CC BY
357
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.396.67
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов, А. С. Романчук
МЕТОДИКА СИНТЕЗА СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ЗАДАННОЙ ФОРМЫ
Аннотация.
Актуальность и цели. Известные способы создания диаграммы направленности косекансной формы для традиционных типов антенн не обеспечивают излучения и приема сверхширокополосных (СШП) сигналов. Задача создания антенных систем для СШП-сигналов является новой. Использование микро-полосковых печатных антенных решеток является наиболее приоритетной технологией, способной обеспечить высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость и массу. Для микрополосковых СШП антенных решеток, использующих сигналы простой и сложной формы, пока еще не имеется апробированных способов формирования диаграммы направленности заданной формы, так как к расчету СШП-антенн неприемлемы классические методы электродинамики, разработанные для гармонических сигналов.
Материалы и методы. При выполнении исследований использованы системный подход, методы классической электродинамики, элементы теории оптимизации, антенных измерений характеристик излучателей, численные методы решения граничных задач электродинамики, натурные испытания и электродинамическое моделирование с использованием пакета CST MICROWAVE STUDIO, основанное на методе конечных разностей во временной области (FDTD). Для расчета амплитудного и фазового распределения в качестве инструментальной системы использован математический пакет MATLAB.
Результаты. Разработана методика синтеза конструкции СШП линейной печатной антенной решетки с диаграммой направленности заданной формы, включающая оптимизацию параметров входящего в состав антенной решетки одиночного излучателя, учитывающая значения параметров аналитического описания и результаты расчета амплитудных и фазовых весовых коэффициентов диаграммы направленности заданной формы решетки, результаты полученного путем электродинамического моделирования распределения поля на поверхности излучателей антенной решетки с использованием пакета CST DESIGN STUDIO, результаты расчета допустимого количества излучателей и параметров микрополосковой системы питания решетки, электродинамического моделирования параметров и характеристик линейной печатной антенной решетки в целом, количественную оценку сходимости полученного амплитудного и фазового распределения с расчетными.
Выводы. В ходе натурных экспериментов по среднеквадратичному отклонению произведена оценка сходимости формы диаграммы направленности
прототипа СШП печатной антенной решетки с результатами электродинамического моделирования.
Ключевые слова: сверхширокополосная печатная антенная решетка, мик-рополосковая система питания.
A. V. Zaytsev, E. S. Bitaev, E. V. Amozov, A. S. Romanchuk
TECHNIQUE OF SYNTHESIS OF UWB LINEAR PRINTING ANTENNA LATTICE WITH DIRECTIONAL PATTERN OF THE SET FORM
Abstract.
Background. The existing methods of creation of a directional pattern of cosecant form for traditional types of antenna types do not ensure radiation and reception of Ultrawideband (UWB) signals. The problem of creation of antenna systems for UWB-signals is new. Use of microstrip printing antenna lattices is the most priority technology, capable of ensuring high recurrence of sizes, low cost, small metal consumption and mass. For microstrip UWB antenna lattices, using the signals of simple and complicated forms, at the present time there are no approved modes of shaping of a directional pattern of the set form as the classical methods of electrodynamics, developed for harmonious signals, are unacceptable for UWB-antennas.
Materials and methods. In the course of research the authors used the system approach, methods of classical electrodynamics, elements of the theory of optimization, antenna measurements of performances of emitters, numerical methods of solution of boundary problems of electrodynamics, full-scale tests and electrodynamic modelling via CST MICROWAVE STUDIO package, based on a finite-difference method in temporary area (FDTD). To calculate peak and phase distribution the researchers used MATLAB package as an instrument system.
Results. The authors developed a technique of synthesis of the structure of UWB linear printing antenna lattice with a directional pattern of the set form, actuating optimization of parameters of the individual emitter, being a part of antenna lattice, considering values of parameters of analytical exposition and outcomes of calculating peak and phase weight coefficients of a directional pattern of the set form of a lattice, outcomes of the distribution of a field received by electrodynamic modelling on a surface of emitters of an antenna lattice using CST DESIGN STUDIO package,outcomes of calculation of admissible quantity of emitters and parameters of a microstrip power supply system of a lattice, electrodynamic modelling of parameters and performances of a linear printing antenna lattice as a whole, quantitative assessment of convergence of the received peak and phase distribution with the rated.
Conclusions. During full-scale experiments on mean squared deviation the authors estimated the convergence of a directional pattern form of a prototypeof UWB printing antenna lattice with outcomes of electrodynamic modelling.
Key words: ultrawideband printed antenna array, microstrip power supply system.
Одним из основных направлений повышения информационных возможностей радиолокационных средств, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, является переход к твердотельным фазированным антенным решеткам (ФАР) и использование сверхширокополосных (СШП) сигналов простой и сложной формы [1]. Требование модульного построения современных радиоэлектронных средств (РЭС) накладывает жесткие требо-
вания на габариты антенных решеток. Кроме того, существует необходимость получения с помощью таких решеток диаграммы направленности специальной формы. В связи с этим возникает задача синтеза печатной антенной решетки с диаграммой направленности специальной формы. Данная задача на данный момент остается нерешенной из-за неприменимости классических подходов электродинамики к расчету СШП-систем. Целью данного исследования является разработка одного из возможных подходов к расчету и формированию специального амплитудного и фазового распределения в СШП линейной печатной антенной решетке. В качестве примера предложен способ формирования распределения для диаграммы направленности косекансной формы линейной СШП антенной решетки, состоящей из 16 излучателей.
Формирование диаграммы направленности (ДН) состоит в фазовом сдвиге сигнала каждого излучателя, чтобы принятые с заданного направления сигналы имели бы одинаковую фазу в точке, где они суммируются, формируя
ДН [1].
Аналитическое описание диаграммы направленности косекансной формы (рис. 1) имеет следующий вид:
Е(а) = 0; а < о^;
E(а) = r • sec(a); 01 < а < а2;
1 (1)
E(а) = h• cosec^); а2 <а<аз;
E(а) = 0; а>аз.
дальность
Рис. 1. Диаграмма направленности косекансной формы
Для исходных данных г = 30, h = 3, а1 = 0°, аз = 30° идеальная диаграмма направленности косекансной формы имеет вид, показанный на рис. 2. Диаграмма направленности антенной решетки имеет вид
N-1
E(а) = ^ Eo (n, а) • F(n) • exp
n=0
- J'
. 2n nd sin а
n
(2)
где E0(п, а) - диаграмма направленности п -го элемента решетки; F(п) -множитель элемента; d - шаг антенной решетки; X - длина волны.
90
1 -0.5 0 0.5 1
а
б)
Рис. 2. Диаграмма направленности косекансной формы при исходных данных в полярной (а) и в прямоугольной (б) системах координат
При одинаковости всех элементов решетки
N -1
E (а) £0(а)
= 2 F(n) • exp
0 n=0
-J-
2nnd sin а
X
(3)
После замены
e d . .гPX
p =—sin а; а = arcsin I —
(4)
получим
(5)
Выражение (5) представляет собой ряд Фурье, действительная часть комплексных весовых коэффициентов которого определяет амплитуды поля СШП-сигнала на поверхности излучателя антенной решетки, а мнимая часть -их фазы, позволяющие сформировать в пространстве диаграмму направленности косекансной формы СШП антенной решетки.
Здесь возможно применение прямого метода синтеза диаграммы направленности через обратное преобразование Фурье, однако при этом коэффициенты ряда не достаточно точно определяют формирование диаграммы направленности. В работе, однако, в качестве метода использованы положения теории синтеза цифровых фильтров, где в - нормированная частота в диапазоне [1;-1], а п - коэффициенты фильтра. Инструментом явился пакет математического моделирования МЛТЬЛБ [2].
В результате синтеза с использованием теории цифровых фильтров в разделе получены значения амплитудных и фазовых сдвигов на поверхности излучателей линейной антенной решетки из 16 излучателей и косекансная форма диаграммы направленности (рис. 3).
Для формирования амплитудного распределения поля в полосковой спиральной системе питания СШП антенной решетки использован подход, заключающийся в определении нормированных коэффициентов деления мощности СШП сигнала в тройниках спиральной системы питания антенной решетки из 16 излучателей (рис. 4).
Для обеспечения распределения сигнала по элементам решетки в соответствии с расчетными данными на рис. 3,а использовано неравное деление мощности СШП-сигнала на тройниках (рис. 5) способом, заключающимся в изменении ширины плеч делителя, а тем самым и их волнового сопротивления.
Значения длины плеч I при этом определяются из выражения
где Х0 - средняя в рабочей полосе тройника длина волны; еэф - диэлектрическая проницаемость,
Волновые сопротивления плеч делителя Z2 и Zз пропорциональны рассчитанной мощности левого и правого плеча соответствующего делителя спиральной системы питания, Zl принимается равным 50 Ом. Ширина плеч делителя Ж2 и Ж3 определяется из соотношения
(6)
120п
•\/еэф
W
(
1- +1,393 + 0,667ln
W
X
1- +1,444
-1
(8)
д<1>
A
<0>
а)
Ф‘
,<0)
б)
Рис. 3. Полученные в результате синтеза коэффициенты амплитудного (а) и фазового (б) распределения поля на поверхности антенной решетки из 16 излучателей
а2,Р2 а3,Р3 1 "I" а4,Р4 а5,Р5 “Г- 1
Р
вх0
Я10,Рю ап,Рп 1 “1" а12,Р12 а13,Р13 "Т- 1
Рис. 4. Спиральная система питания с нормированными коэффициентами деления мощности: а0, оъ ■■■, ап - ненормированные амплитуды сигналов на излучателях, полученные в результате синтеза; Ро, Рі, ■■■, Рп - нормированные значения мощностей; N - количество излучателей (с 0 по 15)
Так, для деления мощности с 0,76 / 0,64 определены значения 2^ = 38,6 Ом, 2з = 56,7 Ом, Ж> = 1 мм, Ж = 0,55 мм.
В свою очередь для формирования фазового распределения поля в соответствии с расчетными значениями фазовых коэффициентов с учетом длины волны в диэлектрике в полосковой системе питания СШП антенной ре-
шетки также предложен способ управления фазовым распределением СШП-сигнала, заключающийся в сдвиге Ах трансформатора (рис. 6) относительно оси симметрии делителя.
Рис. 5. Предложенный способ изменения волнового сопротивления плеч делителя СШП-сигнала тройника спиральной системы питания элементов антенной решетки
Рис. 6. Предложенный способ управления фазовым распределением СШП-сигнала в спиральной полосковой системе питания СШП антенной решетки
На основе способа формирования амплитудного и фазового распределения СШП-сигнала в спиральной системе питания СШП линейной печатной антенной решетки [3] в среде CST DESIGN STUDIO разработана электродинамическая модель решетки (рис. 7) из 16 излучателей с диаграммой направленности косекансной формы, с центральной частотой в 9,5 ГГц и произведено исследование характеристик модели.
На рис. 8,а показана зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) в модели решетки от частоты. Рабочая полоса решетки составляет 2,1 ГГц (по уровню КСВ = 2), коэффициент усиления в полосе имеет среднее значение
около 13 дБ (рис. 8,б). Уровень боковых лепестков - не более минус 13 дБ. Размеры антенной решетки составляют 300*17*3 мм.
ПІ-lzr п ПСІ-3~1 ~F1 -тг
б)
Рис. 7. Внешний вид (а) и система питания (б) модели антенной решетки со специальным распределением
Частота, ГГц
Частота, ГГц б)
Рис. 8. Зависимость коэффициента стоячей волны (а) и коэффициента усиления (б) от частоты в модели антенной решетки со специальным распределением
Способ построения системы питания элементов СШП антенной решетки, метод расчета амплитудного и фазового распределения поля излучателей и способ формирования амплитудного и фазового распределения СШП-сигнала в спиральной системе питания СШП линейной печатной антенной решетки явились основой для разработки методики синтеза СШП линейной печатной антенной решетки с диаграммой направленности косекансной формы (рис. 9).
Рис. 9. Диаграмма направленности в линейном масштабе модели антенной
решетки со специальным распределением:........- расчетная,
_____- с реализованной спиральной системой питания
Можно сделать вывод о высокой степени сходимости результатов теоретического расчета и электродинамического моделирования антенной решетки, что подтверждает адекватность методики синтеза СШП линейной печатной антенной решетки.
Список литературы
1. Зайцев, А. В. Способ формирования специального амплитудного и фазового распределения в системе питания СШП линейной печатной антенной решетки / А. В. Зайцев, Е. С. Битаев // Вестник Войсковой ПВО. - Вып. 7. - Смоленск : ВА В ПВО, 2012.
2. Зайцев, А. В. Проектирование сверхширокополосной активной печатной антенной решетки с диаграммой направленности косекансной формы / А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов // Оборонная техника : сб. - Смоленск, 2011. - № 9-10, рег. № 119/32.
3. Зайцев, А. В. Способ формирования специального амплитудного и фазового распределения в системе питания СШП линейной печатной антенной решетки / А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов // Научная сессия, посвященная дню радио (RDC-2012) : материалы 67 Всерос. конф. с междунар. участием. - М., 2012.
References
1. Zaytsev A. V., Bitaev E. S. Vestnik Voyskovoy PVO [Bulletin of army anti-aircraft forces]. Issue 7. Smolensk: VA V PVO, 2012.
2. Zaytsev A. V., Bitaev E. S., Amozov E. V. Oboronnaya tekhnika: sb. [Defence technology: collected papers]. Smolensk, 2011, no. 9-10.
3. Zaytsev A. V., Bitaev E. S., Amozov E. V. Nauchnaya sessiya, posvyashchennaya dnyu radio (RDC-2012): materialy 67 Vseros. konf. s mezhdunar. uchastiem [Scientific session dedicatred to the day of radio (RDC-2012): proceedings of 67th All-Russian conference with international participation]. Moscow, 2012.
Зайцев Александр Владимирович
кандидат технических наук, профессор, кафедра радиотехнических средств наблюдений, Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных сил РФ имени Маршала Советского Союза А. М. Василевского (Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
E-mail: [email protected]
Битаев Евгений Сергеевич начальник научно-исследовательской лаборатории, Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных сил РФ имени Маршала Советского Союза А. М. Василевского (Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
E-mail: [email protected]
Амозов Евгений Владимирович адъюнкт, Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных сил РФ имени Маршала Советского Союза А. М. Василевского (Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
E-mail: [email protected]
Романчук Александр Сергеевич адъюнкт, Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных сил РФ имени Маршала Советского Союза А. М. Василевского (Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
E-mail: [email protected]
Zaytsev Aleksandr Vladimirovich Candidate of engineering sciences, professor, sub-department of radio aids of observation, Millitary Academy of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed Forces of the Russian Federation named after the USSR Marshal A. M. Vasylevsky (2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
Bitaev Evgeniy Sergeevich Head of research laboratory, Millitary Academy of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed Forces of the Russian Federation named after the USSR Marshal A. M. Vasylevsky (2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
Amozov Evgeniy Vladimirovich Postgraduate student, Millitary Academy of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed Forces of the Russian Federation named after the USSR Marshal A. M. Vasylevsky (2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
Romanchuk Aleksandr Sergeevich
Postgraduate student, Millitary Academy of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed Forces of the Russian Federation named after the USSR Marshal A.M. Vasylevsky (2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
УДК 621.396.67 Зайцев, А. В.
Методика синтеза сверхширокополосной линейной печатной антенной решетки с диаграммой направленности заданной формы /
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов, А. С. Романчук // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. -№ 1 (29). - С. 36-45.
