книги / Микрополосковые излучающие и резонансные устройства

условно помечены более толстыми линиями); дисковый ЭИ (рис. 3, в) — это радиальная МПЛ или резонатор с различными типами колебаний (по радиусу и азимуту) и т. л.

Рассмотрим волноведущие полосковые структуры с учетом толь­ ко поперечных сечений регулярных ПЛ, а в дальнейшем покажем, что на основе нерегулярных ПЛ разных типов (например, щелевых) создано много ПА с интересными свойствами.

При построении СВЧ-модуЛей на объемных ИС используется большое число ПЛ одновременно в одной функциональной структу­ ре {7; 25]. На рис. 4 показаны линии передачи различного типа.

Рис. 5. Диэлектрические волноводы

Многие структуры применяют в качестве базовых для ЭИ ПА или различных вспомогательных элементов входных фильтров (раз­ водка питания, возбуждение, разделение каналов и др.).

В качестве основы ЭИ ПА применяют несимметричную полоско­ вую линию (НПЛ) (рис. 4, б (2, 3, 7, 9, 15)) и симметричную и не­ симметричную щелевые линии (ЩЛ) (рис. 4, а (3, 5); в (1, 3, б)). Копланарную линию (КЛ) и ее модификации (рис. 4, г (1, 2)) ис­ пользуют как в ЭИ (при этом значительно снижается уровень пара­ зитного кроссполяризационного излучения), так и в устройствах согласования и симметрирования, линиях разводки питания к излу­ чателям и др. В области миллиметровых и более коротких волн ПА также строят на основе открытых волноведущих структур: ди­ электрическом волноводе (рис. 5, а {1—5, 7—11)), Н-волноводе

и

(рис. 5, б (1, 3, 4)) и др. Так, на основе Н-волновода (рис. 5, б (2)) разработаны антенны вытекающих волн для миллиметрового диапа­ зона, обладающие малыми потерями при большой длине (порядка

20— 100Я).

2. П А С ПО ЛО СКО ВЫ М И ЭЛЕМ ЕНТАМ И

Большая часть ПА СВЧ представляет собой плоские конструк­ ции (см. рис. 3). Аналогичные конструкции используют и для по­ лосковых вибраторов (рис. 6) [25; 27]. При этом экран может быть несплошным или неполностью экранирующим, как у ленточного электрического вибратора (рис. 7). У ИЭ с двусторонним излучени­ ем экран может отсутствовать. На рис. 8, а показан полосковый виб­ ратор, плечи которого нанесены на разные стороны диэлектрической подложки. Питание вибратора осуществляется печатной ПЛ с ши­ рокими проводниками, а участок нерегулярной ПЛ у самого вибра­ тора выполняет роль согласующего устройства [6]. На рис. 8, б и в показаны два возможных варианта взаимного расположения плеч вибратора с перекрытием плеч и без перекрытия соответственно.

Наличие несимметричной ЩЛ в конструкции вибратора и ПЛ возбуждения улучшает электрические диапазонные его свойства.

К классу плоских относятся ПА двухслойного типа (рис. 9). Возбуждение к вибратору подводится на соседнем этаже схемы, а плечи вибратора расположены в одной плоскости. Питание вибра­ торов производится по ЛП /, представляющей собой симметричную Г-образную на конце ПЛ (рис. 9, а) или петлеобразную (рис. 9, б). Щель 2 является симметрирующим и согласующим устройством [6; 13]. ЛП возбуждения вибраторов на рис. 9 является закрытой, и паразитное излучение уменьшается по сравнению с излучением вибратором по схеме на рис. 7, у которого фидер является откры­

простое (особенно при использовании НЩЛ) согласование с раз­ личными типами ПЛ, что зачастую является определяющим при создании объемных антенных модулей. Простейшим представителем полосково-щелевого ЭИ является щель, возбуждаемая ПЛ (напри­ мер, симметричной) (см. рис. 3, м). Варьируя длину отрезка линии питания за щелью, можно согласовывать сопротивления ЭИ и фиде­ ра. Используются щелевые МПА с отражателем (рис. 10), роль ко­ торого выполняет Т-образное окончание питающей линии открыто­ го (рис. 10, а) или закрытого (рис. 10, б) типа.

В АР и в качестве одиночных ЭИ также применяют щелевые структуры более сложной конструкции, например в виде прямо­ угольной (рис. 11, а), одной или нескольких концентрических коль­ цевых (рис. И, б) или двух квази параллельных (рис. 11, в) щелей, а также в виде четвертьволнового фазосдвигающего шлейфа (рис. 11, г), так называемой антенны Франклина [89].

Используя нерегулярную ЩЛ, можно строить широкополосные ЩА типа антенны вытекающей волны (рис. 11, д). Такая антенна излучает при длине волны ЩЛ А, >» 0,4Хо (А0 — длина волиь(в сво­ бодном пространстве). При этом излучение направлено вдоль ЩЛ. ДН в ^-плоскости составляет 40°, в Я-плоскости — 50° Уровень кроссполяризации равен — 20 дБ.

Обширный класс плоских ЭИ дополняется многовходовыми и многочастотными ПА. Использование ЭИ с удаленной внутренней частью (см. рис. 3, ж, з) позволяет на ее место поместить ЭМ, рабо­ тающий на более высокой частоте. На рис. 12 изображены две кон­ струкции двухвходовых и двухчастотных ПА. К конструкции на рис. 3, з добавлен ЭИ 1 (рис. 12, а), питание к которому подается коаксиальным кабелем через отверстие в экране и подложке. Точка подключения отмечена крестиком. Участок копланариой линии 2 выполняет роль согласующего трансформатора. Питание внешнего ЭИ производится с помощью МПЛ 3. На рис. 12, б показана двух­ входовая ПА, в которой питание подается с помощью МПЛ 1, 2, имеется дополнительно навесная перемычка 3.

Недостатками этих ПА являются разнотипность питания вибра­ торов (рис. 12, а), когда необходимо сверлить подложку и экран, и наличие навесной перемычки 3 в конструкции на рис. 12, б. От этих недостатков можно избавиться, используя объемный принцип конструирования антенного модуля.

Полосковые антенны являются резонансными, поэтому могут функционировать в узкой полосе частот, составляющей примерно 1—3 %. Ширина полосы частот ПА канонических форм приблизи­ тельно пропорциональна толщине подложки, квадрату резонансной частоты и обратно пропорциональна квадратному корню из е под-

'ложки [27; 29; 381. Увеличение толщины подложки для расшире­ ния полосы ведет к существенному увеличению доли мощности, трансформированной в поверхностную волну (ПВ), опасности воз­ никновения паразитных колебаний в резонансном объеме (под ЭИ), кроссполяризационному излучению и т. п. Существуют различные способы увеличения рабочей полосы частот ПА, например, измене­ ние формы канонических ЭИ, создание многослойных связанных резонансных ЭИ [6; 27]. Такие структуры также могут выполнять роль многочастотных ПА. На рис. 13 показаны структуры двухслой­ ных (двухэтажных) ЭИ. Бывают более сложные структуры, на­ пример трехслойные [59]. При этом ЭИ располагают обычно один над другим. Питание подводят коаксиальным кабелем или к верхне-

му (активному) ЭИ (рис. 13, а), или к нижнему ЭИ (рис. 13, б), или одновременно к обоим ЭИ (рис. 13, в). Применяют комбинированные схемы, например МПЛ и коаксиальный кабель (для двух активных ЭИ, когда коаксиальный кабель работает в двухчастогиом режиме), или только с помощью полосковой ЛП (ПЛП) и т. п. Использу­ ются и более сложные схемы подачи питания, например, при раз­ мещении входного фильтра и (или) делителя (сумматора) мощности непосредственно у ЭИ, либо когда фильтр и ЭИ составляют единое целое. В ФАР применяют схему, объединяющую ЭИ и фазовраща­ тель.

Для сохранения круговой поляризации излучения при больших углах сканирования применяют двухслойную подложку типа ди-

Рис. 14. ПА с увеличенной рабочей полосой частот:

Для улучшения условий согласования фидера с ЭИ и увеличе­ ния рабочей полосы частот ПА применяют сложные составные ЭИ плоской конструкции из двух и более излучателей [27; 56; 63]. Например, к ПА, длина основного ЭИ которой рассчитана на наи­ высшую рабочую частоту диапазона, присоединяют несколько полуволновых металлических полосок (рис. 14, а) [53]. По мере снижения частоты полоски «подключаются» к ПА, увеличивая эф­ фективную длину антенны и расширяя полосу частот в 2—3 раза.

Аналогичный эффект достигается в ПА с вибраторными (рис. 14, б, крестиком отмечена точка подключения возбуждающего коак­ сиала к активному вибратору) и микрополосковыми ЭИ (рис. 14, в, г) с пассивными вибраторами, ЭИ которых могут располагаться у неизлучающих или излучающих сторон ПА, а также со всех четы­ рех сторон (рис. 14, г) [68].

Помимо отмеченных функций (расширения полосы частот, уп­ равления формой и наклоном ДН и т. п.) связанные ПА примеия-

ют для учета взаимной связи между отдельными ЭИ антенной решет­ ки, Кроме того, по значению коэффициента связи можно учесть влияние соседних ЭИ на уровень боковых лепестков, допустимый сектор сканирования и т. д.

Роль пассивного дополнительного вибратора может выполнять щель в экране. Так, в конструкции двустороннего полоскового виб- р пора с проводящим экраном между его плечами параллельно ве­ нозному ЭИ в экране прорезается одна (или несколько) четвертьвол­ новая щель (рис. 8). Это позволяет получить круговую поляризацию излучения по коэффициенту эллиптичности в широкой полосе (27 %) 163].

Для повышения эффективности работы ПА и реализации много­ частотных режимов используют волны высших типов [46; 49]. Наи­ более простым способом реализации многочастотного режима в ПА является работа на нескольких типах колебаний. Например, воз­ буждая прямоугольную ПА на колебаниях с индексами (0,1) и (0,3), можно производить независимую регулировку по каждому из коле­ баний с помощью щелей в ЭИ и штырей, накоротко замыкающих ИЭ на экран. Штыри, расположенные в узлах электрического поля колебания (0,3), не влияют на структуру поля этого колебания. Од­ нако их установка приводит к повышению нижней резонансной частоты ПА на колебания с индексами (0,1). В то же время, распола­ гая щели в максимумах магнитного поля колебания (0,3), можно понижать верхнюю резонансную частоту ПА. Таким образом, со­ четая воздействие щелей и штырей на резонансные частоты ПА, можно существенно изменять отношение между верхней и нижней резонансными частотами в интервале от 3 до 1,3 [59].

Выше упоминалось о возможности реализации двухчастотной ПА удалением средней части ЭИ (рис. 3, ж, з; рис. 11,6; рис. 12). Следует отметить, что низшая резонансная частота кольцевого ЭИ (рис. 3, ж) меньше, чем у дискового ЭИ тех же размеров [46]. При этом полоса частот колебания с индексами (1,2) больше, чем у коле­ бания с индексами (1,1). Колебания ТЕот-ткш дают нулевое излу­ чение в перпендикулярном к плоскости ПА направлении. Коле­ бания ТЕ1т обеспечивают «нормальное» излучение, но при четных индексах т они поддерживаются в большем диапазоне частот, чем при нечетных т. Для высших мод отмечен также рост КНД и уровня бокового излучения, который можно несколько снизить уменьшением отношения внешнего радиуса кольцевого ЭИ к внут­ реннему. Аналогичные закономерности наблюдаются у ЭИ других форм, например у треугольного излучателя или вибратора из двух треугольных элементов (излучатель типа «галстук-бабочка») [39; 49; 67].

Применение высших типов колебаний в ЭИ целесообразно и с точки зрения получения ДН специальной формы. Например, для получения ДН типа конической воронки можно использовать

дисковые ЭИ (см. рис. 3» в, ж) с колебаниями типа п, т (за исключе­ нием случая п = т = 1) и кольцевые ЭИ с колебаниями типа О» т [49].

Возможностями по увеличению полосы рабочих частот ПА обла­ дают излучатели с закороченным Х/А элементом на ферритовой под­ ложке (рис. 14, д). К этому же типу устройств относятся так назы­ ваемые гибридные ЭИ (рис. 14, е), представляющие собой Я/4 эле­ менты, закороченные со стороны, противоположной питающей ПА. Они имеют меньшие размеры и большую полосу частот. Их недостат­ ком является больший, чем у разомкнутых ЭИ уровень кроссполяризационного излучения, которое можно ослабить, используя коле­ бание типа (1,1) 1381.

Существенно увеличить полосу рабочих частот удается в различ­ ных ПА на основе неоднородных ЛП, например, на основе симмет­ ричной ЩЛ (СЩЛ) или НЩЛ [2]. При этом ЛП может быть плавно неоднородной (рис. 11, д, антенна Вивальди) либо ступенчато'неод­ нородной [581. Достигаемое в этих МПА перекрытие диапазона составляет 6 : 1 ,

3 заключение рассмотрим ПА с неплоскими ЭИ [36] — это раз­ личные антенные структуры, устанавливаемые на криволинейных (например, цилиндрических, сферических) поверхностях или в АР. К ПА с неплоскими ЭИ относятся как вибраторные антенны, так и излучатели канонических форм (прямоугольные, кольцевые и т. д.).

Многомодовый режим функционирования ПА используют для оптимизации ДН, например, в задачах определения амплитуды и фазы нескольких типов колебаний в резонансной плоскости ЭИ, чтобы получить максимум излучения в минимально возможном угле. Задача определения амплитуд при этом сводится к известной задаче линейной алгебры об отношении двух квадратичных форм (23; 25].

3. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Класс антенных решеток на основе печатной технологии чрез­ вычайно широк. Объединяя отдельные ЭИ и АР, можно получить высокий КНД, обеспечить' сканирование луча или управление ДН в пространстве. ЭИ в АР могут быть однотипными или разными (см. рис. 1, г). В зависимости от назначения РЭА антенные решетки подразделяются на линейные, плоские или объемные.

Независимо от конструкции АР можно разделить на два больших класса: со сканируемой и неподвижной ДН. В сканируемых АР в пространстве может перемещаться как собственно луч АР, так и нули ДН. Это особенно важно, когда перемещение антенны огра­ ничено в условиях многолучевого распространения информацион­ ного и шумового (санкционированного или несанкционированного)

и меньшим уровнем кроссполяризационного излучения. По суще» ству, проволочно-сетчатая АР представляет собой сочетание «про­

(на рис. 15, б показано стрелками) на вертикальных Я/2 сторонах синфазное, что определяет поле основной поляризации. Распределе­ ние токов на горизонтальных участках сетки противофазное и обус­ ловливает низкий уровень кроссполяризационного излучения. Экспериментальный образец сеточной АР выполнен на диэлектри­ ческой подложке толщиной 0,05Я, диаметром 5Я и имеет усиление 21 дБ при коэффициенте использования поверхности раскрыва 77—90 % [91]. Используя проводники разной толщины, можно ре­ гулировать согласование импедансов.

Конструкция АР, показанная на рис. 15, б, состоит из двух изог­ нутых проводников, расположенных на диэлектрической подложке толщиной 0,1А, и нагруженных на согласованную нагрузку. АР из 8 элементов на частоте 1,8 ГГц имеет размеры 1,5 X 1,5 X 0,9 м, коэффициент усиления (КУ) 26 дБ, уровень кроссполяризационмого излучения — 30 дБ и задние лепестки — 44 дБ. Такие характе­ ристики позволяют использовать эту АР вместо обычных парабо­ лических зеркальных антенн.

Волноводно-щелевые АР представляют собой решетки из щелей разной формы, прорезаемых в стенках волновода (рис. 15, в) [1; 6; 27]. Волноводы могут быть прямоугольные и круглого сечения 128; 31]. Для эффективного возбуждения щели прорезают таким образом, чтобы они пересекали токи, текущие по стенкам волновода. В резонансных АР щели располагаются на расстоянии Я/2 друг от друга. Ширина полосы частот резонансных АР обычно 1 % и менее. Более широкие полосы пропускания у антенн бегущей волны, у ко­ торых расстояние между щелями отлично от Я/2, например, равно 0,55Я 127; 38; 64]. К антеннам бегущей волны относится линейная антенна вытекающей волны с частотным сканированием на основе прямоугольного волновода с продольной щелью (рис. 15, д). Ис­ следования таких структур проведены в работах [15; 31].

Полосковые щелевые АР по принципу технической реализации «похожи» на волноводно-щелевые антенны. Их основу составляет симметричная ПЛ (см. рис. 4, а (/, 2)), в верхней плоскости которой прорезают поперечную щель (рис. 15, д). Вокруг щелей можно уста­ навливать штыри, закорачивающие верхнюю и нижнюю металличе­ ские плоскости, или в этих местах просверливать отверстия для ликвидации паразитных волноводных волн, возбуждаемых щелями в плоскопараллельном волноводе между этими плоскостями. Конст­ рукция полосковой АР показана на рис. 15, е 16]. Она является двух­ слойной конструкцией, в верхней плоскости которой прорезан ряд прямоугольных щелей. Питание последних осуществляется с по­ мощью полосковых линий (показаны штриховыми линиями). Ли­