Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 10. -

Вып. 3. - 2011. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/TITL-31.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/cont.htm

 

УДК 621.396.61(075)

 

ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ РАВНОАМПЛИТУДНОЙ ПЕЧАТНОЙ АНТЕННОЙ

РЕШЕТКОЙ

 

Ó 2011 г. Зайцев А. В., Битаев Е.С., Амозов Е. В., Земцов А. В.

 

 

(zaitsev.doc)

 

В настоящее время существует необходимость получения высокого коэффициента усиления СВЧ антенн в совокупности с их малыми размерами. В статье рассмотрен вопрос целесообразности применения печатных антенных решёток по сравнению с антенными решётками других типов. Обосновано преимущество использования в качестве элемента антенной решетки печатного излучателя.

Ключевые слова: печатная антенная решётка, коэффициент усиления, диаграмма направленности.

 

В связи с широким распространением в последнее время устройств, работающих с использованием СШП сигналов, появилась потребность в недорогих и компактных антеннах СВЧ-диапазона, которые могли бы применяться в устройствах приема и передачи СШП сигналов.

Для формирования остронаправленных диаграмм и получения больших коэффициентов направленного действия слабонаправленные излучатели объединяются в систему, называемую антенной решеткой. Антенная решетка представляет собой систему идентичных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и питаемых от одного или нескольких генераторов. Высокая направленность при этом достигается за счет того, что в нужном направлении поля всех излучателей суммируются синфазно, а в других направлениях­­ несинфазно.

В зависимости от способа расположения излучателей различают линейные, поверхностные и объемные решетки. Наибольшее распространение получили линейные и плоскостные решетки, поскольку для них проще всего решается как задача синтеза, так и задача управления диаграммой направленности. В этом отношении простейшей является линейная антенная решетка [1].

В тех случаях, когда амплитуды токов всех элементов решетки одинаковы, ее называют равноамплитудной.

Система, в которой вдоль линии расположения излучателей фазы токов изменяются по линейному закону, получила название линейно-фазной. Частным случаем линейно-фазной системы является синфазная решетка, в которой фазы токов всех элементов одинаковы.

В качестве элементов антенной решетки могут быть установлены симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели, рупорные антенны, печатные излучатели и    т. п.   Антенны в решетке соединяют между собой системой питания, которая обеспечивает работу антенн на общую согласованную нагрузку. Как правило, синфазную решетку собирают из одинаковых антенн, расположенных в несколько строк и столбцов. Система питания элементов решетки должна быть составлена таким образом, чтобы не нарушалась синфазность сигналов, поступающих от каждой антенны в нагрузку, так как только при одинаковых фазах этих сигналов они будут складываться. Кроме того, система питания  элементов решетки одновременно должна обеспечивать их согласование с нагрузкой, так как при рассогласовании общего входного сопротивления решетки с сопротивлением нагрузки часть энергии принятого антеннами сигнала отразится от нагрузки и будет излучаться обратно в пространство, что приведет к ухудшению коэффициента стоячей волны и уменьшению коэффициента усиления антенной решетки.

Использование вместо одиночного излучателя нескольких таких же излучателей, объединенных системой питания в антенную решетку, приводит к сужению диаграммы направленности и увеличению коэффициента усиления антенной решетки по сравнению с одиночным излучателем [2].

Форма диаграммы направленности синфазной линейной антенной решетки определяется диаграммами направленности входящих в ее состав одиночных излучателей и расстоянием между ними. Обычно расстояние между излучателями принимают равным половине длины волны. Если увеличивать расстояние, ширина главного лепестка уменьшается, но появляются боковые лепестки, если же расстояние выбрать меньше половины длины волны, значительно сказывается взаимное влияние излучателей.

Рассмотрим эффективность использования элементов антенной решетки на примере рупорной антенны и печатного излучателя. Размеры раскрыва рупора равны 40 на 30 мм, размеры печатного излучателя 7,3 на 7,4 мм. Центральная частота рупора и печатного излучателя 9,5 ГГц. В качестве критерия эффективности предлагается использовать отношение коэффициентов использования поверхности рассматриваемых антенн ():

 

,                                                              (1)

 

где

–

коэффициент усиления антенны;

 

–

длина волны;

 

–

геометрическая площадь антенны.

 

,                                                         (2)

 

 

где

 

–

коэффициент использования поверхности печатного излучателя;

 

–

коэффициент усиления печатного излучателя;

 

–

геометрическая площадь рупорной антенны;

 

–

коэффициент использования поверхности рупорной антенны;

 

–

коэффициент усиления рупорной антенны;

 

–

геометрическая площадь печатного излучателя.

 

Расчет характеристик антенн проведен с использованием

системы моделирования CST DESIGN ENVIRONMENT.

 

 

 

Рисунок 1 – Коэффициент усиления и диаграммы направленности исследуемых антенн

 

Как видно из рисунка 1, коэффициент усиления рупорной антенны равен 16,56, коэффициент усиления печатного излучателя равен 4,36. Подставив эти значения в выражения 1 и 2 получим значение . Это означает, что при геометрической площади печатного излучателя в 22,2 раза меньше размеров раскрыва рупорной антенны, его коэффициент использования поверхности в 5,71 раза выше, что позволяет сделать вывод о наибольшей эффективности использования в качестве элемента антенной решетки печатного излучателя.

Далее предлагается рассмотреть модели линейной антенной решетки, составленные из двух рупорных и двух печатных излучателей.

 

 

Рисунок 2 – Диаграммы направленности исследуемых линейных антенных решеток

 

Из рисунка 2 видно, что в диаграмме направленности антенной решетки, составленной из рупорных излучателей появились боковые лепестки, т. к. расстояние между фазовыми центрами рупорных излучателей больше .

Установить оптимальный шаг такой антенной решетки нет возможности, в отличие от решетки, составленной из печатных излучателей, в которой соблюдается условие оптимальности шага и не наблюдается боковых лепестков диаграммы направленности. Учитывая геометрический размер печатных излучателей, возможно создание плоскостной антенной решетки, состоящей из четырех элементов, суммарная площадь которых не будет превышать площадь раскрыва одного рупорного излучателя, и иметь диаграмму направленности, обладающую характеристиками, соизмеримыми с характеристиками диаграммы направленности рупорного излучателя (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Суммарная диаграмма направленности плоскостной печатной антенной решетки

 

Таким образом, очевидно преимущество использования в качестве элемента антенной решетки печатного излучателя по сравнению с рупорной антенной, т. к. подобная замена ведет к значительной минимизации антенного устройства, а преимущество использования печатных антенных решеток в свою очередь заключается в возможности применения электрического сканирования, повышении коэффициента усиления антенны по сравнению с одиночным излучателем, возможности формирования диаграммы направленности специальной формы, малые массогабаритные характеристики, технологичность изготовления. К недостаткам можно отнести сложность расчета конструкции печатных излучателей, сужение полосы, вызванное искажением формы диаграммы направленности на частотах, отличных от расчетной, высокие требования к точности изготовления.

 

литература

 

1.     Антенны и устройства СВЧ: Проектирование ФАР / Под ред. Д. И. Воскресенского. М., Радио и связь, 1994.

2.     Иммореев И. Я., Синявин А. Н. Излучение сверхширокополосных сигналов// Сб. «Антенны». М., Радио и связь, 2001. Вып. 1.

 

 

BEAMFORMING BY EQUAL-AMPLITUDE PRINTED ANTENNA ARRAY

 

Zaitsev A., Bitaev E., Amozov E., Zemtsov A.

 

Today the necessity of getting higher gain in small-size UHF antennas seems obvious. The given article proves feasibility of using printed antenna arrays in contrast to other types of arrays. Advantages of printed radiator as an antenna array element have been validated as well.

Key words: printed antenna array, antenna gain, beam pattern.

 

 

Военная академия войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации

 имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского

(ВА ВПВО ВС РФ)

Поступила в редакцию 20.3.2011.