CC BY
63Ссылка на статью: // Радиостроение. 2017. № 04. С. 16-27
Б01: 10.24108/^е^.0417.0000101
Представлена в редакцию: 06.06.2017
© НП «НЕИКОН» УДК 621.396.677.3
Фрагмент антенной решетки для исследования характеристик волноводно-диэлектрических излучателей
Русов Ю.С.1'*, Прохоренко Е.В.1 ^оу-уц^дтА-сот
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В статье рассмотрена конструкция фрагмента антенной решетки с гексагональной сеткой расположения элементов, позволяющего проводить экспериментальные исследования характеристик волноводно-диэлектрических излучателей. На основе результатов расчета диаграмм направленности излучателей в антенной решетке конечных размеров обоснован выбор числа излучателей, достаточного для учета взаимного влияния элементов в антенной решетке. Предложенная конструкция фрагмента антенной решетки характеризуется минимальным количеством деталей и обеспечивает простоту сборки и установки в измерительном стенде, а аткже быструю замену исследуемых комплектов излучателей. Приведен пример практической реализации фрагмента антенной решетки в Ка-диапазоне частот и представлены экспериментальные диаграммы направленности излучателей, подтверждающие работоспособность предложенной конструкции.
Ключевые слова: волноводно-диэлектрический излучатель; антенная решетка; фрагмент антенной решетки; взаимное влияние излучателей
Введение
В настоящее время фазированные антенные решетки (ФАР) являются основным видом антенн с электрическим сканированием луча. В диапазонах сантиметровых и длинноволновой части миллиметровых волн широко применяются фазированные антенные решетки с волноводно-диэлектрическими излучателями [1, 2, 3]. Известны разработки ФАР с такими излучателями, работающие и в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн [4]. Коэффициент усиления ФАР и его изменение в пределах сектора электрического сканирования луча во многом определяются характеристиками излучателей антенной решетки [5]. С целью обеспечения заданного коэффициента усиления ФАР требуется проводить оптимизацию параметров излучателей [6].
Для исследования характеристик излучателей в антенной решетке используют следующие методы [7, 8]:
• расчет характеристик излучателя с использованием модели бесконечной антенной решетки (метод эффективен для расчета характеристик излучателей в антенной
Радиостроение
Научно-практический журнал ИКр .¡/шт. гас! iovega.su
решетке с достаточно большим количеством элементов, где можно пренебречь краевыми эффектами);
• расчет характеристик излучателя с использованием модели конечного фрагмента антенной решетки (метод применим для решеток с относительно малым количеством элементов);
• измерение характеристик излучателя с использованием фрагмента антенной решетки (метод эффективен для экспериментальной проверки характеристик предварительно рассчитанных излучателей).
Для экспериментального исследования излучателей можно использовать фрагмент антенной решетки, содержащий несколько десятков элементов [9]. При этом измеряются характеристики центрального элемента решетки, в то время как остальные излучатели нагружены на согласованные нагрузки. Подобный фрагмент антенной решетки позволяет, например, измерить диаграмму направленности излучателя с учетом взаимного влияния элементов антенной решетки [10]. Представляет интерес разработка конструкции фрагмента антенной решетки, обеспечивающей простоту изготовления и сборки, а также позволяющей проводить исследования волноводно-диэлектрических излучателей с возможностью быстрой смены комплектов диэлектрических стержней.
К фрагменту антенной решетки предъявляются следующие требования:
• исследуемый на фрагменте излучатель должен находиться в условиях, близких к условиям большой антенной решетки;
• элементы конструкции фрагмента не должны влиять на характеристики излучателя;
• фрагмент должен обеспечивать возможность подключения к тракту измерительного стенда и удобное размещение на опорно-поворотном устройстве.
При разработке диэлектрического излучателя подбираются форма и размеры его составляющих (рис. 1), а также значение относительной диэлектрической проницаемости материала 8.
1. Требования к фрагменту антенной решетки
О
О-
ГТТ^
I
Рис. 1. Волноводно-диэлектрический излучатель
Наиболее часто применяется гексагональная сетка расположения элементов фазированной антенной решетки (рис. 2), поэтому в дальнейшем рассматривается фрагмент антенной решетки с такой сеткой расположения излучателей.
Рис. 2. Гексагональная сетка расположения излучателей
2. Выбор количества излучателей во фрагменте антенной решетки
При разработке экспериментального фрагмента антенной решетки важным является выбор числа его излучателей. С одной стороны, излучателей должно быть достаточно для проявления эффектов взаимного влияния в антенной решетке, а с другой стороны, чрезмерно большое количество элементов приведет к повышению стоимости фрагмента. Например, в [11] для исследования рупорно-диэлектрических излучателей коротковолновой части миллиметрового диапазона волн применен фрагмент антенной решетки, позволяющий устанавливать до 150 элементов. Применение такого сложного экспериментального оборудования далеко не во всех случаях целесообразно.
Выбор оптимального количества элементов для фрагмента антенной решетки проводится с учетом заданной сетки и необходимого шага размещения излучателей. Для этого может применяться предварительный расчет характеристик излучателя в антенной решетке конечных размеров.
На рис. 3 приведен пример рассчитанных диаграмм направленности излучателя в окружении различного количества элементов. Расчет проведен на волнах с линейной и круговой поляризацией электромагнитного поля при следующих параметрах антенной решетки и излучателя: dд = 0,61Х (X - длина волны в свободном пространстве для средней частоты рабочего диапазона); L = 2Х; d = 0,1Х; Б = 0,36Х; 8 = 4. На рис. 3 обозначены следующие диаграммы направленности: 1 - для одиночного излучателя, 2, 3, 4 - для центрального излучателя в окружении 6, 18 и 36 излучателей соответственно.
б
Рис. 3. Расчетные диаграммы направленности центрального излучателя конечного фрагмента антенной решетки: а - на волне с линейной поляризацией поля, б - на волне с круговой поляризацией поля
а
Диаграммы направленности излучателя в окружении 18 и 36 элементов по ширине главного лепестка и глубине провалов в его пределах отличаются незначительно. В связи с этим для измерений характеристик рассматриваемых волноводно-диэлектрических излучателей достаточно фрагмента антенной решетки, содержащего 37 элементов.
3. Конструкция фрагмента антенной решетки
Разработанный фрагмент антенной решетки выполняется в виде двух металлических плит, соединенных винтами. Основанием фрагмента является плита, в отверстиях которой устанавливаются излучатели. Вторая плита выполняет роль согласующего перехода и фланца и содержит в себе все присоединительные отверстия.
Основание может быть выполнено в виде круглой плиты (рис. 4), а также в виде плиты специальной формы, например, восьмигранной (рис. 5). Специальная форма основания придает фрагменту дополнительные преимущества. Например, восьмигранная форма при установке в измерительном стенде и во время замены комплекта исследуемых излучателей позволяет ставить фрагмент на одну из боковых граней, а также использовать боковые отверстия для крепления на опорно-поворотном устройстве. В качестве материала плит может использоваться латунь, бронза или алюминиевые сплавы. Точность расположения и размеров отверстий для установки излучателей определяется диапазоном рабочих частот фрагмента. Например, для Ка-диапазона частот можно считать приемлемыми допуски диаметра и расположения отверстий порядка 0,05 мм. Для обеспечения необходимой соосности волноводных каналов центрального элемента при совмещении основания и второй плиты в конструкции фрагмента применяются штифты.
Рис. 4. Конструкция фрагмента антенной решетки с круглым основанием
Рис. 5. Конструкция фрагмента антенной решетки с восьмигранным основанием
Центральный излучатель содержит ступенчатый переход для согласования с круглым волноводом измерительного тракта (рис. 6). Применение круглого волновода в тракте измерительного стенда позволяет проводить измерения на волнах как с линейной, так и с круговой поляризацией электромагнитного поля.
1 2 3
Рис. 6. Центральный излучатель: 1 - диэлектрический конус, 2 - согласующий переход, 3 - круглый
волновод
В трактах остальных излучателей установлены согласованные нагрузки, выполненные из ферроэпоксида. В случае, когда диэлектрическая проницаемость материала нагрузки близка к диэлектрической проницаемости излучателя, не требуется дополнительного согласующего перехода, и нагрузка непосредственно примыкает к диэлектрическому стержню излучателя (рис. 7), что предельно упрощает конструкцию фрагмента антенной решетки.
2
КГ?Л
Рис. 7. Излучатель с согласованной нагрузкой: 1 - диэлектрический конус, 2 - согласованная нагрузка
Объемная модель фрагмента антенной решетки в разобранном виде представлена на рис. 8. Преимуществом разработанной конструкции является возможность относительно быстрой смены комплектов исследуемых излучателей.
Рис. 8. Сборка фрагмента антенной решетки
4. Пример практической реализации
Пример реализации разработанной конструкции фрагмента антенной решетки приведен на рис. 9. Изготовленный фрагмент предназначен для исследования волноводно-диэлектрических излучателей Ка-диапазона частот и позволяет размещать до 37 элементов в узлах гексагональной сетки с шагом 0,68Х. Такой шаг антенной решетки обеспечивает однолучевое электрическое сканирование луча с максимальным углом отклонения от нормали к раскрыву ФАР до 45°. На рис. 10 показано сравнение диаграмм направленности
излучателя, полученных как результат расчета и экспериментально с использованием данного фрагмента антенной решетки.
Рис. 9. Фотография изготовленного фрагмента антенной решетки Ка-диапазона частот
-Л с N X
ч\ 'С*** \ \ \ у
Л \ * \
1J 1 1 -Л \
2 ^ 1 1 \ 1 | 1 |
» 1
1 1 1 1 1
1 _1 1 к
О 10 20 30 40 50 60 70 80
в. град.
Рис. 10. Расчетная (1) и экспериментальная (2) диаграммы направленности волноводно-диэлектрического
излучателя в антенной решетке
Наблюдается хорошее совпадение экспериментальной и расчетной диаграмм направленности по ширине главного лепестка и по глубине провалов в пределах рабочего сектора электрического сканирования луча. Отличие в ширине главного лепестка диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ не превышает 11%, а расхождение в уровнях самых глубоких провалов не более 0,2 дБ. Это подтверждает работоспособность предложенной конструкции фрагмента антенной решетки и высокую достоверность данных, получаемых с его использованием.
Заключение
Разработан фрагмент антенной решетки, обеспечивающий установку до 37 волно-водно-диэлектрических излучателей в узлах гексагональной сетки. Фрагмент антенной решетки имеет простую и технологичную конструкцию, характеризующуюся выполнением каналов излучателей в единой детали, а также минимальным количеством деталей и необходимых сборочных операций. Фрагмент антенной решетки позволяет исследовать диаграммы направленности излучателей на волнах как с линейной, так и с круговой поляризацией электромагнитного поля и осуществлять быструю замену комплектов исследуемых элементов. Работоспособность конструкции подтверждена примером реализации в Ка-диапазоне частот.
Список литературы
1. Денисенко В.В., Дубров Ю.Б., Корчемкин Ю.Б., Макота В.А., Николаев А.М., Толкачев А.А., Шитиков А.М., Шубов А.Г., Шишлов А.В. Многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн // Антенны. 2005. № 1. С. 7-14.
2. Шевцов О.Ю., Артющев А.В., Крехтунов В.М., Голубцов М.Е., Русов Ю.С. Особенности построения фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона волн для РЛС зенитно-ракетного комплекса малой дальности // Известия Российской Академии ракетных и артиллерийских наук. 2010. № 65. С. 61-69.
3. Федоров И.Б., Слукин Г.П., Митрохин В.Н., Крехтунов В.М. Элементная база зеркальных антенн и фазированных антенных решеток радиотехнических систем // Антенны. 2016. № 8. С. 84-98.
4. Комиссарова Е.В., Крехтунов В.М. Обобщение опыта разработки элементной базы фазированных антенных решеток коротковолновой части миллиметрового диапазона волн с ферритовыми фазовращателями // Антенны. 2014. № 4. С. 38-42.
5. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: учеб. пособие / Под ред. Д.И. Воскресенского. 4-е изд. М.: Радиотехника, 2012. 741 с.
6. Русов Ю.С., Костина Н.Ю., Крехтунов В.М. Волноводно-диэлектрические излучатели для ФАР. Вопросы оптимизации // 19-я науч.-техн. конф. (аспирантов и молодых специалистов): Сб. докл. Жуковский: НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, 2008.
С. 439-446.
7. Русов Ю.С., Костина Н.Ю., Крехтунов В.М. Методы разработки и исследования волно-водно-диэлектрических излучателей для фазированных антенных решеток // 18-я Между-нар. конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: КрыМиКо 2008 (Севастополь, 8-12 сентября 2008 г.): Материалы конф. Т. 2. Севастополь: Вебер, 2008. С. 411-412.
8. Фрейман А.Г. Исследование волноводно-диэлектрических излучателей фазированной антенной решетки миллиметрового диапазона длин волн // Молодежный научно-технический вестник. Электрон. журн. 2015. № 4. С. 38. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/778189.html (дата обращения 07.06.2017).
9. Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985. 368 с.
10. Крехтунов В.М., Русов Ю.С. Исследование диэлектрических излучателей для фазированных антенных решеток // 13-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: КрыМиКо 2003 (Севастополь, 8-12 сентября 2003 г.): Материалы. Севастополь: Вебер, 2003. С. 382-384.
11. Комиссарова Е.В. Исследование и разработка волноводных ферритовых фарадеевских фазовращателей и элементов ФАР на их основе для коротковолновой части миллиметрового диапазона волн: дис. ... канд. техн. наук. М., 2015. 223 с.
Radio Engineering
Radio Engineering, 2017, no. 04, pp. 16-27. DOI: 10.24108/rdeng.0417.0000101 Received: 06.06.2017
© NP "NEICON"
Antenna Array Fragment for Research of Waveguide-Dielectric Radiator Characteristics
Yu.S. Rusov1*, E.V. Prohorenko1
rusov-yu-5iS gmail.com
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: waveguide-dielectric radiator; antenna array; fragment of antenna array; mutual influence
of radiators
The phased antenna array radiator characteristics affect the antenna gain and its variation within the electrical scanning beam sector. In designing radiators, much attention is paid to their parameters in order to obtain the required characteristics in a given sector of the electrical scanning beam of a phased antenna array. For the experimental verification of the radiator characteristics, taking into account the mutual influence of the elements in the antenna array, a fragment of the antenna array is used where a central element is connected to the measuring stand line, and the remaining elements are loaded for matched loads.
The fragment of the antenna array must meet a number of requirements: a radiator under study should be under conditions close to those of the large antenna array; elements of the fragment design should not affect the radiator characteristics; the fragment should provide a friendly connection to the measuring stand line and a possibility for arrangement in the support-rotary device.
The paper proposes a design of the antenna array fragment that satisfies these requirements. The fragment of the antenna array with a hexagonal grid of the arranged elements enables experimental studies of the waveguide-dielectric radiator characteristics widely used in phased antenna arrays of centimeter and millimeter range. A rational choice of the number of radiators sufficient for taking into consideration the mutual influence of the elements in the antenna array is based on the calculation results of the radiation patterns of radiators in the antenna array of finite dimensions. The proposed design of the antenna array fragment has the minimum number of components and provides easy assembling and setting in the measuring stand, as well as allows a rapid replacement of the radiator sets. The paper gives an example of the practically implemented antenna array in the K-frequency band and presents the experimental radiation patterns of radiators to confirm the proposed design operation capability.
References
1. Denisenko V.V., Dubrov Yu.B., Korchemkin Yu.B., Makota V.A., Nikolaev A.M., Tolkachev A.A., Shitikov A.M., Shubov A.G., Shishlov A.V. Multielement Ka Band Phased Array. Antennas [J. Antennas], 2005, no. 1, pp. 7-14 (in Russian).
2. Shevtsov O.Yu., Artyuschev A.V., Krekhtunov V.M., Golubtsov M.E., Rusov Yu.S. Features of the construction of phased array antennas in the millimeter wave range for the radar of a short-range anti-aircraft missile system. Izvestiia Rossijskoj Akademii raketnykh i artillerijskikh nauk (RARAN) [News of the RARAN], 2010, no. 65, pp. 61-69 (in Russian).
3. Fedorov I.B., Slukin G.P., Mitrohin V.N., Krehtunov V.M. Radio systems element base of mirror antennas and phased antenna arrays. Antennas [J. Antennas], 2016, no. 8, pp. 84-96 (in Russian).
4. Komissarova E.V., Krekhtunov V.M. Experience's generalization of components development for upper segment of mm-band phased array antennas with ferrite phase shifters. Antennas [J. Antennas], 2014, no. 4, pp. 38-42 (in Russian).
5. Ustrojstva SVCh i antenny. Proektirovanie fazirovannykh antennykh reshetok [Microwave devices and antennas. Designing of phased antenna arrays]: a textbook. 4th ed. Moscow: Radiotekhnika Publ., 2012. 741 p. (in Russian).
6. Rusov Yu.S., Kostina N.Yu., Krekhtunov V.M. Volnovodno-dielektricheskie izluchateli dlia FAR. Voprosy optimizatsii [Waveguide-dielectric radiators for phased arrays. Optimization issues]. 19-ia nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia (aspirantov i molodykh spetsialistov) [19th scientific-technical conf. of graduate students and young professionals]: Proc. Zhukovskij, 2008. Pp. 439-446 (in Russian).
7. Rusov Yu.S., Kostina N.Yu., Krekhtunov V.M. Metody razrabotki i issledovaniia volnovodno-dielektricheskikh izluchatelej dlia fazirovannykh antennykh reshetok [Methods of waveguide-dielectric radiators for phased antenna arrays development and research]. 18-ia Mezhdunarodnaia konferentsiia "SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii": KryMiKo 2008 [18th Intern. Crimean conf. «Microwave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2008 (Sevastopol, September 8-12, 2008): Proc. Vol. 2. Sevastopol: Veber Publ., 2008. Pp. 411-412 (in Russian).
8. Frejman A.G. Investigation of waveguide-dielectric radiators phased array antenna millimeter wavelengths]. Molodezhnyj nauchno-tekhnicheskij vestnik [ Youth Scientific and Technical Bulletin], 2015, no. 4, p. 38. Available at: http://sntbul.bmstu.ru/doc/778189.html , accessed 07.06.2017 (in Russian).
9. Metody izmereniia kharakteristik antenn SVCh [Methods for measuring the characteristics of microwave antennas] / L.N. Zakhar'ev, A.A. Lemanskij, V.I. Turchin a.o.; ed. by
N.M. Tsejtlin. Moscow: Radio i Sviaz' Publ., 1985. 368 p. (in Russian).
10. Krekhtunov V.M., Rusov Yu.S. Research of dielectric radiators for phased antenna arrays. 13-ia Mezhdunarodnaia konferentsiia "SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii:
KryMiKo 2003 [13th Inern. Crimean conf. «Microwave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2003 (Sevastopol, September 8-12, 2003): Proc. Sevastopol: Veber Publ., 2003. Pp. 382-384 (in Russian). 11. Komissarova E.V. Issledovanie i razrabotka volnovodnykh ferritovykh faradeevskikh fazovrashchatelej i elementov FAR na ikh osnove dlia korotkovolnovoj chasti millimetrovogo diapazona voln [Research and development of waveguide ferrite Faraday phase shifters and phased array elements based on them for the short-wave part of the millimeter wave band. Cand. diss.]. Moscow, 2015. 223 p. (in Russian).
