Микрополосковая антенная решетка
Изобретение относится к плоским антенным решеткам. Технический результат заключается в упрощении формирования луча по нормали к полотну антенны и в обеспечении возможности создания на ее основе фазированной антенной решетки со сканированием в одной плоскости. Сущность изобретения состоит в том, что решетка содержит две подрешетки, каждая из которых содержит линейную цепочку излучателей, каждый из которых выполнен в виде трехэлементного фильтра с боковыми полуволновыми шлейфами и четвертьволновыми микрополосковыми линиями связи, центральный шлейф которого выполнен в виде полуволнового излучающего элемента с компенсацией вносимых им отражений путем коррекции конфигурации и размера боковых шлейфов и четвертьволновых линий связи, при этом расстояние между полуволновыми излучающими элементами составляет 2/3 длины излучаемой волны, а длина микрополосковых линий связи между ними равна длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к плоским микрополосковым антенным решеткам, и может найти применение при разработке приемопередающих фазированных антенных решеток СВЧ диапазона с линейной поляризацией со сканированием в одной плоскости для радаров и устройств связи.
Известны микрополосковые антенные решетки (МПАР) с последовательной схемой питания излучающих элементов, позволяющие расширить многообразие и качественные возможности антенных систем СВЧ диапазона (US 4180817, МПК H 01 Q 1/38, H 01 Q 3/26, 25.12.1979; US 3995277, МПК H 01 Q 9/38, 30.11.1976; FR 2359521, МПК Н 01 Р 3/08, H 01 Q 3/00, 17.02.1978. V. Volkov, M. Parnes and V. Korolkov. A Low Cost Pencil-beam Microstrip Antenna at 76.5 GHz, Applied Microwawe and Wireless, 2003. V1. January). МПАР с последовательной схемой питания отличаются меньшим количеством линий питания, что уменьшает сложность системы и величину потерь по сравнению с решетками параллельной запитки каждого элемента. Недостатком указанных антенн является сильное влияние положения и импеданса точки запитки на направление луча.
Наиболее близкой к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является МПАР, описанная в (F.P. Van Der Wilt, J.H.M. Strijbos, A 40 GHz Planar Array Antenna Using Hybrid Coupling, A.B. Smolders and M.P. van Haarlem (eds), Perspectives on Radio Astronomy - Technologies for Antenna Arrays, Netherlands Foundation for Research in Astronomy - 1999, pp.129-130).
Известная МПАР содержит две подрешетки, расположенные на диэлектрической подложке, металлизированной с обратной стороны. Каждая подрешетка содержит линейную цепочку из N излучателей, гальванически связанных микрополосковыми линиями связи, и запитана через четвертьволновые секции от возбуждающего элемента, расположенного в центре решетки. Возбуждающий элемент выполнен в виде микрополоскового элемента связи, расположенного над щелью волноводной линии питания, и представляет собой высокоимпедансный источник питания цепочек излучателей. Четвертьволновая секция является двухступенчатым трансформатором, согласующим высокоимпедансный источник питания с номинальным низкоомным импедансом цепочки излучателей.
Решетка последовательного питания реализована как решетка стоячей волны с центральной запиткой. Это означает, что излучатели запитаны в фазе и все линии связи имеют длину, равную половине длины волны излучения. Форма диаграммы направленности МПАР определяется распределением мощности между излучателями.
Недостатком данной МПАР является небольшой частотный диапазон ввиду использования принципа стоячей волны, а также сложность формирования луча по нормали к полотну антенны. Кроме того, из-за запитки решетки от волновода со щелью в широкой стенке затруднено создание на ее основе фазированных антенных решеток со сканированием.
Задачей изобретения является создание МПАР с более широкими функциональными возможностями и более высокими техническими характеристиками.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в упрощении формирования луча по нормали к полотну антенны, а также в обеспечении возможности создания на ее основе фазированных антенных решеток со сканированием в одной плоскости.
Указанный технический результат достигается тем, что в микрополосковой антенной решетке, содержащей две подрешетки, расположенные на диэлектрической подложке, металлизированной с обратной стороны, причем каждая подрешетка содержит линейную цепочку из N излучателей, гальванически связанных микрополосковыми линиями связи, и запитана через четвертьволновые секции от возбуждающего элемента, расположенного в центре решетки, каждый излучатель выполнен в виде трехэлементного фильтра с полуволновыми шлейфами и четвертьволновыми связями, центральный шлейф которого выполнен в виде полуволнового излучающего элемента с компенсацией вносимых им отражений путем коррекции конфигурации и размера боковых шлейфов и линий четвертьволновых связей, при этом расстояние между полуволновыми излучающими элементами составляет 2/3 длины излучаемой волны, а длина микрополосковых линий связи между ними равна длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке.
Технический результат достигается также тем, что каждый из боковых полуволновых шлейфов излучателя выполнен в виде двух отрезков микрополосковой линии, линии четвертьволновых связей фильтра образуют Y-образную конструкцию, обеспечивающую соединение излучающих элементов, расположенных на расстоянии 2/3 длины излучаемой волны, микрополосковыми линиями связи длиной, равной длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке, а возбуждающий элемент для подключения коаксиальной линии питания выполнен в виде металлизированной площадки, например, круглой формы с отверстием в центре и отрезка микрополосковой линии, обеспечивающего согласование точки запитки с коаксиальной линией питания.
Совокупность признаков настоящего изобретения: применение в качестве излучателя трехэлементного фильтра с полуволновыми шлейфами и четвертьволновыми связями, конструктивное выполнение центрального излучающего элемента, согласующих боковых шлейфов и четвертьволновых линий связи трехэлементного фильтра, а также запитка возбуждающего элемента является новой и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - структурная электрическая схема МПАР;
на фиг.2 - конструкция излучателя;
на фиг.3 - конструкция возбуждающего элемента.
МПАР в соответствии с настоящим изобретением представляет собой линейную решетку, содержащую две подрешетки, которые расположены на диэлектрической подложке 2, металлизированной с обратной стороны. Каждая подрешетка содержит линейную цепочку из N излучателей 1, каждый из которых выполнен в виде трехэлементного фильтра с полуволновыми шлейфами и четвертьволновыми связями. На фиг.1 для примера приведена схема МПАР для N=8. Центральный шлейф фильтра выполнен в виде полуволнового излучающего элемента 3, расстояние между которыми в подрешетке равно 2/3 длины излучаемой волны. Компенсация вносимых излучающим элементом 3 отражений обеспечивается путем коррекции конфигурации и размера боковых полуволновых согласующих шлейфов 4 фильтра, выполненных в виде двух отрезков микрополосковой линии. Линии четвертьволновых связей фильтра образуют Y-образную конструкцию 5, обеспечивающую соединение центральных излучающих элементов, расположенных на расстоянии 2/3 длины излучаемой волны, микрополосковыми линиями связи длиной, равной длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке. Возбуждающий элемент 6 для подключения коаксиальной линии питания выполнен в виде металлизированной площадки 7, например, круглой формы с отверстием в центре и отрезка микрополосковой линии 8, обеспечивающего согласование точки запитки с коаксиальной линией питания. Подрешетки подключены к возбуждающему элементу 6 через согласующие четвертьволновые отрезки 9.
МПАР работает следующим образом.
Из точки запитки электромагнитная (ЭМ) энергия распространяется в двух направлениях по микрополосковым линиям, связывающим излучатели 1. В точке запитки каждого излучателя часть ЭМ энергии ответвляется в излучатель и излучается в пространство. Отраженная ЭМ волна от точки запитки каждого излучателя в микрополосковую линию связи компенсируется согласующими полуволновыми шлейфами 4, что обеспечивает синфазную запитку всех излучающих элементов 3 с малым коэффициентом стоячей волны в точке запитки, то есть формирование луча по нормали к плоскости антенны. Диаграмма направленности МПАР формируется благодаря синфазной запитке излучателей с незначительным спаданием ЭМ энергии от центральных излучателей к крайним, обеспечивающим уменьшение уровня боковых лепестков. Количество излучателей определяется требованиями к ширине диаграммы направленности и коэффициенту усиления МПАР.
Волновое сопротивление излучающих элементов 3, длина линий связи и ширина полуволновых согласующих шлейфов 4 определяется по методике расчета фильтра (Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связей. Т.2., Издательство «Связь», Москва, 1972 г., стр.69). Ширина излучающего элемента 3 определяется уровнем излучаемой антенной мощности.
При расположении на поверхности апертуры М-го количества заявляемых МПАР за счет их раздельной запитки от коаксиальных линий питания возможна реализация фазированных антенных решеток со сканированием в одной плоскости.
Таким образом, МПАР, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает формирование луча по нормали к полотну антенны и позволяет создавать на ее основе фазированные решетки со сканированием в одной плоскости.
1. Микрополосковая антенная решетка, содержащая две подрешетки, расположенные на диэлектрической подложке, металлизированной с обратной стороны, причем каждая подрешетка содержит линейную цепочку из N излучателей, гальванически связанных микрополосковыми линиями связи, и запитана от возбуждающего элемента, расположенного в центре решетки, отличающаяся тем, что каждый излучатель выполнен в виде трехэлементного фильтра с боковыми полуволновыми шлейфами и четвертьволновыми микрополосковыми линиями связи, центральный шлейф которого выполнен в виде полуволнового излучающего элемента с компенсацией вносимых им отражений путем коррекции конфигурации и размера боковых полуволновых шлейфов и четвертьволновых микрополосковых линий связи, при этом расстояние между полуволновыми излучающими элементами составляет 2/3 длины излучаемой волны, а длина микрополосковых линий связи между ними равна длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке.
2. Микрополосковая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что каждый из боковых полуволновых шлейфов излучателя выполнен в виде двух отрезков микрополосковой линии, а четвертьволновые микрополосковые линии связи фильтра образуют Y-образную конструкцию, обеспечивающую соединение полуволновых излучающих элементов микрополосковыми линиями связи длиной, равной длине излучаемой волны с учетом ее укорочения в диэлектрической подложке.
3. Микрополосковая антенная решетка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что возбуждающий элемент для подключения коаксиальной линии питания выполнен в виде металлизированной площадки, например, круглой формы с отверстием в центре отрезка и микрополосковой линии, обеспечивающего согласование точки запитки с коаксиальной линией питания.
