлектрических пластин нанесены защитные покрытия, например радиопрозрачные маски или напыления из серебра или напыления из никеля для защиты от воздействия влаги и агрессивных сред.

Кроме того, диэлектрические пластины изготовлены из диэлектрического материала с медным фольгированием.

Кроме того, по краям диэлектрических пластин выполнены металлизированные отверстия, изготовленные с возможностью электрического соединения с металлизированными сторонами и усиления жесткости конструкции излучателя.

Кроме того, профиль, по меньшей мере, одной излучающей щели представляет собой ломаную линию, состоящую из двух симметрично расположенных относительно плоскости, перпендикулярной диэлектрическим пластинам, частей, каждая из которых составлена из прямой линии, идущей под углом к указанной плоскости и переходящей в дугу окружности заданного радиуса.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-11, где на фиг.1 показан излучающий элемент с экраном, на фиг.2 - линейка излучающих элементов, на фиг.3 изображен элемент излучающего элемента, на фиг.4 - вариант конструкции делителя мощности. На фиг.5 (А, Б) показаны варианты расположения делителя мощности относительно излучающих целей. На фиг.6 (А-В) изображены варианты сечений диэлектрических пластин. На фиг.7 показаны варианты расположения элементов устройства на металлизированных сторонах диэлектрических пластин. На фиг.8 изображен внешний вид экрана. На фиг.9 изображена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в зависимости от частоты в диапазоне частот от 9 ГГц до 10 ГГц. На фиг.10 показано сечение диаграммы направленности (ДН) излучающего элемента в Е-плоскости. На фиг.11 продемонстрировано сечение ДН излучающего элемента в Н-плоскости.

На фиг.1-11 обозначена линейка 1 излучающих элементов (излучатель), экран 2, излучающая апертура 3, делитель 4 мощности, излучающая щель 5, вход 6 устройства, симметрирующее устройство 7, размещенное на линейке 1 излучающих элементов, вариант 8 симметрирующего устройства 7, метки 9, предназначенные для установки экрана 2 в устройство, металлизированные отверстия 10, представляющие собой вариант исполнения симметрирующего устройства 7, согласующее устройство 11 делителя 4 мощности, выполненное в виде симметричной полосковой линии, согласующее устройство 12, которое может быть использовано для излучающей щели 5, делитель 13 мощности на 2, делитель 14 мощности на 4, диэлектрические пластины 15, металлизированные стороны 16 (слои) пластин 15 и симметричная полосковая линия 17. При этом излучающий элемент состоит из двух 10, которые металлизированы с обеих сторон 16 и соприкасаются друг с другом одними своими сторонами 16, на каждой из других металлизированных сторон 16 диэлектрических пластин 15, расположенных снаружи тела излучателя 1, выполнена по тонкопленочной технологии изготовления микросхем, по меньшей мере, одна излучающая щель 5 заданного профиля, на соприкасающихся металлизированных сторонах 16 диэлектрических пластин 15 расположены выполненные по тонкопленочной технологии изготовления микросхем размещенный на симметричной полосковой линии 17 делитель 4 мощности с согласующим устройством 12 и, по меньшей мере, одна схема возбуждения (на фиг.1-7 не показана), по меньшей мере, одной излучающей щели 5, которая электрически через согласующее устройство 12 и симметричную полосковую линию 17 делителя 4 мощности соединена с, по меньшей мере, одной излучающей щелью 5.

Расстояние между излучающими элементами, входящими в линейку 1 из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, равно четверти значения рабочей длины волны излучения фазированной антенной решетки.

Экран 2 выполнен с возможностью установки на линейке 1 из, по меньшей мере, двух излучающих элементов.

Экран 2 представляет собой металлическую пластинку с прорезанной в ней щелью, длина которой соответствует значению длины линейки из, по меньшей мере, двух излучающих элементов для установки на ней экрана (см. фиг.8).

Диэлектрические пластины 15 выполнены из материала с диэлектрической проницаемостью, равной 2,5.

Металлизация сторон 16 диэлектрических пластин 15 может быть выполнена из меди или алюминия, или латуни (фиг.6А).

На металлизированные стороны 16 диэлектрических пластин 15 могут быть нанесены защитные покрытия, например, радиопрозрачные маски или напыления из серебра или напыления из никеля для защиты от воздействия влаги и агрессивных сред.

Диэлектрические пластины 15 могут быть изготовлены из диэлектрического материала с медным фольгированием.

По краям диэлектрических пластин 15 могут быть выполнены металлизированные отверстия 10 (фиг.6Б), изготовленные с возможностью электрического соединения с металлизированными сторонами 16 и усиления жесткости конструкции излучателя 1.

Профиль, по меньшей мере, одной излучающей щели 5 представляет собой ломаную линию, состоящую из двух симметрично расположенных относительно плоскости, перпендикулярной диэлектрическим пластинам 15, частей, каждая из которых составлена из прямой линии, идущей под углом к указанной плоскости и переходящей в дугу окружности заданного радиуса.

Излучатель 1 состоит из двух диэлектрических пластин толщиной 1 мм, металлизированных с двух сторон 16. С внешних сторон металлизации нанесена топология излучающих щелей 5, а на внутренних - топология делителя 4 мощности с согласующим устройством 11, возбуждающим щель 5. Сечение структуры показано на фиг.6.

В качестве диэлектрика в описываем устройстве, а также в топологиях, показанных на фиг.7, применены подложки с диэлектрической проницаемостью eps=2.5. Такому eps соответствует, например, материал Arlon AD250, Фторопласт Ф4Д. Возможно применение и другого диэлектрика с eps, близким к 2.5.

Металлизированные слои 16 могут быть выполнены из любого металла - медь, алюминий, латунь. На эти слои могут быть нанесены защитные покрытия (радиопрозрачные маски, напыления из серебра или никеля), которые защитят излучатель 1 от воздействия влаги и других агрессивных сред. С точки зрения простоты и технологичности производства целесообразно применять диэлектрический материал с медным фольгированием. В варианте топологий, показанных на фиг.7, использован материал Arlon AD600 толщиной 1 мм.

Принцип компоновки излучателя 1 показан на фиг.2. На металлизированные слои 16 надевается экран 2, показанный на фиг.8.

Одиночные излучающие секции показаны на фиг.2. Излучающие секции располагаются с определенным шагом d, который должен быть порядка четверти рабочей длины волны излучателя. Длина линейки 1 излучателей L будет зависеть от числа излучающих секций N. Таким образом, длина L равна:

L=N·d.

Отсчет можно вести как от края излучающей секции, так и от середины излучающей щели 5.

Для того чтобы у крайних секций не было сильного отражения электромагнитного поля от краев - устанавливаются симметрирующие устройства 7. Симметрирующее устройство 7 из металлизированных отверстий 10 может представлять собой металлическую пластинку размером 10×15 мм, а может быть выполнено только с помощью металлизированных отверстий. Металлизированные отверстия 10 не только соединяют слои 16 металлизации, но также придают жесткость конструкции. Такой вариант наиболее технологичен и удобен при производстве, поскольку нанесение металлизированных отверстий 10 обычно входит в технологический процесс производства печатной платы с желаемой топологией металлизированных слоев 16.

Металлизированные отверстия 10 должны быть расположены на достаточном удалении от полосковых линий и излучающей щели 5. Это расстояние должно быть не менее 3 мм.

Для того чтобы иметь возможность точно установить экран 2 относительно расстояния до раскрыва апертуры линейки 1 излучателей, на внешние слои 16 металлизации наносятся специальные метки (маркеры) 9.

Экран 2 представляет собой металлическую пластинку с прорезанной в ней щелью шириной 2 - 2.55 мм. Размер щели соответствует размеру продольного сечения длины апертуры линейки 1 излучателей. Экран 2 одевается на излучатель 1 со стороны апертуры.

На фиг.3 показана излучающая секция. Излучающая щель 5 имеет сложную форму, состоящую из линейно расширяющегося участка, переходящего в дугу окружности, как показано на фиг.3.

Возбуждение щели 5 происходит участком полосковой линии в режиме холостого хода, длина которого подбирается такой, чтобы получить лучшее согласование в рабочей полосе. Для дополнительного согласования применяется участок короткозамкнутой щели (согласующее устройство 12).

Варианты исполнения делителей 4 мощности (13, 14) показаны на фиг.4. Делитель 4 мощности выполняется на симметричной полосковой линии 17 по классическим правилам. Делитель 4 мощности может быть выполнен равномерным или неравномерным, который обеспечивает заданное амплитудно-фазовое распределение.

Делитель 13 или 14 мощности в излучателе 1 располагается между слоев диэлектрика 16. Положение делителя 13 или 14 мощности относительно излучающей щели 5 показано на фиг.5. При этом делитель мощности может быть как на 2, на 3, на 4 и более элементов в зависимости от числа требуемых при реализации входов, а также в зависимости от числа N излучающих секций 5 в линейке 1 излучателей. На фиг.5А показано расположение делителей мощности на 2, а на фиг.5Б показано расположение делителей мощности на 4.

Варианты топологий изготовленных излучателей 1 показаны на фиг.7.

На фиг.9, 10 и 11 показано, каким образом для данного устройства изменяется коэффициент стоячей волны по напряжению и коэффициент усиления в E-плоскости.

Описываемое устройство может применяться в активных фазированных решетках с цифровым управлением, многочастотных антеннах, цифровых антенных решетках с широкой рабочей полосой, а также системах с широкодиапазонной перестройкой рабочей частоты. Оно может размещаться на наземных, морских и воздушных объектах. Устройство представляет собой законченный модуль, готовый к применению.

Данное изобретение расширяет функциональные возможности устройства за счет широкодиапазонной перестройки его рабочей частоты.

1. Излучатель для фазированной антенной решетки, характеризующийся тем, что он имеет линейку из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, каждый из которых включает две диэлектрические пластины, которые металлизированы с обеих сторон и соприкасаются друг с другом одними своими сторонами, на каждой из других металлизированных сторон диэлектрических пластин, расположенных снаружи тела излучателя, выполнена, по меньшей мере, одна излучающая щель, на соприкасающихся металлизированных сторонах диэлектрических пластин расположены размещенный на симметричной полосковой линии делитель мощности с согласующим устройством, и, по меньшей мере, одна схема возбуждения, по меньшей мере, одной излучающей щели, которая электрически через согласующее устройство и симметричную полосковую линию делителя мощности соединена с, по меньшей мере, одной излучающей щелью.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между излучающими элементами, входящими в линейку из, по меньшей мере, двух излучающих элементов, равно четверти значения рабочей длины волны излучения фазированной антенной решетки.

3. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что он имеет экран, выполненный с возможностью установки на линейке из, по меньшей мере, двух излучающих элементов.

4. Излучатель по п.3, отличающийся тем, что экран представляет собой металлическую пластинку с прорезанной в ней щелью, длина которой соответствует значению длины линейки из, по меньшей мере, двух излучающих элементов для установки на ней экрана.

5. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические пластины выполнены из материала с диэлектрической проницаемостью, равной 2,0-2,55.

6. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что металлизация сторон диэлектрических пластин выполнена из меди, или алюминия, или латуни.

7. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что на металлизированные стороны диэлектрических пластин нанесены защитные покрытия, например радиопрозрачные маски, или напыления из серебра, или напыления из никеля для защиты от воздействия влаги и агрессивных сред.

8. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические пластины изготовлены из диэлектрического материала с медным фольгированием.

9. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что по краям диэлектрических пластин выполнены металлизированные отверстия, изготовленные с возможностью электрического соединения с металлизированными сторонами и усиления жесткости конструкции излучателя.

10. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что профиль, по меньшей мере, одной излучающей щели представляет собой ломаную линию, состоящую из двух симметрично расположенных относительно плоскости, перпендикулярной диэлектрическим пластинам, частей, каждая из которых составлена из прямой линии, идущей под углом к указанной плоскости и переходящей в дугу окружности заданного радиуса.