CC BY
47
DOI 10.25987/VSTU.2020.16.3.007 УДК 621.396.67
ИНТЕГРИРОВАНИЕ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ИЗ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ВИБРАТОРОВ С ЛИНЗОЙ РОТМАНА НА МНОГОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ
А.В. Ашихмин1, А.В. Иванов2, Ю.Г. Пастернак1,2,3, П.В. Першин1, К.С. Сафонов3,
С.М. Федоров3, И.А. Зеленин3
1АО «ИРКОС», г. Москва, Россия 2 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3 Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: радиопеленгация и локализация источников радиоизлучений (ИРИ) с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в качестве транспортной базы являются одним из приоритетных направлений развития современных систем радиоконтроля. Показана возможность реализации линейной антенной решетки с плоской линзой Ротмана в виде единой многослойной печатной платы. В качестве элементов решетки использованы несимметричные вибраторы с рефлекторами и директорами, а также - с метаматериальными линзами, реализованными с помощью металлизированных переходных отверстий. Для подавления поверхностных волн, возбуждающихся в антенных решетках при значительном отклонении главного лепестка от нормали, предложено использовать метамате-риальную линзу, состоящую из электрически малых рассеивателей, расположенную в раскрыве фазированной антенной решетки (ФАР). Ёмкостный импеданс, вносимый линзой в излучающую апертуру ФАР, препятствует распространению поверхностных волн и позволяет улучшить не только направленные характеристики антенной решетки, но и ее входные характеристики при широкоугольном сверхширокополосном сканировании. Рассмотренный вариант реализации ФАР может использоваться в качестве подрешетки для построения антенной системы с двухкоор-динатным коммутационным сканированием в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 2
Ключевые слова: линза Ротмана, антенна Вивальди, метаматериалы, печатная плата
Введение В настоящей работе рассмотрена возмож-
Радиопеленгация и локализация источников радиоизлучений (ИРИ) с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в качестве транспортной базы являются одним из приоритетных направлений развития современных систем радиоконтроля. При этом к аппаратуре радиоконтроля, размещаемой на БПЛА, предъявляются повышенные требования к надежности её функционирования, мас-согабаритным параметрам и времени автономной работы [1]. Также сохраняются характеристики в полосе рабочих частот. Сохраняется высокая повторяемость характеристик в серийном производстве при низкой стоимости.
Применение технологии производства печатных плат [2] для реализации элементов и диаграммообразующих схем (ДОС) фазированных антенных решеток (ФАР) позволяет достичь всех обозначенных выше целей.
При этом применение линз Ротмана и Лю-ниберга в печатном исполнении с совмещенными в единой конструкции антенными элементами ФАР заслуживает особого внимания [3-6].
ность размещения линейной вибраторной антенной решетки, предназначенной для функционирования в диапазоне частот от 8 ГГц до 18 ГГц, и плоской линзы Ротмана на единой многослойной печатной плате. Приведены результаты электродинамического моделирования предложенной конструкции методом Вейланда [7].
Конструкция одиночного антенного элемента
Модель одиночного антенного элемента, выполненного по технологии производства печатных плат, показана на рис. 1. Размеры указаны в миллиметрах. Для лучшего понимания конструкции слои диэлектрика отображены полупрозрачно.
© Ашихмин А.В., Иванов А.В., Пастернак Ю.Г., Першин П.В., Сафонов К.С., Федоров С.М., Зеленин И.А., 2020
Рис. 1. Элемент антенной решетки в виде многослойной печатной платы
Слои печатной платы в модели выполнены на основе высокочастотного материала RT/duroid 5880 фирмы Rogers [8] с номинальным значением диэлектрической проницаемости sr = 2,2 в диапазоне частот от 8 ГГц до 40 ГГц и тангенсом угла потерь tan 8 = 0,0009 на частоте 10 ГГц. Данный выбор обусловлен значением диэлектрической проницаемости, близким к минимально возможному (с учетом номенклатуры выпускаемых высокочастотных материалов для производства печатных плат) с целью минимизации коэффициента отражения от границы раздела сред «диэлектрик - воздух». Кроме того, экстремально низкие потери выбранного материала позволяют получить предельный для данной конструкции КПД.
Металлизированные переходные отверстия образуют активный несимметричный вибратор, рефлектор и директор (левая часть на рис. 1), а также - метаматериальную линзу (регулярная структура из незамкнутых переходных отверстий в правой части рис. 1). Использование линзы позволяет уменьшить неравномерности диаграммы направленности (ДН) в горизонтальной плоскости х0y и вносит емкостной импеданс с целью предотвращения ослепления фазированной антенной решетки при широкоугольном сканировании в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 2.
Модель линейной фазированной антенной решетки, состоящей из восьми одиночных элементов, запитываемой с помощью линзы Рот-мана, выполненной на единой многослойной печатной плате, показана на рис. 2.
Пннза Ротмана (симметричная попосковая линия, полная толщина подпош (Rogers ЗОСЗ, eps=3) -1 мм)
Рис. 2. Модель линейной ФАР из 8 элементов, запитываемой с помощью линзы Ротмана, выполненной на одной многослойной печатной плате
Отметим возможность реализации сканирования не только в азимутальной, но и в угло-местной плоскости, с использованием структуры, показанной на рис. 2, в качестве подрешет-ки. Для сканирования по второй координате (углу места) можно располагать аналогичные пе-
чатные платы одна на другой, используя еще одну линзу Ротмана, для управления диаграммой направленности в ортогональной плоскости.
Элементы конструкции ФАР, запитываемой от линзы Ротмана, выполненной на единой многослойной печатной плате, показаны на рис. 3.
Порты 2 и 11 на рис. 3, г соответствуют отклонению главного лепестка ДН от нормали на ± 41,4° (ширина главного лепестка по половинной мощности на частоте 18 ГГц примерно равна 11,2°). Ширина рабочей зоны радиопеленгатора на частоте 18 ГГц в азимутальной плоскости - не менее 94° (2 • 41,4° + 11,2°).
а) фрагмент ФАР: удален верхний металлический лист и корпус для размещения аппаратуры
б) фрагмент ФАР: удален многослойный диэлектрик Rogers RT/duroid 5880 печатной платы антенной решетки
в) запитка активного вибратора от линзы Ротмана
г) структура ФАР: удален верхний земляной слой линзы Ротмана (порты 1, 12, 13 и 22 - балластные резисторы номиналом 50 Ом; порты 2-11 подключаются к ВЧ коммутатору)
Рис. 3. Послойная структура ФАР с линзой Ротмана на единой многослойной печатной плате
д) структура ФАР: вид со стороны линзы Ротмана (удалена подложка линзы Ротмана)
У
1—I
е) структура ФАР: вид сверху (удалена верхняя земля платы линзы Ротмана и все слои диэлектрика); порты 2-6 и 7-11 ведут к высокочастотному коммутатору; добавлены 1 и 12 «холостые» порты для исправления искажений ДН при максимальном отклонении луча от нормали на высоких частотах
Рис. 3. Послойная структура ФАР с линзой Ротмана на единой многослойной печатной плате (продолжение)
Результаты электродинамического моделирования
На рис. 4, 5 приведены номограмма Смита и КСВН антенного элемента в составе ФАР в диапазоне рабочих частот от 8 ГГц до 18 ГГц соответственно.
На качество согласования антенных элементов оказывает влияние наличие границы «диэлектрик-воздух», обусловленное технологией их изготовления на единой печатной плате в слое диэлектрика.
Суммарные потери в антенном элементе, находящемся в составе антенной решетки, показаны на рис. 6, и не превышают 1.8 дБ.
На рис. 5 показана диаграмма направленности антенного элемента в составе антенной решетки. Она характеризуется тенденцией сужения главного лепестка с ростом частоты: в рабочем диапазоне частот от 8 ГГц до 18 ГГц ширина главного лепестка в азимутальной плоскости изменяется от 149.3° до 87.7° (антенная решетка предназначена для сканирования в азимутальном секторе ± 45°).
S-Parameters [Impedance View]
О 8 (67.1,-20.7) Ohm • 17.999998 (29.5,-0.888) Ohm Frequency / GHz
Рис. 4. Номограмма Смита на коаксиальном входе элемента, находящегося в составе решетки (50 Ом)
Рис. 5. КСВН на коаксиальном входе элемента, находящегося в составе решетки (волновое сопротивление фидерной линии - 50 Ом)
о -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8
........ - -- ......... ........ ....... i- -. «
\ ;
\
V
/ \
i
i I ^
; [
12 13 14 Frequency / GHz
Рис. 6. КПД (дБ) элемента, находящегося в составе решетки: линия с кружками - потери в материалах; линия с треугольниками - суммарные потери, с учетом рассогласования и взаимной связи элементов ФАР
: : : —'—i—"si : :
/ Л : ......i-Yi...... : \ : : -i...... :
/
...... : \ i\_ : : j
: : : : : :
...... ......i......i......
i i
......i......!...... ......i......;......
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Phi / Degree
а) 8 ГТц
Рис. 7. ДН антенного элемента в составе ФАР в азимутальной плоскости x 0 y
0 50 100 150 200 250 300 350 400 PN / Degree
б) 12 ГГц
150 200 250 Phi / Degree
в) 18 ГГц
Рис. 7. ДН антенного элемента в составе ФАР в азимутальной плоскости x 0 y (продолжение)
Пример переключения главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки приведен на рис. 8, 9.
а) р = 41,4°
Frequency Rad. eflic. Tot. eflic.
б) р = 32,2°
Рис. 8. Переключение главного лепестка ФАР при запитке портов 2 - 5 на частоте 14 ГГц
г) р = 13,8°
Рис. 8. Переключение главного лепестка ФАР при запитке портов 2 - 5 на частоте 14 ГГц (продолжение)
Рис. 9. Диаграммы направленности ФАР в азимутальной плоскости при запитке портов 2 - 5 на частоте 14 ГГц для углов сканирования 41,4°, 32,2°, 23°, 13,8°
Суммарные потери на частоте 14 ГГц составляют 3-4 дБ при сканировании в азимутальной плоскости. Основные потери имеют место в материалах ФАР и линзы Ротмана -металле и диэлектрике, а также - рассеянии мощности в балластных портах. Потери на излучение в линзе Ротмана практически отсутствуют благодаря тому, что тело линзы размещено между двумя металлическими экранами, т.к. линза Ротмана реализована по технологии изготовления симметричной полосковой линии.
Отметим, что уровень боковых лепестков (рис. 9) повышается при отклонении лепестка от нормали. Это в значительной степени связано с интерференцией пространственной и поверхностной волн при максимальном отклонении лепестка от нормали, что приводит также к увеличению значений модуля коэффициента отражения. Частотные зависимости КСВН для входов 2 - 5 линзы Ротмана для углов сканирования 41,4°, 32,2°, 23°, 13,8° показаны на рис. 10.
: - (0 = 41.4- <р = Ъ2,Т - 9» = 23,0' - <0 = 13,8- |
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Frequency / GHz
Рис. 10. Частотные зависимости коэффициентов стоячей волны для входов 2 - 5 линзы Ротмана (вход 2 соответствует максимальному отклонению лепестка от нормали на угол ф = 41,4°)
Тем не менее, в существенной мере явление ослепления ФАР удается ослабить благодаря использованию направленных элементов решетки и использованию линзы из электрически малых рассеивателей, вносящих емкостный импеданс в линейную антенную решетку, рассматриваемую как линию передачи поверхностных волн (внесение же емкостного импеданса позволяет создать условия, неблагоприятные для распространения поверхностных волн).
Заключение
В настоящей работе показана возможность реализации линейной антенной решетки, возбуждаемой с помощью плоской линзы Ротмана, размещенной на единой многослойной печатной плате. В качестве средства, используемого для минимизации негативного явления ослепления ФАР предложено использовать линзу из искусственного диэлектрика, реализованную на той же многослойной печатной плате.
Для подавления поверхностных волн, возбуждающихся в антенных решетках при значительном отклонении главного лепестка от нормали, предложено использовать метаматери-альную линзу, состоящую из электрически малых рассеивателей, расположенную в раскрыве
ФАР. Ёмкостный импеданс, вносимый линзой в излучающую апертуру ФАР, препятствует распространению поверхностных волн и позволяет улучшить не только направленные характеристики антенной решетки, но и ее входные характеристики при широкоугольном сверхширокополосном сканировании.
Рассмотренный вариант реализации ФАР может использоваться в качестве подрешетки для построения антенной системы с двухкоординат-ным коммутационным сканированием в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 2.
Литература
1. Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля/ А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин, И.Б. Крыжко, П.В. Першин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф., 2018. Т. 2. С. 375-382.
2. Технологические возможности изготовления печатных плат. URL: http://www.pselectro.ru/tech. 22.01.2020.
3. Zongxin W., Bo X., Fei Y. A Multibeam Antenna Array Based on Printed Rotman Lens // International Journal of Antennas and Propagation. Vol. 2013, Article ID 179327. URL: http://dx.doi.org/10.1155/2013/179327. 22.01.2020.
4. Dhouibi A., Burokur S.N., Lustrac A. Compact Metamaterial-Based Substrate-Integrated Luneburg Lens Antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. Pp. 1504-1507.
5. Su Y. and Chen Z.N. A Flat Dual-Polarized Transformation-Optics Beamscanning Luneburg Lens Antenna Using PCB-Stacked Gradient Index Metamaterials // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66. No. 10.
6. Manafi S., Fernandez Gonzalez J.M., Filipovic D.S. Design of a Perforated Flat Luneburg Lens Antenna Array for Wideband Millimeter-Wave Applications // 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019.
7. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication. 1977. Vol. 31. Pp. 116-120.
8. URL: RT/duroid 5870/5880 data sheet. https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/ advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/rt-duroid-5870-5880-data-sheet.pdf. 22.01.2020.
Поступила 22.02.2020; принята к публикации 15.06.2020 Информация об авторах
Ашихмин Александр Владимирович - д-р техн. наук, профессор, директор ОСП в г. Воронеже, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), е-таД: pasternakyg@mail.ru
Иванов Александр Владимирович - канд. техн. наук, старший преподаватель, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), е-таД: pasternakyg@mail.ru
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); ведущий инженер, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21); старший научный сотрудник научно-исследовательского центра, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), е-mail: pasternakyg@mail.ru
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), е-mail: pasternakyg@mail.ru
Сафонов Кирилл Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: safonov-kirik@mail.ru
Федоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: pasternakyg@mail.ru
Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: pasternakyg@mail.ru
INTEGRATION OF ANTENNA ARRAY FROM ASYMMETRIC VIBRATORS WITH ROTMAN
LENS ON A MULTI-LAYER PRINTED BOARD
A.V. Ashikhmin1, A.V. Ivanov2, Yu.G. Pasternak1,2,3, P.V. Pershin1, K.S. Safonov3,
S.M. Fedorov3, I.A. Zelenin3
1 JSC "IRCOS", Moscow, Russia 2 Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin
Military-Air academy", Voronezh, Russia 3Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: radio direction finding and localization of radio emission sources (RES) using unmanned aerial vehicles (UAVs) as a transport base are one of the priority areas for the development of modern radio monitoring systems. The article shows the possibility of implementing a linear antenna array with a flat Rotman lens in the form of a single multilayer printed circuit board. As elements of the array, we used asymmetric vibrators with reflectors and directors, as well as with metamaterial lenses implemented using metallized vias. To suppress surface waves excited in antenna arrays with a significant deviation of the main lobe from the normal, we proposed to use a metamaterial lens consisting of electrically small scatterers located in the aperture of a phased antenna array (PAA). The capacitive impedance introduced by the lens into the radiating aperture of the PAA prevents the propagation of surface waves and improves not only the directional characteristics of the antenna array, but also its input characteristics during wide-angle ultra-wideband scanning. The considered embodiment of the phased array can be used as a sublattice for constructing an antenna system with two-coordinate switching scanning in a frequency band with an overlap factor of more than 2
Key words: Rotman lens, Vivaldi antenna, metamaterials, printed board
References
1. Ashikhmin A.V., Koz'min V.A., Kryzhko I.B., Pershin P.V., Tokarev A.B. "Board small-size wide-scale radio monitoring station", Proc. of the XXIV International Scientific and Technical Conference: Radar, Navigation, Communications (Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz': sb. tr. XXIV Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), 2018, vol. 2, pp. 375-382.
2. "Technological capabilities for the manufacture of printed circuit boards", available at: http://www.pselectro.ru/tech, access date: 22.01.2020.
3. Zongxin W., Bo X., Fei Y. "A multibeam antenna array based on printed Rotman lens", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2013, article ID 179327, available at: http://dx.doi.org/10.1155/2013/179327, access date: 22.01.2020.
4. Dhouibi A., Burokur S. N., Lustrac A. "Compact metamaterial-based substrate-integrated Luneburg lens antenna", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, vol. 11, pp. 1504-1507.
5. Su Y., Chen Z.N. "A flat dual-polarized transformation-optics beamscanning Luneburg lens antenna using PCB-stacked gradient index metamaterials", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, vol. 66, no. 10.
6. Manafi S., Fernandez Gonzalez J.M., Filipovic D.S. "Design of a perforated flat Luneburg lens antenna array for wideband millimeter-wave applications", 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019.
7. Weiland T. "A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields", Electronics and Communication, 1977, vol. 31, pp. 116-120.
8. RT/duroid 5870/5880 data sheet, available at: https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/rt-duroid-5870—5880-data-sheet.pdf, access date: 22.01.2020.
Submitted 22.02.2020; revised 15.06.2020
Information about the authors
Aleksandr V. Ashikhmin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Director of the OSP in Voronezh, JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Aleksandr V. Ivanov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), Senior Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Pavel V. Pershin, Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru Kirill S. Safonov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: safonov-kirik@mail.ru
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Ivan A. Zelenin, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru
