Микрополосковый делитель для антенной решетки малогабаритного радара с синтезированной апертурой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ МАЛОГАБАРИТНОГО РАДАРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Валерий Борисович Ромодин

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]; Новосибирский государственный технический университет; 630073, Россия, г Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры АИУС, e-mail: [email protected]

Виталий Сергеевич Кулик

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 1-й категории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрены требования для антенной решетки малогабаритных радаров с синтезированной апертурой. Изучены различные способы возбуждения элементов решёток. Исследована и рассчитана микрополосковаянесимметричная параллельная схема возбуждения для 12 элементов.

Ключевые слова: несимметричная параллельная схема возбуждения, антенная решетка.

MICROSTRIP DIVIDER FOR COMPACTSYNTHETIC APERTURE RADAR ANTENNA ARRAY

Vlery B. Romodin

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., laboratory chief, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, associate Professor, e-mail: [email protected]

Vitaly S. Kulik

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., engineer, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

In this article, the requirements for the antenna array for small synthetic aperture radar system are considered. The microstrip asymmetric parallel feed network for twelve elements was investigated and designed.

Key words: asymmetric parallel feed network, antenna array.

В настоящей работе приведены результаты проектирования микрополоско-вого делителя для антенной решёткималогабаритного РСА X-диапазона. В качестве зондирующего предполагается использовать сигнал с линейной час 25 дБ.

Одно из требований к антенной системе РСА состоит в постоянстве «отпечатка» главного луча антенны на сканируемой поверхности во всём диапазоне изменения частоты зондирующего сигнала. В известных конструкциях [1] это достигается с помощью разделения апертуры решётки на две симметричные части и противофазном возбуждении двух половин антенны. В процессе изменения

частоты главные лучи ДН половин апертуры смещаются в разные стороны, и суммарный главный луч антенны остаётся перпендикулярным плоскости антенны. Однако, как показали соответствующие расчёты, при достаточно большой девиации частоты суммарный луч «разрывается», и образуется значительный провал КНД на границах частотного диапазона. При девиации частоты порядка 1 ГГц необходимо применение параллельной схемы суммирования излучателей в решётке, которое свободно от этого недостатка.

Параллельные схемы возбуждения применяются, как правило, в «бинарном» варианте, который приводит к реализации равномерного амплитудного возбуждения в раскрыве антенны. ДН таких решёток имеет максимальный уровень боковых лепестков порядка -10...-13 дБ, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к антенне РСА. Для получения УБЛ порядка -25 дБ необходимо реализовать спадающее амплитудное распределение с отношением уровней возбуждения на краю антенны порядка 0,1...0,3. в зависимости от количества элементов в решётке. Чтобы реализовать такое деление мощности в простой параллельной схеме деления типа «ёлочка», требуется применение делителей мощности с несимметричным делением. При этом анализ показывает, что требуются делители с таким отношением мощностей между плечами, которые не могут быть реализованы на микрополосковых линиях передачи.

После анализа возможных схем возбуждения была принята схема сложного несимметричного параллельного возбуждения[2, с. 721], обеспечивающая син-фазность возбуждения элементов антенны и спадающее амплитудное распределение, дающее требуемый УБЛ ДН антенны. Для снижения значений требуемых коэффициентов деления предложено делить мощность между группами излучателей различного количества, сохраняя минимально возможный коэффициент деления.

Детальный анализ делителя мощности на линиях передачи, в первом приближении свободных от дисперсии (к которым относится микрополосковая линия), проведён в [3]. Делитель состоит из трёх четвертьволновых трансформаторов, нагруженных на три линии с волновым сопротивлением 70 (рис. 1).

1г 1з

Ъ

Рис. 1. Т-образный делитель

Если обозначить волновые сопротивления четвертьволновых трансформаторов во входной линии делителя и двух выходных, как Ъ^ Ъ2, Ъ3, то для деления в соотношении т:1имеем

7 7 И" + 1 7 7 Т ^ I-7 2 3 = П ' 2 0 'Л -

2 1 = п ■ 20= 22 = п ■ 20 'Ыт + 1, V т (1)

где п - свободный параметр, выбираемый из соображений удобства реализации делителя.

Если задать сопротивление трансформатора третьей линии равным Ъ0, то свободный параметр становится равным

1

п = ■

л/тгг

и для деления т:1 имеем

(2)

21 = I- , _ _ 2Т. =

1 -\/т +1' 2г = 20, 3 4т (3)

С помощью соотношений (1) -(3) рассчитан делитель для линейной решётки из 12 МПИ. В качестве подложки использован диэлектрик F4BM220 толщиной 0,5 мм с диэлектрической проницаемостью 8=2,2. Базовое значение волнового сопротивления линии питания Ъ0=100 Ом.

Для реализации УБЛ порядка -30 дБ в решетке из 12 излучателей использовано известное оптимальное дольф-чебышевское распределение, вычислены значения мощности, поступающие на каждый излучатель. После этого решётка разбита на группы элементов, потребляющие примерно равные количе ства мощности, для синфазной решётки, это выглядит следующим образом (Рис. 2).

На входе мощность делится пополам на две группы по 6 излучателей, затем следует второй делительТ2, ответвляющий мощность на 2 центральных и 4 периферийных излучателя. Третий делитель Т3 делит мощность между третьим и тремя периферийными излучателями, четвёртый делитель Т4 - между четвертым и двумя крайними излучателями. И наконец, соответствующие делители Т5 и Т6 делят мощность между излучателями 1-2 и 5-6. В результате получается достаточно компактная схема деления, при умеренных отношениях деления (не превышающих 3:1) обеспечивающая синфазное деление мощности при требуемом соотношении амплитуд возбуждения.

Рис. 2. Микрополосковый делитель для антенной решетки

0

Коэффициент отражения с входа (параметр S(1,1)) как делителя целиком, так и отдельных Т-делителей, хорошосогласован в широкой полосе частот (рис. 3). Отклонение амплитудного распределения от расчётного не превышает ±0,06, неравномерность фазы не превышает ±2° (таблица).

Частота, ГГц

_ _ _ _ Т-делитель Делитель на 6 частей

Рис. 3. Коэффициент отражения делителя

Таблица

Параметры сигнала на выходах делителя

Номер выхода 1 2 3 4 5 6

Требуемая амплитуда 1 0,9 0,725 0,514 0,311 0,172

Расчётная амплитуда 1 0,886 0,665 0,478 0,307 0,182

Разница 0 -0,014 -0,06 -0,036 -0,004 +0,01

Фаза, ° 91,7 90,3 91,3 88,9 90,9 90,0

Таким образом, на основе предложенного делителя СВЧ мощности возможна реализация антенны для РСА с девиацией частоты, превышающей 1 ГГц, и сохраняющей постоянство направления главного луча ДН во всем рабочем диапазоне частот.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. NanoSAR miniature SAR System for small UAVs. Дата обновления: 29.08.2006.URL:http://defense-update.com/products/n/nanosar.htm(дата обращения: 17.02.2017).

2. MicrostripAntennaDesignHandbook / R.Garg [etal.].- ArtechHouse, 2000 - 845 p.

3. Устройства СВЧ / Подред. Д.М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981 - 295 с.

© В. Б. Ромодин, В. С. Кулик, 2017