Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ РАСКРЫВА МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО ОБЛУЧАТЕЛЯ'

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ РАСКРЫВА МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО ОБЛУЧАТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
29
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ / РАЗВЯЗКА ТРАКТОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ / СОГЛАСОВАНИЕ РАСКРЫВА ОБЛУЧАТЕЛЯ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Русов Ю. С., Крапивина С. С.

В настоящее время широкое применение в радиолокации находят апертурные антенны с пространственным возбуждением, такие как зеркальные антенны и фазированные антенные решетки. В состав такой антенны входит облучатель, который может выполняться в виде малоэлементной решетки излучателей для формирования набора необходимых диаграмм направленности. Часто используются моноимпульсные облучатели, формирующие как суммарную, так и разностные диаграммы направленности. При выполнении облучателя на основе волноводных узлов и трактов в его раскрыве устанавливаются излучатели в виде рупоров или открытых концов волноводов. Широкое распространение получили волноводные облучатели с четырьмя и двенадцатью рупорами. Одной из основных электрических характеристик такого облучателя при использовании его в составе приемо-передающей антенны является развязка передающего и приемного трактов. Согласование раскрыва приемо-передающего облучателя оказывает существенное влияние на развязку его волноводных трактов. При малых поперечных размерах излучателей в виде открытых концов волноводов не удается получить высокие показатели развязки волноводных трактов без применения дополнительных согласующих элементов. Поставлена задача исследования влияния согласования раскрыва волноводного многоэлементного облучателя на развязку его передающего и приемного трактов, а также способов согласования его излучателей.В статье рассмотрен четырехрупорный облучатель, раскрыв которого содержит излучатели в виде открытых концов квадратного волновода. В каждом излучателе предусмотрены радиусные скругления, необходимые для изготовления изделия с применением доступных технологических процессов. Для согласования излучателя внутри него устанавливается диэлектрическая пластина. В процессе исследования изменялись толщина пластины и ее расположение относительно плоскости раскрыва. Представлены характеристики согласования излучателей с пластиной из фторопласта, полиэтилена и материала СТ-4 на основе полимеров, наполненных двуокисью титана.Предложенный способ согласования раскрыва многоэлементного облучателя при поперечном размере излучателя 0,68λ (λ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте рабочего диапазона) позволяет в полосе частот до 3% улучшить развязку приемного и передающего волноводных трактов не менее чем на 4 дБ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF THE POSSIBILITIES OF MATCHING THE MULTI-ELEMENT RECEIVING-TRANSMITTING IRRADIATOR APERTURE

Currently, aperture antennas with spatial excitation, such as reflector antennas and phased array antennas, are widely used in radar. The composition of such an antenna includes an irradiator, which can be made in the form of a small-element array of radiators to form a set of necessary radiation patterns. Monopulse irradiators are often used, which form both total and difference directional patterns. When performing an irradiator based on waveguide parts, radiators in the form of horns or open ends of waveguides are installed in its aperture. Waveguide irradiators with four and twelve horns are widely used. One of the main electrical characteristics of such an irradiator when used as part of a receiving-transmitting antenna is the isolation of the transmitting and receiving paths. Matching the aperture of the transmitting and receiving irradiator has a significant effect on the isolation of its waveguide channels. With small transverse dimensions of the radiators in the form of open ends of waveguides, it is not possible to obtain high isolation of waveguide channels without the use of additional matching elements. The task of research the effect of matching the aperture of a waveguide multi-element irradiator on the isolation of its transmitting and receiving channels, as well as the ways of matching its radiators, is set.The article considers a four-horn irradiator, the aperture of which contains radiators in the form of open ends of a square waveguide. Each radiator has the radius rounding required for the manufacture of the product using the available technological processes. To match the emitter, a dielectric plate is installed inside it. During the research the thickness of the plate and its location relative to the aperture plane changed. The characteristics of matching the radiators with a plate made of teflon, polyethylene and ST-4 material based on polymers filled with titanium dioxide are presented.The proposed method of matching the opening of a multi-element irradiator with a transverse emitter size of 0,68λ (λ is the wavelength in free space corresponding to the average frequency of the operating band) makes it possible to improve the isolation of the receiving and transmitting waveguide channels by at least 4 dB in the frequency band of up to 3%.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ РАСКРЫВА МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО ОБЛУЧАТЕЛЯ»

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2021. № 01. С. 1-13

Б01: 10.36027/^е^.0121.0000186

Научно-практический журнал представлена в редакцию: 15.01.2021

http://www.radiovega.su © Ю.С. Русов, С.С .Крапивина, 2021

УДК 621.396.677.3

Исследование возможностей согласования раскрыва многоэлементного приемопередающего облучателя

Русов Ю.С.1' , Крапивина С.С.1 'шБОУЛ^-Б^атаД-Сот

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Рассмотрено влияние согласования раскрыва многоэлементного облучателя на развязку его передающего и приемного трактов. Предложен способ улучшения согласования раскрыва облучателя и исследованы характеристики отражения волноводных излучателей при его использовании. Приведены результаты оптимизации размеров согласующего устройства модернизированного волноводного излучателя и частотные зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению, полученные до и после применения предложенного способа согласования. Представлена количественная оценка достигаемого улучшения развязки передающего и приемного трактов облучателя.

Ключевые слова: многоэлементный облучатель; развязка трактов облучателя; согласование раскрыва облучателя

Введение

В настоящее время широкое применение в радиолокации находят апертурные антенны с пространственным возбуждением, такие как зеркальные антенны и фазированные антенные решетки. В состав такой антенны входит облучатель, который может выполняться в виде малоэлементной решетки излучателей для формирования набора необходимых диаграмм направленности [1, 2]. Часто используются моноимпульсные облучатели, формирующие как суммарную, так и разностные диаграммы направленности. Для обеспечения работы антенны в режимах приема и передачи электромагнитных волн требуются облучатели, формирующие суммарную диаграмму направленности в режиме передачи, а также суммарную и две разностные ДН в режиме прима [1, 3, 4, 5]. Многоэлементные волноводные облучатели также находят применение в антеннах спутниковой связи для обеспечения покрытия территорий сложной конфигурации [6].

При выполнении облучателя на основе волноводных узлов и трактов в его раскрыве устанавливаются излучатели в виде рупоров или открытых концов волноводов. Широкое распространение получили волноводные облучатели с четырьмя [3, 4] и двенадцатью [5] рупорами. Одной из основных электрических характеристик такого облучателя при ис-

Радиостроение

пользовании его в составе приемо-передающеи антенны является развязка передающего и приемного трактов. Представляет интерес исследование способов повышения развязки передающего и приемного трактов волноводного многоэлементного облучателя, в том числе путем согласования раскрыва облучателя.

1. Влияние излучателя на развязку волноводных трактов облучателя

Многорупорные облучатели широко применяются в приемо-передающих антенных системах, работающих на волнах с круговоИ поляризацией электромагнитного поля. Разделение приемного и передающего волноводных трактов в таких облучателях может быть обеспечено при использовании взаимного поляризатора и селектора поляризации в канале каждого рупорного излучателя (рис. 2). Ко входу 1 селектора поляризации, работающему на волне с линейной поляризацией поля, подсоединен передающий тракт облучателя, а к выходу 2, работающему на волне с линейной поляризацией, ортогональной поляризации волны на входе 1, подключен тракт соответствующего приемного канала.

Рис. 1. Схема канала одного излучателя в приемо-передающем облучателе

Развязка передающего и приемного трактов в схеме на рис. 1 определяется как коэффициент передачи 521 при отсутствии падающей на раскрыв рупорного излучателя электромагнитной волны и складывается из следующих составляющих:

^21 = ^21 сп + ^Пп+^пи*

где 521сп - развязка входов селектора поляризации в тракте излучающего элемента, 511п -коэффициент отражения на входе взаимного поляризатора, 511и - коэффициент отражения на входе рупорного излучателя. В статье исследовано влияние на развязку входов 1 и 2 коэффициента отражения на входе излучателя 511и, а также предложен способ уменьшения величины 511и и, соответственно, развязки 521.

Многорупорные облучатели, например четырехрупорные [3, 4] и двенадцатирупор-ные [5], широко применяются в составе фазированных антенных решеток с пространственным возбуждением (рис. 2 а). При этом продольный габарит антенной системы лд определяется расстоянием от центра излучения облучателя до раскрыва антенной решетки. С целью минимизации продольного габарита возбуждение краев раскрыва антенной решетки необходимо осуществлять под возможно большим углом а0бл. Для этого необходимо, чтобы облучатель формировал максимально широкую ДН, что реализуется за счет

минимизации расстояния между осями излучателей ё и, соответственно, минимизации поперечного размера каждого рупорного излучателя а (рис. 2 б).

а)

б)

Рис. 2. Применение многоэлементного облучателя для возбуждения апертурной антенны: а - схема антенны с пространственным возбуждением, б - схема размещения рупоров в раскрыве облучателя

Наиболее простым излучателем многоэлементного облучателя является волновод-ный рупор, который при решении задачи минимизации расстояния между осями излучателей вырождается в открытый конец волновода круглого или квадратного поперечного сечения, при котором обеспечивается работа на волнах с круговой поляризацией электромагнитного поля. С уменьшением поперечного размера волноводного излучателя ухудшается согласование его раскрыва со свободным пространством и возрастает коэффициент отражения электромагнитной волны на его входе [7]. Электромагнитная волна с круговой поляризацией поля при отражении от входа рупорного излучателя сохраняет направление вращения вектора напряженности электрического поля и одновременно меняет направление распространения на противоположное. За счет этого отраженная волна характеризуется круговой поляризацией, ортогональной поляризации излучаемой облучателем волны. После прохождения невзаимного поляризатора отраженная волна направляется селектором поляризации в тракт приемного канала. Таким образом, отражение от входов излучателей вызывает ухудшение развязки передающего и приемных каналов облучателя.

Ставится задача исследования возможностей повышения развязки передающего и приемного трактов облучателя за счет согласования раскрыва волноводных излучателей с поперечным размером а, ограниченным малым расстоянием между осями излучателей ё. Для облучателя Ка-диапазона частот конструктивно реализуемое значение ё выбрано равным 0,77А, где X - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней час-

тоте рабочей полосы При таком расстоянии между осями излучателей формируется диаграмма направленности облучателя с главным лепестком шириной не менее 56° по уровню -10 дБ.

2. Согласование волноводного излучателя

В качестве излучателя многоэлементного волноводного облучателя удобно применять рупор с круглым или квадратным раскрывом. Такая форма раскрыва позволяет обеспечить работу на волнах с круговой поляризацией электромагнитного поля. Расстояние между осями излучателей выбирается достаточно малым для получения широкой ДН, что приводит к вырождению рупорного излучателя в открытый конец волновода круглого или квадратного сечения. Например, двухполяризационный излучатель [8] выполнен в виде отрезка короткозамкнутого волновода, переходящего в рупор или открытый конец волновода с квадратным раскрывом. Для питания волновода используются два коаксиально-штыревых возбудителя цилиндрической формы, продольные оси которых взаимно ортогональны. Конструкция излучателя обеспечивает развязку между двумя взаимно ортогональными каналами на уровне -35...-65 дБ при поперечных размерах не более (0,59.. ,0,62)Х. В двухполяризационной рупорной антенне [9] за счет применения печатного возбуждающего устройства удается уменьшить продольные габариты при обеспечении развязки входов до -29 дБ. Приведенные уровни развязки достигаются при работе на волнах с линейной поляризацией электромагнитного поля. При этом волна, отраженная от раскрыва излучателя, не меняет поляризацию и не поступает в ортогональный канал, поэтому здесь не применяются дополнительные меры для согласования излучателя со свободным пространством.

Для улучшения электрических характеристик волноводного излучателя могут применяться экраны, выполненные в виде металлических колец [10]. Кольцевые металлические экраны увеличивают поперечные размеры излучателей, что ограничивает возможности получения широкой ДН многоэлементного облучателя, построенного на базе таких излучателей.

Для согласования волноводных излучателей могут использоваться метаматериалы

[11], сложные диэлектрические согласующие переходы [2], диэлектрические мезочастицы с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве

[12], диэлектрические вставки различной формы. Например, в излучателе [13] в виде открытого конца металлического волновода круглого сечения размещается диэлектрическая вставка, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода, а другая часть в форме усеченного конуса выступает за торец металлического волновода и состыкована с ним малым основанием конуса. Для улучшения согласования раскрыва облучателя можно использовать волноводные излучатели со сложным диэлектрическим согласующим переходом, аналогичные применяемым в многоэлементных фазированных антенных решетках [2]. Выполнение излучателя в виде многосекционной диэлектрической структуры позволяет существенно расширить полосу рабочих частот [14]. Изменения

электрических характеристик волноводных излучателей можно добиться установкой диэлектрических резонаторов, подобных используемым в антенной решетке [15] с печатной схемой возбуждения.

Наиболее удобными для практической реализации являются волноводные излучатели, согласуемые диэлектрическими вставками. Представляет интерес определение параметров высокотехнологичных вставок простой формы, позволяющих существенно улучшить развязку передающего и приемного трактов облучателя.

Поставлена задача исследования возможностей согласования излучателя, поперечное сечение которого приведено на рис. 3 а. Излучатель представляет собой открытый конец квадратного волновода с размером поперечного сечения а = 0,68А. Такой размер излучателя обусловлен выбранным расстоянием между осями излучателей ё. В излучателе предусмотрены радиусные скругления, необходимые для изготовления изделия с применением доступных технологических процессов.

а) б)

Рис. 3. Исследуемый излучатель: а - поперечное сечение, б - продольное сечение

Для согласования излучателя внутри него на расстоянии Ьи от его раскрыва устанавливается диэлектрическая пластина толщиной Ьд (рис. 3 б). Пластина размещается таким образом, что ее плоские поверхности оказываются параллельными плоскости раскрыва излучателя.

В процессе исследования проведены расчеты коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициента отражения на входе излучателя. Расчеты выполнены с использованием программы электродинамического моделирования, реализующей метод, основанный на технике конечного интегрирования (Finite Integration Technique). В ходе исследования проводилась оптимизация согласующей пластины путем подбора параметров ¿и и ¿д.

На рис. 4 приведены частотные зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе как одиночного излучателя без согласующих элементов (кривая 1), так и одиночного излучателя с согласующей пластиной из материалов с различной диэлектрической проницаемостью (кривые 2, 3 и 4).

1,16 1,14 1,12 1,1 1.0В 1,06 1,04 1,02 1

-1

х2

\. у Л/-3

/V. 4

0,985

0.99

0.995

1.005

1.01

1,015

Ни

Рис. 4. Характеристики согласования одиночного излучателя: 1 - без согласующих элементов, 2 - с пластиной из фторопласта, 3 - с пластиной из полиэтилена, 4 - с пластиной из материала СТ-4

На рис. 4 кривая 2 получена для фторопласта (в расчете учитывалась относительная диэлектрическая проницаемость 8=2) при параметрах ¿и = 0,634А и ¿д = 0,408А, кривая 3 - для полиэтилена (в = 2,5) при параметрах ¿и = 0,633А и ¿д = 0,352А, кривая 4 - для материала СТ-4 (в = 4) на основе полимеров, наполненных двуокисью титана [16], при параметрах ¿и = 0,634А и ¿д = 0,265А. Характеристики согласования получены после оптимизации параметров ¿и и ¿д. С увеличением диэлектрической проницаемости материала пластины при отстройке от центральной частоты КСВН возрастает быстрее и полоса частот, в которой значения КСВН не превышают заданной величины, сужается.

При размещении излучателей в решетке из четырех элементов (рис. 2 б) характеристики согласования за счет взаимного влияния элементов изменяются. На рис. 5 приведены частотные зависимости КСВН на входе излучателя с пластиной из фторопласта.

На рис. 5 кривая 1 получена для одиночного излучателя с оптимизированной для него диэлектрической пластиной, кривая 2 соответствует излучателю в решетке из четырех элементов с параметрами пластины, оптимизированными для одиночного излучателя. Кривая 3 получена для излучателя в решетке из четырех элементов после дополнительной оптимизации параметров пластины (¿и = 0,644А и ¿д = 0,404А). Оптимизация параметров пластины для излучателя в антенной решетке позволяет получить наилучшие результаты согласования.

^сти

1.16

1.14

1,02

1,12

1,04

1,08

1,06

1,1

1

0,985

0,99

0.995

1,005 1,01 1,015

Рис. 5. Характеристики согласования излучателя с пластиной из фторопласта: 1 - одиночного, 2 - в решетке из четырех элементов с пластиной, оптимизированной для одиночного излучателя, 3 - в решетке из четырех элементов с пластиной, оптимизированной для антенной решетки

На рис. 6 приведены характеристики согласования излучателя в антенной решетке из четырех элементов с диэлектрическими вставками из различных материалов. Достигаемые при этом уровни развязки трактов, определяемые коэффициентом отражения на входе излучателя, показаны на рис. 7.

На рис. 6 и рис. 7 кривые 1 соответствуют излучателю без согласующих элементов, кривые 2 получены для фторопласта при параметрах ¿и = 0,644А и ¿д = 0,404А, кривые 3 - для полиэтилена при параметрах ¿и = 0,642А и ¿д = 0,350А, кривые 4 - для материала СТ-4 при параметрах ¿и = 0,638А и ¿д = 0,264А. Характеристики согласования рассчитаны после оптимизации параметров ¿и и ¿д в антенной решетке из четырех элементов. Применение материала с меньшей диэлектрической проницаемостью позволяет получить более широкую полосу согласования. Установка одиночной пластины из материалов с относительной диэлектрической проницаемостью не более 4 позволяет улучшить согласование излучателя в полосе частот до 3.. .4%. Необходимая толщина пластины увеличивается с уменьшением ее диэлектрической проницаемости. Это способствует более надежной фиксации диэлектрической детали внутри волноводного излучателя за счет большей площади боковой поверхности, которая может быть использована для нанесения клея.

^сти 1,18

1,16

1,14

1,12

1,1

1,ое

1,06

1,04

1,02

1

0,965 0,99 0,995 1 1Г005 1,01 1,015

Ш0

Рис. 6. Характеристики согласования излучателя в решетке из четырех элементов: 1 - без согласующих элементов, 2 - с пластиной из фторопласта, 3 - с пластиной из полиэтилена, 4 - с пластиной из материала

СТ-4

5цм

-20

V-

\ VI

Л

\> О

Х\

N /✓ г

\ &

N > г

-25

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-30

-35

-45

-50

-

VI 1

г

у-Ъ / г

УЧV"4 / г

[

/

0,905 0.99 0,995 1 1,005 1,01 1.015

Рис. 7. Коэффициент отражения на входе излучателя: 1 - без согласующих элементов, 2 - с пластиной из фторопласта, 3 - с пластиной из полиэтилена, 4 - с пластиной из материала СТ-4

Как видно на рис. 7, согласование излучателя пластиной из фторопласта позволяет повысить развязку волноводных трактов не менее чем на 4 дБ в полосе частот f0 + 1,5% при условии, что величины S2lcn и Slln существенно меньше коэффициента отражения на входе излучателя.

Заключение

Проведенные исследования показали, что согласование раскрыва приемопередающего облучателя оказывает существенное влияние на развязку его волноводных трактов. При малых поперечных размерах излучателей в виде открытых концов волноводов не удается получить высокие показатели развязки волноводных трактов без применения дополнительных согласующих элементов. Предложенный способ согласования рас-крыва многоэлементного облучателя при поперечном размере излучателя 0,68А позволяет в полосе частот до 3% улучшить развязку приемного и передающего волноводных трактов не менее чем на 4 дБ.

Список литературы

1. 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.

rd

2. Mailloux R.J. Phased array antenna handbook. 3 ed. Boston: Artech House Inc., [2018]. 530 p.

3. Сигитов В.В., Белугин Б.С., Кузнецов Ю.Н., Манаенков Е.В., Найок М.С., Степнов А.Л., Толстых В.Т., Хомяков А.В. Моноимпульсный облучатель: пат. 59330 Российская Федерация. 2006. Бюл. № 34. 11 с.

4. Образумов В.И., Крехтунов В.М., Шевцов О.Ю., Русов Ю.С., Голубцов М.Е. Моноимпульсная антенна: пат. 2370863 Российская Федерация. 2009. Бюл. № 29. 16 с.

5. Образумов В.И., Крехтунов В.М., Шевцов О.Ю., Русов Ю.С., Голубцов М.Е. Моноимпульсный облучатель: пат. 2380804 Российская Федерация. 2010. Бюл. № 3. 21 с.

6. Хандамиров В.Л., Сергеев Д.А. Исследование многоэлементного волноводного облучателя // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 5.

С. 66 - 81. Режим доступа: http://engineering-science.ru/doc/841391.html (дата обращения 11.01.2021).

7. Антенны УКВ: В 2-х ч. / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин; под общ. ред. Г.З. Айзенберга. Ч. 1. М.: Связь, 1977. 381 с.

8. Пономарев Л.И., Прилуцкий А.А., Васин А.А., Добычина Е.М., Малахов Р.Ю., Терехин О.В., Харалгин С.В. Малогабаритный двухполяризационный волноводный излучатель фазированной антенной решетки с высокой развязкой между каналами: пат. 2655033 Российская Федерация. 2018. Бюл. № 15. 16 с.

9. Ononchimeg S., Otgonbaatar G., Jae-Hoon Bang, Bierng-Chearl Ahn. A new dual-polarized horn antenna excited by a gap-fed square patch // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2011. Vol. 21. Pp. 129 - 137. DOI: 10.2528/PIERL11012605

10. Вертей С.В., Курмашов А.Н., Мигачев М.И., Хохлов П.В. Волноводный излучатель: пат. 2723904 Российская Федерация. 2020. Бюл. № 17. 8 с.

11. Sajuyigbe S., Ross M., Geren P., Cummer S.A., Tanielian M.H., Smith D.R. Wide angle impedance matching metamaterials for waveguide-fed phased-array antennas // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2010. Vol. 4. No. 8. Pp. 1063 - 1072. DOI: 10.1049/iet-map.2009.0543

12. Минин И.В., Минин О.В. Волноводный излучатель: пат. 174536 Российская Федерация.

2017. Бюл. № 29. 9 с.

13. Гайнулина Е.Ю., Орехов Ю.И., Назаров А.В., Корнев Н.С. Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой: пат. 2695946 Российская Федерация. 2019. Бюл. № 22. 12 с.

14. Павлов И.Д., Караев Я.В., Кот М.А. Сверхширокополосная диэлектрическая стержневая антенна // Известия высш. учеб. заведений России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 2. С. 38 - 45. DOI: 10.32603/1993-8985-2020-23-2-38-45

15. Mrnka M., Cupal M., Raida Z., Pietrikova A., Kocur D. Millimeter-wave dielectric resonator antenna array based on directive LTCC elements // IET Microwaves, Antennas & Propagation.

2018. Vol. 12. No. 5. Pp. 662 - 667. DOI: 10.1049/iet-map.2017.0492

16. СВЧ-диэлектрики на основе полимеров / ОАО «Завод Магнетон». Продукция. Режим доступа: http://magneton.ru/produkcziya/svch-dielektriki/svch-dielektriki-polimer (дата обращения 07.02.2021).

Radio Engineering

Radio Engineering, 2021, no. 01, pp. 1-13. DOI: 10.36027/rdeng.0121.0000186 Received: 15.01.2021

Capability Analysis of Matching Multi-element Transmit-Receive Irradiator Aperture

Yu.S .Rusov1'*, S.S. Krapivina1 'rasoy.yu.sg; gmail.com

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: multi-element irradiator; isolation of the irradiator channels; matching the irradiator

aperture

Currently, spatially excitated aperture antennas, such as reflector antennas and phased array antennas, are widely used in radar. Such an antenna includes an irradiator that can be made as a small-element array of radiators to form a set of necessary radiation patterns. Mono-pulse irradiators, which form both total and difference directional patterns, are often used. In irradiator implementation based on the waveguide parts there are radiators installed in the form of horns or open ends of waveguides in its aperture. Waveguide irradiators with four and twelve horns came into common use. One of the main electrical characteristics of such an irradiator when used as part of a common antenna is the transmit-receive isolation. Matching the aperture of the transmitting and receiving irradiator has a significant effect on the isolation of its waveguide channels. With small transverse dimensions of the radiators in the form of open ends of waveguides, it seems to be impossible to obtain high isolation of waveguide channels without using the additional matching elements. The task was to study both the effect of matching the aperture of a waveguide multi-element irradiator on the isolation of its transmitting and receiving channels and the ways of matching its radiators.

The article considers a four-horn irradiator, the aperture of which contains radiators in the form of open ends of a square waveguide. Each radiator has the radius rounding required for product manufacturing by available technological processes. To match the irradiator, a dielectric plate is installed inside it. While studying, the plate thickness and its positioning relative to the aperture plane have been changed. The article presents the characteristics to match the radiators with the plate made from teflon, polyethylene, and ST-4 material based on polymers filled with titanium dioxide.

The method proposed for matching the a multi-element irradiator with a transverse radiator size of 0,68X (X is the wavelength in free space corresponding to the average frequency of the operating band) allows us to improve the isolation of the receiving and transmitting waveguide channels in the frequency band of up to 3% by 4 dB at least.

References

1. Fedorov I.B., Slukin G.P., Mitrokhin V.N., Krekhtunov V.M. Radio systems element base of mirror antennas and phased antenna arrays. Antenny [Antennas], 2016, no. 8, pp. 84 - 98 (in Russian).

rd

2. Mailloux R.J. Phased array antenna handbook. 3 ed. Boston: Artech House Inc., [2018]. 530 p.

3. Sigitov V.V., Belugin B.S., Kuznetsov Yu.N., Manaenkov E.V., Najok M.S., Stepnov A.L., Tolstykh V.T., Homyakov A.V. Monoimpul'snyj obluchatel' [Monopulse irradiator]: patent 59330 Russian Federation. 2006. 11 p. (in Russian).

4. Obrazumov V.I., Krekhtunov V.M., Shevtsov O.Yu., Rusov Yu.S., Golubtsov M.E. Monoimpul'snaya antenna [Monopulse antenna]: patent 2370863 Russian Federation. 2009. 16 p. (in Russian).

5. Obrazumov V.I., Krekhtunov V.M., Shevtsov O.Yu., Rusov Yu.S., Golubtsov M.E. Monoimpul'snyj obluchatel' [Monopulse irradiator]: patent 2380804 Russian Federation. 2010. 21 p. (in Russian).

6. Handamirov V.L., Sergeev D.A. The study of multi-element waveguide feed. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the BMSTU], 2016, no. 5, pp. 66 - 81. Available at: http://engineering-science.ru/doc/841391.html, accessed 11.01.2021 (in Russian).

7. Antenny UKV [VHF antennas]: in 2 parts / G.Z. Ajzenberg, V.G. Iampolsky, O.N. Tereshin O.N.; ed. by G.Z. Ajzenberg. Pt. 1. Moscow: Svyaz' Publ., 1977. 381 p. (in Russian).

8. Ponomarev L.I., Prilutskij A.A., Vasin A.A., Dobychina E.M., Malakhov R.Yu., Terekhin O.V., Kharalgin S.V. Malogabaritnyj dvukhpolyarizatsionnyj volnovodnyj izluchatel' fazirovannoj antennoj reshetki s vysokoj razvyazkoj mezhdu kanalami [Small-size dual polarized waveguide radiator of the phased antenna array with high insulation between the channels]: patent 2655033 Russian Federation. 2018. 16 p. (in Russian).

9. Ononchimeg S., Otgonbaatar G., Jae-Hoon Bang, Bierng-Chearl Ahn. A new dual-polarized horn antenna excited by a gap-fed square patch. Progress in Electromagnetics Research Letters, 2011, vol. 21, pp. 129 - 137. DOI: 10.2528/PIERL11012605

10. Vertej S.V., Kurmashov A.N., Migachev M.I., Khokhlov P.V. Volnovodnyj izluchatel' [Waveguide radiator]: patent 2723904 Russian Federation. 2020. 8 p. (in Russian).

11. Sajuyigbe S., Ross M., Geren P., Cummer S.A., Tanielian M.H., Smith D.R. Wide angle impedance matching metamaterials for waveguide-fed phased-array antennas. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2010, vol. 4, no. 8, pp. 1063 - 1072. DOI: 10.1049/iet-map.2009.0543

12. Minin I.V., Minin O.V. Volnovodnyj izluchatel' [Waveguide radiator]: patent 174536 Russian Federation. 2017. 9 p. (in Russian).

13. Gajnulina E.Yu., Orekhov Yu.I., Nazarov A.V., Kornev N.S. Metallicheskij volnovodnyj obluchatel' s dielektricheskoj vstavkoj [Metallic waveguide feed with dielectric insert]: patent 2695946 Russian Federation. 2019. 12 p. (in Russian).

14. Pavlov I.D., Karaev Ya.V., Kot M.A. Ultra-wide band dielectric rod antenna. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenij Rossii. Radioelektronika [J. of the Russian Universities. Radioelectronics], 2020, vol. 23, no. 2, pp. 38 - 45. DOI: 10.32603/1993-8985-2020-23-2-38-45 (in Russian)

15. Mrnka M., Cupal M., Raida Z., Pietrikova A., Kocur D. Millimeter-wave dielectric resonator antenna array based on directive LTCC elements. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2018, vol. 12, no. 5, pp. 662 - 667. DOI: 10.1049/iet-map.2017.0492

16. SVCh-dielektriki na osnovepolimerov / OAO «ZavodMagneton». Produktsiia [Microwave dielectrics based on polymers / JSC "Magneton Plant". Products]. Available at: http://magneton.ru/produkcziya/svch-dielektriki/svch-dielektriki-polimer, accessed 07.02.2021 (in Russian).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.