RU2256261C2

RU2256261C2 - Multi-unit band microwave antenna and method for its manufacture

Info

Publication number: RU2256261C2
Application number: RU2003126963/09A
Authority: RU
Inventors: В.И. Панфилов (RU); В.И. Панфилов; А.В. Шабалин (RU); А.В. Шабалин
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-07-10
Also published as: RU2003126963A

Abstract

FIELD: multi-unit band microwave antennas.

SUBSTANCE: regularly arranged perpendicularly to the plane of the common parasitic reflector are symmetrical band dipoles, whose arms are powered in antiphase by symmetrical band lines provided with symmetrically-matching devices. The symmetrical band dipoles are made in the form of built-up three-layer constructions. The arms of the dipoles represent two extreme similar and one central ones, with opposite orientation in the plane of the array with respect to the extreme ones, bands, passing to the band sections located over the common parasitic reflector and connected at an angle of 90 deg. To the longitudinal axis of the dipole arms to the end faces of the mentioned bands. The band section connected to the arm of the dipole, being the central band, has a linear bevel with a narrowing of the width towards the arm by one third at a distance making up a quarter of the medium length of the wave of the working band, and an adjusting recess in the point of connection of the band section to the end face of the central band within the half-width of the band.

EFFECT: improved mass and dimensional characteristics, adaptability to manufacture.

2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, в частности к многоэлементным полосковым СВЧ-антеннам, и может быть использовано в качестве фазированных антенных решеток, как самостоятельных, так и в составе сложных приемопередающих систем.The invention relates to antenna technology, in particular to multi-element strip microwave antennas, and can be used as phased antenna arrays, both independent and as part of complex transceiver systems.

Известны многоэлементные СВЧ-антенны, содержащие упорядоченно размещенные в соответствии с геометрией треугольной или прямоугольной сетки фазированной антенной решетки волноводные излучатели, запитанные с помощью коаксиальной линии через переходное устройство, расположенное на полуволновом расстоянии от высокочастотного соединителя в месте подключения питающей линии (см. книгу Воскресенского Д.И. и др. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). М.: Радио и связь, 1981, с.34-36, рис.215).Multielement microwave antennas are known that contain waveguide emitters arranged in accordance with the geometry of a triangular or rectangular grid of a phased array antenna, powered by a coaxial line through an adapter located at a half-wave distance from the high-frequency connector at the point of connection of the supply line (see the book of Voskresensky D . I. et al. Microwave Antennas and Devices (Designing Phased Antenna Arrays). M: Radio and Communications, 1981, pp. 34-36, Fig. 215).

Несмотря на высокие характеристики уровня пропускаемой мощности и технологичности при проектировании эти антенны уступают по габаритам и массе многоэлементным полосковым антеннам с вибраторными излучателями. Не лишены этого недостатка и многоэлементные СВЧ-антенны, в которых элементы решетки - комбинированные, сочетающие волноводные излучатели и вибраторы (см. Справочник по радиолокации под ред. Сколника. М.: Советское радио, 1977, т.2, с.193-195, рис.46).Despite the high characteristics of the level of transmitted power and manufacturability during design, these antennas are inferior in size and weight to multi-element strip antennas with vibrator emitters. Multi-element microwave antennas, in which the elements of the array are combined, combining waveguide emitters and vibrators (see the Radar Handbook edited by Skolnik. M.: Soviet Radio, 1977, v.2, p. 193-195, are not without this drawback) , fig. 46).

Наиболее близкой заявляемой по технической сущности, т.е. прототипом является многоэлементная полосковая СВЧ-антенна, содержащая упорядоченно размещенные на одной плоскости фазированной антенной решетки перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя полуволновые симметричные печатно-полосковые вибраторы, плечи которых запитаны в противофазе симметричными полосковыми линиями, имеющими удвоенное волновое сопротивление по отношению к волновому сопротивлению входной полосковой линии и отличающимися друг от друга по длине на половину длины волны в полосковой линии, т.е. наличием полуволнового колена (см. статью Демидова В.В. и др. Печатно-полосковые вибраторные фазированные антенные решетки L- и S-диапазонов - Антенны. 2001, в.9 (55) с.4-7 рис.2а и 6а).The closest claimed in technical essence, i.e. the prototype is a multi-element strip microwave antenna containing half-wave symmetrical printed-strip vibrators arranged in order on the same plane of the phased antenna array perpendicular to the plane of the common passive reflector, the shoulders of which are fed in antiphase by symmetrical strip lines having a double wave impedance relative to the wave lines and differing in length by half the wavelength in the strip line, i.e. the presence of a half-wave knee (see the article by Demidov VV et al. Printed-strip vibrator phased antenna arrays of L- and S-bands - Antennas. 2001, v.9 (55) p. 4-7 fig. 2a and 6a) .

По сравнению с волноводными антенными решетками печатные антенные решетки менее громоздки по конструкции и имеют меньший вес, однако сохраняют резерв снижения массогабаритных характеристик антенны, что подтверждает выбранный прототип, имеющий конструктивное решение согласования вибраторов с питающими полосковыми линиями в виде полуволнового колена, требующего дополнительного выделения материала и размера в направлении, перпендикулярном плоскости общего пассивного отражателя.Compared to waveguide antenna arrays, printed antenna arrays are less bulky in design and have less weight, but retain the reserve of reducing the overall dimensions of the antenna, which is confirmed by the selected prototype, which has a constructive solution for matching vibrators with supply strip lines in the form of a half-wave elbow that requires additional isolation of material and size in the direction perpendicular to the plane of the common passive reflector.

В качестве прототипа заявляемого способа изготовления предлагаемой многоэлементной полосковой СВЧ-антенны с улучшенными массогабаритными характеристиками из металлических пластин или методом печатной технологии можно сослаться на формирование антенны из тонкой металлической пластины, расположенной на одной стороне диэлектрической подложки с прилеганием к ее другой стороне экрана (см. книгу Бовы Н.Т. и Резникова Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. Киев, “Вища школа”, 1982, с.236), и на технологию производства полосковых антенных решеток из большеразмерных печатных плат с высокой степенью интеграции устройств антенной решетки (см. упомянутую в качестве источника информации, содержащего сведения о прототипе заявляемой антенны, статью Демидова В.В. и др. Печатно-полосковые вибраторные фазированные антенные решетки, L- и S - диапазонов. - Антенны. 2001, в.9 (55), с.3-4, 6-7, рис.6а).As a prototype of the proposed method for manufacturing the proposed multi-element strip microwave antenna with improved weight and size characteristics from metal plates or by the printing technology method, one can refer to the formation of an antenna from a thin metal plate located on one side of a dielectric substrate adjacent to its other side of the screen (see book Bovy NT and Reznikova GB Antennas and microwave devices Kiev, “Vishcha school”, 1982, p.236), and on the technology for the production of strip antenna arrays from bol Shera-sized printed circuit boards with a high degree of integration of antenna array devices (see the article by V. Demidov et al., Printed-strip phased vibrator phased antenna arrays, L- and S-ranges, mentioned as a source of information containing information about the prototype of the claimed antenna). - Antennas. 2001, c. 9 (55), pp. 3-4, 6-7, fig. 6a).

Эти традиционные для пластинчатых и печатно-полосковых антенн способы их изготовления менее технологичны и производительны, чем изготовление подобных антенн, в частности предлагаемой антенны, по групповой технологии, что обусловлено различием конструктивного выполнения антенн.These traditional methods for plate and printed-strip antennas for their manufacture are less technologically advanced and productive than the manufacture of such antennas, in particular the proposed antenna, by group technology, due to the difference in the design of the antennas.

Технический результат предлагаемого изобретения - улучшение массогабаритных характеристик однополяризационной широкополосной СВЧ-антенны, а также технологичности ее изготовления, модернизируемости ее конструктивного исполнения за счет расширения возможности подбора материала полосковых и диэлектрических слоев вибраторов, и ремонтоспособности антенны.The technical result of the invention is the improvement of the weight and size characteristics of a unipolarized broadband microwave antenna, as well as the manufacturability of its manufacture, the modernization of its design due to the expansion of the possibility of selecting material for strip and dielectric layers of vibrators, and the maintainability of the antenna.

Указанный технический результат достигается тем, что в многоэлементной полосковой СВЧ-антенне, содержащей упорядоченно размещенные на одной линии или плоскости в соответствии со схемой, например, линейной или плоской фазированной антенной решетки, перпендикулярно к плоскости общего пассивного отражателя симметричные полосковые вибраторы, плечи которых запитаны в противофазе симметричными полосковыми линиями, снабженными симметрирующе-согласующими устройствами, симметричные полосковые вибраторы выполнены в виде сборных трехслойных с чередованием полосковых и диэлектрических слоев конструкций, плечи вибраторов в которых представляют собой две крайние одноименные и одну центральную с противоположной ориентацией в плоскости решетки по отношению к крайним полоски, переходящие в расположенные над общим пассивным отражателем и соединяющиеся под углом 90° к продольной оси плеча вибратора с торцами указанных полосок полосковые отрезки, образующие симметричную полосковую линию на участке возбуждения плеч вибратора, при этом полосковый отрезок, соединяющийся с плечом вибратора, являющимся центральной полоской, имеет линейный скос с сужением ширины в сторону плеча на одну треть на расстоянии, составляющим четверть средней длины волны рабочего диапазона, и настроечную выемку в месте соединения полоскового отрезка с торцом центральной полоски в пределах полуширины полоски, а возбуждение вибраторов симметричной полосковой линией осуществлению через высокочастотные соединители, установленные на металлической стойке на уровне общего пассивного отражателя.The specified technical result is achieved by the fact that in a multi-element strip microwave antenna, which are arranged orderly on a single line or plane in accordance with a diagram, for example, a linear or flat phased antenna array, symmetrical strip vibrators, the shoulders of which are energized in perpendicular to the plane of the common passive reflector antiphase symmetrical strip lines equipped with balancing-matching devices, symmetrical strip vibrators are made in the form of prefabricated three-layer alternating strip and dielectric layers of structures, the vibrator arms in which are two extreme of the same name and one central with opposite orientations in the plane of the lattice relative to the extreme strips, turning into located above a common passive reflector and connecting at an angle of 90 ° to the longitudinal axis of the shoulder vibrator with the ends of these strips of strip segments forming a symmetrical strip line in the area of excitation of the shoulders of the vibrator, while the strip segment connected to the shoulder m of the vibrator, which is the central strip, has a linear bevel with a narrowing of the width towards the shoulder by one third at a distance of a quarter of the average wavelength of the working range, and a tuning notch at the junction of the strip segment with the end of the central strip within the half width of the strip, and the excitation of the vibrators symmetrical strip line implementation through high-frequency connectors mounted on a metal rack at the level of a common passive reflector.

Вибраторы антенны могут быть выполнены из металлических пластин или печатными.Antenna vibrators can be made of metal plates or printed.

Конструктивные особенности предлагаемой антенны, в частности конструктивное решение согласования плеч вибратора с симметричной полосковой линией возбуждения в сочетании с трехслойностью конструкции вибратора и размещения высокочастотных соединителей с линией питания на металлической стойке на уровне общего отражателя, обеспечивают уменьшение размера антенны в направлении, перпендикулярном к плоскости общего отражателя и, соответственно, ее массы (см. фиг.3а-б), и появление у антенны дополнительных возможностей изготовления элементов вибраторов по групповой технологии и варьирования с материалом полосковых и диэлектрических слоев вибраторов, а также замены вышедших из строя отдельных вибраторов.The design features of the proposed antenna, in particular, the constructive solution for matching the vibrator arms with a symmetrical strip excitation line in combination with the three-layer structure of the vibrator and the placement of high-frequency connectors with a power line on a metal rack at the level of the common reflector, provide a reduction in the size of the antenna in the direction perpendicular to the plane of the common reflector and, accordingly, its mass (see figa-b), and the appearance of additional manufacturing capabilities of the element of vibrators according to group technology and variation with the material of strip and dielectric layers of vibrators, as well as the replacement of failed individual vibrators.

На фиг.1 изображена схема размещения над общим пассивным отражателем симметричных полосковых вибраторов плоской фазированной антенной решетки с прямоугольной сеткой, вид сверху; на фиг.2 - конструкция сборного трехслойного вибратора заявляемой антенны с участком возбуждения вибратора симметричной полосковой линией; на фиг.3 - сравнительная схема взаимного расположения вибратора и полоскового участка его возбуждения относительно плоскости общего пассивного отражателя в конструкции антенны-прототипа (а) и заявляемой антенны (б); на фиг.4 - изготавливаемые по групповой технологии однотипные элементы сборного трехслойного вибратора заявляемой антенны; на фиг.5 - зависимость, характеризующая уровень согласования в полосе частот вибратора заявляемой антенны.Figure 1 shows the layout above a common passive reflector of symmetrical strip vibrators of a flat phased antenna array with a rectangular grid, top view; figure 2 - design of a prefabricated three-layer vibrator of the claimed antenna with a section of the excitation of the vibrator with a symmetrical strip line; figure 3 is a comparative diagram of the relative position of the vibrator and the strip portion of its excitation relative to the plane of the common passive reflector in the design of the antenna of the prototype (a) and the claimed antenna (b); figure 4 - manufactured by group technology of the same type of elements of a prefabricated three-layer vibrator of the claimed antenna; figure 5 is a dependence characterizing the level of coordination in the frequency band of the vibrator of the inventive antenna.

Многоэлементная полосковая СВЧ-антенна содержит размещенные в прямоугольной сетке фазированной антенной решетки на фиксированном расстоянии друг от друга d_х и d_y (в настоящем варианте выполнения эти величины равны) и на малой высоте над плоскостью общего пассивного отражателя 1 перпендикулярно к ней симметричные полосковые вибраторы 2 (см. фиг.1), выполненные в виде сборных трехслойных с чередованием полосковых и диэлектрических слоев конструкций, плечи вибраторов в которых представляют собой две крайние 3 одноименные и одну центральную 4 с противоположной ориентацией в плоскости решетки по отношению к крайним 3 полоски (см. фиг.2 и 4), переходящие в расположенные над общим пассивным отражателем 1 (см. фиг.3) и соединяющиеся под углом 90° к продольной оси плеча вибратора 2 с торцами указанных полосок 3 и 4 - плеч вибратора 2 полосковые отрезки, образующие симметричную полосковую линию на участке возбуждения 5 плеч вибратора 2, при этом полосковый отрезок, соединяющийся с плечом вибратора 2, являющимся центральной полоской 4, имеет линейный скос 6 с сужением ширины W в сторону плеча на одну треть на расстоянии, составляющем четверть средней длины волны λ_ср рабочего диапазона, и настроечную выемку 7 в месте соединения полоскового отрезка с торцом центральной полоски 4 - плеча вибратора 2 в пределах полуширины полоски 4, а возбуждение вибратора 2 симметричной трехпроводной линией осуществлено через высокочастотный соединитель 8, установленный на металлической стойке (не показана) на уровне общего пассивного отражателя 1.A multi-element strip microwave antenna contains phased array antennas arranged in a rectangular grid at a fixed distance from each other d _x and d _y (in the present embodiment, these values are equal) and at a low height above the plane of the common passive reflector 1 symmetrical strip vibrators 2 perpendicular to it (see figure 1), made in the form of prefabricated three-layer with alternating strip and dielectric layers of structures, the shoulders of the vibrators in which are two extreme 3 of the same name and one central 4 with the opposite orientation in the plane of the lattice with respect to the extreme 3 strips (see FIGS. 2 and 4), turning into those located above the common passive reflector 1 (see FIG. 3) and connecting at an angle of 90 ° to the longitudinal axis of the arm of the vibrator 2 with the ends of the indicated strips 3 and 4 — the arms of the vibrator 2 strip segments forming a symmetrical strip line on the excitation section 5 of the shoulders of the vibrator 2, while the strip segment connecting with the shoulder of the vibrator 2, which is the central strip 4, has a linear bevel 6 with narrowing width W towards shoulder on the bottom one-third at a distance of a quarter of an average wavelength λ _cf. operating range, and the adjustment recess 7 at the junction of the strip segment with the end of the central strip 4 - Shoulder vibrator 2 within the half-width of the strip 4, and the excitation of the vibrator 2 symmetric three-wire line accomplished through the high connector 8 mounted on a metal rack (not shown) at the level of the common passive reflector 1.

Многоэлементная полосковая СВЧ-антенна работает в режиме фазированной антенной решетки, обеспечивающей однополярное излучение полуволновых вибраторов 2 в широкой полосе частот, в частности в L-диапазоне, с качанием луча антенны в двух ортогональных плоскостях в секторе углов ±45°.A multi-element strip microwave antenna operates in the phased array mode, providing unipolar emission of half-wave vibrators 2 in a wide frequency band, in particular in the L-band, with the antenna beam swinging in two orthogonal planes in the angle sector ± 45 °.

При этом вибраторы 2 могут быть выполнены металлическими или печатными, например, на стеклотекстолитовой основе (на фиг.4 показан печатный вариант выполнения вибраторов заявляемой антенны), а изготовление антенны в обоих случаях включает формирование вибраторов по групповой технологии отдельно по различным видам а, б, в (см. фиг.4) однотипных элементов сборного вибратора 2 с полосковыми отрезками, образующими участок возбуждения 5 линии питания, и сборку вибраторов 2 из указанных элементов, содержащих фиксационные 9 и крепежные 10 отверстия с поворотом указанного на фиг.4 элемента “в” на 180° с ориентацией его полоскового слоя в сторону центрального элемента “б”, с двухсторонним симметричным полосковым исполнением: по обе стороны от диэлектрической подложки 11 - несущей печатно-платной основы вибратора 2 с диэлектрическим заполнителем 12 между печатно-полосковыми элементами “а”, “б” и “ в”.In this case, the vibrators 2 can be made of metal or printed, for example, on a fiberglass base (Fig. 4 shows a printed embodiment of the vibrators of the claimed antenna), and the manufacture of the antenna in both cases includes the formation of vibrators according to group technology separately for various types a, b, in (see figure 4) of the same type of elements of a prefabricated vibrator 2 with strip segments forming an excitation section 5 of the power line, and an assembly of vibrators 2 of these elements containing fixing 9 and fixing 10 holes with rotation of the element “c” indicated in FIG. 4 by 180 ° with the orientation of its strip layer towards the central element “b”, with a double-sided symmetrical strip design: on both sides of the dielectric substrate 11 - the carrier PCB of the vibrator 2 with dielectric filler 12 between the printed strip elements “a”, “b” and “c”.

Требуемые рабочие характеристики заявляемой антенны подтверждены результатами испытаний при макетировании фрагментов антенны в количестве одного, двух и двадцати пяти вибраторов 2 в печатном выполнении с воздушным в первых двух примерах макетирования и пенопластовым заполнителем 12 в третьем примере макетирования и с возбуждением вибраторов 2 полосковой линией питания с волновым сопротивлением 50 Ом.The required performance of the inventive antenna is confirmed by the test results when prototyping fragments of the antenna in the amount of one, two and twenty-five vibrators 2 in print with air in the first two examples of prototyping and foam aggregate 12 in the third example of prototyping and with the excitation of vibrators 2 strip power line with a wave resistance of 50 ohms.

При этом приемлемые условия согласования вибратора 2 с линией питания (первый пример макетирования) подтверждены полученными величинами коэффициента стоячей волны к_св в полосе частот Δf, представленными на графике (см. фиг.5, где частота f выражена в относительных процентно-нормированных единицах).In this case, the acceptable conditions for matching the vibrator 2 with the power line (the first example of prototyping) are confirmed by the obtained values of the standing wave coefficient to _sv in the frequency band Δf presented on the graph (see Fig. 5, where the frequency f is expressed in relative percentage normalized units).

Во втором примере макетирования (решетка из двух вибраторов 2) при уровне к_св - 1,3 и 1,08 Δf составила, соответственно. 19 и 16%, ширина диаграммы направленности решетки в плоскости Е составила 49,2° при уровне боковых лепестков 25,8 Дб.In the second example of prototyping (a lattice of two vibrators 2) at a level of _kb - 1.3 and 1.08 Δf was, respectively. 19 and 16%, the width of the directional pattern of the lattice in the E plane was 49.2 ° with a side lobe level of 25.8 dB.

В третьем примере макетирования (решетка из двадцати пяти вибраторов 2 - по пять в пяти линейках) рабочие характеристики, подтверждающие работоспособность антенны, были получены при качании луча на углы 15, 30, 45° в плоскости линеек (см. таблицу).In the third example of prototyping (a lattice of twenty-five vibrators 2 — five in five rulers), the operating characteristics confirming the operability of the antenna were obtained by swinging the beam at angles of 15, 30, 45 ° in the plane of the rulers (see table).

Таблица.Table. Условия измерения согласованияMatching Measurement Conditions К_св в точках диапазона Δf=10%To _St at the points of the range Δf = 10% ПримечаниеNote f₁ f ₁ f_ср f _cf f₂ f ₂ Нормальное положение лучаNormal beam position 1,411.41 1,211.21 1,441.44 -- Угол качания луча (в плоскости Е)Beam angle (in plane E) 15°15 ° 1,381.38 1,21,2 1,31.3 Выброс 1,44Emission 1.44 30°30 ° 1,461.46 1,31.3 1,271.27 Выброс 1,66Burst 1.66 45°45 ° 1,721.72 1,81.8 1,981.98 Осцилляция 1,5-2,2Oscillation 1.5-2.2

В настоящее время заявителем проводятся работы по проектированию активной фазированной решетки на основе заявляемой антенны с 1824-мя вибраторами с развязанной схемой питания последовательно-параллельного типа с одинаковыми длинами путей до каждого вибратора.Currently, the applicant is working on the design of an active phased array based on the claimed antenna with 1824 vibrators with a decoupled power supply circuit of a serial-parallel type with the same path lengths to each vibrator.

В этой антенне уменьшение габаритов вдоль оси симметрии вибраторов равно - 30% по сравнению с антенной-прототипом (см. фиг.3) в результате конструктивного выполнения устройства согласования вибратора заявляемой антенны, приводящего к уменьшению длины полоскового участка возбуждения - L_возб. In this antenna, the decrease in dimensions along the axis of symmetry of the vibrators is equal to - 30% compared to the prototype antenna (see figure 3) as a result of the constructive implementation of the vibrator matching device of the claimed antenna, leading to a decrease in the length of the strip excitation section - L _exc.

В изготовлении такая антенна более технологична за счет группового формирования однотипных элементов сборных вибраторов и замены неисправных вибраторов во время монтажа антенны и ее эксплуатации. Кроме того, антенна характеризуется дополнительной возможностью модернизации в результате оптимизации сочетания веса и материала полосковых и диэлектрических слоев вибратора.In manufacture, such an antenna is more technologically advanced due to the group formation of the same type of prefabricated vibrator elements and the replacement of faulty vibrators during antenna installation and operation. In addition, the antenna is characterized by the additional possibility of modernization as a result of optimizing the combination of weight and material of strip and dielectric layers of the vibrator.

Claims

1. A multi-element strip microwave antenna containing orderly placed on the same line or plane in accordance with the scheme, for example, a linear or flat phased antenna array, symmetrical strip vibrators perpendicular to the plane of the common passive reflector, the shoulders of which are powered in antiphase by symmetrical strip lines equipped with symmetrically-matching devices, characterized in that the symmetrical strip vibrators are made in the form of prefabricated three-layer alternating strip and of electrical layers of structures, the vibrator arms in which are two extreme of the same name and one central with the opposite orientation in the plane of the lattice relative to the extreme strips, turning into located above a common passive reflector and connecting at an angle of 90 ° to the longitudinal axis of the vibrator arms with the ends of these strips strip segments forming a symmetrical strip line in the excitation section of the vibrator arms, while the strip segment connecting to the vibrator arm, which is the central the second strip, has a linear bevel with a narrowing of the width towards the shoulder by one third at a distance of a quarter of the average wavelength of the working range, and a tuning notch at the junction of the strip segment with the end of the central strip within the half-width of this strip, and the excitation of vibrators of a symmetrical three-wire strip the line is implemented through high-frequency connectors mounted on a metal rack at the level of a common passive reflector.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the vibrators are made of metal plates or printed.