CC BY
506
Радиоэлектроника и системы связи
УДК 621.396.67
АНТЕННАЯ РЕШЕТКА НА ОСНОВЕ ЛИНЗЫ РОТМАНА
И.А. Зеленин, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров
В работе представлена конструкция полосковой линзы Ротмана с подключенными к ней антенными элементами. В результате численного эксперимента были получены основные характеристики исследуемой антенной решетки
Ключевые слова: линза Ротмана, численный эксперимент, диаграммообразующая схема
Современные радары и системы связи развиваются в направлении все большего улучшения направленных свойств и активной пространственной фильтрации радиочастот. Для коммерческого использования (систем сотовой связи, автомобильных радаров, систем радиопленгации) все более привлекательными становятся антенные решетки (АР) с возможностью формирования нескольких лучей [1]. Для решения этих задач весьма удобно использовать диаграммаобразующею схему (ДОС), названную по имени своего автора - линза Ротмана. Преимуществом линз Ротмана является легкость изготовления, низкая стоимость, малый вес и широкополосность.
В линзе Ротмана используются различные пути распространения волны в пределах одной структуры, чтобы обеспечить для различных входных портов уникальный линейный сдвиг фазы на выходном порте. Эта очень компактная и дешевая ДОС может обычно используется для работы на высоких частотах. К сожалению, на более низких частотах линза Ротмана становится слишком громоздкой и потому трудной для интеграции в компактную конструкцию приемопередатчика.
Линза Ротмана в своем простейшем исполнении (рис. 1) представляет собой конструкцию, расположенную между двумя параллельными пластинами, с портами на противоположных сторонах. Порты, расположенные на выходной дуге называются портами решетки, они соединены с отдельными излучающими элементами антенной решетки. Порты, расположенные на входной дуге линзы, называют портами лучей, они расположены таким образом, чтобы каждый из них соответствовал определенному направлению луча в пространстве.
Зеленин Иван Александрович тел. 8 (473) 243-77-29 Рыжиков Артем Геннадьевич тел. 8 (950) 779-44-97 Фёдоров Сергей Михайлович тел. 8 (904) 210-05-35
ВГТУ, доцент. ВГТУ, аспирант, ВГТУ, аспирант,
Линза Ротмана чаще всего используется в решетках излучающих антенных элементов. Линза на рисунке 1 генерирует на выходной дуге такое распределение амплитуды и фазы, которое одновременно производит несколько лучей, охватывающих различные секторы пространства. Каждый луч, сформированный линзой, в идеале имеет усиление однолучевой решетки того же размера. Каждому лучу, соответствует отдельный входной порт (порт луча) расположенный на входной дуге линзы.
Большинство современных линз Ротмана изготавливают в микрополосковом исполнении, в отличие от прежних волноводных структур [2]. Так как плоские микрополосковые линзы на диэлектрической подложке обладают рядом преимуществ: меньше размером, проще и дешевле в производстве.
Рис. 1. Схема линзы Ротмана
Синтез линзы предполагает, что известны несколько входных параметров, которые используются для расчета конструкции:
Распределение элементов (Л) - распределение линейных антенных элементов вдоль выходной дуги.
Фокальный коэффициент (§) или (С / ^ )
[2]. Это параметр используется для задания формы фокальной дуги.
Ширина линзы (О или F0) - расстояние
между центром выходной дуги и центром входной дуги.
Угол сканирования (a) - Угол между осью линзы и одной из внеосевых фокальных точек, так же угол вне осевого лепестка, для которого фазовая ошибка равна нулю[3].
Порты решетки линзы и длина линий передачи находятся при помощи метода сравнения длины пути [3, 4].
F1P + W (N) + N ■ sina = F + W (0)
F2 P + W (N) - N ■ sina = F + W (0),
F0 P + W (N) = G + W (0)
где
(FjP)2 = (F cos a + X)2 + (F sin a - Y)2 (F2P)2 = (F cos a + X)2 + (F sin a + Y)2 (F0 P)2 = (G + X )2 + (Y )2
Размерности линзы нормируются внеосевой фокальной длиной [3]. h = N / F G = G / F x, y = X, Y / F W (N) - W (0)
w =-
F
Преобразования этих уравнений приводит к следующим связям X, у, у = Л(1 - w)
х2 + у2 + 2а0х = w2 + Ь02Л2 ■
aw2 + Ьw + с = 0 где
■2w
a = 1 -rf -
b =
2 g
Гg-i A2 Vg-a0 у
(
g -1
g - a0
g-1
g - a0 )2
b02h2 + 2h2
-2g
2~2 b04h4
-h
g -а0 4(Я- а0)
Описанным выше методом нами была получена симметричная полосковая линза Ротма-на с подключенными к портам решетки антенными элементами (рис. 2).
в)
Рис. 2. Исследуемая АР: а) общий вид; б) геометрия линзы Ротмана (скрыты слой диэлектрика, верхний и нижний слой проводника); в) конструкция антенного элемента
АР обладает 8 портами луча с подключенными к ним коаксиальными кабелями. Для выбора каналов передачи в том или ином направлении, противоположные концы коаксиальных кабелей должны быть подключены к высокочастотному коммутатору. К 8 портам решетки подключены 8 антенных элементов Также на антенне находятся 8 балластных портов для гашения отраженной волны.
Антенна проектировалась для работы на частоте 7 ГГц. Исследуемая АР имеет следующие размеры: ширина - 300 мм, длина - 390 мм, толщина двух слоев диэлектрика (полистирола) - 4 мм, толщина медной фольги - 0,018 мм.
В результате проведенного численного эксперимента были получены следующие параметры: 8-параметры АР (рис. 3), зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) (рис. 4) и диаграммы направленности (рис. 5). Характеристики рассчитывались для первых 4 портов. Исследование производилось в диапазоне частот от 1 до 8 ГГц.
Рис. 4. Зависимость КСВН: для 1-го порта -толстая линия, для 2-го - пунктирная линия, для 3-го порта - штрихпунктирная линия, для 4- порта - сплошная линия
На изображенных выше зависимостях видно, что значение Б-параметров не превышает -5 дБ практически на всей исследуемой полосе частот. Значение КСВН на частоте 7 ГГц не больше 2 для всех портов, для второго порта менее 1,2.
I dBi
12.lt - |
\ \ 8.5 ■ 6.18 '
3.86 1.55 -1.73 -6.91 -12.1 -17.3 -22.5 -27.6
Type farfield
Approximation enabled (kR » 1) Monitor Component Output
Frequency 7
Rad. effic. -0.9998 dB Tot. effic. -4.312 dB Dir. 12.37 dBi
farfield (f=7) [2]" Abs
Directiuity
Рис. 5. Диаграмма направленности исследуемой АР на частоте 7 ГГц: а) для 1-го порта; б) для 2го порта; в) для 3-го порта; г) для 4-го порта
Как видим из приведенных рисунков, что коэффициент усиления на частоте 7 ГГц достигает 13 дБ. При этом наблюдается высокий уровень заднего лепестка. Для его уменьшения может использоваться экран, показанный на рис. 6. На рис. 7. изображены диаграммы направленности полученной линзы Ротмана с экраном.
Рис. 6. Исследуемая АР с экраном
На следующем рисунке (рис. 7.) изображены диаграммы направленности полученной линзы Ротмана с экраном
б)
Type
Approximation Monitor Component Output Frequency Rad. effic.
Tot. effic.
Dir.
а)
б)
Tjipe
Approximation enabled Monitor farfield
Component Abs
Output Directiuity
frequency I 7.2 Rad. effic. -8.9179 dB Tot. effic. -3.744 dB Dir. 15.43 dBi
г)
Рис. 7. Диаграммы направленности исследуемой АР с экраном на частоте 7.2 ГГц: а) для 1го порта; б) для 2-го порта; в) для 3-го порта; г) для 4-го порта
Из представленных рисунков видно, что наличие экрана приводит уменьшению уровня заднего лепестка, а также к увеличению коэффициента усиления до 15 дБ.
Таким образом, на основе полученных в ходе численного эксперимента данных, можно сделать вывод о перспективности применения разработанной антенной решетки в системах сотовой связи и радиопленгации.
в)
Литература
1. C. Metz, J. Grubert, J. Heyen, A.F. Jacob, S. Janot, E. Lissel, G. Oberschmidt, and L.C. Stange, "Fully integrated automotive radar sensor with versatile resolution", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 49, pp. 2560-2566, 2001.
2. D. Archer, "Lens-fed multiple beam arrays", Microwave Journal, vol. 27, pp. 171-172, 1984.
3. Rotman, W. and Turner, R., “Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 11, no. 6, pp. 623-632, Nov. 1963.
4. Hansen, R.C., “Design Trades for Rotman Lenses,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 39, no. 4, pp. 464-472, April 1991.
Воронежский государственный технический университет
ANTENNA ARRAY BASED ON THE ROTMAN LENS
I.A. Zelenin, A.G. Ryzhikov, S.M. Fedorov
The paper presents design of stripline Rotman lens with antenna elements. The numerical experiment provided the basic characteristics of the study array
Key words: Rotman lens, numerical experiment, beamforming network
