CC BY
29
Радиотехника и связь
DOI 10.25987^1^2019.15.4.005 УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ЛИНЗЫ РОТМАНА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ НА ПОДВИЖНЫХ НОСИТЕЛЯХ
Л.Н. Коротков, Ю.Г. Пастернак, С.М. Фёдоров, В.И. Чугуевский Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: исследуется влияние изменения геометрии полосковой линзы Ротмана на ее рабочие характеристики. Линза Ротмана (иногда называемая линза Ротмана-Тёрнера) представляет собой тип диаграммообразующей схемы. Эта линза позволяет формировать несколько антенных лучей без использования переключателей или фазовращателей. Антенные элементы подключены к одной из торцевых сторон линзы, при этом порты лучей находятся на противоположной стороне. Вы можете представить линзу как квази-микрополосковую (или квази-полосковую) схему, где месторасположение портов лучей подобрано так, чтобы достичь постоянных фазовых сдвигов на портах антенных элементов. Когда антенные элементы запитываются линейно изменяемыми фазами, устройство ведет себя точно как фазированная решетка. Одним из замечательных свойств этой линзы является то, что, несмотря на наличие множества портов на 50 Ом, они остаются изолированными, поэтому не оказывают влияния на потери (или зашумленность) смежных лучей. У хорошо спроектированной линзы Ротмана потери могут составлять всего 1 дБ. Поскольку структура больше похожа на плоскопараллельный волновод, чем на линию передачи, линейные программы моделирования антенн не подходят, и приходится использовать численные методы, которые применял сам Ротман, или мощные программные комплексы. В результате проведенного натурного эксперимента получены характеристики согласования для исходной и трансформированной линзы, которые сравниваются с расчетными параметрами антенны
Ключевые слова: антенная решетка, линза Ротмана
Введение
Одним из перспективных решений для построения широкополосных и сверхширокополосных многолучевых антенных решеток (МАР) является линза Ротмана. Линза Ротмана используется в качестве диаграммообразующей схемы (ДОС) и позволяет формировать в пространстве несколько независимых лучей и управлять ими, осуществляя сканирование пространства.
Так как принцип работы линзы Ротмана основан на различных путях распространения волны внутри ее структуры, она может работать в сверхширокой полосе частот. Однако на более низких частотах данная линза становится слишком громоздкой и потому трудной для интеграции в компактную конструкцию приемопередатчика. Также диапазон рабочих частот линзы ограничен количеством антенных элементов и их коэффициентом развязки [1].
Проектирование антенного устройства
Чтобы полностью понять концепцию этих сложных линз, необходимо рассмотреть
основную концепцию ДОС СВЧ диапазона. Линза Ротмана обладает отличными характеристиками для применения во многих приложений таких, как направленные передающие антенны на спутниках, удаленно пилотируемые транспортные средства, радары для предотвращения столкновений, сверхширокополосные системы связи и многое другое. Ограниченные линзовые антенны являются особым видом ДОС. Они имеют некоторое сходство с диэлектрическими линзами и зеркальными антеннами, с одной стороны, и с антенными решетками, с другой. Их функция заключается в формировании лучей ориентированных в нескольких разных направлениях, которые соответствуют положению запиты-ваемых антенн на фокальной поверхности. Ограниченными такие антенны называют из-за того, что волна, падающая на одну грань решетки, не обязательно подчиняется закону Снеллиуса при прохождении через тело линзы. Вместо этого она «ограниченна» требованием следовать по траекториям соответствующим линиям передачи. В отличие от диэлектрических линз или рефлекторных антенн, линзовые антенны выполняют их коллимацию (передачу) и фокусировку (прием) дискретно, используя антенные решетки. Частотно-независимые характеристики угла
© Коротков Л.Н., Пастернак Ю.Г., Федоров С.М., Чугуевский В.И., 2019
наклона луча линзы из-за его временной задержки делают его идеальным для многих широкополосных радиосистем.
Конструкция линзы Ротмана определяется уравнениями Ротмана-Тернера [2]. Стоит отметить, что рабочие характеристики линзы Ротмана сильно зависят от отражений волны внутри линзы. Поэтому для уменьшения коэффициента отражения на боковых сторонах линзы устанавливают балластные порты, к которым подключаются согласованные нагрузки.
Отметим, что большие линейные размеры такой ДОС могут привести к проблемам при ее установке. Так, размеры линзы Ротма-на, рассчитанной для подложки из полистирола (е=2,55) толщиной 2 мм, для работы в частотном диапазоне от 3 до 8 ГГц [3], составляют 300х355 мм (рис. 1). Размеры собранной антенной решетки, построенной на основе линзы Ротмана, в зависимости от выбора излучающей системы увеличиваются еще на 20-50%. Поэтому экспериментальное исследование влияния изменения геометрии линзы на ее рабочие характеристики является актуальной задачей [4-6].
Рис. 1. Структура линзы Ротмана
Топология исследуемой линзы Ротмана была вытравлена на стеклотекстолите FR4 0,2 Cu35\0 DE117 ISOLA. Полученная структура склеивалась с подложкой из полистирола. Несущая конструкция антенны изготовлена из 3-х алюминиевых уголков, в которых просверлены отверстия с нарезанной резьбой под СВЧ-разъемы.
В данной работе рассматривался вариант линзы Ротмана согнутый на 90° по центральной оси антенны (рис. 2). Швы опаивались
тонкой медной фольгой. Для удобства измерений и расположения согласованных нагрузок на неиспользуемых в измерениях портах была изготовлена рамка из стеклотекстолита.
Рис. 2. Линза с трансформированной геометрией
На рис. 3 представлено схематическое изображение линзы Ротмана с порядковыми номерами портов.
Рис. 3. Схематическое изображение линзы Ротмана
Исследование согласования ДОС производилось на Agilent Technologies N5230C серии PNA-L на частоте от 3 до 8 ГГц. Графики измерения КСВН входных и выходных портов представлены на рис. 4, 5. Как видно из результатов измерений КСВН в сверхширокой полосе частот не превышает 2,5. На рис. 4 представлен экспериментальный образец исследуемой линзы. Были измерены полные матрицы S- параметров для исходной линзы и для линзы, сложенной под углом 90 градусов (рис. 6 - 10).
Г| 1 ::11 У-Т1' .МП 1 т.___1 < '1Л "^11 Им ' .у|
11 ш топ 900 800 7» 600 $00 ^оо ¿00 1оо,
л
А
Л
\ ! л гЛ
ХПОйНг- уN 1 шпоопшё
Рис. 4. КСВН центрального входного и выходного портов линзы Ротмана
11.00 1000 !1Ю ООО тоо ООО ьоо *М аоо 200 г«.
А
л
\\/л 1
Г «Г и ЧЛс*
I 11ШЕ Jl г----нос 1111Ш11*1
Рис. 5. КСВН крайних входного и выходного портов линзы Ротмана
,1 Я ■ Шигш» Г14 1 Ш.' 1 ш
Ю(0 040 *« 0« 500 Ш г» ^a¡.
1
п
1 и А Д
у ТУ1 А ■К,
!! У
до« -- ! : 'ГМ'ЬЧ;
40®
го со Ю(0
ЮМ ■»« 3000
л л
V
-50« а Ш твиК! — ЮИДв"ыП
Рис. 6. Коэффициент передачи портов Х8-Х9
11« .1 ЬПГАИ 1 тщ/ 1 пои 1> 4 цгг*> 1 соси/ ^ ни.
9® 0« 7.® ей 400 *« 3® г«
л ,
А
^ У \ л 1
V \ а/ ч
и СЫОО 54* 1 шт....--- йи 1о«и]снт
ю® 40® -!Ш I—!Г®Ж|
10«
1ПГГ. ;-
35 00
«« В ОТГО 1 лиц*- — 1 ютооом/
Рис. 7. Коэффициент передачи портов Х4-Х12
нов 14« ?00 1» 400 1« I1" -д 1'*'
1
1\
\ А л
¿я
пи И ': »ДО 1 у и ч ' ----- " ■ - -
»» ■ но;.* с «г ■ I—™ 4
ВОВ
10»
-
мм Тт^ ""1" ,—^ —
«00
Рис. 8. Коэффициент передачи портов Х4-Х13
11»
1» 1» ш «» «т 4» а» гю 100
1
Л
и= = ив 11) им,1 о ас г
»« 5 »0 0* * на«
я» 10«
<юоо ам
■^ТТ
«ООО
И -СЫ СО 1 Ор000й«£ -— ЮООДбН.-
Рис. 9. Коэффициент передачи портов Х4-Х12 для линзы с трансформированной геометрией
п.« 1000 100 соо $00 300 }« 100. 1 1 зп ь^в 1 ми 1 III. 1г 4 ьд Ь-^1 1 мои/ 11Н.
ч 1
V \
\У 1 J
ш сш у«» 1 юооачг — — 1йШИСН1
Ш Т"Г.-1'' а ни:
40»
а®
»00 ж»
-у V V -—- >|
«00 .к™ II» 1 А в ЮМ¿нг
Рис. 10. Коэффициент передачи портов Х4-Х13 для линзы с трансформированной геометрией
Из полученных данных видно, что самые худшие результаты коэффициента передачи получаются на крайних противоположных портах линзы (Х8,Х9). Так значение коэффициента
передачи между портами Х8,Х9 на частоте 5.5 ГГц составляет -24,39 dB. Коэффициенты передачи между центральными портами Х4,Х12 и Х4,Х13 на частоте 5,5 ГГц составляют -15,58 dB и -16,66 dB соответственно. КСВН в диапазоне частот от 3 до 8 ГГц не превышает 3. После изменения геометрии линзы коэффициенты передачи между портами Х4,Х12 и Х4,Х13 на частоте 5,5 ГГц составляют -18,22 dB и -19,33 dB соответственно. КСВН в диапазоне от 3 до 8 ГГц не превышает 2.
Выводы
Таким образом, в результате проведенного эксперимента было выяснено, что изменение геометрии линзы Ротмана приводит к улучшению согласования и поэтому может быть использовано при размещении антенны на подвижный носитель.
Литература
1. Archer D. Lens-fed multiple beam arrays // Microwave Journal. 1984. Vol. 27. Pp. 171-172.
2. W. Rotman and R. F. Turner Wide angle microwave lens for line source applications // IEEE Trans. Antennas Propag. 1963. AP-11. Pp. 623-632.
3. Зеленин И.А., Рыжиков А.Г., Фёдоров С.М. Антенная решетка на основе линзы Ротмана // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 11. С. 102-105.
4. Пирогов А.А. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 1. С. 162-163.
5. Разработка радиоэлектронных модулей с использованием планарных трансформаторов на основе многослойных печатных плат методом сквозного проектирования / А.А. Пирогов, А.Б. Буслаев, А.О. Дрозов, О.Ю. Макаров // Радиотехника. 2018. № 7. С. 11-15.
6. Сравнение статистических методов испытаний надёжности РЭС / А.С. Костюков, И.С. Бобылкин, Л.Н. Никитин, А.А. Пирогов // Надежность и качество: тр. междунар. симпозиума, 2018. Т. 2. С. 35-37.
Поступила 20.05.2019; принята к публикации 31.07.2019 Информация об авторах
Коротков Леонид Николаевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет
(394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473) 246-66-47, e-mail: myftt@yandex.ru
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет
(394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: pasternakyg@mail.ru
Фёдоров Сергей Михайлович — канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский
государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29,
e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Чугуевский Виталий Игоревич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chuguevskiyv@rambler.ru
STUDY OF CHANGES OF ROTMAN LENS GEOMETRY FOR PLACING ON
MOBILE CARRIERS
L.N. Korotkov, Yu.G. Pasternak, S.M. Fyedorov, V.I. Chuguevskiy Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the paper investigates the influence of the change in the geometry of the Rotman strip lens on its performance. Rotman lens (sometimes called the Rotman-Turner lens) is a type of diagram-forming scheme. This lens allows you to form multiple antenna beams without using switches or phase shifters. Antenna elements are connected to one of the end sides of the lens, while the ports of the rays are on the opposite side. You can imagine a lens as a quasi-microstrip (or quasi-strip) scheme, where the location of the ports of the rays is chosen so as to achieve constant phase shifts on the ports of the antenna elements. When antenna elements are powered by linearly varying phases, the device behaves exactly like a phased array. One of the remarkable properties of this lens is that, despite the presence of multiple ports of 50 Ohms, they remain isolated, and therefore do not affect the loss (or noise) of adjacent rays. A well-designed Rotman lens can have a loss of just 1 dB. Since the structure is more like a plane-parallel waveguide than a transmission line, linear antenna modeling programs are not suitable, and you have to use numerical methods that Rothman himself used, or powerful software systems. As a result of the field experiment, we obtained the matching characteristics for the original and transformed lenses, which are compared with the design parameters of the antenna
Key words: antenna array, Rotman lens
References
1. Archer D. "Lens-fed multiple beam arrays", Microwave Journal, 1984, vol. 27, pp. 171-172
2. Rotman W.,Turner R.F., "Wide angle microwave lens for line source applications," IEEE Trans. Antennas Propag. AP-11, November 1963, pp. 623-632.
3. Zelenin I.A., Ryzhikov A.G., Fedorov S.M. "Antenna array based on the Rothman lens", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2012, no. 11, pp. 102-105.
4. Pirogov A.A. "Methods to improve noise immunity and coding efficiency of subscriber access communication networks", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2011, vol. 7, no. 1, pp. 162-163.
5. Pirogov A.A., Buslaev A.B., Drozov A.O., Makarov O.Yu. "Development of radio-electronic modules using planar transformers based on multilayer printed circuit boards using the end-to-end design method", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2018, no. 7, pp. 11-15.
6. Kostyukov A.S., Bobylkin I.S., Nikitin L.N., Pirogov A.A. "Comparison of statistical methods for testing the reliability of radio electronic device", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. mezhdunar. simpoziuma), 2018, vol. 2, pp. 35-37.
Submitted 20.05.2019; revised 31.07.2019 Information about the authors
Leonid N. Korotkov, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 246-66-47, e-mail: myftt@yandex.ru
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: pasternakyg@mail.ru
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Vitaliy I Chuguevskiy, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: chuguevskiyv@rambler.ru
