Антенная система с гибридным частотно-электронным сканированием на основе диаграммообразования линзой Люнеберга

В настоящее время реализация различных антенных систем, с возможностью формирования направленного луча, является довольно важной и актуальной задачей. Использование направленного луча в системах связи позволяет увеличить расстояние передачи данных, а также повысить точность и частотную эффективность методов связи, так как направленный луч концентрирует большее количество энергии в определенном направлении. Однако при использовании направленных лучей в связи требуется система, способная отклонять направленный луч для удержания средств связи в этом самом луче. В ином случае при выходе устройства из направленного луча связь будет нарушена. Традиционным методом сканирования луча является применение решеток с изменяемым амплитудно-фазовым распределением. Такая конфигурация позволяет направлять луч посредством изменения амплитудно-фазового распределения на каждом отдельном элементе решетки.

Но применение таких решеток является довольно дорогостоящим и сложным. Существуют также иные, довольно применяемые, например варианты сканирования луча, а именно: частотное сканирование [1–3], механическое сканирование [4], электронное сканирование [5] и гибридное сканирование, в основе которого лежит использование комбинации методов сканирования [5].

При использовании антенных систем, с функцией частотного сканирования луча [1–3] обычно реализуются длинные линии с замедлением или ускорением в широком диапазоне частот. Это дает возможность реализовать частотно-зависимое распределение амплитуд и фаз в линиях, вследствие чего допускается возможность отклонения луча. Преимущество таких решений следующее: простота в реализации, а также высокий уровень надежности систем вследствие отсутствия активных фазовращателей. Но при этом такие антенные системы требуют реализации широкой полосы рабочих частот, кроме того, габаритные размеры этих систем обычно превышают несколько длин волн.

Применение в антеннах систем механического сканирования [4] требует использования разнообразных механически подвижных частей: поворотных устройств, вращающихся соединений волноводов и т.д. Данное обстоятельство снижает надежность антенных систем с механическим сканированием луча.

В данной статье будет рассмотрена антенная система с гибридным частотно-электронным сканированием на основе диаграммообразования линзой Люнеберга. Электронное сканирование луча предлагается реализовать в азимутальной, а частотное сканирование – в угломестной плоскости. Систему диаграммообразования в разработке предлагается реализовать на основе линзы Люнеберга [6; 7].

Конструкция антенной системы с гибридным частотно-электронным сканированием на основе диаграммообразования линзой Люнеберга

Стандартная конструкция линзы Люнеберга – структура с непостоянным параметром диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость линзы Люнеберга изменяется по определенному закону, что дает возможность выровнять волновой фронт и сформировать плоскую волну, и, как следствие, улучшить направленные свойства антенн. Математически показатель коэффициента преломления в линзе Люнеберга будет определяться законом (1):

n (r r ) =

4^r ( ^r ) =

где n – коэффициент преломления среды;

s _r - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

R – полный радиус линзы;

r – радиус точки расчета линзы.

В наилучшем случае величина коэффициента преломления линзы Люнеберга должна изменяться максимально плавно и часто. Для большей простоты реализации было принято решение использовать в применяемой линзе три слоя материалов: внешний слой из тефлона (sr = 2,1), промежуточный слой из полиэтилена (sr = 2,3) и центральный слой из полистирола ( sr = 2,5). Для того, чтобы в антенной системе реализовать диа-граммообразование линзой Люнеберга, применяются две линзы. Эти две линзы разделяются экраном, таким образом обеспечивается повышение эффективности системы возбуждения излучения. Кон- струкция системы диаграммообразования на основе линзы Люнеберга представлена на рисунке 1.

а)

Рисунок 1. Конструкция системы диаграммообразования на основе линзы Люнеберга: а) Линза Люнеберга; б) Переходный экран;

в) Распределение электрического поля в линзе

В разработке в системе диаграммообразования линзой Люнеберга применяется 180 входов. Это дает возможность применять высокоэффективное возбуждение, охватывая все пространство в целом. Система возбуждения линзы Люнеберга – это элементы Вивальди, которые обеспечивают передачу энергии в линзу Люнеберга. К тому же, элементы антенн Вивальди располагаются в верхней части, они обеспечивают передачу энергии к нагрузке, а именно, передачу энергии на антенные линии. Прохождение волн через систему диаграммообразования представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Прохождение волн через систему диаграммообразования

Рисунок 3. Конструкция разработанной антенной системы: а) Внешний вид конструкции; б) Структура дифракционной решетки эшелетт

Нагрузкой на систему диаграммообразования линзой Люнеберга является блок антенн с частотным сканированием, в основе которого применяется рельефно-фазовая дифракционная решетка эшелетт. Конструкция разработанной антенной системы представлена на рисунке 3.

Для того, чтобы реализовать частотное сканирование, применяется дифракционная решетка. Над ней располагаются длинные линии, представляющие из себя однопроводные линии, а именно, коаксиальные кабели без внешнего экрана, возбуждение которых осуществляется с помощью антенных элементов Вивальди. Такой конфигурацией обеспечивается широкополосный режим возбуждения антенн. Антенная система предполагается для работы в полосе частот в диапазоне от 8 ГГц до 13 ГГц. Это позволяет добиться баланса между габаритами антенной системы и разрешающей способностью главного лепестка. Дифракционная решетка эшелетт, обеспечивающая возможность частотного сканирования луча, располагает периодом штриха 20,7 мм и имеет угол раскрыва рельефа 98 градусов. Решетка сконструирована из 30 частей линии и представляет собой тело вращения.

Характеристики антенной системы с гибридным частотноэлектронным сканированием на основе диаграммообразования линзой Люнеберга

Гибридное частотно-электронное сканирование луча в разработанной антенной системе предлагается реализовать следующим образом: частотное сканирование луча производить по угломестной плоскости, а электронное сканирование луча производить по азимутальной плоскости посредством коммутационного переключения портов диаграммообразующего устройства. С учетом этого было проведено компьютерное моделирование разработанной антенной системы с целью определения ее характеристик. Величина проекта соответствовала 1,5 млрд расчетных точек. Это потребовало довольно продолжительного времени для расчета проекта (более 500 часов). В предполагаемой полосе частот функционирования системы от 8 ГГц до 13 ГГц коэффициент стоячей волны по напряжению соответствовал величине от 1,5 до 3. Это вызвано потерями в системе диаграммообразования на высоких частотах. Чтобы снизить уровень данных потерь предполага- ется возможность применения активной системы на малошумящих усилителях. В результате компьютерного моделирования были получены диаграммы направленности разработанной антенной системы, они представлены на рисунке 4.

Зависимость угла сканирования от частоты и уровня коэффициента направленного действия представлена на рисунке 5.

Из полученных в результате моделирования диаграмм направленности явно можно наблюдать отклонение луча от первоначального значения с продвижением вверх по рабочей частоте, что говорит о корректной реализации компоненты частотного сканирования луча в антенной системе. Разработанная антенная система способна производить формирование направленного лепестка, обладающего разрешением 3,9 на 5,7 градусов, при ортогональном излучении. Величина угла сканирования в угломестной плоскости составля- ет 48 градусов. Предельно максимальный уровень боковых лепестков диаграммы направленности в исследуемой полосе частот соответствует величине не более -7 дБ, что обусловлено реализацией равномерного амплитудного распределения в линии, и может быть уменьшен путем выполнения синтеза на базе периодической структуры [8–10].

Угол частотного сканирования антенной системы при применении дифракционной решетки эшелетт будет определяться по закону (2):

■        1 п ^

^sin( У ) = - + — ,            (2)

Z d где d – это период решетки, который равен 20,7 мм;

n – период дифракции, который равен единице;

Z - коэффициент замедления, который по величине равен 0,938 с учетом расстояния между дифракционной решеткой и кабелем в 1,85 мм (рисунок 6).

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4. Диаграммы направленности: а) Диаграмма направленности на частоте 8 ГГц;

б) Диаграмма направленности на частоте 9 ГГц; в) Диаграмма направленности на частоте 12 ГГц; г) Представление диаграмм направленности в рабочей полосе частот на плоскости

Полученные в ходе проведения моделирования данные показывают, что при приближении излучения к ортогональному шагу отклонение главного лепестка диаграммы направленности замедляется, чем обеспечивается рост точности при реализации ортогонального излучения.

Рисунок 5. Зависимость угла сканирования от частоты и уровня коэффициента направленного действия

Рисунок 6. Зависимость угла сканирования от частоты: расчет и моделирование

Заключение

В работе была рассмотрена конструкция антенной системы с гибридным частотно-электронным сканированием на основе диаграммо-образования линзой Люнеберга. Разработанная антенная система обеспечивает частотное сканирование в угломестной плоскости и электронное сканирование в азимутальной плоскости. Полученные результаты моделирования показывают, что разработанная конфигурация антенной системы обеспечивает уровень коэффициента направленного действия более 21 дБ, при этом уровень боковых лепестков диаграммы направленности соответствует величине не более -7 дБ. Сканирование формируемого разработанной антенной системой направленного луча посредством электронного метода является полноазимутальным. Достигается это благодаря использованию системы диаграммообразования линзой Люнеберга. В угломестной плоскости частотное сканирование луча является секторальным и достигает максимального угла 48 градусов благодаря применению дифракционной решетки эшелетт. Реализованная разработка может быть использована как антенная система для обнаружения высокомобильных роботизированных комплексов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проект № FZGM-2025-0004).