Antenna array of waveguide horns with an E-plane aperture, as well as horns with an aperture in the E- and H-planes

Full Text

Введение

Одной из главных задач, решаемых в аппаратуре спутниковой связи, является возможность сканирования главным лепестком диаграммы направленности. Абоненты спутниковой связи, как правило, находятся в движении, следовательно, антенна должна быть легкой и компактной для того, чтобы она не препятствовала безопасному перемещению транспорта, как наземного, так и морского и воздушного [1–4].

В настоящей статье рассмотрена линейная эквидистантная антенная решетка с равноамплитудным и синфазным возбуждением, состоящая из открытых концов волноводов сечением 19 мм на 11 мм с воздушным заполнением. Период решетки – 19,5 мм. Габаритные размеры разработанной антенной решетки: ширина раскрыва – 624 мм, высота – 12 мм, глубина – 118 мм. Особенностью конструкции антенной решетки является использование плавных несимметричных переходов в Е-плоскости по экспоненциальному закону; в раскрыве ФАР чередуются с периодом, равным 4 значениям ширины волноводов с учетом ширины их узких стенок, волноводные несимметричные рупоры, расширяющиеся в верхнем (2 соседних излучателя) и нижнем (следующие 2 излучателя) направлениях.

1. Модель антенного элемента

Соседние пары излучающих волноводов запитываются с помощью Е-плоскостного делителя: волновод разделен пополам по высоте тонкой металлической диафрагмой, отражения волн от которой незначительны; далее, в каждой половине делителя мощности реализованы разнесенные по высоте повороты направо и налево и плавные переходы в Е-плоскости – расширение от 5,25 мм до 11 мм, рис. 1. Описанное техническое решение предпринято для уменьшения модуля коэффициента отражения в Е-плоскостных делителях мощности (в Н-плоскостном делителе мощности вертикальная стенка, делящая волновод пополам, вносит существенные отражения). Остальные делители мощности – Н-плоскостные. Основные характеристики антенной решетки содержатся на рис. 1–5.

 

Рис. 1. Линейная эквидистантная антенная решетка с делителем мощности 1:32, в котором использованы Е-плоскостные (для запитки излучателей) и Н-плоскостные делители мощности 1:2: а – внешний вид линейной решетки; б – фрагмент излуча ющей апертуры; в – пара соседних излучателей с противоположными направлениями раскрывов несимметричных волноводных Е-плоскостных рупоров; г – волноводы, питающие соседние излучатели; д – продольные разрезы решетки на различных значениях высоты; е – разрез решетки и волноводный порт ее запитки

Fig. 1. Linear equidistant antenna array with a 1:32 power divider, in which E-plane (for powering the emitters) and H-plane 1:2 power dividers are used: a – appearance of the linear array; b – fragment of the emitting aperture; c – a pair of adjacent emitters with opposite opening directions of asymmetrical waveguide E-plane horns; d – waveguides feeding adjacent emitters; e – longitudinal sections of the grating at different heights; f – section of the grating and the waveguide port for powering it

 

2. Результаты моделирования

На рис. 2–5 приведены основные характеристики антенного устройства. На рис. 2 показаны диаграммы направленности в объеме линейной эквидистантной антенной решетки с Е- и Н-плоскостными делителями мощности. На рис. 3 – диаграммы направленности линейной эквидистантной антенной решетки с Е- и Н-плоскостными делителями мощности в азимутальной и угло-местной плоскостях. Рис. 4 иллюстрирует частотную зависимость коэффициента стоячей волны на входе антенной решетки. Рис. 5 показывает частотную зависимость потерь в металле и суммарных потерь (с учетом отражений).

 

Рис. 2. Диаграммы направленности в объеме линейной эквидистантной антенной решетки с Е- и Н-плоскостными делителями мощности

Fig. 2. Radiation patterns in the volume of a linear equidistant antenna array with E- and H-plane power dividers

 

Рис. 3. Диаграммы направленности линейной эквидистантной антенной решетки с Е- и Н-плоскостными делителями мощности в азимутальной (а) и угло-местной (б) плоскостях

Fig. 3. Radiation patterns of a linear equidistant antenna array with E- and H-plane power dividers in the azimuthal (a) and elevation (b) planes

 

Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента стоячей волны на входе антенной решетки

Fig. 4. Frequency dependence of the standing wave ratio at the antenna array input

 

Рис. 5. Частотная зависимость потерь в металле и суммарных потерь (с учетом отражений)

Fig. 5. Frequency dependence of losses in metal and total losses (including reflections)

 

3. Конструкция волноводной антенной решетки

Достоинством технического решения является отсутствие диэлектрических вкладышей в волноводных делителях мощности и в излучателях, а также минимизация толщины стенки, разделяющей соседние излучатели, питаемые делителями мощности 1:2 (в Н-плоскостных делителях мощности расстояние между соседними излучателями определяется шириной стенки делителя мощности, разделяющей его соседние выходы, рис. 7, а).

Конструкция волноводной антенной решетки, состоящей из 24 линейных синфазных подрешеток (каждая из которых состоит из 32 рупорных излучателей с расширением по экспоненциальному закону в Е- и Н-плоскостях, питаемых волноводными делителями мощности 1:32), показана на рис. 6–11. Диаграммы направленности ФАР приведены на рис. 12.

Частотные зависимости коэффициента эффективности излучения и суммарных потерь с учетом рассогласования приведены на рис. 13.

 

Рис. 6. ФАР из 24 строк и 32 столбцов. Ширина – 672 мм. Высота – 288 мм. Глубина с учетом коаксиально-волноводных переходов – 75,7 мм

Fig. 6. FAR of 24 rows and 32 columns. Width – 672 mm. Height – 288 mm. Depth, taking into account coaxial-waveguide transitions – 75,7 mm

 

Рис. 7. Обратная сторона ФАР. Коаксиально-волноводные переходы (к линзе Ротмана с ВЧ-коммутатором)

Fig. 7. Reverse side of phased array. Coaxial-waveguide transitions (to a Rothman lens with an RF switch)

 

Рис. 8. Волноводные излучатели соединены с делителем мощности экспоненциальными переходами

Fig. 8. Waveguide emitters are connected to the power divider using exponential junctions

 

Рис. 9. Диэлектрик заполнения синфазного и равноамплитудного делителя мощности 1:32 и рупоров (полистироловый вкладыш)

Fig. 9. Dielectric filling of the common-mode and equal-amplitude power divider 1:32 and horns (polystyrene liner)

 

Рис. 10. Фрагмент диэлектрического заполнения делителя мощности и рупорных излучателей

Fig. 10. Fragment of the dielectric filling of the power divider and horn emitters

 

Рис. 11. Металлические штыри в делителе мощности, выполняющие функцию улучшения его согласования

Fig. 11. Metal pins in the power divider that improve its matching

 

Рис. 12. Диаграмма направленности ФАР при отклонении луча на угол 45° от нормали на частотах: а –  $f=\mathrm{10,95}$ ГГц; б –  $f=\mathrm{11,325}$ ГГц; в – $f=\mathrm{11,7}$ ГГц; г –  $f=\mathrm{12,5}$ ГГц

Fig. 12. Phased array radiation pattern when the beam deviates at an angle of 45° from the normal at frequencies: a – $f=\mathrm{10,95}$  GHz; b – $f=\mathrm{11,325}$  GHz; c – $f=\mathrm{11,7}$  GHz; d – $f=\mathrm{12,5}$ GHz

 

Рис. 13. КПД ФАР при отклонении луча на угол 45° от нормали, дБ

Fig. 13. Phased array efficiency when the beam deviates at an angle of 45° from the normal, dB

 

Заключение

Достоинством использования подхода к построению линейных антенных решеток, питаемых с помощью многоканальных делителей мощности, является возможность минимизации глубины антенной системы. Основными недостатками – конструктивная и технологическая сложность делителей мощности и существенные потери мощности при большом числе каналов.

Возможные технологии изготовления разработанной ФАР:

1. Штамповка из полистирола внутренней части делителя мощности и излучателей. Далее – полировка, напыление меди и гальваническое покрытие слоем меди.
2. Печать на 3D-принтере из полистирола, полировка, напыление меди и гальваническое покрытие меди.
3. Изготовление делителя мощности с использованием SIW-технологии на базе стандартных СВЧ-ламинатов. Использование металлизированных сквозных отверстий для согласования делителей мощности. Антенные элементы и коаксиально-волноводные переходы изготавливаются путем штамповки из полистирола, или печати на 3D-принтере из полистирола, далее – полировка, напыление слоя меди и гальваническое покрытие слоем меди.
4. Штамповка из металла делителя мощности, излучателей и коаксиально-волноводных переходов (2 детали). Диэлектрический вкладыш может печататься на 3D-принтере из полистирола.

About the authors

Yuri G. Pasternak

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
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

Candidate of Technical Sciences, 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

Email: Safonov-kirik@mail.ru

junior researcher

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

References

Supplementary files