научная статья по теме ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 6, с. 552-571

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 621.396.67

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

© 2014 г. С. Е. Банков, Г. Г. Грачев, М. Д. Дупленкова, Е. В. Фролова

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 Е-таП: sbankov@yandex.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.

Рассмотрена зеркальная интегральная многолучевая антенна миллиметрового диапазона, состоящая из излучающей решетки, планарного зеркала и многоканального облучателя. Представлены результаты моделирования излучающей решетки из щелей в металлическом экране, выполненной на основе среды с принудительным преломлением, в том числе и решетки со сдвоенными щелями, излучающей по нормали к плоскости решетки. Проанализировано функционирование решетки в многолучевом режиме. Показано, что применение среды с принудительным преломлением повышает эффективность использования поверхности решетки в этом режиме. Представлены результаты проектирования планарного двухслойного зеркала. Проведена оценка его показателей качества. Исследован многоканальный излучатель в виде решетки планарных Н-плоскостных рупоров. Рассмотрены результаты моделирования излучателя с помощью приближенной методики и численного решения электродинамической задачи. Приведены конструкция многолучевой антенны и полученные экспериментально характеристики.

Б01: 10.7868/80033849414060059

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При техническом освоении миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (ММД и СММД) актуальна задача поиска новых вариантов построения интегральных схем указанных диапазонов. Необходимость решения данной задачи обусловлена тем, что интегральная технология является стандартным средством улучшения группы важных экономических и технологических показателей качества радиоэлектронных устройств. В то же время использование типовых технических решений, сложившихся в более низкочастотных диапазонах, например в сантиметровом диапазоне, в ММД и СММД, оказывается неэффективным вследствие недопустимого роста тепловых потерь в интегральных линиях передачи, таких как микрополосковая, копланарная и т.д.

Одним из возможных вариантов решения проблемы тепловых потерь в интегральных схемах ММД и СММД может быть отказ от применения интегральных волноводов и осуществление пространственных преобразований электромагнитного поля с использованием оптических методов [1]. Указанные преобразования выполняются в этом случае при помощи интегральных (планар-ных) линз, зеркал, призм, решеток. Вместе они формируют элементную базу интегральной СВЧ-

оптики [2], которую можно рассматривать как новое направление в науке и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн.

К устройствам интегральной СВЧ-оптики относятся интегральные квазиоптические антенны, в том числе зеркальные антенны. В данной работе рассматривается интегральная зеркальная многолучевая антенна (ИЗМА), которая выполняет функцию обзора пространства в секторе углов. В одной плоскости она осуществляет параллельный обзор путем формирования системы узких лучей. В другой плоскости обзор пространства осуществляется путем частотного сканирования указанных лучей. В данной работе обсуждаются особенности построения ИЗМА, результаты проектирования ее элементов, а также результаты экспериментального исследования образца ИЗМА в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.

Рассматриваемая ИЗМА предназначена для использования в системе радиовидения, которая функционирует при следующих условиях:

центральной частоте 36 ГГц;

секторе обзора 60° и 20° в двух главных плоскостях;

диапазоне рабочих частот не более 18%;

Рис. 1. Структурная схема ИЗМА.

минимальном коэффициенте усиления (КУ) антенны 31 дБ;

уровне пересечения соседних лучей не ниже — 5 дБ.

Цель данной работы — проектирование ИЗМА, удовлетворяющей сформулированным выше требованиям. При этом следует иметь в виду, что для решения поставленной задачи необходимы новые принципы построения базовых элементов антенны. В первую очередь это относится к излучающей решетке, функционирующей в многолучевом режиме. В результате наличия новых элементов в составе достаточно сложного устройства актуальна также проверка принципиальной возможности достижения поставленной цели при помощи предложенных технических решений.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ

Структурная схема И3МА показана на рис. 1. Она состоит из следующих элементов: многоканального облучателя 1, двухслойного зеркала 2 и излучающей решетки 3. Эти устройства выполнены методами технологии печатных схем, которые позволяют наносить на поверхности диэлектрической подложки тонкие пленки разного вида.

Элементом, который в основном определяет конструкцию ИЗМА, является двухслойное зеркало 2. Такие зеркала рассматривались в работах [3—5]. Их главное достоинство заключается в том, что облучатель не затеняет зеркало, поскольку падающие на зеркало и отраженные от него волны распространяются в разных слоях. Благодаря этому для построения многолучевой антенны имеется возможность использовать осесимметричное зеркало с лучшими характеристиками сканирования, чем у несимметричной вырезки. Кроме того, у двухслойных зеркал нет ограничений на размеры облучателя 1. В работах [3—5] рассматривались зеркала на основе плоских волноводов (ПВ). Под ПВ понимаем двумерную волноведущую структуру, образованную диэлектрической пластиной, на поверхности которой нанесены металлические экраны.

Поскольку двухслойные зеркала на других видах планарных волноводов неизвестны, то применяя ПВ, можно однозначно определить структуру двух других элементов ИЗМА многоканального облучателя 1 и излучающей решетки 3, которые также целесообразно выполнить на основе ПВ.

Принцип функционирования ИЗМА показан на рис. 1. Рассмотрим возбуждение одного из входов многоканального облучателя 1. Он формирует в ПВ пучок волн ТТ-типа. Этот пучок имеет ци-

Рис. 2. Топология многоканального излучателя и планарного зеркала.

линдрический фазовый фронт, поэтому его энергия расходится от точки возбуждения. Пучок с цилиндрическим фазовым фронтом облучает поверхность зеркала 2, которое преобразует фазовый фронт пучка из цилиндрического в плоский. При этом фазовый фронт пучка на выходе зеркала имеет наклон относительно его оси, которая на рис. 1 ориентирована горизонтально. Данный пучок возбуждает излучающую решетку 3. Она формирует излучение в свободное пространство по принципу антенны бегущей волны. При этом направление излучения 4 в плоскости подложки задается положением элемента облучателя 1 относительно оси зеркала 2, а в перпендикулярной плоскости оно определяется параметрами излучающей решетки 3 и частотой.

Конструкция ПВ с Т-волнами существенно влияет на конструкцию всех элементов ИЗМА. Структура многоканального облучателя, показанная на рис. 2, представляет собой решетку пла-

Рис. 3. Поперечное сечение ПЛ.

нарных рупоров. Эти рупоры расположены вдоль некоторой линии, которую принято называть дугой сканирования [6]. Указанная дуга определяется из условия минимизации фазовых искажений в апертуре зеркала при смещении облучателя из его фокуса. Планарный рупор для Т-волн представляет собой расширяющуюся полосковую линию (ПЛ), которая выполняет функцию выходной линии передачи в рассматриваемой ИЗМА. Поперечное сечение ПЛ показано на рис. 3.

В данной работе решается задача выбора параметров многоканального облучателя, которые обеспечивают оптимальные условия облучения планарного зеркала. Эта задача решается при использовании приближенного подхода, основанного на применении волноводной модели [7]. Ее также называют моделью Олинера. При ее помощи анализ решетки планарных рупоров сводится к анализу двумерной решетки ^-плоскостных рупоров с магнитными стенками, которая в силу принципа Бабине [7] эквивалентна решетке Е-плоскостных рупоров из металла.

Планарное зеркало показано на рис. 4. Данное зеркало относится к двухслойным планарным зеркалам с отражателем в виде сплошной металлической стенки, параллельной оси 0z. Переход энергии с одного слоя на другой осуществляется через щель связи (см. рис. 4). Переход сопровождается также изменением направления распространения волны на противоположное. Металлическая стенка и щель связи изогнуты вдоль кри-

к

вой, весьма близкой к параболе с фокусным расстоянием Ш.

Последним элементом ИЗМА является излучающая решетка, показанная на рис. 5. Она относится к числу решеток с последовательным питанием. В качестве элементарного излучателя в ней используют одну или две щели в металлическом экране ПВ. Решетка возбуждается при падении на нее широкого волнового пучка, который формируется в плоскости подложки планарным зеркалом. Распространяясь вдоль решетки, пучок постепенно излучается в свободное пространство. В работе анализируется решетка, функционирующая в режиме бегущей волны.

Особенностью ИЗМА является то, что при возбуждении ее разных входов волновые пучки падают на решетку под разными углами. Указанное обстоятельство отрицательно сказывается на эффективности использования ее поверхности. Чтобы избежать негативного влияния данного эффекта, для построения излучающей решетки используется двумерная среда с принудительным преломлением. Ее формирует решетка горизонтальных неизлучающих щелей (см. рис. 5). Вертикальные щели являются излучающими элементами.

В данной работе для моделирования решетки используется модель в виде канала Флоке, пред-

V1 Рх

Ру

у

х

Рис. 4. Двухслойное планарное зеркало.

Рис. 5. Излучающая решетка на основе среды с принудительным преломлением. 3 РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 59 № 6 2014

ложенная в [8]. При п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»