CC BY
55
Радиотехника и связь
DOI 10.25987/VSTU.2020.16.3.004 УДК 621.396.67
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С ДИАГРАММООБРАЗУЮЩЕЙ СХЕМОЙ НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНОЙ ЛИНЗЫ РОТМАНА
А.В. Ашихмин1, А.В. Иванов2, Ю.Г. Пастернак1,2,3, П.В. Першин1, Ф.С. Сафонов3,
С.М. Федоров3, И.А. Зеленин3
1 Научно-производственная компания АО «ИРКОС», г. Москва, Россия 2 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Россия
3 Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: pадиопеленгация источников радиоизлучений (ИРИ) является одной из приоритетных областей применения систем радиоконтроля. Рассмотрены варианты построения радиопеленгаторных антенных решеток с однокоординатным управлением диаграммы направленности с диаграммообразующей схемой на основе печатной линзы Ротмана, приведены результаты их электродинамического моделирования. Предложены варианты построения радиопеленгаторных антенных решеток с однокоординатным управлением диаграммы направленности с диаграммо-образующими схемами (ДОС) на основе печатной линзы Ротмана, приведены результаты их электродинамического моделирования. Показана возможность интегрального исполнения сверхширокополосной антенной решетки с коммутационным сканированием в плоскости вектора напряженности электрического поля с ДОС на основе печатной линзы Ротмана. Наиболее удобными для реализации видами излучателей являются печатные логопериодические антенны и антенны Вивальди. При использовании в качестве элементов решетки плоских вибраторов с общим рефлектором и директорами удается повысить коэффициент полезного действия элементов в составе решетки за счет взаимного влияния излучателей по внешнему полю. Рассмотренные варианты линейных антенных решеток, управляемые с помощью линзы Ротмана, могут использоваться для построения антенных решеток с двухкоординатным сканированием
Ключевые слова: радиопеленгация, линза Ротмана, антенна Вивальди
Введение
Радиопеленгация источников радиоизлучений (ИРИ) является одной из приоритетных областей применения систем радиоконтроля. Среди важных направлений улучшения аппаратуры радиопеленгации можно выделить следующие: повышение энергетического потенциала комплексов в сверхширокой полосе частот, повышение надежности их функционирования, уменьшение габаритных размеров аппаратуры, обеспечение хорошей повторяемости ее характеристик в серийном производстве, снижение стоимости [1, 2].
Применение технологии производства печатных плат для реализации элементов и диа-граммообразующих схем (ДОС) фазированных антенных решеток (ФАР) позволяет достичь всех обозначенных выше целей. При этом существенного повышения энергетического потенциала аппаратуры позволяет добиться применение линз Люнеберга (при полноазимутальной зоне
© Ашихмин А.В., Иванов А.В., Пастернак Ю.Г., Першин П.В., Сафонов Ф.С., Федоров С.М., Зеленин И.А., 2020
действия комплекса) или линз Ротмана (при секторном обзоре пространства) в печатном исполнении с размещенными на них малошумящими усилителями высокой частоты [3-5].
В настоящей работе предложены варианты построения радиопеленгаторных антенных решеток с однокоординатным управлением диаграммы направленности с ДОС на основе печатной линзы Ротмана, приведены результаты их электродинамического моделирования методом Вейланда [6].
Вертикальные линейные антенные решетки, запитанные с помощью линзы Ротмана
Для повышения разрешающей способности радиопеленгаторов СВЧ и КВЧ диапазонов волн в угло-местной плоскости перспективным является использование вертикальных линейных антенных решеток, запитанных с помощью линзы Ротмана.
Весьма привлекательной идеей является изготовление антенной решетки и линзы Ротмана в виде единой печатной платы, представленной на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Интегрирование линейной антенной решетки из элементов Вивальди с линзой Ротмана
Е31 63 ¡СЕЗ ЕЗ в 4 1 41, ю ¿3 Е21 ^-э г ^Ь Е-51
Р- р—а Е—°
, 41, „щ. ф # Л 4 "1 ° <И>
1 Д
чУ
б)
в)
Ротмана, на участке принудительного преломления, а также в экспоненциальных трансформаторах преобладает ТЕМ-волна, направления распространения которой и фазовая скорость не претерпевают существенных изменений при сворачивании ДОС в рулон. В этом случае свернутая в рулон ДОС будет выполнять дополнительную роль стойки жесткости, на которой расположена вертикально ориентированная антенная решетка, как это показано на рис. 3.
Рис. 2. Антенная решетка из вибраторных логопериодиче-ских антенн, интегрированная с линзой Ротмана
Линза Ротмана может быть реализована в виде несимметричной или симметричной полос-ковой линии. Несимметричная полосковая линия конструктивно проще, однако симметричный вариант исполнения имеет ряд преимуществ: практически не имеет потерь на излучение, более компактен. Кроме того, реализация линзы Рот-мана с помощью симметричной полосковой линии (две земли и между ними тело линзы с трансформаторами и участком принудительного преломления) дает возможность свернуть ДОС в рулон достаточно малого диаметра. В теле линзы
Рис. 3. Кольцевая антенная решетка из линейных вертикальных антенных подрешеток, питаемых с помощью линз Ротмана, свернутых в спирали небольшого диаметра
Для реализации данного подхода диэлектрик должен быть достаточно гибким и тонким, однако следует помнить о том, что при уменьшении толщины диэлектрической подложки неизбежен рост потерь в металле. Поэтому следует выбирать ламинат со слоем металла, выполненным по технологии проката (при гальваническом осаждении металла омические потери будут существенно большими).
Антенная система, модель которой показана на рис. 3, дает возможность реализовать двух-координатное управление диаграммой направленности: по азимуту в диапазоне от 0° до 360°, а также по углу места в секторе ± 45° (максимально достижимый сектор сканирования антенной решетки с ДОС в виде линзы Ротмана достигает ± 60°).
Линейная антенная решетка на основе сверхширокополосных плоских вибраторов, запитанных с помощью линзы Ротмана
Весьма перспективными элементами для построения антенных решеток, диаграмма направленности которых управляется с помощью линзы Ротмана, являются сверхширокополосные плоские вибраторы с рефлектором и директором, показанные на рис. 4. Каждый вибратор запитан
с помощью полоскового симметрирующего и согласующего трансформатора. Полоса рабочих частот вибратора - от 1 ГГц до 3 ГГц, габаритные размеры - 58^58x53.5 мм3.
В процессе численного анализа уединенного антенного элемента использовалась его упрощенная физическая модель: непосредственно к рефлектору примыкала бесконечно протяженная электрическая стенка. Таким образом была проведена оценка характеристик согласования элемента в наиболее неблагоприятном случае; главный лепесток диаграммы направленности элемента в данном случае характеризуется наименьшей шириной, что позволяет получить оценку минимально возможного сектора сканирования.
Рис. 4. Сверхширокополосный вибратор с рефлектором и директором
Входные характеристики плоского вибратора с рефлектором и директором приведены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Номограмма Смита уединенного плоского вибраторного антенного элемента с рефлектором и директором
Рис. 6. Коэффициент отражения (Бп), дБ, на входе уединенного плоского вибраторного антенного элемента с рефлектором и директором
Частотные зависимости эффективности излучения и суммарного коэффициента полезного действия (обе зависимости в дБ) приведены на рис. 7.
Рис. 7. Потери в диэлектрике и металле в уединенном антенном элементе (линия 1) и суммарные потери с учетом рассогласования антенного элемента (линия 2)
Анализ показал, что форма диаграммы направленности остается практически неизменной в полосе частот с трехкратным перекрытием, рис. 8.
в) частота 3 ГГц
Рис. 8. Объёмная диаграмма направленности вибраторного антенного элемента в полосе частот 1 ГГц - 3 ГГц
Ширина главного лепестка в азимутальной плоскости х0y изменяется в полосе частот от 1
до 3 ГГц в пределах от 76 ° до 111°; коэффициент направленного действия изменяется от 7.5 дБи до 9.5 дБи.
Модель линейной антенной решетки из 10 плоских вибраторных элементов с общим рефлектором и директорами показана на рис. 9.
Рис. 9. Линейная антенная решетка из 10 вибраторных элементов с общим рефлектором и директорами
Отметим интересный момент: благодаря взаимной связи по внешнему полю между соседними элементами существенно улучшается согласование в низкочастотной области исследуемого диапазона частот 1 ГГц - 3 ГГц, что выражается в уменьшении суммарных потерь вплоть до 6 дБ (рис. 10). Диаграмма направленности антенной решетки на ряде дискретных частот приведена на рис. 11, 12.
Рис. 10. Потери в диэлектрике и металле в элементе, находящемся в составе антенной решетки -линия 1; суммарные потери (с учетом рассогласования антенного элемента) - линия 2
X.
г.1 ^
у
X
Approximation enabled (kR »s 1 )
Component Abs Output Directivity
X.
в) частота 3 ГГц
Рис. 11. Диаграмма направленности антенной решетки при фазировании главного лепестка в направлении 45° от нормали (сектор сканирования в угло-местной плоскости составляет ± 450 от нормали)
Рис. 12. Разрезы в плоскости сканирования диаграммы направленности антенной решетки при фазировании главного лепестка в направлении 45° от нормали
Для формирования диаграммы направленности антенной решетки в секторе сканирования шириной 90° используется печатная линза Ротмана. Линза выполнена в виде симметричной
полосковой линии на материале Rogers 3003, полная толщина 1 мм. Сектор сканирования составляет ±45° от нормали. Топология линзы показана на рис. 13.
Рис. 13. Топология линзы Ротмана
На рис. 14-20 показаны основные характеристики антенной решетки с ДОС на основе печатной линзы Ротмана. На рис. 21 приведен вид типичной диаграммы направленности ФАР с линзой Ротмана.
Рис. 14. Частотные зависимости коэффициентов отражения Su от входов линзы, дБ
J Realized Gain,Phi=90,Main Lobe Direction esults\New Folder
Realized Gain,Phi=90,Main Lobe Direction_2 Realized Gain,Phi=90,Main Lobe Drection_3 tealized Gain,Phi=90,Main Lobe Direction_4
--
—-- ---
-
Рис. 15. Частотные зависимости углового положения максимума главного лепестка антенной решетки при запитке центрального и боковых портов линзы Ротмана
-•— Realized Gain,Phi=90,Angular Width x dB -ÉC- Realized Gaii,Phi=90,Angular Width x dB_l -■— Realized Gain,Phi=90,Angular Width x dB 2
Realized Gain,Phi=90,Angular Width x dB_3 -♦— Realized Gain,Phi=90,Angular Width x dB_4
Рис. 16. Ширина главного лепестка ДН антенной решетки, град., по уровню -3 дБ в плоскости сканирования в полосе частот 1 ГГц - 3 ГГц при запитке центрального и боковых портов линзы Ротмана
Рис. 17. Частотные зависимости коэффициента усиления (с учетом потерь и рассогласования) антенной решетки, запитанной с помощью линзы Ротмана
—•— Realized Gain,Phi=90,Side Lobe Level —A— Realized Gain,Phi=90,Side Lobe Level_l -■— Realized Gain,Phi=90,Side Lobe Level_2 -f— Realized Gain,Phi=90,Side Lobe Level_3 —♦— Realized Gain,Phi=90,Side Lobe Level_4
1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency / GHz
Рис. 18. Частотные зависимости уровня боковых лепестков (дБ) антенной решетки, запитанной с помощью линзы Ротмана
Рис. 19. Частотные зависимости потерь (дБ) в диэлектрике и металле антенной решетки, запитанной с помощью линзы Ротмана
Рис. 20. Частотные зависимости полных потерь (дБ) в диэлектрике, металле, балластных резисторах линзы Ротмана и потерь на рассогласование антенной решетки, запитанной с помощью линзы Ротмана
Рис. 21. Диаграмма направленности антенной решетки, запитанной с помощью линзы Ротмана, на частоте 2.5 ГГц
Заключение
Рассмотрены варианты построения радиопе-ленгаторных антенных решеток с однокоорди-натным управлением диаграммы направленности с ДОС на основе печатной линзы Ротмана. Показана возможность интегрального исполнения сверхширокополосной антенной решетки с ком-
мутационным сканированием в плоскости вектора напряженности электрического поля с ДОС на основе печатной линзы Ротмана. Наиболее удобными для реализации видами излучателей являются печатные логопериодические антенны и антенны Вивальди.
При использовании в качестве элементов решетки плоских вибраторов с общим рефлектором и директорами удается повысить коэффициент полезного действия элементов в составе решетки за счет взаимного влияния излучателей по внешнему полю.
Рассмотренные варианты линейных антенных решеток, управляемых с помощью линзы Ротмана, могут использоваться для построения антенных решеток с двухкоординатным сканированием.
Литература
1. Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля/ А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин, И.Б. Крыжко, П.В. Першин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2018. Т. 2. С. 375-382.
2. Radio monitoring. Problems, Methods and Equipment/ A.M. Rembovsky, A.V. Ashikhmin, V.A. Kozmin, S.M. Smol-skiy. Dordrecht: Springer, 2009. 507 p.
3. Dhouibi A., Burokur S.N., Lustrac A. Compact Met-amaterial-Based Substrate-Integrated Luneburg Lens Antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. Pp. 1504-1507.
4. Su Y., Chen Z.N. A Flat Dual-Polarized Transformation-Optics Beamscanning Luneburg Lens Antenna Using PCB-Stacked Gradient Index Metamaterials // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66. No. 10. Р. 9-11.
5. Manafi S., Fernandez Gonzalez J.M., Filipovic D.S. Design of a Perforated Flat Luneburg Lens Antenna Array for Wideband Millimeter-Wave Applications // 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Krakow, Poland, 2019. No. 3. Р. 3-9.
6. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication. 1977. Vol. 31. Pp. 116-120.
Поступила 11.03.2020; принята к публикации 16.06.2020 Информация об авторах
Ашихмин Александр Владимирович - д-р техн. наук, профессор, директор ОСП в г. Воронеже, Научно-производственная компания АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), e-mail: [email protected]
Иванов Александр Владимирович - канд. техн. наук, старший преподаватель, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), e-mail: [email protected]
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); ведущий инженер, Научно-производственная компания АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21); старший научный сотрудник научно-исследовательского центра, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), e-mail: [email protected]
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, Научно-производственная компания АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Москва, Звездный бульвар, д.21), e-mail: [email protected]
Сафонов Федор Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Федоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
DESIGNING PERSPECTIVE ANTENNA ARRAYS WITH A DIAGRAM-FORMING SCHEME
BASED ON A ROTMAN PRINTED LENS
A.V. Ashikhmin1, A.V. Ivanov2, Yu.G. Pasternak1,2,3, P.V. Pershin1, F.S. Safonov3, S.M. Fedorov3,
I.A. Zelenin3
1 JSC "IRCOS", Moscow, Russia 2 Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin
Military-Air academy", Voronezh, Russia 3Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: radio direction finding of radio emission sources (RES) is one of the priority areas of application of radio monitoring systems. The article considers variants of the construction of direction-finding antenna arrays with single-axis beam control with a beam-forming diagram based on a printed Rotman lens and presents the results of their electrodynamic modeling. We propose options for constructing direction-finding antenna arrays with single-axis control of the radiation pattern with chart forming circuit (CFC) based on a printed Rotman lens, and present the results of their electrodynamic modeling. We show the possibility of the integrated design of an ultra-wideband antenna array with switching scanning in the plane of the electric field vector with CFC based on a printed Rotman lens. The most convenient types of emitters for implementation are printed log-periodic antennas and Vivaldi antennas. When using flat vibrators with a common reflector and directors as lattice elements, it is possible to increase the efficiency of the elements in the lattice due to the mutual influence of the emitters in the external field. The considered options for linear antenna arrays, controlled using the Rotman lens, can be used to build antenna arrays with two-axis scanning
Key words: radio direction finding, Rotman lens, Vivaldi antenna
References
1. Ashikhmin A.V., Koz'min V.A., Kryzhko I.B., Pershin P.V., Tokarev A.B. "Board small-size wide-scale radio monitoring station", Proc. of the XXIV International Scientific and Technical Conference: Radar, Navigation, Communications (Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz': sb. tr. XXIV Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), 2018, vol. 2, pp. 375-382.
1. Rembovsky A.M., Ashikhmin A.V., Kozmin V.A., Smolskiy S.M. "Radio monitoring. Problems, methods and equipment", Dordrecht, Springer, 2009, 507 p.
2. Dhouibi A., Burokur S. N., Lustrac A. "Compact metamaterial-based substrate-integrated Luneburg lens antenna", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, vol. 11, pp. 1504-1507.
3. Su Y., Chen Z.N. "A flat dual-polarized transformation-optics beamscanning Luneburg lens antenna using PCB-stacked gradient index metamaterials", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, vol. 66, no. 10.
4. Manafi S., Fernandez Gonzalez J.M., Filipovic D.S. "Design of a perforated flat Luneburg lens antenna array for wideband millimeter-wave applications", 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019.
5. Weiland T. "A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields", Electronics and Communication, 1977, vol. 31, pp. 116-120.
Submitted 11.03.2020; revised 16.06.2020 Information about the authors
Aleksandr V. Ashikhmin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Director of the OSP in Voronezh, JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksandr V. Ivanov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected]
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), Senior Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected]
Pavel V. Pershin, Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), e-mail: [email protected] Fedor S. Safonov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Ivan A. Zelenin, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
