Antenna array based on segment-parabolic elements with smooth control of linear polarization

Full Text

Введение

В настоящее время применение антенных решёток в области радиосвязи распространилось довольно широко в силу их эффективности использования во многих сферах. Антенная решётка – это более сложная антенна, которая может состоять из разнообразнейших элементов, расположенных и ориентированных в пространстве по какой-либо закономерности, либо же квазислучайно. Отдельное внимание в контексте данной статьи стоит уделить отражательным антенным решёткам. В составе отражательной антенной решётки используется поверхность, которая может быть либо плоской, либо изогнутой. Например, элементом отражательной решётки может служить сегмент параболической антенны. Данная поверхность специально предназначена для отражения радиоволн с целью формирования необходимой формы диаграммы направленности. Применение таких отражательных антенных решёток обычно оказывается эффективнее использования единичных параболических отражательных антенн. Использование антенных решёток даёт выигрыш в отношении коэффициента усиления и сужение диаграммы направленности. Но использование решёток должно быть оправдано их пользой в отношении энергоэффективности, эффективности излучения и экономическим фактором, так как производство антенной решётки из нескольких антенн обычно является более дорогостоящим, чем одной такой антенны.

Рассмотрим пример антенной решётки из работы [1]. В данной работе представлена отражательная антенная решётка для сетей дуплексной спутниковой связи. Элементом решётки является так называемый мальтийский крест. Использование такого элемента подразумевает возможность разработки антенной решётки с круговой или двумя ортогональными линейными поляризациями. Основой решётки предстаёт листовой вспененный поливинилхлорид с толщиной слоя 8 мм. Топология макета решётки изготовлена на металлизированном лавсане, применяя методику химического травления слоя. Подложка произведена из вспененного полиэтилена.  На частоте 14 ГГц наблюдается значительное несоответствие расчётной и измеренной ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков. Расчётная ШДН (ширина диаграммы направленности) на данной частоте соответствует 5,5 градусов, в то время как реально измеренная 10,8 градусов. Расчётный УБЛ (уровень боковых лепестков) на частоте 14 ГГц соответствует -21 дБ, в то время как реально измеренный -9 дБ. Наблюдается значительный уход от рабочей частоты в более низкочастотную область в силу влияния неточности маски для химического травления и неполный учет диэлектрических свойств материалов. При разработке подобных высокоточных антенных решёток следует учитывать сложность реальной физической высокоточной реализации макета проекта и тонкости технологического процесса производства. Стоит отметить, что у всех печатных антенн будут наблюдаться проблемы с потерями в диэлектрике.

Теперь рассмотрим отражательную зеркальную антенну отдельно. Зеркальные параболические антенны (ЗПА) – это наиболее повсеместно распространенные остронаправленные антенны. Их частое использование в разнообразнейших системах связи можно пояснить простотой их конструкции, возможностью получения различных диаграмм направленности, большим уровнем коэффициента полезного действия, малой шумовой температурой, достойными диапазонными характеристиками и т.п. В радиолокации использование ЗПА даёт возможность добиться равносигнальной зоны, позволяет реализовать единовременное формирование нескольких диаграмм направленности одним общим зеркалом. Определённые виды зеркальных антенн дают возможность реализовать достаточно быстрое качание луча в угловом секторе [2]. В статье [3] приводится пример планарной печатной зеркальной антенны. Реально измеренные характеристики антенны: ширина луча 2.7 градуса; КНД 36.6 дБ, КУ (коэффициент усиления) 33 дБ; уровень боковых лепестков с одной стороны 17 дБ, уровень боковых лепестков с другой стороны 15.5 дБ. Измерения проводились в полосе частот 24.5…26 ГГц. Значения реально измеренных параметров имеют некоторое отличие от результатов математического моделирования, это может быть связано с тем, что печатные антенны, как было сказано выше, имеют проблемы с потерями в диэлектрике.

Конструкция антенной системы

В данной статье будет рассмотрена антенная решетка на основе сегменто-параболических элементов с плавным управлением линейной поляризацией. Разработанная система обладает двумя ортогональными линейными поляризациями (одна – на прием, другая – на передачу). Антенная решётка реализуется на основе двух частей зеркальных антенн, а именно – на основе двух соприкасающихся зеркальных параболических сегментов. Использование именно такой конфигурации объясняется тем, что антенная решётка даёт выигрыш по коэффициенту усиления и выигрыш в плане сужения луча диаграммы направленности. Внешний вид рассматриваемой системы представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид разработанной антенной системы

Из рисунка можно увидеть, что конструкция антенны включает в себя непосредственно решётку из двух зеркальных параболических сегментов и излучающую конструкцию, включающую в себя делители мощности, волноводные элементы, элементы антенны Вивальди и два дроссельно-фланцевых облучателя.

Ширина антенны – 570 мм (по оси x), высота – 198.5 мм (по оси y), глубина – 373.6 мм (по оси z). Серым цветом на рисунке выделены неподвижные части конструкции делителя мощности и облучателей, желтым цветом – синхронно вращающиеся части.

Механически управляемые синхронно вращающиеся части необходимы для реализации указанного плавного управления двумя ортогональными поляризациями. Между дроссельно-фланцевыми облучателями и переходами от волноводов 19×9.5 мм на коаксиальные разъемы 50 Ом располагаются 3 дБ синфазные делители мощности, реализуемые на печатных платах. На рис. 2 располагается сам дроссельно-фланцевый облучатель.

Из рис. 2 можно наблюдать, что в дроссельно-фланцевом облучателе располагается четыре облучателя типа Вивальди, при этом параллельные облучатели запитываются синфазно и равноамплитудно. Элементы Вивальди в данном случае функционируют попарно.

Рис. 2. Дроссельно-фланцевый облучатель с двумя ортогональными поляризациями

Волноводный делитель мощности разделяет поступающую к нему энергию на две равные части. Далее по ходу волны следует переход с прямоугольного волновода на круглый волновод. В прямоугольном волноводном элементе, располагающимся ближе к дроссельно-фланцевому облучателю, находится элемент Вивальди, являющийся плавным широкополосным экспоненциальным переходом, который преобразует электромагнитную волну, пришедшую из волновода, в электрический ток. Далее через коаксиальный кабель и систему переходов энергия поступает непосредственно на дроссельно-фланцевый облучатель. Дроссельно-фланцевый облучатель излучает энергию уже непосредственно на антенную решётку, состоящую из двух зеркальных параболических сегментов. Каждый элемент решётки в виде сегмента параболической зеркальной антенны отражает приходящую волну, сужает диаграмму направленности и сосредотачивает мощность излучения в определённом направлении.

 Характеристики разработанной антенной системы

Было проведено компьютерное моделирование представленной антенной системы с помощью программы CST STUDIO, перейдём к рассмотрению полученных результатов. На рис. 3 располагаются характеристики облучателя на частоте 14.5 ГГц.

КНД облучателя на частоте 14.5 ГГц составил величину 10.82 изотропных дБ. На рис. 4 располагается трёхмерная диаграмма направленности всей антенной системы, а на рис. 5 располагается проекция ДН на плоскость (угол Theta = 150).

Рис. 3. Характеристики облучателя (вертикальная поляризация, запитаны синфазно и равноамплитудно верхний и нижний щелевые излучатели)

 

Рис. 4. ДН системы на частоте 14.3 ГГц

Рис. 5. Проекция ДН системы на плоскость на частоте 14.3 ГГц (Theta = 150)

На частоте 14.3 ГГц КНД системы составил 29.98 изотропных дБ, проекция на плоскость (Theta = 150) показала, что ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составила величину 4.7 градуса. Уровень боковых лепестков при этом составил величину -14.1 дБ.

Заключение

Таким образом, в данной работе была рассмотрена и исследована разработанная антенная решетка на основе сегменто-параболических элементов с плавным управлением линейной поляризацией. Разработанная система обладает двумя ортогональными линейными поляризациями (одна – на прием, другая – на передачу). Преимущество такой конфигурации системы заключается в возможности непосредственного управления двумя имеющимися ортогональными поляризациями с помощью синхронного поворота по оси подвижных частей конструкции. В системе было использовано два дроссельно-фланцевых облучателя, по итогам машинного моделирования КНД облучателя на частоте 14.5 ГГц составил 10.82 изотропных дБ. На частоте 14.3 ГГц КНД всей антенной системы составил величину 29.98 изотропных дБ, а проекция на плоскость (Theta = 150) показала, что ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности составила величину 4.7 градуса. Уровень боковых лепестков системы при этом составил величину -14.1 дБ. С помощью использования данной конфигурации системы удалось добиться главных целей разработки - было получено достаточно высокое значение КНД и довольно узкая ширина главного лепестка.

_______________________________________

© Баранников И.А., Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Проскурин Д.К., Фёдоров С.М., 2025

About the authors

Il’ya A. Barannikov

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: 8thbar@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3093-0455

graduate student, assistant

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Evgeniy A. Ishchenko

Voronezh State Technical University

Email: kursk1998@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5270-0792

graduate student, engineer

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Yuriy G. Pasternak

Voronezh State Technical University

Email: pasternakyg@mail.ru

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Dmitriy K. Proskurin

Voronezh State Technical University

Email: rector@cchgeu.ru

Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Rector

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Sergey M. Fedorov

Voronezh State Technical University; International Institute of Computer Technologies

Email: fedorov_sm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9027-6163

Cand. Sc. (Technical), Associate Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia; 29b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia

References

Supplementary files