CC BY
62
DOI 10.25987/^ТО.2020.16.3.010 УДК 621.396.67
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ИЗ ПЕЧАТНЫХ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИХ АНТЕНН, ЗАПИТАННЫХ С ПОМОЩЬЮ 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
1АО «ИРКОС», г. Москва, Россия 2 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3 Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: важными направлениями совершенствования радиопеленгаторных фазированных антенных решеток (ФАР) являются одновременное расширение полосы рабочих частот и диапазон рабочих углов сканирования при сохранении её энергетического потенциала, надежности, габаритных размеров, массы и стоимости. Среди распространенных вариантов реализации антенных элементов для ФАР можно отметить одиночные дипольные антенны, спиральные антенны, антенны Вивальди и патч-антенны. Существенно реже в качестве элементов ФАР встречаются логопериодические дипольные антенны (ЛПДА). При этом ЛПДА обладают несомненным преимуществом перед другими типами антенн: при правильном подборе параметров структуры антенны легко может быть достигнут рабочий диапазон частот 10:1 и более с сохранением почти неизменной характеристики направленности при КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) на входе, не превышающем 1,5 - 1,7. Предложена ЛПДА с диапазоном рабочих частот от 1 ГГц до 12 ГГц с КСВН менее 2. Показана возможность реализации линейной антенной решетки с возбуждающей плоской линзой Раппапорта в сверхширокой полосе частот и углом сканирования 90 градусов в азимутальной плоскости. Рассмотренный вариант реализации ФАР может использоваться в качестве подрешетки для построения антенной системы с двухкоординатным коммутационным сканированием в полосе частот с коэффициентом перекрытия равным трём
Ключевые слова: линза Раппапорта, логопериодическая антенна, антенная решетка
Введение
Важными направлениями совершенствования радиопеленгаторных фазированных антенных решеток (ФАР) являются одновременное расширение полосы рабочих частот и диапазон рабочих углов сканирования при сохранении её энергетического потенциала, надежности, габаритных размеров, массы и стоимости.
Среди распространенных вариантов реализации антенных элементов для ФАР можно отметить одиночные дипольные антенны, спиральные антенны, антенны вивальди и патч-антенны. Существенно реже в качестве элементов ФАР встречаются логопериодические ди-польные антенны (ЛПДА). При этом ЛПДА обладают несомненным преимуществом перед другими типами антенн: при правильном подборе параметров структуры антенны легко может быть достигнут рабочий диапазон частот 10:1 и более с сохранением почти неизменной характеристики направленности при КСВН на входе, не превышающем 1,5 - 1,7 [1]. Так, в ра-
© Ашихмин А.В., Иванов А.В., Пастернак Ю.Г., Першин П.В., Сафонов Ф.С., Федоров С.М., Зеленин И.А., 2020
боте [2] предложена ЛПДА с диапазоном рабочих частот от 1 ГГц до 12 ГГц с КСВН менее 2.
В работе [3] рассмотрен вариант реализации широкополосной малогабаритной ЛПДА с диапазоном рабочих частот от 200 МГц до 803 МГц с КСВН менее 2.
При этом размер антенны составил всего 420 мм х 576,6 мм х 29,6 мм, что в частях длины волны на нижней рабочей частоте антенны составляет всего 0,28 х 0,384 х 0,02.
В работе [4] предложен вариант реализации малогабаритной ЛПДА с применением треугольной меандровой структуры. Предложенная конструкция антенны имеет уменьшенный по одной из осей геометрический размер более чем в 2 раза по сравнению с базовым вариантом ЛПДА для аналогичного рабочего диапазона частот с перекрытием 4:1 и КСВН менее 2.
В настоящей работе рассмотрена возможность построения широкополосной линейной антенной решетки для радиопеленгаторной ФАР с широкоугольным сканированием из печатных ЛПДА с запиткой печатной линзой Рап-папорта, являющейся разновидностью линзы Ротмана. Приведены результаты электродинамического моделирования предложенной конструкции методом Вейланда [5].
Конструкция антенной решетки и ее элементов
Модель антенной решетки показана на рис. 1. ФАР состоит из 16 печатных ЛПДА, каждая из которых выполнена с применением технологии производства печатных плат из высокочастотного материала TMM 4 фирмы Rogers толщиной 1,5 мм с параметрами £r = 4,5,
tg83 = 0,002 [6]. Размеры печатной платы составляют 257 мм х 148 мм.
Рис. 1. Антенная решетка из 16 элементов
Период ФАР d был выбран равным 58 мм
исходя из условия d < Amin / (1 + cos (<max )) для
обеспечения отклонения главного лепестка от нормали к плоскости решетки в пределах
<max = 900 /2 = 450 в диапазоне частот от 1 до
3 ГГц. Высота ФАР составляет 148 мм, ширина - 871,5 мм, глубина - 256,8 мм.
Модель одиночной ЛПДА показана на рис. 2. Запитка ЛПДА в составе ФАР осуществляется с помощью печатной линзы Раппапорта [7, 8], являющейся разновидностью линзы Ротма-на, в которой минимизированы фазовые искажения сигналов, подающихся на входы элементов ФАР (рис. 3).
Рис. 3. Линза Раппапорта
Аналогично ЛПДА, линза выполнена с применением технологии производства печатных плат из высокочастотного материала AD 1000 фирмы Rogers толщиной 3.226 мм с параметрами Er = 10,2, tgS3 = 0,0023 [9].
Размеры печатной платы составляют 490 мм х 430 мм.
16 верхних выходов линзы Раппапорта (рис. 3) подключаются к элементам антенной решетки. 12 нижних входов в центре (низ рис. 2) подключаются к высокочастотному коммутатору. Два крайних порта снизу подключаются к балластным резисторам номиналом 50 Ом каждый. Входы и выходы линзы - несимметричные полосковые линии с волновым сопротивлением 50 Ом.
Результаты электродинамического моделирования
Частотные зависимости коэффициентов стоячей волны на входах линзы Раппапорта, подключаемых к высокочастотному коммутатору, представлены на рис. 4. Развязка соседних портов не менее 10 дБ в полосе частот от 1 ГГц до 1,7 ГГц и не менее 15 дБ в полосе частот от 1,7 ГГц до 3 ГГц (рис. 5).
Рис. 2. Топология (одна сторона) печатной логопериодической антенны
Рис. 4. КСВН на входах линзы Раппапорта в полосе частот от 1 ГГц до 3 ГГц
Рис. 5. Развязка (дБ) между входами линзы Раппапорта в полосе частот от 1 ГГц до 3 ГГц
При отклонении главного лепестка диаграммы направленности в азимутальной плоскости на угол ±45°от направления нормали к апертуре ФАР значения коэффициентов отражения на входах антенных элементов не превышают -10 дБ в исследуемой полосе частот от 1 ГГц до 3 ГГц (рис. 6). При этом суммарные потери мощности в антенной системе не превышают 0,65 дБ (рис. 7).
Рис. 6. Частотные зависимости коэффициентов отражения антенной решетки в полосе частот от 1 ГГц до 3 ГГц при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали
Диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости ФАР из 16 печатных ЛПДА, запитанной с помощью линзы Раппапорта, приведены на рис. 8, 9.
Туре Farfield
Approximation enabled (kR » 1)
Monitor
Component
Output
Frequency
Rad. effic.
Tot. effic.
rlzd.Gain
farfield (f=1) [Simulation_l]
Realized Gain
-0.1129 dB -0.5639 dB 14.31 dB
а) частота 1 ГГц
Type Farfield
Approximation enabled (kR >> 1)
Monitor
Component
Output
Frequency
Rad. effic.
Tot. effic.
rlzd.Gain
Realized Gain
-0.05969 dB -0.3068 dB 17.27 dB
farfield (f-2) [Simulation_1]
б) частота 2 ГГц
Tot. effic.
(J.85651 dB -0.6119 dB 18-22 dB
в) частота 3 ГГц
Рис. 8. ДН ФАР при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали
Рис. 7. Частотная зависимость КПД (в дБ) антенной решетки при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали в полосе частот от 1 ГГц до 3 ГГц
220 ¿10 260 280 300 320 340 360
Азимут, град.
а) частота 1 ГГц
го im 120 1^0 160
220 240 260 280 300 320 340 360 Азимут, град.
б) частота 2 ГГц
МО 320 340 360
Азимут, град.
в) частота 3 ГГц
Рис. 9. Нормированные на максимальное значение ДН ФАР в азимутальной плоскости
При моделировании использовалось всего 10 диаграммообразующих портов линзы Раппапорта. По два порта слева и справа нагружены на балластные резисторы номиналом 50 Ом. Таким образом, фактический диапазон сканирования рассматриваемой ФАР шире, чем 90 градусов, на ширину двух лучей, которые в данном случае не используются.
При отклонении главного лепестка на угол 45° от нормали к апертуре ФАР величина коэффициента усиления антенной решетки равна 14,3 дБ на частоте 1 ГГц и увеличивается до 18,2 дБ на частоте 3 ГГц.
С целью обеспечения технологичности ЛПДА были размещены между двумя металлическими экранами. В результате моделирования этой конструкции было выяснено, что параметры ФАР не ухудшаются. ДН изменой ФАР показаны на рис. 10.
Type FarField\_
Approximation enabled (kR »
Monitor FarField (f-1) [Simulation^;
Output Realized Gain
Frequency 1
Rad. eFFic. -8.1119 dB
Tot. effic. -0.5724 dB
rlzd.Gain 13.39 dB
а) частота 1 ГГц
Type Farfield\
Approximation enabled (kR » 1) Monitor farfield (f-1 .,7) [Sinulation_1 J
Component Output Frequency Rad. effic. Tot. effic. rlzd.Gain
Realized Gain
б) частота 1,7 ГГц
Type Farfield\
Approximation enabled (kR » 1]
Monitor Component Output Frequency Rad. eFFic. Tot. eFfic.
farfield (F=3) [Simulation_1]
Realized Gain
-B. 071611 dB -0.4121 dB 17.51 dB
-7.26 -9.43 -11.6
-1 щ
в) частота 3 ГГц
Рис. 10. ДН 16-ти элементной ФАР, размещенной между двумя металлическими экранами, при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали
Антенную систему можно также использовать в режиме многолучевого диаграммообра-зования (формировать сразу 10-12 лепестков в секторе 90-110 градусов). В этом случае требуется многоканальный приемник.
Заключение
В настоящей работе показана возможность реализации широкополосной линейной антенной решетки для радиопеленгаторной ФАР с широкоугольным сканированием из печатных ЛПДА с запиткой печатной линзой Раппапорта.
Предложенная ФАР функционирует в широком диапазоне частот от 1 ГГц до 3 ГГц со значением КСВН не более 2,8 при угле сканирования в азимутальной плоскости не менее 90° (±45° от направления нормали к апертуре ФАР).
Возможно функционирование в режиме одновременного формирования 10-12 лепестков в секторе 90-110 градусов.
Рассмотренный вариант реализации ФАР может использоваться в качестве подрешетки для построения антенной системы с двухкоор-динатным коммутационным сканированием в полосе частот с коэффициентом перекрытия равным трём.
Литература
1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: учебник для радиотехн. спец. Вузов. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.
2. Ultrawideband log-periodic dipole antenna arrays for the frequency range 0,7-12 GHz/ F.F. Dubrovka, M.M. Lytvyn, S.M. Lytvyn, S.Y. Martynyuk, Yu.V. Ryabkin, O.O. Vtorov // 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques. 2005. Pp. 110-115.
3. A Compact Dielectric-Loaded Log-Periodic Dipole Array (LPDA) Antenna/ L. Chang, H. Shuai, J. Zhang, D. Li // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. Vol. 16. Pp. 2759-2762.
4. Miniaturization of log-periodic dipole array antenna using triangular meander structure/ J.M. Lee, H.J. Ham, H.K. Ryu, J.M. Woo, B.J. Park, K.S. Lee // 2012 IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems (ICWITS). 2012.
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.
6. URL: https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/tmm-thermoset-laminate-data-sheet-tmm3-tmm4-tmm6-tmm10-tmm10i-tmm13i.pdf. 22.01.2020.
7. Rappaport C., Zaghloul A. Optimized three-dimensional lenses for wide-angle scanning // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1985. Vol. 33. No. 11. Pp. 1227-1236.
8. Rappaport C., Zaghloul A. Multifocal Bootlace Lens Design Concepts: a Review // 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2005. Pp. 39-42.
9. URL: https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/ad1000-data-sheet.pdf . 22.01.2020
Поступила 26.03.2020; принята к публикации 15.06.2020 Информация об авторах
Ашихмин Александр Владимирович - д-р техн. наук, профессор, директор ОСП в г. Воронеже, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), е-mail: [email protected]
Иванов Александр Владимирович - канд. техн. наук, старший преподаватель, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), е-mail: [email protected]
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), ведущий инженер, 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 имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а), е-mail: [email protected]
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), е-mail: [email protected]
Сафонов Федор Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected]
Федоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected]
Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected]
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A LINEAR ANTENNA ARRAY FROM PRINTED LOGO-PERIODIC ANTENNAS, POWERED WITH THE ROTMAN 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: the important area for the improvement of direction finding phased antenna arrays (PAA) are simultaneous expansion of the band of operating frequencies and operating range of scan angles while maintaining its energy capacity, reliability, dimensions, weight and cost. Among the common options of implementation of antenna elements for PAA, we can note a single dipole antenna, helical antenna, Vivaldi antenna and a patch antenna. Log-periodic dipole antennas (LPDA) are found much less frequently as elements of the PAA. However, LPDA have a definite advantage over other types of antennas: with the correct selection of the parameters of the antenna structure, the operating frequency range of 10:1 or more can easily be achieved while maintaining an almost unchanged directivity characteristic for SWVC (standing wave voltage coefficient) at the input not exceeding 1.5-1.7. We propose LPDA with a range of operating frequencies from 1 GHz to 12 GHz with SWVC less than 2. We show the possibility of realization of a linear antenna array with exciting flat Rappaport lens in ultra-wide bandwidth and scan angle of 90 degrees in the azimuth plane. This variant of realization of the PAA can be used as a sublattice for the construction of the antenna system with the switching two-coordinate scanning in the frequency band with the overlap factor equals to three
Key words: Rappaport lens, log periodic antenna, antenna array
References
1. Sazonov D.M. "Antennas and microwave devices: Textbook for radio engineering specialities of Universities" ("Antenny i ustroystva SVCH: uchebnik dlya radiotekhn. spets. Vuzov"), Moscow, Vysshaya shkola, 1988, 432 p.
2. Dubrovka F.F., Lytvyn M.M., Lytvyn S.M., Martynyuk S.Y., Ryabkin Yu.V., Vtorov O.O. "Ultrawideband log-periodic dipole antenna arrays for the frequency range 0,7-12 GHz", 2005 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 2005, pp. 110-115.
3. Chang L., Shuai H., Zhang J., Li D. "A compact dielectric-loaded log-periodic dipole array (LPDA) antenna", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, vol. 16, pp. 2759-2762.
4. Lee J.M., Ham H.J., Ryu H.K., Woo J.M., Park B.J., Lee K.S. "Miniaturization of log-periodic dipole array antenna using triangular meander structure", 2012 IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems (ICWITS), 2012.
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.
6. https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/tmm-thermoset-laminate-data-sheet-tmm3-tmm4-tmm6-tmm10-tmm10i-tmm13i.pdf. 22.01.2020, access date: 22.01.2020.
7. Rappaport C., Zaghloul A. "Optimized three-dimensional lenses for wide-angle scanning", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1985, vol. 33, no. 11, pp. 1227-1236.
8. Rappaport C., Zaghloul A. "Multifocal bootlace lens design concepts: a review", 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005, pp. 39-42.
9. https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/ad1000-data-sheet.pdf , access date: 22.01.2020.
Submitted 26.03.2020; revised 15.06.2020 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]
