CC BY
327
УДК 621.396.67
ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗЛУЧАЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ФОРМИРОВАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ЛУЧЕЙ
С.Н. Панычев, Ю.Г. Пастернак, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров
В работе представлен обзор современных методов построения многолучевых систем на основе линзы Ротмана, матрицы Бласса, матрицы Батлера. Приведены их основные характеристики
Ключевые слова: линза Ротмана, матрица Бласса, матрица Батлера
Современные радары, радиометры, системы связи развиваются в направлении дальнейшего улучшения своих направленных свойств и реализации активной пространственной фильтрации радиочастот. Схемы с возможностью формирования нескольких лучей становятся все более привлекательными для коммерческих приложений, таких как space division multiplex access (SDMA), возимых радаров, и систем дистанционного зондирования. История диаграммообразующих схем (ДОС), лучше всего описана в [1], она восходит к ФАР РЛС реализованных в различных прикладных приложениях
[2].
ДОС являются важными компонентами для любой многолучевой системы. Как таковые, они являются предметом интенсивных исследований, как в плане производительности, так и в плане миниатюризация и уменьшения стоимости.
Существуют два основных типа ДОС, активные и пассивные.
Активные ДОС имеют ряд недостатков при использовании в сочетании с большим числом излучающих элементов. Наиболее известным недостатком является то, что сложность ДОС, необходимое пространство и стоимость растут линейно вместе с числом элементов. Для большого числа антенных лучей ДОС становятся сложными, дорогостоящими и не реализуемыми. Основным преимуществом таких систем является гибкость в создании какой-либо конкретной направленности излучения.
Альтернативой является пассивное формирование луча. Всеобъемлющий обзор суще-
Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 2-43-76-65
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 2-43-77-29
Рыжиков Артем Геннадьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(950) 779-44-97
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(904) 210-05-35
ствующих пассивных ДОС можно найти в [3]. Низкая стоимость, компактность и возможность одновременной обработки разных секторов пространства - являются основными их преимуществами. Пассивная ДОС отличается от электронной сканирующей решетки тем, что она имеет один порт для каждого отдельного луча. Если отдельная система передачи или приема подключена к каждому порту, то могут одновременно выполняться независимые операции в разных направлениях. Обращение к различным секторам пространства в одно и то же время приводит к увеличению пропускной способности системы (в частности, систем связи на основе SDMA) благодаря повторному использованию времени, кода и частоты.
На протяжении многих лет преобладали две пассивные ДОС: линза Ротмана [4] и матрица Батлера [5].
В линзе Ротмана используются различные пути распространения волны в пределах одной структуры, чтобы обеспечить для различных точек питания уникальный линейный сдвиг фазы на выходном порте. Эта очень компактная и дешевая многолучевая система может быть использована для высоких частот. К сожалению, на более низких частотах микроволнового диапазона линза Ротмана становится довольно большой и трудной для интеграции в компактную конструкцию приемопередатчика.
ДОС, основанные на линзах Рузе, Ротмана и линзах из параллельных пластин наиболее часто используются в многолучевых системах
[3]. Из существующих линз, диэлектрические линзы, такие как линзы Люнеберга, являются самыми дорогими и сложными в производстве в миллиметровом диапазоне частот [6]. Таким образом, лучшим выбором для больших антенных решеток является формирователи луча на основе линз Ротман или Рузе.
Рузе [7] разработал конструкцию линзы с двумя фокальными точками. Линзу Ротмана создали Ротман и Тернер [4] в 1963 году. Позже, Шелтон [8] упростил конструкционные
уравнения с помощью симметричных линзовых дуг. Тем не менее, варианты конструкторских параметров оставались ограниченными, и потому Катаги усовершенствовал линзу Ротмана, чтобы использовать различные значения фокального угла и угла сканирования [9]. Хансен [10] использовал набор компактных формул для расчета линзы Ротмана и описал влияние конструктивных параметров на форму линзы. Саймон [11] расширил этот набор конструкционных формул аппроксимацией для взаимной связи между произвольными лучами и портами решетки, из которой могут быть вычислены амплитуда линзы и фазовые ошибки.
Выходная дуга
Входная дуга
V
Расположение
антенны
Рис. 1. Схема линзы Ротмана
Линза Ротмана чаще всего используется в решетках излучающих антенных элементов. Линза на рисунке 1 генерирует на выходной дуге распределение амплитуды и фазы, которое одновременно производит несколько лучей, охватывающих различные секторы пространства. Каждый луч, сформированный линзой, в идеале имеет усиление однолучевой решетки того же размера. Каждому лучу, соответствует отдельный входной порт (порт луча) расположенный на входной дуге линзы. Первоначально линза представляла собой набор параллельных пластин, передающих волну от порта луча к порту решетки. Арчер [12] разработал микро-полосковую модификацию этой линзы. Во всех реализациях, дуги и их поверхности сформированы так, чтобы обеспечивать требуемые фазовые сдвиги в портах решетки для всех портов луча. В дополнение к одновременному использованию многих лучей, преимущества линзы Ротмана включают: простоту изготовления,
низкую стоимость, малый вес. Линза может быть сконструирована как устройство временной задержки, в результате чего будет получено частотно независимое управление лучом, и как следствие, очень хорошие широкополосные характеристики.
Большинство современных линз Ротмана разработаны и изготовлены в микрополосковом исполнении, в отличие от прежних волноводных структур. Плоские микрополосковые линзы на диэлектрической подложке меньше размером и проще в производстве (в связи с простотой процесса травления). Эта технология имеет следующие преимущества: низкая стоимость, компактный и низкопрофильный дизайн, простота интеграции с другими компонентами цепи.
Для хорошей работы любой линзы необходимо учитывать геометрию и расположение всех портов. Исследования ориентации порта и переход от 50 Омной микрополосковой линии к апертуре линзы из параллельных пластин было проведено Мусой и Смитом [13]. Они доказали, что линейный переход с углом раскрыва 12,5° не сильно отличается по производительности от угла раскрыва 7,5°. Обе конструкции обладают средним коэффициентом отражения от -1 5 до -18 дБ. В то время как порт с большим углом раскрыва показывает сильный рост среднего коэффициента отражения. Таким образом, для портов должен быть выбран угол раскрыва не больше 15°. С другой стороны, порты должны быть расположены как можно ближе друг к другу для того, чтобы избежать отражений от открытых границ вдоль контуров линзы. Для этого, дополнительные порты, называемые фиктивные порты, помещаются между контурами портов решетки и портов лучей, чтобы уменьшить возможные отражения и стоячие волны в линзе. Стоячие волны создают дополнительные, сложно оцениваемые фазовые и амплитудные ошибки и, следовательно, ухудшают производительность линзы.
Хорошие характеристики и наличие отработанных методов анализа для изготовления по различным технологиям делают линзы Ротмана привлекательными для использования в любых дискретных многолучевых систем. В результате, устройство широко используется в различных системах радиолокации и связи [14].
ДОС, состоящая из дискретных компонентов, таких как линии передач, делители мощности и устройства сложения мощности, собранные в матричную структуру, формирующую несколько лучей, является альтернативой линзовому типу ДОС. Линии передачи разной длины или другие фазовращатели обеспечивают фазовые сдвиги, необходимые этим матрицам для создания сканирующего луча. Устройства сложения мощности и делители мощности могут быть выбраны из совокупности пассивных
устройств, доступных в зависимости от используемых технологий.
Есть два основных типа ДОС используемых на практике: матрица Бласса [15] и матрица Батлера [5]. Матрица Бласса более гибкая в отношении фазового распределения, но имеет существенный недостаток - большие потери в связи с наличием ограничивающих линий.
Сравнение матриц Бласса и Батлера поможет определить преимущества и объяснить большую распространенность матрицы Батлера. Матрица Бласса состоит из строк и столбцов, как показано на рисунке 2. Количество строк соответствует количеству лучей. Столбцы используются для соединения всех входных портов излучающих элементов.
Рис. 2. Схема матрица Бласса
Все строки и столбцы матрицы связаны пересекающейся линией, выполненной в виде направленного крестового соединителя. Сигналы, принятые на каждом входном порте распространяются вдоль соответствующих линий питания, завершающихся согласованной нагрузкой, чтобы избежать отражения сигнала. На каждом пересечении, небольшая часть сигнала вводится в каждый столбец, возбуждая соответствующий излучающий элемент. Направленный соединитель рассчитан на хорошую передачу сигнала по прямой, и худшую передачу по ответвленной линии. Длины пути между входом и излучающим элементом определяют направление луча, тогда как распределение энергии по всей решетки контролируется коэффициентами связи.
Главными достоинствами матрицы Бласса является возможность создания нескольких лучей в произвольном направлении и покрытие широкого диапазона сканирования. Тем не менее, матрица Бласса также имеет два существенных недостатка, которые ограничивают производительность и делают ее сложной в из-
готовлении. Первым недостатком является наличие согласованной нагрузки в конце каждой линий. Это приводит к большим потерям по сравнению с матрицей Батлера. Лучшие описанные матрицы Бласса имеют теоретический КПД равный 80% [16]. Такая эффективность может быть достигнута только путем регулирования коэффициента связи на пересечениях. Коэффициент связи меняется в представленной конструкции [16] от-7 дБ до -28,77дБ, что значительно ограничивает конструкторские возможности при проектировании матрицы Бласса.
Второй и более существенный недостаток матрицы Бласса - взаимодействия между питающими линиями. Первый порт луча является исключением, имеющим хорошую изоляцию из-за высокой направленности соединителя. Возбуждение других портов производит вторичные лучи в связи с наличием нескольких путей распространения внутри матрицы.
Рис. 3. Схема матрицы Батлера
По сравнению с матрицей Бласса, матрица Батлера обеспечивает полную передачу мощности к антенной решетке. Впервые матрица Батлера была представлена в 1961 Батлером и Лове [5]. Матрица Батлера строится посредством объединения фиксированных секций фазовращателей и соединителей, как показано на рисунке 3. Эта матрица требует меньшего количества соединителей и пересечений по сравнению с матрицей Бласса. Это становится особенно ясно, если обратить внимание на то, что конструирование одного соединителя не может сравниться с проектированием КхК направленного соединителя (К - число входных и выходных портов).
Таким образом, несмотря на наличие сильных сторон, матрица Бласса имеет серьезные недостатки с точки зрения количества компонентов, сложности конструирования, и, что особенно важно, потерь, которые будут увеличиваться с размерами матрицы. Малое количество описанных конструкций этой матрицы, подтверждает это мнение.
Литература
1. A.J. Fenn, D.H. Temme, W.P. Delaney, and W.E. Courtney, "The development of phased-array radar technology", Lincoln Laboratory Journal, vol. 12, pp. 321-340, 2000.
2. C.A. Fowler and C.A.F. Associates, "Old radar types never die; they just phased array or... 55 years of trying to avoid mechanical scan", Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, vol. 13, pp. 24A-24L, 1998.
3. P. S. Hall and S. J. Vetterlein, "Review of radio frequency beamforming techniques for scanned and multiple beam antennas", Microwaves, Antennas and Propagation, IEE Proceedings H, vol. 137, pp. 293-303, 1990.
4. W. Rotman and R. Turner, "Wide-angle microwave lens for line source applications", Antennas and Propagation, IEEE Transactions, vol. 11, pp. 623-632, 1963.
5. J. Butler and R. Lowe, "Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas", Electronic Design, vol. 9, pp. 170173, 1961.
6. J.J. Lee, "Lens Antennas", Antenna Handbook, 1993.
7. J. Ruze, "Wide-angle metal-plate optics", Proc IRE, vol. 38, 1950.
8. J. Shelton, "Focusing characteristics of symmetrically configured bootlace lenses", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on [legacy, pre-1988], vol. 26, pp. 513-518, 1978.
9. T. Katagi, S. Mano, and S. Sato, "An improved design method of Rotman lens antennas", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 32, pp. 524-527, 1984.
10. R.C. Hansen, "Design trades for Rotman lenses", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 39, pp. 464-472, 1991.
11. P.S. Simon, "Analysis and synthesis of Rotman lenses", 22-nd AIAA International Communications Satellite Systems Conference & Exhibit 2004, p. 2004, 2004.
12. D.Archer, "Lens-fed multiple beam arrays", Microwave Journal, vol. 27, pp. 171-172, 1984.
13. L. Musa and M.S. Smith, "Microstrip port design and sidewall absorption for printed Rotman lenses", Microwaves, Antennas and Propagation, IEE Proceedings H, vol. 136, pp. 53-58, 1989.
145 C. Metz, J. Grubert, J. Heyen, A.F. Jacob, S. Janot, E. Lissel, G. Oberschmidt, and L.C. Stange, "Fully integrated automotive radar sensor with versatile resolution", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 49, pp. 2560-2566, 2001.
15. J. Blass, "Multidirectional antenna - A new approach to stacked beams", IRE International Convention Record, vol.
8, I960.
16. S. Mosca, F. Bilotti, A. Toscano, and L. Vegni, "A novel design method for Blass matrix beam-forming networks", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 50, pp. 225-232, 2002.
Воронежский государственный технический университет
REVIEW OF CONSTRUCTION METHODS OF ANTENNA DEVICES WITH ABILITY
OF MULTIPLE BEAMFORMING
S.N. Panychev, Yu.G. Pasternak, A.G. Ryzhikov, S.M. Fedorov
This paper presents an overview of modern construction methods of multibeam systems by use of Rotman lens, Blass matrix, and Butler matrix. Their main characteristics are described
Key words: Rotman lens, Blass matrix, Butler matrix
