CC BY
11
УДК 621.372.88
Т.С. Осипенко, Ю.В. Крылов
Исследование широкополосного компактного излучателя этажерочного типа
Выполнен расчет излучателя этажерочного типа, приведены результаты его моделирования и экспериментального исследования параметров физического макета в виде зависимостей КУ, КСВ, ДН и КЭ в диапазоне частот. Конструктивно излучатель состоит из 2 металлических дисков, установленных на опоры, один из которых расположен на диэлектрической подложке. Исследован макет разработанного излучателя. Проведены измерения КУ, КСВ, ДН и КЭ изготовленного макета. Разработанный излучатель не уступает известным аналогам излучателей, используемым в составе многолучевых антенн в части РТХ, а также имеет преимущество над ними, а именно наименьший вертикальный габаритный размер, что является одним из важнейших критериев при выборе типа излучателя.
Ключевые слова: микрополосковый излучатель, излучатель этажерочного типа, компактный излучатель, излучатель многолучевой антенны. БО!: 10.21293/1818-0442-2022-25-2-18-21
В настоящее время проявляется большой интерес к радиолокационным системам, которые работают в широких полосах частот с сигналами различных поляризаций. Излучатели, входящие в состав облучающих систем гибридных зеркальных антенн (ГЗА) и фазированных антенных решёток (ФАР), должны отвечать требованию по широкополосности их работы, а именно ширина полосы частот должна быть не менее 20% [1-3].
В большинстве случаев к излучателям кроме требований к их РТХ, а именно широкополосности их работы, низким вносимым потерям и широконаправленной ДН, также предъявляются требования по низкопрофильности собственной конструкции (малые значения вертикального габарита, не более одной длины волны). Данные требования следуют из непосредственного применения в составе облучающей системы (ОС). В случае применения излучателей в качестве элементов ОС ГЗА в составе космического аппарата (КА) важно, чтобы конструкция ОС имела возможность к трансформации. В связи с этим возникают ограничения вертикальных размеров излучателей ввиду необходимости их компоновки в трансформируемой конструкции ОС, находящейся в транспортировочном положении в составе КА [4-6].
Описание конструкции разработанного излучателя
Для перспективного КА был разработан излучатель этажерочного типа. Моделирование такого излучателя, применение которого возможно в составе ОС ГЗА, проводилось на основе ПО CST Microwave Studio. Для обеспечения требуемых характеристик антенны одиночный излучатель ОС должен обеспечивать работу в широком рабочем диапазоне частот 1900-2400 МГц и формировать широконаправленную ДН в пределах углов облучения рефлектора.
Излучатель состоит из двух круглых проводящих пластин на диэлектрической подложке.
Разработанный излучатель показан на рис. 1 и представляет собой оригинальную конструкцию, состоящую из верхнего металлического диска 1, установленного на опоры 8. С обратной стороны опоры 8 устанавливаются на диэлектрическую подложку 4. К подложке 4 прикрепляется нижний металлический диск 2. На диске 2 вырезаны две металлические площадки 7 квадратной формы для за-питки излучателя таким образом, чтобы между ними и диском 2 был воздушный зазор [7, 8].
Диэлектрическая подложка 4 с помощью опор 9 крепится к экрану 3. При электродинамическом моделировании излучателя использовалась диэлектрическая подложка с диэлектрической проницаемостью материала, равной 4,4. Излучатель при транспортировке крепится при помощи опор 10. Опоры 8, 9 изготовлены из стеклотекстолита, опоры 10 - из металла.
Излучатель запитывается с помощью металлических стержней 5, проходящих насквозь через экран 3 и подложку 4 и запаивающихся по центру площадок 7. Металлические стержни на другом конце соединены с ВЧ-разъемами 6. На рис. 1 показан внешний вид излучателя. Использование двух излучающих поверхностей в форме диска (см. рис. 1, 1 и 2), связанных друг с другом посредством электромагнитной связи, позволяет обеспечивать двух-диапазонный или широкополосный режим работы в случае сближения их резонансных частот [9].
Моделирование излучателя
Для обеспечения широкополосных характеристик связь между излучающими дисками является критичным параметром: если она слишком слабая (значительное расстояние между излучающими дисками), то резонанс, вносимый верхним диском, будет незаметен на входной характеристике антенны S11, а в случае если связь будет слишком сильная (минимальное расстояние между дисками), то будут ярко выражены две резонансные частоты, отстоящие друг от друга тем дальше, чем сильнее эта связь [10-13].
Т.С. Осипенко, Ю.В. Крылов. Исследование широкополосного компактного излучателя этажерочного типа
19
Рис. 1. Излучатель этажерочного типа: 1 - верхний диск; 2 - нижний диск; 3 - экран; 4 - подложка; 5 - питающие стержни; 6 - ВЧ-соединитель; 7 - контактные площадки;
8 - 10 - диэлектрические опоры
Известно, что снижение добротности микропо-лоскового или полоскового излучателя приводит к расширению полосы его рабочих частот. Подложка среднего диска, по сути, является композитной и состоит из воздушного и диэлектрического слоев достаточно большой высоты для обеспечения широкополосного режима работы. С другой стороны, использование таких подложек и, как следствие, запи-тывающих стержней (5, см. рис. 1) большей длины приводит к увеличению индуктивной составляющей входного импеданса антенны. Для компенсации данного эффекта стержни присоединяются гальванически не напрямую к диску (2, см. рис. 1), а к квадратным площадкам (7, см. рис. 1) в его составе, соединенным через небольшой зазор с этим диском электромагнитной, преимущественно емкостной связью [14, 15].
Частотная зависимость КСВ излучателя, полученная по результатам моделирования, представлена на рис. 2.
2,2
1,6
КСВ
\
\
1,85 2
Рис. 2. Частотная зависимость КСВ излучателя
2 2 2 4
Частота, ГГц
Экспериментальные исследования
Измерение КСВ макета излучателя (рис. 3) проводилось с каждого выхода в рабочем диапазоне частот, а также с выхода делителя мощности, подключенного к двум его входам.
Измерение КЭ по оси, ДН и ширины ДН по уровню -3 дБ макета излучателя проводилось с выхода делителя мощности на центральной и крайних частотах рабочего диапазона [16].
Результаты измерения КСВ макета излучателя с диэлектрической подложкой из СТЭФ-У с номинальными размерами опор (соответствующим расчетным размерам) представлены на рис. 4.
Рис. 3. Внешний вид макета излучателя
КСВ
3,3 -
2,2
1,1
\
\
\ /
\ \ р л- / У
\ /
——^
1,6
1,9
2,2 2,5
Частота, ГГц Рис. 4. КСВ настроенного макета излучателя
КНД , дБ
X
\......-
/// \
; // / \ \ \
!/// \
ч/ N \ -
ч /
\ /
V
-90 0
Рис. 5. ДН макета излучателя
град
90
По рис. 5 можно сделать вывод - излучатель формирует ДН шириной не более ±50° по уровню -3 дБ.
На рис. 6 приведена частотная зависимость КУ по оси макета излучателя в рабочем диапазоне частот.
0
1
КУ, дБ
7,0
6,5
6,0
T-
1,9 2 ,0 2 ,1 2, 2 2, 3 2,4
Частота, ГГц
Рис. 5. Частотная зависимость КУ макета излучателя
В таблице приведены значения КЭ макета излучателя для центральной и крайних частот рабочего диапазона по оси и под углами ±30°.
Значения КЭ макет излучателя
Частота, МГц Угол
-30о 0о 30о
1900 0,81 0,74 0,76
2150 0,77 0,74 0,78
2400 0,69 0,60 0,63
Заключение
Рассмотрен разработанный излучатель этаже -рочного типа, предназначенный для использования в составе многолучевых антенн (ГЗА и ФАР). В ходе эксперементальных исследований были получены частотная зависимость КУ, частотная зависимость КСВ и ДН макета излучателя. Максимальное значение КСВ в диапазоне рабочих частот составило 1,81 (см. рис. 4). КСВ макета излучателя, полученный при моделировании, не более 1,8. Минимальное значение КУ макета излучателя в диапазоне рабочих частот составило не менее 7 дБ (см. рис. 5).
Разработанный излучатель не уступает известным аналогам излучателей, используемым в составе многолучевых антенн (ГЗА и ФАР) в части РТХ, а также имеет преимущество над ними, а именно наименьший вертикальный габаритный размер, что является одним из важнейших критериев при выборе типа излучателя.
Литература
1. Girlish K. Broadband Microstrip Antennas / K. Girlish, K.P. Kumar. - Boston; London, 2003. - 135 p.
2. Юрцев О.А. Спиральные антенны / О.А. Юрцев, А.Н. Казарин, А.В. Рунов. - М.: Сов. радио, 1974. -С. 239-257.
3. Панченко Б.А. Микрополосковые антенны / Б.А. Панченко, Е.И. Нефёдов. - М.: Радио и связ», 1986. -С. 27-29.
4. Драбкин А.Л., Антенно-фидерные устройства / А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко. - М.: Сов. радио, 1977. -С. 688-694.
5. Miligan T.A. Modern antenna design. - 2nd ed. -USA, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2005. - P. 535-538.
6. Фельдштейн А.Л. Справочник по элементам вол-новодной техники / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич,
B.П. Смирнов. - М.: Связь, 1967. - C. 135-140.
7. Воскресенский Д.И. Антенны / Д.И. Воскресенский, В.С. Филиппов. - М.: Радио и связь, 1985. - Вып. 32. -
C. 4-17.
8. Pozar D.M. Radiation on scattering from a microstrip patch on a uniaxial substrate // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 1987. - Vol. 35. - P. 613-621.
9. Zhi Ning Chen // Broadband Planar Antennas. Design and Applications. - John Wiley & Sons, 2006. - 242 p.
10. Lo Y.T. Theory and experiment on microstrip antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -1979. - Vol. 27. - P. 137-145.
11. Кисель Н.Н. Оптимизация параметров комбинированной микрополосковой антенны / Н.Н. Кисель, С.Г. Грищенко, Д.А. Кардос // Изв. ЮФУ. Технические науки (Ростов н/Д). - 2012. - Вып. 11. - С. 25-31.
12. Панченко Б.А. Характеристики излучения полос-ковых антенн на подложках ограниченных размеров / Б.А. Панченко, Ю.Б. Нечаев. - Воронеж: ВГУ, 1992. - 91 с.
13. Pues M. Accurate transmission line model for the rectangular microstrip antenna // IEE Proceeding. - 1984. -Vol. 131. - P. 334-340.
14. Munson R.E. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 1974. - Vol. 22. - P. 84-88.
15. Нечаев Ю.Б. Электродинамические характеристики одно- и многослойных микрополосковых антенн на плоском экране / Ю.Б. Нечаев, Д.Н. Борисов, М.А. Панко-ва // Теория и техника радиосвязи. Спец. выпуск. - 2009. -Вып. 5. - C. 45-54.
16. March S.L. Phase velocity compensation in parallelcoupled microstrip // Microwave Symposium Digest. -1982. - P. 410-412.
Осипенко Тихон Сергеевич
Инженер-конструктор АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева» Ленина ул., 52, г. Железногорск, Россия, 662970 Тел.: +7-950-978-05-42 Эл. почта: osipeenko987@gmail.com
Крылов Юрий Валерьевич
Вед. инженер-конструктор, АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева» Ленина ул., 52, г. Железногорск, Россия, 662970 Тел.: +7-923-305-05-56 Эл. почта: unker007@mail.ru
Osipenko T.S., Krylov Y.V.
Broadband compact transducer of shelf type
Simulation has been carried out and its results of calculation of the "shelf" type emitter have been presented. The design of this emitter consists of two metal disks mounted on supports, one of which is located on a dielectric substrate. The layout of the developed emitter is investigated. Measurements of KU, SWR, DN and CE of the manufactured model were carried out. The developed radiator is not inferior to the well-known analogues of emitter used as part of multibeam antennas in
Т.С. Осипенко, Ю.В. Крылов. Исследование широкополосного компактного излучателя этажерочного типа
terms of REC, and also has advantages over them, namely a smaller vertical overall dimension, which is one of the most important criteria when choosing the type of radiator. Keywords: microstrip radiator, shelf type radiator, compact radiator, multibeam antenna radiator. DOI: 10.21293/1818-0442-2022-25-2-18-21
References
1. Girlish K., Kumar K.P. Broadband Microstrip Antennas. Boston, London, 2003. 135 p.
2. Yurtsev O.A., Kazarin A.N., Runes A.V. Spiral Antennas. Moscow, Soviet radio, 1974, pp. 239 - 257.
3. Panchenko B.A., Nefyodov E.I. Microstrip antennas. Moscow, Radio and Communication, 1986, pp. 27-29.
4. Drabkin A.L., Zuzenko V.L. Antenna-feeder devices. Soviet Radio, 1977, pp. 688-694.
5. Miligan T.A. Modern antenna design. 2nd edition. USA, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2005, pp. 535-538.
6. Feldstein A.L., Yavich L.R., Smirnov V.P. Handbook on the elements of waveguide technology. Communication, 1967, pp. 135-140.
7. Voskresensky D.I., Filippov V.S. Antennas. Radio and Communication, 1985, vol. 32, pp. 4-17.
8. Pozar D.M. Radiation on scattering from a microstrip patch on a uniaxial substrate. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1987, vol. 35, pp. 613-621.
9. Zhi Ning Chen. Broadband Planar Antennas. Design and Applications. John Wiley & Sons, 2006, 242 p.
10. Lo Y.T. Theory and experiment on microstrip antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1979, vol. 27, pp. 137-145.
11. Kisel N.N., Grishenko S.G., Cardos D.A. Optimization of the parameters of the combined microstrip antenna. Izvestiya SFedU. Engineering Sciences (Rostov-on/D), 2012, iss. 11, pp. 25-31.
21
12. Panchenko B.A., Nechaev Yu.B. Radiation characteristics of strip antennas on substrates of limited sizes. Voronezh, VGU, 1992. 91 p.
13. Pues M. Accurate transmission line model for the rectangular microstrip antenna. IEE Proceeding, 1984, Vol. 131, pp. 334-340.
14. Munson R.E. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1974, vol. 22, pp. 84-88.
15. Nechaev Yu.B., Borisov D.N., Pankov M.A. Electro-dynamic characteristics of single and multilayer microstrip antennas on a flat screen. Theory and Technology of Radio Communication. Special issue, 2009, vol. 5, pp. 45-54.
16. March S.L. Phase velocity compensation in parallelcoupled microstrip. Microwave Symposium Digest, 1982, pp. 410-412.
Tikhon S. Osipenko
Design Engineer, JSC «Information Satellite Systems» named
after academician M.F. Reshetnev
52, Lenin st., Zheleznogorsk, Russia, 662970
Phone: +7-950-978-05-42
Email: osipeenko987@gmail.ru
Yuriy V. Krylov
Leading Design Engineer, JSC «Information Satellite Systems» named after academician M.F. Reshetnev 52, Lenin st., Zheleznogorsk, Russia, 662970 Phone: +7-923-305-05-56 Email: unker007@mail.ru
