17-ая моложедная школа(2014)

ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ АФАР Х-ДИАПАЗОНА

А.С. Антонов, Г.А. Костиков, А.В. Кочетов, В.А. Савельев, М.И. Сугак

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»

Abstract – The aim of this work is to design and experimental study of the radiating aperture wide-angle dual-polarization X-band phased array. Main attention is given to the analysis and optimization of polarization isolation and matching in the scan mode with the simplicity of the design.

Анализ поляризационных характеристик сигнала, отраженного от цели, позволяет заметно повысить возможности современных РЛС. В связи с этим актуальным становится реализация широкополосных двухполяризационных ФАР с широкоугольным сканированием [1]. Целью данной работы является проектирование и экспериментальное исследование излучающего раскрыва широкоугольной двухполяризационной ФАР X-диапазона. Основное внимание уделяется анализу и оптимизации поляризационной развязки и согласования в режиме сканирования, при простоте конструкции.

Рис.1 Геометрия одиночного элемента (а), структура АР (б).

В работе было рассмотрено несколько вариантов реализации геометрии печатного излучателя [2]. Электродинамический анализ FIT-методом показал, что наиболее простым способом реализации требуемой полосы рабочих частот является сочетание слоев печатного элемента, показанное на Рис.1, а. Нижний слой выполнен на диэлектрической подложке AD 255, с толщиной 1,016мм, фирмы "Arlon" с относительной диэлектрической проницаемостью 2,33, на котором напечатаны элементы, питание обеспечивается разъемами SMP типа. Далее располагается слой с малой диэлектрической проницаемостью ε=1,3 (вспененный ПВХ) и толщиной 2,7 мм. Верхний слой выполнен из того же материала что и

20

нижний, печатные элементы нанесены с нижней стороны подложки и являются пассивными. На рис. 1, б приводится внешний вид электродинамической модели ФАР конечного размера (4х4 элемента). Частотные зависимости уровня согласования элемента и поляризационной развязки в составе бесконечной периодической АР в диапазоне углов сканирования приводятся на рис. 2, а и б соответственно. В требуемом диапазоне углов сканирования можно добиться полосы рабочих частот 12 % (по критерию |S11| ≤ -10 dB). Поляризационной развязка при этом не превышает -16 дБ.

Рис. 2. Согласование (а) и поляризационная развязка (б) элементов при разных углах сканирования в плоскости OX.

На рис. 3 представлены частотные зависимости уровня согласования и поляризационной развязки элементов конечной ФАР в синфазном режиме, полученные в результате электродинамического расчета.

Рис. 3. Согласование (а) и поляризационная развязка (б) элементов конечной ФАР в синфазном режиме.

21

На рис. 4, а приведены зависимости уровня согласования |S11| на элементах решетки при угле сканирования 40º. Заметное повышение коэффициента отражения некоторых элементов решетки, по сравнению с бесконечной ФАР, обусловлено краевыми эффектами и должно учитываться при формулировки требований к выходным каскадам приемо-передающих модулей (ППМ). Диаграмма направленности ФАР при угле сканирования 40º изображена на рис. 4, б.

Рис. 4. Согласование элементов (а) и вид диаграммы направленности (б) конечной ФАР.

По полученным расчетным данным изготовлен опытный экземпляр двухполяризационного антенного модуля. На рис. 5, а показаны составляющие элементы антенного модуля, на рис. 5, б приведена фотография решетки при проведении лабораторных измерений.

Рис. 5. Компоненты излучающего раскрыва антенного модуля (а), макет антенного модуля в сборе (б).

22

развязки элемента ФАР.

В работе проведены исследования двухслойного элемента в составе ФАР и получены количественные оценки динамических характеристик при сканировании в требуемом секторе углов. Выполнена разработка, изготовление и экспериментальтное исследования АР со следующими характеристиками: количество элементов модуля – 4х4, полоса рабочих частот не менее 12 %, уровень согласования по коэффициенту отражения не хуже -10 дБ¸ поляризационная развязка элемента -16 дБ. На крайних углах сканирования уровень согласования на от-

23

дельных излучателях может достигать -7 дБ, при этом заметно ухудшается и поляризационная развязка (до -12 дБ).

1.А. И. Козлов, А. И. Логвин, В. А. Сарычев. Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия. М.: Радиотехника, 2007.

2.D. M. Pozar, D. H. Schauber. Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. 1995.

24

МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

А.С. Антонов, С.В. Балландович, Г.А. Костиков, В.А. Савельев, А.А. Сорокин, М.И. Сугак

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Abstract – The aim of this work is the development and experimental study of the characteristics of a compact four-element multi-layer printed broadband antenna array (AR) with L-range circular polarization.

В современных системах связи существует острая потребность в реализации широкополосных антенн круговой поляризации с жесткими требованиями к массогабаритным и электрическим характеристикам. Вместе с тем, обилие публикаций по одиночным печатным излучателям с круговой поляризацией с приемлемыми характеристиками [1-3] сопровождается явным дефицитом сведений о построении электрически небольших антенных решетках с коэффициентом усиления 12-15 дБ.

Целью данной работы является разработка и экспериментальное исследование характеристик компактной четырехэлементной многослойной печатной широкополосной антенной решетки (АР) L-диапазона круговой поляризации.

В качестве базового элемента АР из соображений увеличения полосы рабочих частот и обеспечения качества круговой поляризации был выбран двухслойный дисковый излучатель с двухточечной схемой питания в нижнем слое. Для максимизации коэффициента усиления (КУ) в заданном объеме конструкции АР в качестве материала подложки использован диэлектрик с малой диэлектрической проницаемостью (пенополиэтилен, металлизированный лавсан). Рис. 1 дает представление о сравнительных характеристиках одного элемента. Полоса рабочих частот одиночного излучателя на подложке с параметрами ε=1,33 и толщиной 2 мм является довольно узкой (2-4%), увеличение толщины подложки до 10 мм позволяет добиться расширения полосы до значения 7-9%. Более эффективной мерой является применение двухслойной конструкции излучателя: нижний диск (большего диаметра) запитывается в квадратуре в двух точках, меньший диск располагается над первым и возбуждается за счет электромагнитной связи. В ходе оптимизации удалось достичь полосы такого элемента в 13 %. Вместе с тем, с увеличением толщины подложки несколько ухудшается качество круговой поляризации.

25

КСВ 5

4,5

4

3,5

3

2,5

2

1,5

1

Рис. 1 Зависимость КСВ от частоты для трех излучателей: однослойного, однослойного с увеличенной толщиной подложки и двухслойного.

На основе электродинамического моделирования была исследована зависимость КУ АР от частоты при разных межэлементных расстояниях d (рис.2.). Частотная зависимость КУ получена для решетки с размерами экрана 320×320 мм. При уменьшении межэлементного расстояния КУ во всей заданной полосе частот падает. При увеличении d до значения 170 мм КУ растет в полосе 1,5 – 1,6 ГГц, причем выигрыш достигает 0,4 дБ, но на частоте 1,475 ГГц образуется провал до 10 дБ, одновременно с этим происходит рост отношения вперед/назад. Для d = 150 мм отношение вперед/назад достигает уровня 20 дБ. Кроме того, при увеличении d более чем на 150 мм начинает сужаться полоса рабочих частот, в которой сохраняется хорошее качество круговой поляризации. Исходя из приведенных соображений, оптимальное расстояние между элементами составило

150 мм (0,77λ).

Рис.2 Частотная зависимость КУ для вариантов исполнения АР.

26

Оптимизация диаграммообразующей схемы (ДОС) АР на квадратурных мостах проводилась в 2 этапа: а) на схемотехническом уровне б) на электродинамическом уровне (метод моментов) средствами пакета «AWR Microwave Office».

На основе данных, полученных в ходе моделирования, был изготовлен экспериментальной макет АР (рис.3,4). На рис. 3. приводятся фотографии слоя с ДОС и верхнего слоя излучателей. Питание антенны осуществлялось через стандартный SMA-разъем. Незадействованные выходы мостов были нагружены на согласованные нагрузки.

Рис. 3. Фрагмент ДОС с квадратурными мостами (слева) и слой с излучателями (справа).

Рис. 4. Измерение полевых характеристик АР в БЭК.

27

Рис. 5 Измеренные диаграммы направленности. Семейство кривых построено для час-

тот: 1.45 ГГц, 1.5 ГГц, 1.55 ГГц, 1.6 ГГц, 1.65 ГГц.

Результаты измерения диаграммы направленности (ДН) приведены на рис.5 , здесь же дано сравнение измеренных ДН с расчетными на различных частотах. Крупной пунктирной линией показана измеренная зависимость, сплошной – расчетная, методом конечного интегрирования (FIT), а мелкой пунктирной линией – расчетная, методом конечных элементов (FEM). На рис. 6 приведены результаты измерения коэффициента эллиптичности в полосе частот. Ширина полосы частот качественной круговой поляризации (к-т эллиптичности не хуже уровня -3дБ) составила 19%. Результаты измерения КУ антенны приведены на рисунке 7. Измеренный КУ оказался несколько ниже расчетного, т.к. в математической модели не учитывались потери в металле и в диэлектрике.

28

Аналогичная решетка была реализована с ДОС, построенной на основе делителей Уилкинсона с дополнительной фазосдвигающей линией, которые позволили несколько упростить конструкцию. Результаты экспериментального исследования демонстрируют близкие электрические характеристики обеих АР.

1.Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны. Москва «Радио и связь», 1986.

2.Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas. John Wiley & Sons, Inc, 2002.

3.Constantine A. Balanis. Modern antenna handbook. A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2008.

4.С. В. Балландович, Г. А. Костиков, А. В. Сорокин, М. И. Сугак/ Многослойные печатные антенные решетки круговой поляризации/ Сборник докладов 67-й научнотехнической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург 2012.-с. 16.

29