Антенна кругового обзора на основе линейно расширяющихся симметричных щелевых линий

В настоящее время продолжается разработка и исследование новых образцов антенн и антенных устройств, которые являются важнейшими функциональными звеньями в приемопередающей аппаратуре радиотехнических систем (РТС). Учитывая существующую тенденцию к исследованию микроволнового диапазона, в частности радиотехнических систем на основе объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ-, КВЧ- и оптического диапазона [1; 2], а также в области видеолокации, при разработке охранных систем и других радиоэлектронных устройств СВЧ-диапазона,

Рис. 1. Общий вид антенны кругового обзора

разработка новых антенн, исследование их электродинамических и излучательных характеристик является важным и актуальным.

Варианты подобных антенных систем описаны, например, в [3–6], однако они имеют ряд недостатков. Прежде всего это сложность и жесткость конструкции, не позволяющая гибко регулировать частотный диапазон, оптимизировать форму диаграмм направленности излучателей, что необходимо осуществлять при разработке предлагаемой антенной системы, а при наличии слоя диэлектрика, в нем имеет место также и потеря энергии.

Задача данного исследования заключалась в том, чтобы разработать антенну кругового обзора (АКО), позволяющую обеспечить возможность гибко регулировать ширину главных лепестков диаграмм направленности излучателей, а также обеспечить оптимальное перекрытие главных лепестков диаграмм направленности излучателей в составе АКО, при сохранении простоты и надежности ее конструкции.

Общий вид разработанной АКО приведен на рис. 1 [7]. Она содержит диски 1 и 2 (вид одного диска приведен на рис. 2), толщиной (0,3÷0,5) мм

Рис. 2. Вид одного диска антенны кругового обзора и диаметром 101 = 30 см, соосно расположенные на металлическом стержне, на расстоянии длины волны 1 друг от друга и выполненные из высо-копроводящего материала (медь, алюминий). На дисках имеются излучатели электромагнитного поля 3 в виде линейно расширяющихся щелевых линий и полосковые линии 4, выполненные из медной фольги, имеющие длину 2,51, ширину 2 мм и предназначенные для согласования излучателей с питающим фидером. Диски 1 и 2 развернуты азимутально относительно друг друга на угол ф = 45° (рис. 1), а угол между соседними излучателями на каждом диске составляет 90° (рис. 2).

Данная антенна кругового обзора работает следующим образом. При подаче СВЧ-сигнала через полосковые линии 4, являющиеся широкополосными линиями связи с плавным переходом для уменьшения паразитного излучения, в щелях 3 возбуждается электромагнитное поле, которое, проходя вдоль этих щелей, излучается в окружающее пространство, образуя соответствующие диаграммы направленности (ДН). Выбранное геометрическое расположение щелей и дисков позволяет сформировать практически не пересекающиеся ДН от каждого излучателя и в то же время охватить все окружающее пространство, или отдельные секторы. Для повышения электродинамической развязки к излучателям на дисках 1 и 2 можно подводить сигнал на разных частотах в рабочем диапазоне частот (8–12) ГГц. При этом диаграммы направленности в электродинамических плоскостях Е и Н остаются практически неизменными в указанном частотном диапазоне (см. далее). Изменение геометрических размеров щелей 3 и полосковых линий 4 позволяет регулировать форму ДН излучателей и частотный диапазон излучения. При проектировании данной АКО для достижения ее наилучших электродинамиче-

Рис. 3. Одиночный излучатель с линейно расширяющимся раскрывом: 1 – симметричная щелевая линия; 2 – линейно расширяющийся раскрыв; 3 – питающая микрополосковая линия; 4 – коаксиальный разъем ских свойств учитывались основные положения, изложенные в [8; 9].

Наиболее важные электродинамические свойства одиночного излучателя (рис. 3), на основе которого создавалась данная антенна кругового обзора, теоретически и экспериментально уже исследовались нами и опубликованы в работах [10–13]. В указанных работах результаты исследований получены для излучателей, у которых ширина главного лепестка ДН определялась их длиной L и углом раскрыва а (рис. 3). Как далее будет показано, для данной АКО оптимальная ДН получается при L = 3 1 = 9 см и значении угла а = 60 ° . Измерения ДН производились на центральной частоте указанного частотного диапазона f ₃ = 10 ГГц ( 1 = 3 см).

Для данного случая, используя математические модели и методику расчета ДН, приведенные в [10–13], получена расчетная диаграмма направленности (рис. 4), из которой видно, что ширина ее главного лепестка по половинной мощности порядка 51 ° . Измеренная опытным путем по методике, использованной в [10–13] ДН для этих же излучателей на частоте f ₃ = 10 ГГц, приведена на рис. 5. Она имеет ширину главного лепестка по половинной мощности порядка 52 ° , а уровень ее боковых лепестков мог достигать значений 0,47 от уровня максимальной мощности излучения.

При исследовании диаграмм направленности данных излучателей в рабочем диапазоне частот (8–12) ГГц выявлено [10–13], что для заданной геометрии излучателей, их ДН в обеих электродинамических плоскостях (как в Е -, так и в Н -плоскости) существенно не изменялись и по своим параметрам были близки к ДН, приведенным на рис. 4, рис. 5 (для частоты f ₃ = 10 ГГц). Поскольку раз-

Рис. 4. Рассчитанная диаграмма направленности исследуемых излучателей длиной L = 90 мм, с углом раскрыва а = 60 °

Рис. 5. Экспериментально измеренная диаграмма направленности исследуемых излучателей длиной L = 90 мм, с углом раскрыва а = 60° рабатываемая АКО должна обеспечивать обзор в азимутальной плоскости, то в дальнейшем для характеристики ее излучательных элементов будем рассматривать диаграммы направленности только в Е-плоскости.

Из анализа характеристик ДН одиночных излучателей [10–13] также следует, что, если излучатели конструктивно располагать на диске в радиальных от его центра направлениях, то можно разместить до восьми излучателей, обеспечивающих практически полный круговой и любой секторный обзор. Однако эксперимент показал, что размещение восьми излучателей на одном диске не обеспечивает электродинамическую развязку (отсутствие перекрытия главных лепестков ДН) для соседних излучателей. При этом изменение формы ДН путем изменения геометрических параметров излучателя (например, уменьшением угла раскрыва) в данном случае нецелесообразно, т. к. может привести к нежелательному искажению ДН и вызвать ухудшение качества обзора АКО.

Рис. 6. Диаграмма направленности дисковой антенной решетки с четырьмя излучателями

Также экспериментально установлено, что наилучшую электродинамическую развязку излучателей обеспечивает конструкция в виде антенной решетки, имеющей четыре излучателя на одном диске, как это показано на рис. 2 . ДН такой конструкции антенной решетки приведена на рис. 6, из которого видно, что перекрытия всего окружающего пространства такая конструкция пока еще не обеспечивает. Поэтому наиболее оптимальным является вариант конструкции АКО, представляющей собой два одинаковых, соосно расположенных диска, азимутально смещенных друг относительно друга на угол 45 ° (рис. 1) и работающих на разных частотах, что обеспечивает пространственное и частотное разнесение диаграмм направленности излучателей.

Достигнутая электродинамическая развязка излучателей для конструкции рис. 2 позволяет считать, что излучатели и их ДН в данном случае являются независимыми. Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние между дисками (рис. 1), обеспечивающее требуемую электродинамическую развязку между излучателями верхнего и нижнего дисков, составляет одну длину волны X (в нашем случае было взято значение X = 3 см для всего рабочего диапазона частот). С учетом изложенного, диаграмму направленности всей АКО можно представить в виде восьми лепестков, четыре из которых формируются излучателями верхнего диска, рис. 2 (их ДН приведена на рис. 6), и четыре – идентичными излучателями нижнего диска, азимутально смещенными на угол 45 ° .