Antenna array with switching scanning in elevation plane

Full Text

Введение

Наша планета обладает широким многообразием различных территорий, которые еще до сих пор не в полной мере освоены человеком. Россия является самой крупной страной по площади, где большинство территории еще предстоит освоить. Тундра, тайга занимают огромную территорию, где сотовой связи никогда не будет. Сейчас идет активное освоение неизведанных территорий, а без связи это невозможно. Так же активно осваивается и Арктика во всем мире. Известно, что самая надежная связь в труднодоступных местах, таких как Арктика, тундра, тайга, – это спутниковая связь [1–5]. Поэтому для аппаратуры мобильной высокоскоростной спутниковой связи необходимо создать недорогие отечественные антенные решетки с электрическим управлением диаграммой направленности в угло-местной плоскости. В данной работе рассмотрена кольцевая волноводно-щелевая антенная решетка с диаграммообразующей линзой Люнеберга, сканирующая сектор 90 градусов в плоскости y-z. В этой антенне расположены 17 коммутаторов. То есть в секторе сканирования 90° формируется 17 лучей. Каждый антенный элемент представляет собой волноводно-щелевую антенную решетку, сделанную из стандартного волновода сечением 13 × 6,5 мм, толщиной стенки 0,8 мм. Волновод заполнен диэлектриком ФЛАН с диэлектрической проницаемостью 2,8. Размеры поперечного сечения диэлектрика волновода – 14.0 х 5,5 мм. Суммарная толщина стенок между соседними волноводами – 1,0 мм. Шаг решетки – 15 мм. Волноводно-щелевая решетка состоит из 36 пар щелей, где начальное смещение ряда щелей – 3,1 мм, а конечное – 3,4 мм. Начальная ширина щелей – 2,3 мм, конечная – 4,4 мм. Начальная длина щелей – 5,9 мм, конечная – 10,6 мм. Начальный шаг пар щелей – 15,8 мм, конечный – 15,3 мм. Запитка волновода осуществляется с помощью коаксиально-волноводных переходов.

1. Принцип действия антенной решетки

Модель антенной решетки с коммутационным сканированием в угло-местной плоскости представляет собой волноводно-щелевые антенные решетки, запитанные с помощью коаксиальных волноводных переходов и диаграммообразующего элемента – линзы Люнеберга (рис. 1). Данная решетка работает в диапазоне от 10,9 до 14,5 ГГц, имеет вертикальную поляризацию и габаритные размеры: диаметр диаграммообразующей линзы – 256 мм (толщина – 5 мм, материал – ФЛАН 2.8 (эпсилон 2,8, тангенс дельта – 0,0015)); длина волноводов – 600 мм (внутреннее сечение – 10,5 мм на 5 мм, заполнение – ФЛАН 2.8). Волноводно-щелевые антенны и линза изготавливаются из стандартного материала ФЛАН 2.8 (эпсилон 2,8, тангенс дельта – 0,0015) толщиной 5 мм, фольгированного с обеих сторон. К ВЧ-коммутатору идет 17 коаксиальных кабелей (равенство их длин не требуется), шаг сканирования по углу места – 5 градусов. При использовании 54 волноводно-щелевых антенн и 18 входов коммутатора обеспечивается сектор сканирования по углу места 90 градусов. Предварительно были промоделированы все узлы по отдельности – цилиндрическая линза Люнеберга с подходящими к ней волноводами, возбуждаемыми щелями; волноводно-щелевые антенны; коаксиально-волноводные переходы.

 

Рис. 1. Антенная решетка с коммутационным сканированием в угло-местной плоскости

Fig. 1. Antenna array with commutation scanning in the angular plane

 

Рассмотрим подробнее конструкцию антенны и особенности ее функционирования. На рис. 2, а показано сечение модели таким образом, чтобы был виден разрез самой линзы. Из рисунка видно, что оболочка линзы Люнеберга (желтым цветом) представляет собой 2 листа металла снизу и сверху, между которыми расположен диэлектрик с канавками, глубина которых уменьшается при приближении к центру линзы (рис. 2, б), диэлектрик показан сиреневым цветом. По сути, линза Люнеберга с оболочкой фактически является радиальным плоскопараллельным волноводом с неоднородным диэлектрическим заполнением.

 

Рис. 2. Различные сечения модели антенной решетки: а – сечение линзы Люнеберга с оболочкой; б – канавки на линзе Люнеберга; в – сечение коаксиально волноводного перехода (левая часть рисунка)

Fig. 2. Different sections of the antenna array model: a – section of the Luneberg lens with a shell; b – grooves on the Luneberg lens; c – cross section of the coaxial waveguide junction (left side of the figure)

 

В левом углу на рис. 2, в показано сечение коаксиально-волноводного перехода там, где расположен порт 9. Он подключен к коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель возбуждает монополь, который возбуждает колебания в данном отрезке волновода. Таким образом, в данной антенне реализован коаксиально-волноводный переход. Волны, бегущие по волноводу, возбуждают щели, прорезанные в верхних стенках плоскопараллельного волновода. Далее через щель возбуждается плоскопараллельный волновод с линзой Люнеберга. К каждому коаксиальному входу подводится энергия электромагнитных волн, которая возбуждает коаксиально-волноводный переход. Далее через щель прямоугольной формы энергия поступает в плоско-параллельный волновод круглого сечения и распространяется в линзе Люнеберга. В свою очередь, линза Люнеберга преобразует излучение точечного источника на ее входе в плоскую волну на ее выходе. Сформированная плоская волна возбуждает волноводно-щелевые антенны, расположенные на ¾ периметра «барабана», которые и являются излучающими элементами нашей антенны.

2. Результаты электродинамического моделирования

На рис. 3 приведены диаграммы направленности антенной решетки в диапазоне рабочих частот от 10,9 ГГц до 14,5 ГГц.

 

Рис. 3. Диаграммы направленности антенны в диапазоне от 10,9 ГГц до 14,5 ГГц: а – f = 10,3 ГГц; б – f = 11,5 ГГц; в – f = 12,1 ГГц; г – f = 12,7 ГГц; д – f = 13,3 ГГц; е – f = 13,7 ГГц; ж – f = 14,5 ГГц

Fig. 3. Antenna radiation patterns in the range from 10,9 GHz to 14,5 GHz: a – f = 10,3 GHz; b – f = 11,5 GHz; c – f = 12,1 GHz; d – f = 12,7 GHz; e – f = 13,3 GHz; f – f = 13,7 GHz; g – f = 14,5 GHz

 

В результате моделирования мы получили достаточно узкий лепесток диаграммы направленности и усиление порядка 30 дБ на всей полосе рабочих частот.

На рис. 4, 5 приведены номограмма Смита и КСВН антенного элемента в составе антенной решетки в диапазоне частот от 10,5 до 14,5 ГГц.

 

Рис. 4. Номограмма Смита на коаксиально-волноводной переходе, находящегося в составе решетки (50 Ом)

Fig. 4. Smith's nomogram on the coaxial-waveguide junction included in the array (50 Ohm)

 

Рис. 5. КСВН на коаксиальном входе антенны (волновое сопротивление – 50 Ом)

Fig. 5. VSWR at the coaxial input of the antenna (characteristic impedance – 50 Ohm)

 

Видно, что качество согласования антенных элементов почти на всей рабочей полосе не превышает 2 дБ, что допустимо для данной антенной решетки, но на крайних частотах мы видим рассогласование, поэтому антенную решетку еще надо оптимизировать.

На рис. 6 наглядно показано качество согласования на входах антенны.

 

Рис. 6. Коэффициенты отражения от входов антенны

Fig. 6. Coefficients of reflection from the antenna inputs

 

Из рисунка видно, что антенные элементы достаточно хорошо между собой развязаны, то есть волны, возбуждаемые на каждом входе, не влияют друг на друга, а коэффициент отражения не хуже 15 дБ.

Также на рис. 7 показаны потери мощности, которые происходят в материалах антенной решетки, и суммарные потери мощности с учетом отражения, передачи мощности в различные узлы антенны, потери вследствие нагревания элементов и потери с учетом рассогласования и взаимной связи элементов решетки. Другими словами, на графике показан КПД антенны в дБ.

 

Рис. 7. КПД (дБ) элемента, находящегося в составе решетки: линия с кружками – потери в материалах; линия с треугольниками – суммарные потери

Fig. 7. Efficiency (dB) of an element in the array: line with circles – losses in materials; line with triangles – total losses

 

Из графика видно, что на всей полосе частот суммарные потери мощности только на некоторых частотах доходят до 7 дБ, а почти во всей полосе частот суммарные потери не превышают 5 дБ. Резкое возрастание потерь на частоте 12,4 ГГц связано с излучением по нормали в режиме резонанса Брэгга 2-го порядка.

Заключение

Проанализировав результаты моделирования, можно сделать вывод, что антенная решетка обладает достаточно высоким значением коэффициента направленного действия (31,4–32,8 дБи) в полосе рабочих частот; при этом значения ширины главного лепестка в обеих плоскостях близки к соответствующим значениям для идеального раскрыва (равноамплитудного и синфазного) с эквивалентным поперечным сечением.

Достоинства антенны – простота диаграммообразующей схемы и возможность одновременного формирования нескольких лучей диаграммы направленности.

В настоящее время проводится параметрическая оптимизация антенной системы; при этом анализ характеристик антенны проводится с использованием метода Вейланда конечного интегрирования, реализованного в пространственно-временной области.

About the authors

Yuri G. Pasternak

Voronezh State Technical University; JSC RPE «Automated communication systems»

Email: pasternakyg@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Radioelectronic Devices and Systems

Russian Federation, Voronezh; Voronezh

Vladimir A. Pendyurin

JSC RPE «Automated communication systems»

Email: pva@acc-npp.com

General Director

Russian Federation, Voronezh

Kirill S. Safonov

Voronezh State Technical University

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

Post-Graduate Student, Assistant of the Department of Radio-Electronic Devices and Systems

Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files