книги / Микрополосковые излучающие и резонансные устройства

нии питания смещены относительно центров щелей для получения требуемых амплитудных распределений в АР. Свободные концы линий нагружены на согласующие нагрузки.

Двухслойная конструкция АР на основе одной протяженной щели 1 показана на рис. 15, ж. АР синфазно возбуждается зигзаго­ образной ПЛ 2. Такие антенны можно объединять для получения двухмерных АР.

Печатные резонаторные АР обычно представляют собой двух­ слойные конструкции, в которых ЭИ расположены на расстоянии Я/4 от экрана (рис. 16, а). Объединение таких АР в двухмерные обес­ печивает ДН с уровнем боковых лепестков — 25 дБ в полосе частот 40 % [271. Изменяя форму и амплитуду изгибов ЭИ (синусоидаль­ ная, трапециевидная, прямоугольная и др.), можно оптимизировать распределение тока и получать АР с уровнем боковых лепесткоь меньшим — 35 дБ [88].

Микрополосковые АР можно получить из любого ЭИ (см. рис. 3h 13, 14). По способу объединения ЭИ АР бывают с электромагнит­ ной и гальванической связями между ЭИ и линиями возбуждения.

При этом схема питания может быть последовательной или парал­ лельной. АР можно строить на основе узких или широких ЭИ. На

1 %. Из таких ЭИ можно составить АР с круговой поляризацией из­ лучения (рис. 16, в). Полоса пропускания широкого ЭИ пропорци­ ональна его ширине w и толщине подложки d. АР из четырех ЭИ (рис. 16, г) при толщине подложки Я/30 имеет уровень боковых ле­ пестков — 11 дБ и полосу частот 1,5 % по КСВН ^ 2 [6].

Линейная АР из идентичных ЭИ с' последовательным питанием от общей МПЛ 1 и электромагнитной (негальванической) связью ЭИ и МПЛ показана на рис. 16, д. АР -с ветвящейся схемой питания (см. рис. 15, а) имеет дополнительные потери в металле и диэлектри ке, а также связанные с паразитным излучением с изгибов, сочле­ нений, взаимной связью между ЛП и ЭИ и т. д. Эти недостатки ве­ дут к снижению КПД и КНД АР, а также к росту кроссполяризационного излучения. Преимуществами АР с электромагнитной связью являются увеличенная полоса частот и простота изготовле­ ния [781.

Связь ПА и ЭИ может быть переменной по длине излучателя (рис. 16, е) или по длине антенны (рис. 16, ж) [6; 65]. В АР на рис. 16, енаправление вектора поляризации зависит от угла наклона ЭИ к оси МПЛ. Если излучатели расположить попарно на расстоя­ нии Х/4 в МПЛ и перпендикулярно друг к другу, то можно получить круговую поляризацию излучения [61. Линию питания (МПЛ или 1ДЛ) можно проложить под подложкой, на которой расположены ЭИ (рис. 16, з) [60]. При этом излучение происходит с краев каж­ дого ЭИ, которые можно рассматривать как пары синфазных щелей. Фазы токов в АР можно регулировать, меняя местоположение ЭИ,

Расширить полосу пропускания ПА можно различными спосо­ бами. ПА на основе спиральной излучающей структуры имеет по­ лосу 40 % при КПД около 50 %. Многорезонаторные ПА имеют по­ лосу частот 18 % при КПД 80 %, но толщина плоской антенны при этом увеличивается более чем в 2 раза [601.

В ПА, изображенной на рис. 16, з, размеры ЭИ и расстояния между ними изменяются по логопериодическому закону. На опреде­ ленной частоте возбуждаются и излучают только несколько ЭИ, находящиеся в активной зоне АР. При изменении частоты активная

Рис. 17. АР с гальванической связью:

а •—односторонняя решетка излучателей; 6 — двусторонняя решетка излучателей; в —• чередующаяся решетка полосковых излучателей и линий питания; г — связь через наклоненное линии питания; д— легопгриоднческая АР

большее число полосок, «самонастраиваясь» на требуемую частоту). Логопериодическая 9-элементная АР обеспечивает К& >■ 6,5 дБ, КПД > 70 % при КСВН < 2,2. Полоса пропускания при этом составляет 30 %. Логопериодические излучающие структуры име­ ют большие возможности для получения широкой полосы пропуска­ ния. Ширина полосы частот у таких ПА зависит от однородности толщины подложки и точности изготовления ЭИ.

Несмотря на явные преимущества АР с последовательной элект­ ромагнитной связью, на практике широко применяют структуры с гальванической связью (рис. 17). Различают три вида связи в ли­ нейных АР: непосредственное соединение ЭИ с линией возбуждения (рис. 17, а, б), чередование ЭИ и отрезков ПЛ друг с другом (рис. 17, в) и подключение излучателей к ПЛ с помощью четверть­ волновых отрезков (рис. 17, а, б) [6; 38; 55; 65].

АР с гальванической связью ЭИ с ПЛ имеют большое число мо­ дификаций и вариантов, например «змейковые» структуры (по типу антенны «сандвич» — рис. 16, а), в которых используются разные формы «змеек»: синусоидальная, трапециевидная, прямоугольная и т. п. Изменяя амплитуду изгиба, можно регулировать распреде­ ление тока на антенне и оптимизировать ее характеристики. Так,

АР, рассмотренная в работе [88], имеет низкий уровень боковых лепестков (< —35 дБ). Значительное расширение полосы пропус­ кания можно получить в логопериодической АР (рис. 17, д). Коэф­ фициент перекрытия рабочего диапазона такой АР ^ 2. Следует отметить, что он меньше, чем у АР с электромагнитной связью (рис. 16, з).

Из линейных АР, показанных на рис. 17, составляют двухмер­ ные. На рис. 18, а изображена АР, построенная по принципу чере­ дования ЭИ и полуволновых отрезков ЛП и реализующая двух­ частотный режим работы. Такая АР из 4 X 4 элементов на частоте 9 ГГЦ имеет КУ « 17 дБ и ширину луча 18° по уровню половинной мощности, а на частоте 40 ГГц АР из 24 X 24 элементов имеет ши­ рину луча в Н-плоскости 3,5°, в Е-плоскости 26° и полосу частот

На основе объединения линейных АР шлейфового типа (рис. 17, а) построена двухмерная синфазная АР из девяти подрешеток с девятью шлейфами каждая [64]. На частоте 17,2 ГГц антенна имеет КУ « 20 дБ, а уровень боковых лепестков в Е- и Н-плоскостях —

20дБ.

ВАР, показанной на рис, 18, б [10], расположение ЭИ эконом­ но по отношению к длине МПЛ и обеспечивает его компактное раз­

мещение. При этом спадающее амплитудное распределение электро­ магнитного поля реализуется автоматически, поскольку питание подается в центр АР (отмечено жирной точкой на рис. 18, б). Дру­ гой отличительной характеристикой этой АР является большая гиб­

кость в управлении шириной луча и уровнем боковых лепестков за счет изменения наклона питающих ПЛ.

Недостаток АР с последовательным питанием ЭИ — узкополосность. От него можно избавиться (ценой снижения коэффициента использования поверхности раскрыва антенны вследствие громозд­ кости вспомогательных ПЛ и делителей мощности), если использо­ вать АР с параллельным равноплечным соединением ЭИ (рис. 18, в).

\

Рис. 18. Схема двухмернои АР;

а — двухчг.стотная из квадратных ЭИ; б — компактная; б — о параллель* ныи соединением ЭИ

АР состоит из двух линейных АР, сдвинутых друг относительно дру­ га на расстояние Х/4. ЭИ обеих решеток имеют длину X. Питание подводится с противоположных сторон, входы объединены [61.

Плоские микрополосковые АР можно составлять из щелевых ЭИ (рис. 3, м, 11, а, в и др.). Для квадратной щелевой АР с длиной стороны I и расстоянием между ЭИ У2 (в обоих направлениях) необ­ ходимо количество элементов N — (2/А,)2, а КУ = N КУ0.щ (без учета потерь); /СУ0.Щ— коэффициент усиления одиночной щели.

Ранее отмечалось, что увеличение размеров АР первоначально при­ водит к росту КУ, однако, достигнув некоторого максимума, он затем уменьшается. АР из 320 щелевых ЭИ, расположенных на рас­ стоянии V2 друг от друга, имеет КУ = 28 дБ. Дольфчебышевская решетка из 52 элементов с расстоянием между ними А/2 в обоих на­

[10; 23; 43; 81]. Эти структуры, выполненные по печатной техноло­ гии, применяют в зеркальных антеннах в качестве частотно-изби­ рательных поверхностей (например, в обращенных антеннах Кассе­ грена для поворота плоскости поляризации поля и т. д.). Периоди­ ческие дифракционные структуры подробно исследованы в работах ПО; 23]. Различные ленточные и концентрические кольцевые струк­ туры, а также двухмерные образования из квадратных, дисковых, кольцевых, крестообразных и других элементов рассмотрены в ли­ тературе [43; 81]. Кроме перечисленных в антенной технике исполь­ зуют так называемые перфорированные экраны-системы, состоя­ щие из щелей разной формы (рис. 19). Известно, что в диапазоне углов падения 50° поверхность из квадратных рамок (рис. 19, б) в [режиме отражения имеет полосу частот 27 % и отношение частот передачи и отражения 3 : 1 [59]. Кольцевые решетки (рис. 19, г) •обладают приблизительно тем же отношением частот передачи и от­ ражения, что и квадратные, и имеют линейную поляризацию (ср. •с крестообразными вибраторами, в случае которых это непросто (43]). Правильно спроектированная решетка из крестообразных ЭИ обладает линейной и круговой поляризациями, имеет полосу

сканирования ± 27° коэффициент эллиптичности не хуже — 1 дБ). Уровень кроссполяризационного излучения — 25 дБ [43; 64].

Располагая такие структуры (рис. 19) на различном расстоянии друг от друга, можно создавать многочастотные избирательные системы с различными свойствами. Именно такие многослойные структуры (например, фильтры для пространственно-временной обработки СВЧ-сигнала) можно реализовать на объемных ИС.

В РЭА широко применяют сканирующие МП АР. В последние годы интенсивно развиваются электронные методы сканирования для гибкого управления ДН в пространстве. Например, с помощью 'фазирования антенных решеток (ФАР) можно создавать одновре­ менно большое число лучей с независимым управлением каждого из них. При этом существенно увеличивается скорость сканирова­ ния (по сравнению с механическими и электромеханическими систе­ мами), улучшается отношение сигнал/шум и др. В ПАР применяют методы фазового и частотного сканирования.

Схема фазового сканирования ДИ в одномерной ФАР показана на рис. 20, а. ФАР имеет N каналов и индивидуальные фазовраща­ тели Ф£, где i = 1,2, N. Положение луча антенны, характери­ зуемое углом отклонения 0 от вертикального направления, является функцией фазового сдвига токов возбуждения на соседних ЭИ АР. Линейная решетка с эквидистантным расположением ЭИ и диффе­

Я0 — длина волны в свободном пространстве. Расстояние р опреде­ ляет положение боковых лепестков ДН и максимальный угол от­ клонения луча. При р >■ Х0/2 и больших отклонениях ДН могут возникать побочные дифракционные максимумы, сравнимые с ос­ новным лучом.

Первые МП ФАР возникли, по-видимому, в середине 80-х годов [6; 27; 38; 72]. Первая ФАР состояла из 4 X 4 элементов и работала на частоте 5 ГГц с линейной поляризацией излучения и дискретом

ром [59; 72]. ФАР, работающая на частоте 7,5 ГГц, имеет КУ « л? 20 дБ. Для управления ДН используют трехразрядные цифровые фазовращатели на p-i-n-диодах. Круговая поляризация излучения достигается применением дисковых ЭИ с квадратурным возбужде­ нием. Решетка состоит из 8 X 8 элементов.

Сдвиг фаз между ЭИ можно изменять, изменяя частоту возбуж­ дения. ПА с частотным сканированием легко реализуемы, посколь­ ку в качестве фазовращающих устройств при этом можно использо­ вать отрезки МПЛ. Этот способ сканирования наиболее удобен в одномерных АР. Однако он хорошо сочетается с фазовым способом сканирования в ортогональной плоскости. На основе частотного сканирования реализована АР на частоте 9,6 ГГц с шириной луча 0 = 10° [48]. АР состоит из 19 элементов и имеет угловой сектор сканирования ± 30° при изменении частоты в пределах ± 300 МГц.

В антенных устройствах широко применяют диаграммообразую­ щие матрицы (ДОМ), позволяющие по наперед заданному или не­ прерывно вырабатываемому системой закону, алгоритму (напри­ мер, в зависимости от электромагнитной обстановки) формировать многолучевые ДН, например, система провалов или нулей в ДН в «опасных» направлениях, что снижает уровень помех до необхо­ димых закритичных значений. Наибольшее распространение полу­ чили матрицы Баттлера, Бласса, Пейджа и др. [2; 44; 72; 77]. Схема ДОМ Пейджа показана на рис. 20, б. В ней формирование декретного набора фаз сигнала 0 — л на элементах АР реализу­ ется пересекающимися соединениями четырех синфазно-противо­ фазных гибридных мостов. Для нормального функционирования схемы необходимо выдерживать жесткие требования по разбалансу

достаточно простая реализация электрического сканирования луча, что позволяет достичь высокой разрешающей способности по угловым координатам;

многофункциональный режим работы: одновременное формиро­ вание нескольких лучей в пространстве и независимое управление ими, что при большой скорости обзора позволяет получать и обра­ батывать (с принятием решения) данные в реальном времени;

работа на высоких пиковых и средних мощностях; простое и надежное сопряжение с ЦЭВМ и АЭВМ для управле­

ния ДН и отдельными лучами по заданному алгоритму с учетом ре­ альной обстановки, обнаружения и исправления (или сигнализации) повреждений и т. д.

К недостаткам АР с электрическим управлением ДН относятся: влияние на функционирование АР параметров ЭИ и относящих­ ся к ним фильтров, делителей мощности, фазовращателей и т. д.; ограничения на углы сканирования и неполное перекрытие про­

странства; это связано с «ослеплением» АР вследствие взаимных свя­ зей между ЭИ и искажениями амплитудно-фазовых распределений на раскрыве при сканировании [23];

зависимость апертурных распределений от окружающих усло­ вий;

высокая стоимость вследствие большого числа ЭИ и сложность в эксплуатации и ремонте.

Объемные антенные модули. Сочетание в одном узле разнотип­ ных ЛП дает большие возможности проектировщику для создания оптимальной конструкции функционального БЭ (например, по электродинамическим, технологическим, массогабаритным, радиа­ ционным и другим параметрам).

Поэтому естественным представляется переход в конструирова­ нии и проектировании резонансных устройств (РУ) и, в частности,. ФАР в виде антенного модуля, содержащего собственно антенну, ДОМ, фильтры, делители и ответвители каналов, фазовращатели и т. п.

ч- В антеннах давно начали применять узлы, совмещающие раз­ личные функции, например, в ФАР часто совмещаются ЭИ и фазо­ вращатель. Имеются и более сложные композиционные структуры.

или многоэтажной. Антенна предназначена для работы на частоте 960 МГц. ЭИ расположены на расстоянии Я/2 друг от друга. Пита­ ние равноамплитудное с помощью 16-канального полоскового делиделя мощности. Сканирование в секторе ± 60° обеспечивается че­ тырехразрядными фазовращателями (КУ& 16 дБ, уровень боко­ вых лепестков — 13 дБ).

Объединение в одном модуле различных элементов (полосковых, волноводных, резонансных и т. п.) приводит к удобной и легкой ,кон-‘