Разработка и исследование модифицированной линзы Ротмана в качестве диаграммообразующей схемы линейной антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработка и исследование модифицированной линзы Ротмана в качестве диаграммообразующей схемы линейной антенной решетки

Л.А. Овчаренко

Аннотация

Многолучевые антенные решетки (МАР) представляют собой антенные устройства способные формировать несколько диаграмм направленности, в зависимости от того, на какой входной порт поступает сигнал. Такие многолучевые антенны становятся все более привлекательными для коммерческого использования в связи, радиопеленгации, радиолокации. Одним из перспективных способов формирования лучей в МАР является использование печатных линз Ротмана в силу простоты их конструкции (печатная плата), а также - широкой полосой рабочих частот (коэффициент частотного перекрытия может достигать 2-3 и даже более). Т.к. принцип работы линзы Ротмана основан на различных путях распространения волны внутри ее структуры, она может работать в сверхширокой полосе частот [1, 2, 3, 4]. Однако на более низких частотах данная линза становится слишком громоздкой и потому достаточно трудным становится ее интеграция в компактную конструкцию приемопередатчика. Эту проблему предлагается решить путем разработки более компактной линзы Ротмана - сложенной пополам. Столь радикальный способ уменьшения габаритных размеров линзы Ротмана обусловлен тем, что основным типом волны, переносящим подавляющую долю энергии, является волна ТЕМ, для которой практически отсутствует дисперсия в СВЧ - ламинатах с малыми потерями. Такие технические решения нужны для радиолокации, связи и радиопеленгации. Большое число формируемых лучей ДН позволяет одновременно обозревать широкий угловой сектор пространства по азимуту от 0 до 360 градусов, путем формирования одновременно 40 лучей шириной не менее 9-10 градусов каждый.

Ключевые слова: многолучевые антенные решетки, антенны, линза Ротмана, волна ТЕМ,, диаграмма направленности, свернутая линза.

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF MODIFIED LENSES ROTHMAN AS DIAGRAMMABLE DIAGRAMS LINEAR ANTENNA ARRAY

L.A. Ovcharenko1, Yu. G. Pasternak2, 3, V. A. Pendiurin4, I.V. Popov5, F. S. Safonov2

1STC EW, Voronezh, Russia,

2Voronezh state technical University, Voronezh, Russia,

3Military training and research center of the air force " air force Academy. Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin" (VUNTS VVS "VVA"), Voronezh, Russia

4Joint stock company research and production enterprise "automated communication systems "(JSC NPP "as"), Voronezh, Russia

5Joint stock company "Concern " Constellation", Voronezh

Abstract. Multipath antenna arrays (MPAS) are antenna devices capable of forming several radiation patterns, depending on which input port the signal is received. Such multi-beam antennas are becoming more attractive for commercial use in communications, radio direction finding, radar. One of the promising ways of forming beams in the IDA is the use of Rotman printed lenses due to the simplicity of their design (printed circuit Board), as well as a wide band of operating frequencies (the frequency overlap coefficient can reach 2-3 or even more). Because. the principle of operation of the Rothman lens is based on different ways of wave propagation within its structure, it can operate in an ultra-wide frequency band[1, 2, 3, 4]. However, at lower frequencies, this lens becomes too bulky and therefore difficult to integrate into the compact design of the transceiver. This problem is proposed to be solved by developing a more compact Rothman lens-folded in half. Such a radical way to reduce the overall size of the Rothman lens is due to the fact that the main type of wave that carries the overwhelming share of energy is the wave of THOSE for which there is practically no dispersion in microwave laminates with small losses. Such technical solutions are needed for radar, communication and radio direction finding. A large number of formed rays of the bottom allows you to simultaneously observe a wide angular sector of space in azimuth from 0 to 360 degrees, by simultaneously forming 40 rays with a width of at least 9-10 degrees each.

Keywords: multibeam antenna arrays, antenna, lens, Rothman, wave THEMES, the directivity pattern, the folded lens.

Большинство современных линз Ротмана изготавливают в микрополосковом исполнении, в отличие от более громоздких волноводных структур [1, 2, 3, 4].

Конструкция линзы Ротмана вычислялась по уравнениям Ротмана-Тернера [5-7], топология самой линзы представлена на рис. 1. Центральная фокальная точка F0 расположена на центральной оси, симметрично относительно этой оси расположены фокальные точки F1 и F2 [5-7]. Контур I2 определяет расположение антенных элементов, и представляет собой прямую линию I1 является внутренним контуром линзы, и носит название контура решетки [5-7]. Внутренний и внешний контуры соединены линией передачи W(N) [5-7]. Две внеосевые фокальные точки F1 и F2 расположены на фокальной дуге под углами и относительно оси X. Линза должна быть сконструирована так, чтобы получить лучи на выходе направленные под углами , 0 и при запитки с точек F1, F0 и F2, соответственно [5-7]. Линза Ротмана обладает четырьмя конструкционными параметрами [5-7]:

F - расстояние между внеосевой фокальной точкой и центральной точкой контура решетки (отрезки O1F1 иO1F2);

G- расстояние между осевым фокальным центром и центральной точкой контура решетки (отрезок O1F1)

d- расстояние между элементами, расположенными вдоль прямой I2. Количество антенных элементов и расстояние между ними определяют длину контура I2.

б- фокальный угол, определяющий сектор сканирования линзы.

Луч из точки запитки F1 может достигнуть фронта волны через общую точку P(X, Y) на внутреннем контуре I1, линию передачиW(N), точку Q(N) на внешнем контуре и дальше по прямой линии под углом -б перейти во фронт волны AB наклоненный на угол -б. Также, луч от может пойти через точку O1 и через линию передачи W(0) попасть во фронт волны AB. Аналогично выглядит путь для лучей исходящих от других точек запитки.

Рис. 1. Топология линзы Ротмана

Внутренний контур I1 и линии передачи строятся по конструкционным уравнениям, составленным так чтобы, не зависимо от пути распространения внутри линзы, лучи достигнувшие фронта волны AB были в одной фазе. Это значит, что суммарный сдвиг фаз для каждого пути распространения волны должен быть одинаковым. Ниже представлены конструкционные уравнения линзы Ротмана [5-7]:

,(1)

,(2)

,(3)

Где

,(4)

, (5)

. (6)

Для удобства расчета все размеры линзы нормализованы к внеосевому фокальному расстоянию : , , , , . Также, введем следующие обозначения: , . Преобразуя полученные уравнения, получим [56-58]:

,(7)

,(8)

,(9)

Где

,(10)

,(11)

,(12)

Для заданных параметров конструкции линзы и можно рассчитать как функцию , а из этих значений и определим и [5-7].

Стоит отметить, что рабочие характеристики линзы Ротмана сильно зависят от отражений волны внутри линзы. Поэтому для уменьшения коэффициента отражения, на боковых сторонах линзы устанавливают балластные порты, к которым подключаются согласованные нагрузки.

В линзах Ротмана необходимо использовать расширяющиеся порты (рис. 2) по причинам указанным ниже:

1) Линия, соединяющая антенные элементы источник сигнала с линзой обычно обладает сопротивлением 50 Ом, что ограничивает физическую ширину порта входа/выхода. Сама линза Ротмана обладает меньшим сопротивлением из-за большей площади поверхности, поэтому расширяющаяся линия передачи функционируют как трансформатор сопротивления.

2) Для уменьшения потерь контур решетки должен быть ограничен большими по размерам портами.

Рис. 2. Сужающийся порт линзы Ротмана

Обозначив ширину сужающегося порта W, высоту подложки d, диэлектрическую проницаемость материала полосковой линии е, а сопротивление Z(x) запишем формулу расчета профиля порта [8, 9]

(13)

Где

,(14)

.(15)

Для создания расширяющегося порта наиболее распространенной треугольной формы необходимо рассчитать только ширину входа и выхода, а затем соединить их прямыми линиями. Сопротивление в таком порте будет изменяться по линейному закону.

Описанным выше методом была получена симметричная полосковая линза Ротмана с подключенными к портам решетки излучающими элементами, в качестве которых использовались симметричные сверхширокополосные вибраторы с эллиптическими плечами, показанная на рисунке 3.

а) б)

Рис. 3. Пример топологии линзы Ротмана(а) и МАР на ее основе с печатными вибраторными элементами(б).

антенная решетка линза ротман

Линейная многолучевая антенная решетка (МАР), показанная на рис. 3, представляет собой линзу Ротмана, изготовленную по технологии симметричной печатной платы (тело линзы расположено между двумя слоями диэлектрика, покрытых тонким слоем меди с обратных сторон).

Антенная система, показанная в качестве примера на рисунке 3, может формировать 8 лепестков диаграммы направленности, и состоит из 14 плоских вибраторов с рефлекторами, из которых к линзе подключены центральные 8 элементов, а по 3 элемента, расположенные слева и справа от активной подрешетки (запитанной от линзы Ротмана), используются для имитации периодичности решетки. Такие технические решения нужны для радиолокации, связи и радиопеленгации. Большое число формируемых лучей ДН позволяет одновременно обозревать широкий угловой сектор пространства по азимуту от 0 до 360 градусов, путем формирования одновременно 40 лучей шириной не менее 9-10 градусов каждый. Правда, тогда потребуется 40- канальное приемное устройство, но это - цена за увеличенную скорость обзора рабочего пространства по угловой координате.

МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, ЗАПИТАННАЯ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛИНЗЫ РОТМАНА

В этом разделе мы рассматриваем результаты моделирования горизонтальной антенной решетки из 10 вибраторов, запитанной сложенной пополам печатной линзой Ротмана. Также рассмотрена модифицированная конструкция линзы Ротмана. Модифицированную печатную линзу Ротмана, сложенную пополам, подключаем к линейной антенной решетки из 10 элементов, показанной на рис. 4

Рис. 4. Линейная антенная решетка из 10 элементов. Ширина ФАР - 1164 мм, высота - 194 мм.

На рис. 4 показана линейная антенная решетка, состоящая из 10 элементов, представляющие собой печатные вибраторные элементов с рефлекторами и директорами.

Схема подключения антенной решетки с модифицированной линзой Ротмана рассмотренна ниже. Структурная схема МАР, запитанной с помощью модифицированной линзы Ротмана, показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема МАР, запитанной с помощью модифицированной линзы Ротмана.

Далее рассмотрим основные характеристики МАР, запитанной при помощи модифицированной линзы Ротмана.

Рис. 6. Частотные зависимости коэффициентов отражения (дБ) на диаграммообразующих входах линзы Ротмана, подключенной к линейной АР из 10 элементов.

На рисунке 6 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (дБ) на диаграммообразующих входах линзы 1-5, подключенной к линейной АР из 10 элементов.

Рис. 7. Частотные зависимости полных потерь энергии в линзе Ротмана и антенной решетке, дБ

Из рисунка 7 видно что среднее значение полных потерь в линзе -2 - -3 dBi, что является благоприятным результатом для данной системы.

Далее будут показаны результаты моделирования диаграмм направленности антенной решетки, запитанной от модифицированной линзы Ротмана на различных частотах.

Рис. 8. Диаграммы направленности горизонтальной антенной решетки, запитанной от модифицированной линзы Ротмана, для портов 1-5 на частоте 1.15 ГГц.

Рис. 9. Диаграммы направленности горизонтальной антенной решетки, запитанной от модифицированной линзы Ротмана, для портов 1-5 на частоте 1.35 ГГц.

Рис. 10. Диаграммы направленности горизонтальной антенной решетки, запитанной от модифицированной линзы Ротмана, для портов 1-5 на частоте 1.45 ГГц.

На рисунках 8-10 видно что результаты моделирования для 1 порта отличаются от остальных, но порт 1 является балластным портом, соответствующий лепесток ДН не будет использоваться. Главные лепестки для портов 2-4 отчетливо выделяются, уровень боковых лепестков не высокий и соответствует ожиданиям.

Следующим шагом в моделировании стала ситуация где мы рассматривали коэффициенты усиления (дБи) антенной решетки, запитанной линзой Ротмана, с учетом полных потерь в линзе и решетке (рис. 11), для входов 1-5 линзы Ротмана.

Рис. 11. Коэффициент усиления (дБи) антенной решетки, запитанной линзой Ротмана, с учетом полных потерь в линзе и решетке (рис. 20), для входов 1-5 линзы Ротмана

Из рисунка 11 можно легко увидеть, что с увеличением частоты коэффициент усиления антенной решетки возрастает и максимум для всех портов, кроме 1(является баластным) будет в пределах от 13 до 16 дБи.

Также рассматривались частотные зависимости углов максимального излучения антенной решетки, запитанной линзой Ротмана, для входов 1-5 линзы Ротмана которые показаны на рисунке 12.

Рис. 12. Частотные зависимости углов максимального излучения антенной решетки, запитанной линзой Ротмана, для входов 1-5 линзы Ротмана

На рис. 12. Можно наблюдать вполне ожидаемую картину, что для каждого порта, на всей рассматриваемой полосе частот, углы максимального излучения антенной решетки практически неизменны и равны каждый своему значению.

Далее на рис.13 будет показаны результаты моделирования частотной зависимости ширины главных лепестков диаграммы направленности многолучевой антенной решетки, запитанной модифицированной линзой Ротмана.

Рис. 13. Частотные зависимости ширины главных лепестков ДН многолучевой антенной решетки, запитанной модифицированной линзой Ротмана, для входов 1-5 линзы Ротмана

Из рисунка 13 можно сделать вывод что с увеличением частоты ширина главных лепестков диаграммы направленности немного уменьшается, но в среднем на всех портах ширина ДН примерно равна 12.5 градусов.

На следующем графике рассмотренны результаты моделирования уровня боковых лепестков ДН многолучевой антенной решетки, запитанной модифицированной линзой линзой Ротмана для портов(входов) 1-5.

Рис. 14. Уровень боковых лепестков (дБ) ДН многолучевой антенной решетки, запитанной модифицированной линзой Ротмана, для входов 1-5 линзы Ротмана.

На рисунке 14 можно заметить зависимось, что при увеличении частоты уровень боковых лепестков падает, но в среднем, остается на одном уровне и не превышает 16 dBi., за исключением порта под номером 1,который является баластным.

КОНСТРУКЦИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛИНЗЫ РОТМАНА

Далее будет показанна модифицированная линза Ротмана и ее особенности моделирования. Модель линзы Ротмана сложена пополам и состоит из 5 слоев, 3 из которх - земля, а остальные 2 это сама линза, сложенная пополам. Каждый слой разделен диэлектриком Rogers TMM 10i, диэлектрическая проницаемость 9.8. Габаритные размеры печатной платы без разъемов -500x225x7.41 мм.

Рис.15. Модель линзы Ротмана, сложенной пополам (5 слоев металла (3 из которых - земля)

Рис. 16. Модель линзы Ротмана, сложенной пополам в увеличенном виде.

Рис. 17. Слои линзы Ротмана, свернутой пополам.

Замыкания внешних земляных проводников осуществлено с помощью переходных отверстий; замыкания двух частей тела линзы также осуществлено с помощью переходных отверстий.

Рис. 18. Порты линзы, ведущие к элементам антенной решетки.

Соединение линзы и элементов АР производится с помощью коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом одинаковой длины.

Рис. 19. Входы линзы

Входы линзы с 2 по 6 являются диаграммообразующими, их число 10 соответствует числу лепестков. Входы 7-9 я вляются симетричными так же как и входы 22-23. Порты 1 и 24 являются балластными.

Заключение

В данной работе было продемонстрировано, что использование «свернутой» линзы Ротмана позволяет существенно уменьшить габаритные размеры диаграммообразующей схемы многолучевой антенной системы без существенного изменения ее направленных свойств. Результаты моделирования показали, что предлагаемое решения является перспективным для создания многоканальных приемных антенных систем.

Литература

Jangsoo Lee. Development of a V-band Rotman Lens using thin-film substrate with a flip-chip interconnection [Текст] / Jangsoo Lee, Sangbok Park, Saengseub Song, Sanghyo Lee, Joonho So, Youngwoo Kwon, Kwangseok Seo, Changyul Cheon // Antennas and Propagation Society International Symposium. - 2008. - P. 1-4.

Jaeheung Kim. TM mode surface wave excited dielectric slab Rotman lens [Текст] / Jaeheung Kim, Chul Soon Park, Seungwook Mi // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2007. - Vol. 6. - P. 584-587.

Woosung Lee. Compact Two-Layer Rotman Lens-Fed Microstrip Antenna Array at 24 GHz [Текст] / Woosung Lee, Jaeheung Kim, Young Joong Yoon // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2011. - Vol. 59. - P. 460-466.

Cheng, Yu.J. Substrate Integrated Waveguide (SIW) Rotman Lens and Its Ka-Band Multibeam Array Antenna Applications [Текст] / Yu.J. Cheng, Wei Hong, Ke Wu, Z.Q. Kuai, Chen Yu, J.X. Chen, J.Y. Zhou, H.J. Tang // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2008. - Vol. 56. - P. 2504-2513.

Rotman, W. Wide-Angle Microwave lens for line source applications [Текст] / W. Rotman, R. Turner // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1963. - Vol. 11. - № 6. - P. 623-632.

Hansen, R.C. Design trades for Rotman lenses [Текст] / R.C. Hansen // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1991. - Vol. 39. - №. 4. - P. 464-472.

Singhal, P.K. An overview of design and analysis techniques of Rotman type multiple beam forming lens and some performance results [Текст] / P.K. Singhal, P.C. Sharma, R.D. Gupta // IE (I) Journal.ET. - 2004. - P. 52-58.

Wong, K.-L. Compact and broadband microstrip antennas [Текст] / K.-L. Wong. - New York: John Wiley & sons, 2002. - 301 p.

Kumar, G. Broadband Microstrip Antennas [Текст] / G. Kumar, K. P. Ray. - Artech house, 2003. - 432 p.Размещено на Allbest.ru