Antenna array of waveguide elements with dielectric phasing sections

Full Text

Введение

В последние годы наблюдается быстрый рост использования беспилотных летательных аппаратов в гражданской и военной сфере [1]. К тому же технологии ситниковой связи постоянно усовершенствуются [2–5]. В результате этого возникает потребность в разработке и усовершенствовании терминалов высокоскоростной спутниковой связи мобильного и бортового базирования, а также оборудования спутниковой связи с высокой степенью скрытности функционирования, излучающего широкополосные сигналы, спектральная плотность мощности которых, измеряемая на входе приемных устройств комплексов радиоконтроля, должна быть значительно ниже спектральной плотности мощности шумов, обусловленная следующими факторами:

• обеспечением надежной и высококачественной связи военных и гражданских пользователей;
• развитием отечественной элементной и технологической базы, заменой импорта;
• потребностью служб спасения в компактных системах передачи и приема информации, доступных по стоимости автомобилистам, строителям, геологам, рыбакам, охотникам, туристам и т. д.;
• необходимостью развития спутниковых систем управления оборудованием военного и гражданского назначения;
• развитием программы точного земледелия.

1. Модель антенного элемента

На рис. 1 показана модель антенного элемента, построенного на основе круглого волновода с внутренним диаметром 18 мм и диэлектрической пластиной, плоскость которой ориентирована под углом 45° к силовым линиям вектора напряженности электрического поля. Круглый волновод запитывается с помощью линейно расширяющегося перехода от прямоугольного волновода к квадратному волноводу, полностью заполненного диэлектриком – полистиролом, для реализации необходимой пространственной ориентации пластины в круглой части волновода, а также для уменьшения отражений от стыка квадратного и круглого волноводов.

 

Рис. 1. Конструкция антенны, включающей линейный переход в Е-плоскости и фазосдвигающую секцию в круглом волноводе

Fig. 1. Antenna design, including a linear junction in the E-plane and a phase-shifting section in a circular waveguide

 

2. Результаты моделирования

На рис. 2–4 приведены основные характеристики антенного устройства. На рис. 2 показаны входные характеристики антенного устройства; на рис. 3 – его объемные диаграммы направленности; рис. 4 иллюстрирует качество поляризационного эллипса главного лепестка диаграммы направленности антенны.

 

Рис. 2. Входные характеристики антенного элемента (рис. 1)

Fig. 2. Input characteristics of the antenna element (Fig. 1)

 

Рис. 3. ДН антенны на правой круговой поляризации: а – ДН на правой круговой поляризации на частоте 10,95 Гц; б – ДН на правой круговой поляризации на частоте 11,7 Гц

Fig. 3. Antenna pattern on the right circular polarization: a – pattern on the right circular polarization at a frequency of 10,95 Hz; b – pattern on the right circular polarization at a frequency of 11,7 Hz

 

Рис. 4. Качество поляризационного эллипса, разрез в угло-местной плоскости: а – осевое отношение эллипса поляризации на частоте 10,95 ГГц; б – осевое отношение эллипса поляризации на частоте 11,7 ГГц

Fig. 4. Quality of the polarization ellipse, section in the angular-local plane: a – axial ratio of the polarization ellipse at a frequency of 10,95 GHz; b – axial ratio of the polarization ellipse at a frequency of 11,7 GHz

 

Из рис. 3 видно, что амплитудные диаграммы направленности волноводного элемента являются практически осесимметричными, в отличие от деформированных диаграмм направленности элементов в виде двухзаходных спиралей Архимеда (однако последние являются гораздо более простыми при изготовлении с использованием технологии производства печатных плат, что весьма важно при изготовлении многоэлементных ФАР).

На нижней частоте 10,95 ГГц анализируемого диапазона осевое отношение эллипса поляризации не превышает 3 дБ в секторе углов шириной 90° (рис. 4, а); на верхней частоте 11,7 ГГц анализируемого диапазона отношение эллипса поляризации не превышает 3 дБ почти во всем полусферическом пространстве (рис. 4, б).

На рис. 5 объемные диаграммы направленности линейной антенной решетки из 32 элементов показанных на рис. 1, расположенных эквидистантно с периодом 21 мм, запитанной с помощью синфазного и равноамплитудного делителя мощности.

 

Рис. 5. Объемные диаграммы направленности синфазной и равноамплитудной линейной антенной решетки из 32 волноводных элементов с фазирующими секциями, расположенных с периодом 21 мм

Fig. 5. Volumetric radiation patterns of an in-phase and equal-amplitude linear antenna array of 32 waveguide elements with phasing sections located with a period of 21 mm

 

На рис. 6 и 7 показаны диаграммы направленности в азимутальной и угло-местной плоскостях линейной антенной решетки из 32 волноводных элементов с фазирующими секциями, расположенных с периодом 21 мм, запитанной синфазным и равноамплитудным делителем мощности.

 

Рис. 6. Диаграммы направленности в азимутальной плоскости синфазной и равноамплитудной линейной антенной решетки из 32 волноводных элементов с фазирующими секциями, расположенных с периодом 21 мм

Fig. 6. Radiation patterns in the azimuthal plane of an in-phase and equal-amplitude linear antenna array of 32 waveguide elements with phasing sections located with a period of 21 mm

 

Рис. 7. Диаграммы направленности в угло-местной плоскости синфазной и равноамплитудной линейной антенной решетки из 32 волноводных элементов с фазирующими секциями, расположенных с периодом 21 мм

Fig. 7. Radiation patterns in the angular-local plane of an in-phase and equal-amplitude linear antenna array of 32 waveguide elements with phasing sections located with a period of 21 mm

 

Уровень боковых лепестков диаграммы направленности в азимутальной плоскости (рис. 6) на всех частотах лучше, чем у синфазного и равноамплитудного раскрывов эквивалентных размеров (–13,2 дБ).

Минимальная ширина диаграммы направленности в угло-местной плоскости составляет около 68°; при расположении линейных подрешеток в составе прямоугольной антенной решетки в угло-местной плоскости ширина диаграммы направленности линейной подрешетки как элемента плоской ФАР расширяется за счет взаимного влияния элементов соседних линейных решеток.

3. Линейная и плоская антенные решетки, построенные на основе синфазного и равноамплитудного делителя мощности

Ниже рассмотрены линейная и плоская антенные решетки, построенные на основе синфазного и равноамплитудного делителя мощности 1:32 и антенных элементов, построенных на основе квадратных волноводов с внутренними размерами 14 × 14 мм² со скошенными внутренними углами в целях уменьшения потерь, а также для учета возможной технологии изготовления фрезерованием из металла.

На рис. 8 представлена модель линейной антенной решетки из 32 волноводных элементов с фазирующими секциями, запитанной с помощью равноамплитудного и синфазного делителя мощности. Длина антенного элемента – 40 мм. Период расположения элементов в линейной антенной решетке – 21 мм.

 

Рис. 8. Модель линейной антенной решетки из 32 элементов с синфазным и равноамплитудным делителем мощности: а – внешний вид линейной синфазной антенной решетки из 32 элементов; б – полистироловый вкладыш в делителе мощности и в антенных элементах. Толщина диэлектрика в делителе – 1,5 мм. Толщина фазирующих пластин в квадратных волноводах – 3 мм; в – период расположения элементов в линейной антенной решетке – 21 мм; г – продольный разрез линейной антенной решетки с делителем мощности (фрагмент)

Fig. 8. Model of a linear antenna array of 32 elements with an in-phase and equal-amplitude power divider: a – appearance of a linear in-phase antenna array of 32 elements; b – polystyrene liner in the power divider and in the antenna elements. The thickness of the dielectric in the divider is 1,5 mm. The thickness of the phasing plates in square waveguides is 3 mm; c – period of arrangement of elements in a linear antenna array – 21 mm; d – longitudinal section of a linear antenna array with a power divider (fragment)

 

Модель плоской антенной решетки, составленной из 16 линейных антенных решеток, представленных на рис. 8, показана на рис. 9. Период расположения линейных решеток равен 15 мм (его величина уменьшена с 21 до 15 мм с целью снижения уровня боковых лепестков при широкоугольном сканировании в угло-местной плоскости).

 

Рис. 9. Модель плоской антенной решетки, составленной из 16 линейных антенных решеток: а – плоская антенная решетка из 32 × 16 элементов, составленная из 16 линейных антенных решеток. Размеры апертуры – 665,5 × 238 мм2; б – период в угло-местной плоскости – 15 мм (уменьшен с целью снижения уровня боковых лепестков при широкоугольном сканировании); в – ФАР с 32 × 16 элементов с делителями мощности, расположенными горизонтально. Апертура ФАР наклонена на угол 37,5 градусов в угло-местной плоскости. Высота модифицированной ФАР – 175 мм. Глубина ФАР с делителями мощности – 262 мм. Ширина ФАР – 665,5 мм

Fig. 9. Model of a flat antenna array composed of 16 linear antenna arrays: a – flat antenna array of 32 × 16 elements, composed of 16 linear antenna arrays. Aperture dimensions – 665,5 × 238 mm2; b – period in the angular-local plane – 15 mm (reduced in order to reduce the level of side lobes during wide-angle scanning); c – phased array with 32 × 16 elements with power dividers located horizontally. The phased array aperture is tilted at an angle of 37,5 degrees in the elevation plane. The height of the modified phased array is 175 mm. The depth of the phased array with power dividers is 262 mm. Headlight array width – 665,5 mm

 

Диаграммы направленности в вертикальной плоскости плоской антенной решетки, составленной из 16 линейных антенных решеток, приведены на рис. 10.

 

Рис. 10. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости плоской антенной решетки, составленной из 16 линейных антенных решеток: а – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении по нормали к апертуре ФАР, частота – 10,95 ГГц; б – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении под углом 37,5 градуса к нормали к апертуре ФАР, частота – 10,95 ГГц; в – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении по нормали к апертуре ФАР, частота – 11,325 ГГц; г – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении под углом 37,5 градуса к нормали к апертуре ФАР, частота – 11,325 ГГц; д – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении по нормали к апертуре ФАР, частота – 11,7 ГГц; е – ДН в вертикальной плоскости ФАР 32 × 16 элементов при излучении под углом 37,5 градуса к нормали к апертуре ФАР, частота – 11,7 ГГц

Fig. 10. Radiation patterns in the vertical plane of a flat antenna array composed of 16 linear antenna arrays: a – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements when emitting normal to the phased array aperture, frequency – 10,95 GHz; b – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements with radiation at an angle of 37,5 degrees to the normal to the phased array aperture, frequency – 10,95 GHz; c – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements when emitting normal to the phased array aperture, frequency – 11,325 GHz; d – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements with radiation at an angle of 37,5 degrees to the normal to the phased array aperture, frequency – 11,325 GHz; e – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements when emitting normal to the phased array aperture, frequency – 11,7 GHz; f – pattern in the vertical plane of the phased array 32 × 16 elements with radiation at an angle of 37,5 degrees to the normal to the phased array aperture, frequency – 11,7 GHz

 

Заключение

Обобщим результаты проведенного моделирования плоской ФАР с волноводными элементами с круговой поляризацией.

В рассмотренной конструкции ФАР позиционирование главного лепестка диаграммы направленности в азимутальной плоскости осуществляется путем механического вращения антенной системы. Отказ от двухкоординатного электронного сканирования выбран, исходя из соображений снижения фазовращателей (или высокочастотных коммутаторов) и уменьшения себестоимости ФАР.

Высота ФАР с горизонтальным расположением делителей мощности, состоящей из 32 × 16 элементов, составляет 175 мм. Глубина ФАР – 262 мм. Ширина ФАР – 665,5 мм.

Коэффициент усиления на частоте 10,95 ГГц – 32,5 дБ (по нормали) и 31,2 дБ – при отклонении луча на ±37,5° в угло-местной плоскости (без учета потерь в линзе Ротмана и коммутаторе).

Коэффициент усиления на частоте 11,7 ГГц – 33,8 дБ (по нормали) и 32,5 дБ – при отклонении луча на ±37,5° в угло-местной плоскости (без учета потерь в линзе Ротмана и коммутаторе).

При максимальном отклонении главного лепестка от нормали уровень боковых лепестков в вертикальной (угло-местной плоскости) повышается до уровня –11,4 дБ, что незначительно превышает УБЛ при синфазном и равноамплитудном распределении поля в апертуре ФАР (–13,2 дБ).

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проект № FZGM-2023-0011).

The work was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment (project no. FZGM-2023-0011).

About the authors

Yuri G. Pasternak

Voronezh State Technical University

Email: pasternakyg@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, professor

Russian Federation, 84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, 394006

Vladimir A. Pendyurin

JSC RPE «Automated communication systems»

Email: pva777777@yandex.ru

general director

Russian Federation, 108, Peshe-Streletskaya Street, Voronezh, 394062

Dmitry K. Proskurin

Voronezh State Technical University

Email: pdk@vgasu.vrn.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor, rector

Russian Federation, 84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, 394006

Kirill S. Safonov

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: Safonov-kirik@mail.ru

junior researcher

Russian Federation, 84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, 394006

References

Supplementary files