Конструкция антенной системы с рефлектором сложной формы

Синтез антенной системы с рефлектором сложной формы рассмотрен в [1]. В настоящей статье рассмотрена практическая реализация данной антенной системы с учетом условий эксплуатации, электрических и технологических требований к ней. К наиболее жестким условиям эксплуатации можно отнести большой диапазон температур (–50…50 °С), интенсивные осадки, ветер до 50 м/с. Из электрических требований можно выделить диапазон частот 960…1215 МГц, КСВн в диапазоне частот не более 1,4, уровень выходной мощности в режиме передачи 0,2 КВт (с кратковременным повышением до 0,4 кВт), ширину диаграммы направленности (ДН) в горизонтальной плоскости ±35 ° и специальную форму ДН в вертикальной [1]. Конструктивные решения должны приниматься с учетом снижения массогабаритных параметров и повышения технологичности.

В соответствии с вышеуказанными электрическими требованиями в [1] была синтезирована антенная система, представляющая собой линейную фазированную решетку (ФАР), состоящую из восьми полуволновых излучателей. Амплитудное распределение ФАР жестко определяется конструкцией диаграммообразующей схемы (ДОС) (обсуждается ниже), а фазовое распределение было синтезировано по заданной форме ДН в вертикальной плоскости с учетом рабочего диапазона частот. Поэтому основными задачами разработки антенной системы являются отработка конструкции излучателя ФАР, разработка ДОС и защита конструкции от внешних воздействий.

Конструкция излучателя ФАР является определяющей всей антенной системы. Главная особенность излучателя заключается в относительной широкой рабочей полосе частот – 23 % относительно средней частоты, при достаточно жестких требованиях по согласованию. Отработка широкополосных излучателей ограниченных размеров и со стабильным фазовым центром достаточно сложная задача, трудно поддающаяся теоретическому анализу. В нашем примере конструкция излучателя отрабатывалась экспериментально.

Классический полуволновый вибратор имеет довольно узкую полосу рабочих частот вследствие сильной частотной зависимости как реактивной, так и активной составляющих его входного сопротивления [2]. Активная составляющая изменяется несколько слабее. Снижению частотной зависимости входного сопротивления вибратора способствует снижение его волнового сопротивления, чего можно добиться увеличением толщины его плеч. Однако это приводит к проблемам его возбуждения. На практике используется компромиссное решение в виде плавно изменяющейся толщины вибратора, начиная от точки возбуждения к концам плеч вибратора. Примером такого решения может служить биконическая антенна, которая, однако, отличается низкой технологичностью.

Другим способом расширения полосы пропускания вибратора является применение частот-но-компенсирующих элементов. Примером такого элемента может служить четвертьволновый короткозамкнутый шлейф, подключенный ко входу вибратора [2]. Он же может быть использован и в качестве симметрирующего устройства. Однако для эффективной частотной компенсации требуется очень низкое волновое сопротивление шлейфа, трудно реализуемое на практике. Следующим примером частотно-компенсирующего элемента может служить короткий пассивный вибратор, расположенный вблизи излучающего вибратора. Компенсация здесь обусловлена наводимым реактивным сопротивлением в активном вибраторе.

Очевидно, что для существенного расширения рабочей полосы частот целесообразно применить комплекс мер. Разработанная конструкция излучателя показана на рис. 1.

Вибратор, стойки его крепления и основание изготавливаются из листового материала. Плечи вибратора, таким образом, являются плоскими и имеют клиновидную форму. Небольшие скосы на концах плеч позволяют снизить отраженные от них волны. Плечи фиксируются относительно друг друга с помощью диэлектрической пластины прямоугольной формы, в центре которой прорезано отверстие овальной формы для размещения узла питания. Вибратор устанавливается на отражателе с помощью двух стоек, выполняющих одновременно роль симметрирующего устройства. Для этого они выполнены в виде четвертьволновой симметричной линии. Ширина полосок-стоек и расстояние между ними выбирались из конструктивных соображений (обеспечение жесткости конструкции). Волновое сопротивление такой полосковой линии слишком велико для того чтобы использовать ее в качестве частотно-

Рис. 1. Конструкция излучателя

компенсирующего элемента. Поэтому в конструкцию излучателя введена компенсационная пластина, выполняющая роль пассивного вибратора. Пластина установлена на диэлектрических под- ставках. Форма пластины, толщина подставок подобраны экспериментально для достижения максимального согласования в полосе рабочих частот. Возбуждение вибратора производится с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Кабель прокладывается по внешней стороне одной из стоек. Наружная оплетка кабеля в месте соединения ее с плечом вибратора и по всей длине стойки пропаивается без зазоров. Конструкция узла возбуждения понятна из рисунка.

Отработка конструкции производилась с учетом геометрии отражателя, исключающего излучение в заднюю полуплоскость. Геометрия отражателя, рассчитанная в [1], показана на рис. 2.

Отражатель представляет собой короб трапецевидной формы и является одновременно несущей частью антенной системы. Поперечные размеры короба подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимую ширину ДН в горизонтальной плоскости и, с другой стороны, полностью скрыть излучатель (это позволило применить плоский обтекатель). Продольный размер короба определяется размещением восьми излучателей по его длине.

Рис. 2. Установка излучателя в короб

Расчетная и экспериментальная формы ДН в горизонтальной плоскости показаны на рис. 3. На рис. 4 приведены результаты экспериментального исследования согласования излучателя. Измерения ДН и согласования проводились на измерительном стенде антенного полигона с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи «Обзор-103» фирмы «Планар». Так как лучшее совпадение расчетных и экспериментальных результатов наблюдается на средней частоте (1080 МГц), то на рис. 3 представлены результаты ДН для менее благоприятных крайних частот диапазона. Необходимо отметить низкую чувствительность электрических параметров излучателя к погрешностям его изготовления. Единственным элементом настройки излучателя после его изготовления при необходимости может служить высота диэлектрических подставок пассивного вибратора, которая подбирается по критерию согласования в полосе частот.

Рис. 3. Диаграммы направленности излучателя антенной системы в горизонтальной плоскости (сплошная линия – расчетная ДН; штрих – экспериментальная ДН): а – на частоте 960 МГц, б – на частоте 1215 МГц

Рис. 4. Зависимость КСВн на входе излучателя от частоты

Диаграммо-образующая схема (ДОС) обеспечивает необходимое амплитудно-фазовое расп ред е л е н и я на в ход ах и з л у ча те лей Ф АР. ДО С п редс та в лена н а ри с. 5.

Рис. 5. Диаграммообразующая схема антенной системы

При ра зра бот к е к он с тру кц ии ДО С в п е рв у ю оче ред ь принималось во внимание обеспечение ее в ыс окой те хн ологи чнос ти . Поэтому для построения ДОС были исполь зов а н ы п ромыш л е н но в ы пу с к ае мые к в а дра ту рн ые мо сты. Включение мостов по схеме, показанно й н а ри с . 5, обеспечив ае т с п ад а ющ е е к к р а ям а мп ли ту д н ое ра с пре де ление с соотношением амплитуд на выходах. Нео б ход и мое ф а зов ое рас пре д е ление [1] обеспечивается длинами коаксиальн ых к аб е л е й W1–W8 c у че том фаз ов ы х сд в и го в в Д ОС . В с е к в а дра ту рн ые мос т ы WE1–WE7 расположены на одной п л а те , в ып олн е н н ой и з ф ольги ров а н н ого в ысок о частотного материала. Для соединения элементов в пр е д е ла х п ла ты и с польз ов а н ы копланарные линии передачи с волновым соп ро т и в лен и ем 50 О м. К он с тру к ц и я п ла ты Д ОС п ок а за н а на ри с . 6.

Рис. 6. Конструкция платы ДОС

Балластные резисторы R1– R 3 и R5–R7 образованы из двух параллельно включенных рези сторов 100 Ом и ка ж д ы й и ме е т с у мма рн у ю мощ н ос ть рас с е ян и я 2 Вт. Балластный резистор входного квадратурного моста WE4 номиналом 50 Ом имеет мощность рассеяния 15 Вт и уста н ов л е н н а те п лоотв од яще м ос н ов а н и и в н е п одложки. Квадратурные мосты и балластные рези сторы мон тиру ю тся н а по в е рхн ос ть п л а т ы (SMD технология).

У п рощ ен ное и зоб р а ж е н ие конструкция антенной системы (рабочее положен и е – вертикальное) приведено на рис. 7.

Рис. 7. Конструкция антенной системы

Все эл е ме н ты Ф АР ( и злу ча тели и ДОС) размещены внутри корпуса отражате ля. Пла та Д ОС (у с лов н о н е п ок а за н а) рас п олож ена посредине корпуса для минимизации дли н фа зи ру ю щ и х ка бе ле й . В с е к аб е ли п роло же н ы п о стенкам корпуса и должны быть надежно за к реп лены . Д Н Ф АР в г оризон та л ьн ой пл оск ости а н алогична ДН отдельного излучателя и рассмотре н а ра н ее . Р а с чет н ы е и эк с п е ри м е н та льны е Д Н ФАР в вертикальной плоскости, сформированн ые с ис те мой и зл у ч а те ле й и Д ОС , п ри в ед е ны н а рис. 8. Качество согласования антенной системы п ред с та в лено ре зу льтата ми э к сп е ри м ен та л ьн ого и сс лед ов а н и я н а р и с . 9.

Р ез у льтаты э к с п е ри ме н таль ного исследования антенной системы показ ыв аю т к а че с тв е н н о е в ы пол н е н и е э лек три че ск их тре б ований, предъявленных при разработке систе мы.

З а щ и та а н те н н ой с и с те м ы от в н е ш н и х воздействий обеспечивалась при принятии конструк ти в н ых ре ш е н и й . В а н те нн ой с и с теме применяются материалы и компоненты , с охр а н яю щ ие с в о и п ара ме тры в за д а н н ом темп е ра ту рном диапазоне. Защита ФАР от климатичес к и х фа к то ров об е с п ечив а етс я ра зм еще н и е м в с ех к ом п о нентов ФАР в герметичном коробчатом корпусе.

К орпу с за к рыт ра д иоп ро зра ч ным плоским обтекателем из листового стеклот ек с тол и та с п р и ме н е н и ем ге рмети к а . Ме хан иче с к а я прочность конструкции ФАР обеспечивается ко роб ча ты м с е чен и е м к орпу с а а нте нн ы с п рив а р е н н ы ми наружными стенками и усилением конструкции обтекателем.

Рис. 8. Диаграммы направленности ФАР в вертикальной плоскости (сплошная линия – расчетная ДН; штрих – экспериментальная ДН): а – на частоте 960 МГц, б – на частоте 1215 МГц

Рис. 9. Зависимость КСВн на входе антенной системы от частоты

Выбранные простые конструктивные решения составных частей антенной системы позволяют использовать для их реализации листовые алюминиевые сплавы, применяя простые и доступные технологии вырубки и гибки, с последующим нанесением проводящих окисных покрытий. При этом масса антенной системы не превышает 10 кг.

Антенна предназначена для размещения на мачте, но разработка конструкции крепления ее к мачте в данной статье не рассматривается.