CC BY
120
УДК 621.396
АНТЕННАЯ СИСТЕМА МАЛОГАБАРИТНОГО РАДАРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ
Виталий Сергеевич Кулик
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 1-й категории, тел. (383)216-05-48, e-mail: vkulik@ngs.ru
Валерий Борисович Ромодин
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-48; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры АИУС, e-mail: romodin@ngs.ru
В статье рассмотрены требования для антенной решётки малогабаритных радаров с синтезированной апертурой. Спроектирована микрополосковая антенная решётка с малым уровнем боковых лепестков.
Ключевые слова: антенная решётка, микрополосковый излучатель, радар с синтезированной апертурой (РСА).
COMPACT SIZEDSYNTHETIC APERTURE RADAR ANTENNA SYSTEM
Vitaly S. Kulik
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., engineer, tel. (383)216-05-48, e-mail: vkulik@ngs.ru
Vilery B. Romodin
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., laboratory chief, tel. (383)216-05-48; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, associate professor, e-mail: ro-modin@ngs.ru
In this article, the requirements for the antenna array for small synthetic aperture radar system are considered. The microstrip antenna array with low sidelobes level was designed.
Key words: antenna array, microstrip radiator, synthetic aperture radar.
В современных системах мониторинга окружающей среды в интересах охраны природы, сельского хозяйства, транспортирования полезных ископаемых, геодезии и картографии широко применяются беспилотные летательные аппараты БПЛА. В качестве одной из полезных нагрузок БПЛА используются радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), позволяющие получать радиолокационные изображения местности с высоким разрешением в любых (в том числе ночных) погодных условиях. Массово применяемые лёгкие БПЛА могут нести нагрузку 3...5 кг, разрабатываемые для них РСА выделены в отдельный класс малогабаритных, масса которых составляет 1...1,5 кг.
В настоящей работе приведены результаты проектирования антенной системы малогабаритного РСА, использующего сигнал с линейной частотной модуляцией в диапазоне 10 ГГц. Для получения радиолокационного изображения высокого качества к антенной системе предъявляются весьма жёсткие и порой противоречивые требования. Для обеспечения хорошей разрешающей способности по азимуту предполагается использовать девиацию частоты порядка 1 ГГц, в связи с этим антенна должна быть достаточно широкополосной (полоса рабочих частот на уровне отражения - 10 дБ должна превышать 1 ГГц). Для обеспечения нужной дальности работы РСА коэффициент усиления антенны должен быть не менее 18 дБ, а для предотвращения миграции элементов изображения в широком диапазоне отражательных свойств зондируемой поверхности уровень боковых лепестков УБЛ диаграммы направленности ДН антенны должен быть менее -25 дБ. С целью упрощения схемы РСА предполагается работа с раздельными передающей и приёмной антеннами, при этом для защиты входных каскадов приёмника развязка между антеннами должна превышать 40 дБ. Конструкция должна быть малогабаритной с минимально возможной массой.
Большинство известных малогабаритных РСА [1, 2] из соображения минимизации массогабаритных характеристик применяют решётки микрополосковых излучателей МПИ [3]. Однако, большинство известных решёток с однослойной структурой МПИ имеют рабочую полосу частот порядка 3...4 %, и не могут успешно применяться с девиациями частоты, превышающими 300...400 МГц. Достаточная широкополосность присуща более сложным многослойным структурам, в частности, МПИ с апертурным возбуждением [4, с. 539]. МПИ подобного типа был выбран в качестве основного элемента для построения линейной антенной решётки (Рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид элемента антенной решетки
Для улучшения согласования МПИ введены дополнительные подстроечные элементы 1 - расширенный и суженный отрезки микрополосковой линии (рРис.). Подбором размеров этих элементов получена более гладкая характеристика КСВН в рабочей полосе частот.
у-
Рис. 2. МПИ со шлейфами
Диаграмма направленности одиночного излучателя имеет ширину ДН в экваторе около 70°. Для сужения ДН в экваториальной плоскости до 50°в конструкции использованы металлические направители, расположенные вдоль антенны (Рис. 3). Наличие направителей также способствует увеличению развязки между передающей и приёмной антеннами.
1
Рассчитан делитель для линейной решётки из 12 элементов с использованием оптимального дольф-чебышевского распределения на УБЛ -30 дБ. Делитель с подключёнными МПИ выглядит следующим образом (рРис. 4):
А А А А '4 Тз-ур: 4, А- Тб й-й 11 II- £ А А А V ^э—9
Рис. 4. Микрополо сковый делитель
Для верификации реализованного распределения вычислены значения поля в ближней зоне антенной решётки. Отклонение амплитудного распределения от расчётного не превышает ±0,05, неравномерность фазы не превышает ±10° (Рис.
5, 6).
Рис. 5. Амплитудное распределение
230 225 220 215 210
II к
1 1 1 1
п □
л Л 1
Рис. 6. Фазовое распределение
Сечения ДН антенной решётки показаны ниже (рис. 7). Ширина ДН по уровню -3дБ в экваториальной плоскости составляет 52°, в меридиональной плоскости -9°. Коэффициент усиления антенны 18дБ. УБЛ в полосе частот менее -25дБ. КСВН менее 1,5 в заданной полосе частот (рис. 8). КСВН менее -40дБ в заданной полосе частот (рис. 8).
0
\ -ч
-0 X \ 4 ч
и' 1 ^
-20 и
ДН, дБ 1 1!!!!!!! !!!!!!!!
-30 1 \л Л
-40 Л Л Ор (¿5 }$> ^ о 1Лл(Ч
Ч? ф # ^ # ср
Угол, градусы
- - Экватор
Рис. 7. ДН антенны 111
2 1,8
1,6
КСВН 1,4 1,2 1
9
9,5
10
Частота, ГГц
10,5
11
Рис. 8. КСВН антенны
-35
9 9,5 10 10,5 11
-60
Частота, ГГц
Рис. 9. Развязка между антеннами
Предложенная антенна обладает небольшими размерами и массой, имеет хорошие электрические характеристики в диапазоне частот более 1 ГГц, следовательно, может быть использована в малогабаритных РСА.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. IMSAR'SONESAR. Дата обновления: 11.03.2017.URL: http://www.imsar.com/ one-sar.html (дата обращения: 15.03.2017).
2. ARTEMIS Synthetic Aperture Radar Solutions. MicroASAR. URL: http://artemisinc.net/ microasar.php (дата обращения: 15.03.2017).
3. David G. Long. BYU microSAR system description. 02.05.2006.URL: http://www.mers.byu.edu/yinsar/microSAR_descrip3.pdf (датаобращения: 15.03.2017).
4. MicrostripAntennaDesignHandbook/R.Garg [etal.].- ArtechHouse, 2000 - 845 p.
©В. С. Кулик, В. Б. Ромодин, 2017
