CC BY
50Список литературы
1. Верба В. С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. М.: Радиотехника, 2008. 432 с.
2. Многофункциональные антенные решетки с комплексным управлением (Методы параметрического синтеза) / Б. Д. Мануилов, П. Н. Башлы, М. Б. Мануилов и др. / РВИРВ. Ростов н/Д, 2009. 319 с.
3. Пат. RU 2169970 C2. МПК7 H01Q3/26. Способ энергетической оптимизации МАР с совместным формированием лучей / Б. Д. Мануилов, П. Н. Башлы, А. Б. Каменюк, С. В. Тугушев. Опубл. 27.06.2001. Бюл. № 18.
4. Башлы П. Н., Мануилов Б. Д. Синтез диаграмм направленности антенной решетки многофункциональной радиотехнической системы // Антенны. 2006. № 4. С. 7-12.
M. R. Bibarsov
Military Academy of communication
V. A. Voloshina, S. V. Zemlynsky, B. D. Manuilov, V. V. Shatsky Military academy n. a. Peter the Great (branch on Rostov-on-Don) N. V. Shatsky
Section regarding defensive problem of department of defense Russian federation in Presidium of Russian academy of sciences
Research of characteristics of multi-functional array
For the integrated radio electronic complexes we consider a version of constructing a multifunctional AA providing a multimode kind of operation. The realization of the MAA is designed with the having discrete three digital phase shifters. We present the results of the numerical simulation.
Radio-electronic means, multifunctional antenna array, digital antenna array, directivity pattern, discrete phase shifter, phase distribution, control phase shifters, reversible counter, decoder
Статья поступила в редакцию 26 января 2011 г.
УДК 621.396.67
А. Д. Французов
ОАО «НПП "Радар ММС"» (Санкт-Петербург)
Проблемы конструирования сверхширокополосных антенн для излучения сверхкороткоимпульсных сигналов
Рассмотрена проблема расширения полосы согласования, возникающая при конструировании антенн для излучения сверхкоротких импульсов. Показано, что двухрупорная антенна Лалезари создает поле излучения на высоких частотах за счет излучения рупоров, а на низких частотах как симметричный вибратор. С учетом этой особенности удается, используя принцип композиции, сконструировать параметрический ряд антенн, имеющих существенно большую полосу согласования, чем исходная антенна Лалезари.
Двухрупорная антенна Лалезари, рупорная и вибраторная составляющие поля излучения, композиция рупорного и вибраторного излучателей, оптимизация формы вибраторного излучателя, параметрический ряд антенн
Проблемы конструирования сверхширокополосных (СШП) антенн для излучения сверхкороткоимпульсных сигналов определяются требованиями к таким антеннам. Как известно [1], излученный сверхкороткий импульс в дальней зоне дифференцируется, а его спектр смещается в область более высоких частот, поэтому антенна должна одинаково хорошо излучать исходный импульс и принимать продифференцированный импульс. Ан© Французов А. Д., 2012 9
тенна, применяемая в радиолокаторе, работающем иа сверхкоротких импульсах, должна успешно принимать и более высокие производные от излучаемого импульса из-за возможных переотражений сигнала. Очень важным требованием к антенной системе, предназначенной для излучения сверхкороткого импульса, является наличие четко выраженного фазового центра с минимальными искажениями фазового фронта волны, поскольку отсутствие такого центра (и связанные с этим существенные фазовые искажения фронта волны) приводят к растягиванию во времени и в пространстве импульса излучения. Иногда, например в случае применения логопериодической антенны, импульс распадается на несколько импульсов, следующих друг за другом. Искажения импульсной последовательности также приводят к уменьшениям пиковой мощности и крутизны фронта импульса излучения.
Согласование антенной системы с генератором импульса представляет отдельную проблему. В силу низкого выходного сопротивления полупроводниковых приборов сопротивление выходной фидерной линии генератора необходимо уменьшать. Однако из-за требований максимальной электрической прочности и минимума потерь в коаксиальной линии, а также из соображений стандартизации, выходное сопротивление фидера генератора необходимо выполнить равным 50 или 75 Ом.
Классифицировать СШП излучатели удобно по конструктивным признакам. Такая классификация включает: 1) объемные вибраторы; 2) плоские вибраторы; 3) конические излучатели; 4) объемные рупоры; 5) секториальные рупоры. В последнее время для излучения сверхкоротких импульсов широкое применение нашли именно секториальные рупоры как имеющие минимальные габариты в ^-плоскости. Наиболее известным полоско-вым секториальным рупором является излучатель Вивальди [2]. Антенна Вивальди возбуждается несимметричной полосковой линией, которая плавно переходит в ленточную линию, а ленточная линия расширяется в экспоненциальный секториальный рупор.
Развитием идеи антенны Вивальди является двухрупорная антенна Лалезари [3]. Попытка существенно упростить систему питания приводит к излучателю с двухсторонним излучением. Однако этот недостаток легко устранить, если антенну выполнить на гибкой подложке и согнуть в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки, на 180°. Типичной полосой согласования такой антенны является fmax/ fm\n = 9 при КСВ < 3.
Антенна Лалезари (рис. 1) состоит из двух параллельных подложек 1 и 2 из диэлектрического материала и одной поперечной подложки 3 из того же материала. На подложки 1 и 2 с зеркальной симметрией нанесены слои металлизации 4 и 5 из медной фольги. Верхние слои металлизации 4 на подложках 1 и 2 своими нижними криволинейными кромками и нижние слои металлизации 5 на подложках 1 и 2 своими верхними криволинейными кромками обра-i зуют плавно расширяющиеся секторные
3-
f, ГГц
Рис. 2
рупоры. Возбуждение этих рупоров произ- КСВ водится щелевой линией, которая образуется на поперечной торцевой подложке 3 между верхней 6 и нижней 7 металлизациями. Щелевая линия, в свою очередь, возбуждается либо коаксиальной, либо несимметричной полосковой, либо двухпроводной ленточной линиями в центре щели стандартным способом (на рисунке не показано). Рупоры, образуемые кромками металлизаций 4 и 5, на верхних и на нижних краях подложек 1 и 2 замыкаются перемычками 8 и 9 так, что эти перемычки образуют верхнюю и нижнюю кромки раскрыва в ^-плоскости.
Описанная антенна исследована с целью увеличения полосы согласования при малом дрейфе фазового центра с изменением частоты излучения. Типичный график КСВ такой антенны показан на рис. 2. КСВ < 3 наблюдается в диапазоне частот 2.75.. .17.15 ГГц. Эта часть частотной характеристики определяется волнами, возбуждаемыми в секторных рупорах. Характерный минимум характеристики КСВ на частоте 1.6 ГГц обусловлен наличием вибраторной составляющей поля излучения.
Это утверждение подтверждается формой диаграммы направленности антенны в ^-плоскости (рис. 3). На частоте 1.6 ГГц диаграмма направленности соответствует диаграмме вибратора: коэффициент усиления G в направлении 180° на 0.9 дБ меньше коэффициента усиления в направлении 0°. На частоте 6 ГГц диаграмма направленности типична для рупора: излучение в направлении 180° на 27.75 дБ меньше излучения в направлении 0°.
Известно [4], что широкополосный вибратор возбуждается точно так же, как антенна Лалезари, - с помощью узкой щели. Исходя из этого, можно составить композиционную схему компоновки антенны Лалезари и широкополосного вибратора. Для этого предварительно выполнена оптимизация антенны Лалезари. Критерием оптимальности выбрано значение КСВ в максимальной полосе частот при минимуме габаритных размеров. В качестве изменяемых параметров выбраны размеры секторных рупоров, ширина возбуждающей щели и кривизна кромок, образующих секторные рупоры. Оптимизация выполнена в среде конструирования Microwave Studio. Оптимизированная структура представлена на рис. 4. Антенна выполнена из медной фольги толщиной 0.1 мм. В торцевой пла-
G, дБ 0
-2.5 -5.0 -7.5
0
f = 1.6 ГГц
60
120
G, дБ 0 -10 -20 -30
f = 6 ГГц
е, ...°
Рис. 3
е
ксв
f, ГГц
Рис. 4
Рис. 5
стине 2 прорезана узкая щель 1, в центр которой подключен генератор. Излучение создается кромками 3 продольных пластин фольги.
В результате оптимизации антенна имеет КСВ < 3 в полосе частот 2...20 ГГц, причем на частоте 20 ГГц КСВ < 2.5 (рис. 5).
Композиция секторных рупоров с симметричным вибратором представлена на рис. 6. К имеющимся на рис. 4 элементам модели добавлены вибраторы 4. Форма этих рупоров имеет некоторые особенности. Так, часть, помещенная между пластинами из фольги, образует некоторое подобие волноводного рупора, а передняя стенка прямоугольного в сечении вибратора скошена к задней стенке. Подобная форма вибратора улучшает согласование как на верхних частотах, так и на нижних частотах (причем существенно больше).
На рис. 7 представлена зависимость КСВ оптимальной по критерию минимума КСВ при минимальных габаритах антенны. Из зависимости следует, что на частоте 20 ГГц КСВ уменьшился с 2.5 до 2.35, а нижняя частота, на которой КСВ = 3, сдвинулась с 2 до 1.3 ГГц. Кроме этого, зависимость КСВ в полосе согласования стала более пологой и практически во всей полосе согласования КСВ < 2.
С использованием композиции вибратора и рупорной антенны Лалезари разработана реальная конструкция такой антенны в полосковом исполнении. Разработка антенны с улучшенными характеристиками по согласованию в сверхширокой полосе частот выполнена на основе моделирования конструкции в среде Microwave Studio. Модель показана на рис. 8, а, где 1 - входная коаксиальная линия с поперечными размерами, соответствующими разъему типа SMA; 2 - поперечная подложка из диэлектрика типа Rogers R04003 с диэлектрической проницаемостью 3.38; 3 - полоска, выполненная на поперечной подложке, возбуждающая щель 4; 5 - кромки металлизации продольных подложек 6 из того же диэлектрического материала; 7 - вибраторы.
1 2
/_/
КСВ
Рис. 6
5 10
Рис. 7
f, ГГц
1
2
3
1
3
1
Рис. 8
Оптимальные размеры модели составили 86х34*9 мм. Расчетный график КСВ модели показан на рис. 9 (кривая 1).
По оптимизированной модели разработана и изготовлена антенна Лалезари со встроенным широкополосным вибратором для проверки предложенной методики композиции. Общий вид антенны показан на рис. 8, б. Входной разъем 1 антенны типа SMA предназначен для впаивания в печатную плату. Корпус припаивается по четырем углам фланца разъема четырьмя ножками к наружной металлизации поперечной подложки, а центральный проводник припаивается к полоске несимметричной полосковой линии, возбуждающей щель. Продольные платы 2 с секторными рупорами на внутренних поверхностях платы соединены винтами с вибраторами 3, которые, в свою очередь, присоединены винтами к поперечной подложке с разъемом. Металлизация продольных плат кроме того соединена с наружной металлизацией поперечной платы паяными перемычками. График КСВ экспериментального образца сконструированной антенны, измеренный анализатором цепей типа Agilent PNA-L №5230C, показан на рис. 9 (кривая 2).
Экспериментальный график КСВ в области низких частот лежит ниже расчетного, в то время как на высоких частотах экспериментальные значения КСВ больше, чем расчетные. Так, экспериментальный график превосходит значение 2 при частоте 10.24 ГГц, а расчетный начинает превышать то же значение КСВ при частоте 10.4 ГГц. На частоте 12 ГГц экспериментальный КСВ = 3.3, а расчетный КСВ = 2.35. В целом же графики КСВ очень хорошо коррелированы, что подтверждает правильность выбранной методики композиции вибраторной антенны и антенны Лалезари с целью расширения полосы согласования СШП антенн.
Использование разработанной методики позволило провести синтезирование СШП антенн: одной в диапазоне от 40 МГц до 1.4 ГГц; другой в диапазоне от 4 до 40 ГГц. Чертеж первой из них представлен на рис. 10, частотная зависимость КСВ показана на рис. 11. Согласование производилось на входное сопротивление 75 Ом.
Синтезированный вибратор помимо скосов имеет утолщение на концах в виде галтелей в ^-плоскости. Попытка округления галтелей приводила к некоторому увеличению КСВ, хотя и незначительному. В резуль- р
КСВ
4-
f, ГГц
Рис. 10
тате удалось во всем диапазоне согласования добиться КСВ < 2, кроме частоты 40 МГц, на которой КСВ < 3. Вибраторы, так же как и металлические пластины рупорных излучателей, необязательно делать сплошными. Они могут быть выполнены из сравнительно тонких металлических сеток, размеры ячейки которых не превышают ^m|n/6, где Xmjn
- минимальная длина волны диапазона согласования.
Размеры второй модели синтезированной антенны (на диапазон частот 4...40 ГГц) составляют 30Х10.5Х3.3 мм. Расчетная частотная зависимость КСВ такой антенны, выполненной на подложке из диэлектрика типа Rogers R04003 толщиной 0.508 мм, показана на рис. 12. Он нигде не превышает значения 2.4 и только на частоте 4 ГГц равен 3.
Основные характеристики синтезированных СШП антенн сведены в таблицу. Из нее следует, что синтезированные антенны перекрывают весь диапазон частот от 40 МГц до 40 ГГц.
КСВ
2-
3.5 7
Рис. 11
10.5
КСВ
2-
f, ГГц
10 20
Рис. 12
f, ГГц
1
1
0
Антенна Диапазон частот, Размер Длина, мм Длительность
ГГц в ^-плоскости, мм в ^-плоскости, мм излучаемого СКИ, нс
1 0.04.1.4 2400 300 950 8.0.1.2
2 1.0.12 86 9 34 0.26.0.04
3 4.40 30 3.3 10.5 0.1.0.02
Однако исходя из длительности излучаемого сверхкороткого импульса такого перекрытия явно недостаточно. Одна антенна способна излучать импульсы с перекрытием 6.6.5.0.
Таким образом, предложенный метод синтеза антенн позволяет существенно расширить диапазон согласования антенн по сравнению с исходной антенной Лалезари.
Список литературы
1. Кардо-Сысоев А. Ф., Флеров А. Н., Французов А. Д. Явление сверхусиления направленного действия антенны при излучении сверхширокополосных короткоимпульсных сигналов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 2. С. 3-12.
2. US Patent 4,500,887. ICl. H01Q1/38; H01Q13/08 (2006.01.01). Nester W. Н. Microstrip notch antenna. Publ. February 19, 1985.
3. US Patent 4,843,403. ICl. H01Q 13/08; H01Q 13/10 (2006.01.01). Lalezari F., Gilbert C. G., Rogers J. M. Broadband notch antenna. Publ. June 27, 1989.
4. Зернов Н. В. Теория диапазонных слабонаправленных антенн УКВ / ЛКВВИА им. А. Ф. Можайского. Л., 1958. 180 с.
A. D. Frontsuzov
JSC «RPE "Radar MMS"» (Saint-Petersburg)
Problems of design ultra-wide band antennas for radiation ultra-short pulsed signals
The problem of broad banding of the coordination, arising when constructioning antennas for radiation of super short pulses is considered. It is shown that Lalezari's two-funnel-shaped antenna creates a radiation field on high frequencies at the expense of radiation of horns, and on low frequencies - as the symmetric vibrator. Using this feature, it is possible, using a composition principle, to construct a parametric row of the antennas having essentially big band of coordination, than Lalezari's initial antenna.
Two horn antenna Lalezari, horn and dipole components field of the radiation, principle to compositions horn and dipole radiators, optimization of the form dipole radiator, parametric row of the antennas
Статья поступила в редакцию 5 сентября 2011 г.
