RU2738758C1 - Hybrid antenna array power supply system - Google Patents
Hybrid antenna array power supply system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738758C1 RU2738758C1 RU2020113624A RU2020113624A RU2738758C1 RU 2738758 C1 RU2738758 C1 RU 2738758C1 RU 2020113624 A RU2020113624 A RU 2020113624A RU 2020113624 A RU2020113624 A RU 2020113624A RU 2738758 C1 RU2738758 C1 RU 2738758C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- microstrip
- series
- collinear
- waveguide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/10—Resonant slot antennas
- H01Q13/18—Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas
Abstract
Description
Область примененияApplication area
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения планарных антенных решеток (АР) с повышенным уровнем коэффициента полезного действия (КПД) и низким уровнем боковых лепестков (УБЛ).The invention relates to the field of antenna technology and is intended for constructing planar antenna arrays (AR) with an increased level of efficiency (efficiency) and a low level of side lobes (UBL).
Уровень техникиState of the art
Известна линейная антенна сверхвысокой частоты (патент RU №2279741, МПК H01Q13/22, опубл. 07.10.2006), которая состоит из многоканального делителя мощности, последовательной системы излучателей и элемента связи излучателей с выходами многоканального делителя мощности. Многоканальный делитель мощности выполнен на несимметричной полосковой линии и размещен на широкой стенке внутри прямоугольной трубы. Периодическая система излучателей выполнена в виде окон на узкой стенке прямоугольной трубы. Элементы связи выполнены в виде емкостных или индуктивных вибраторов, отстоящих от другой узкой стенки прямоугольной трубы на расстоянии в одну четверть средней длины волны.Known is a linear microwave antenna (patent RU No. 2279741, IPC H01Q13 / 22, publ. 07.10.2006), which consists of a multichannel power divider, a sequential system of radiators and a coupling element of the radiators with the outputs of the multichannel power divider. The multichannel power divider is made on an asymmetrical strip line and is located on a wide wall inside a rectangular pipe. The periodic system of emitters is made in the form of windows on a narrow wall of a rectangular tube. Coupling elements are made in the form of capacitive or inductive vibrators, spaced from another narrow wall of a rectangular pipe at a distance of one quarter of the average wavelength.
Известна плоская антенна (патент RU №2016444, МПК H01Q13/18, опубл. 07.15.1994), содержащая многослойную структуру, образованную экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосковыми проводниками схемы питания, решетку объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосковыми проводниками схемы питания.Known flat antenna (patent RU No. 2016444, IPC H01Q13 / 18, publ. 07.15.1994), containing a multilayer structure formed by a shielding layer of an electrically conductive material, a layer with a strip power supply circuit and a layer in the form of a plate with slots, electromagnetically connected with the corresponding strip conductors of the power circuit, an array of volume cells and a transition associated with the shielding layer and strip conductors of the power circuit.
Недостатком указанных технических решений является реализация делителя мощности на печатной плате, что не позволяет их эффективно применять для апертур АР с линейными размерами в несколько десятков длин волн, особенно для двумерных массивов излучателей ввиду повышенного уровня потерь.The disadvantage of these technical solutions is the implementation of a power divider on a printed circuit board, which does not allow them to be effectively used for AA apertures with linear dimensions of several tens of wavelengths, especially for two-dimensional arrays of emitters due to the increased level of losses.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является плоская щелевая антенная решетка (патент RU №2024129, МПК H01Q13/10, опубл. 11.30.1994), которая содержит размещенные на печатной плате параллельно полосковые волноводы. Металлический экран печатной платы образует общую широкую стенку полосковых волноводов, их вторые широкие стенки образованы полосками с гребенчатыми шлейфами по краям. В полосках выполнены излучающие щели, а в металлическом экране - щели связи, которые соединены с блоком формирования сигналов, состоящим из запитывающих волноводов и волноводных распределителей мощности, размещенных на обратной стороне металлического экранаClosest to the proposed invention is a flat slotted antenna array (patent RU No. 2024129, IPC H01Q13 / 10, publ. 11.30.1994), which contains parallel strip waveguides placed on the printed circuit board. The metal shield of the printed circuit board forms a common wide wall of strip waveguides, their second wide walls are formed by strips with ridge stubs along the edges. Emitting slots are made in the strips, and communication slots are made in the metal screen, which are connected to the signal forming unit, which consists of supply waveguides and waveguide power distributors located on the back side of the metal screen.
Недостатком данного устройства является сложность регулирования амплитудного распределения, в частности, ограничение на величину связей волновода и щелей, влияющих на заданное амплитудное распределение, что при небольших апертурах, например, для малогабаритных антенн может быть недостаточным для его реализации. Кроме того использование H-тройников в качестве элементов разветвления не позволяет обеспечить межканальную развязку, что в приемных радиосистемах может оказаться критической проблемой.The disadvantage of this device is the difficulty of regulating the amplitude distribution, in particular, the limitation on the magnitude of the connections between the waveguide and the slots, which affect the given amplitude distribution, which with small apertures, for example, for small antennas, may be insufficient for its implementation. In addition, the use of H-tees as branching elements does not allow for channel-to-channel isolation, which can be a critical problem in receiving radio systems.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Техническая задача направлена на создание СВЧ системы питания планарных многоэлементных АР, применение которой позволяет достигать высокой эффективности излучения при низком уровне боковых лепестков, также обеспечивая высокую повторяемость электрических параметров без необходимости настройки.The technical problem is aimed at creating a microwave power system for planar multi-element AAs, the use of which allows achieving high radiation efficiency with a low level of side lobes, also providing high repeatability of electrical parameters without the need for tuning.
Техническим результатом предложенного решения является повышение КПД, управление амплитудным распределением с точностью не хуже ±0,5 дБ и улучшение диапазонных свойств многоэлементных АР для широкополосных малогабаритных радиосистем.The technical result of the proposed solution is to increase the efficiency, control the amplitude distribution with an accuracy of not worse than ± 0.5 dB and improve the range properties of multi-element ARs for broadband small-sized radio systems.
Основной технический результат достигается тем, чтоThe main technical result is achieved by the fact that
- гибридная система питания антенных решеток включает излучающую часть, выполненную в виде щелевой структуры, расположенной на диэлектрической подложке;- the hybrid power supply system of antenna arrays includes a radiating part made in the form of a slot structure located on a dielectric substrate;
- щелевая структура выполнена в виде двухмерной решетки коллинеарных антенн, возбуждаемых последовательно-параллельным способом микрополосковой линией;- the slit structure is made in the form of a two-dimensional array of collinear antennas excited in a series-parallel way by a microstrip line;
- микрополосковая линия включает точки питания с заданными амплитудами, разнесенными вдоль микрополосковой линии на расстояния, кратные электрической длине волны;- the microstrip line includes power points with specified amplitudes, spaced along the microstrip line by distances that are multiples of the electrical wavelength;
- каждая точка питания соединена через микрополосково-коаксиально-волноводный переход с волноводным неравновесным синфазным делителем, ступени которого соединены последовательно;- each feed point is connected through a microstrip-coaxial-waveguide junction with a waveguide non-equilibrium in-phase divider, the stages of which are connected in series;
- топология щелевой коллинеарной антенны образует последовательно расположенные излучающие щели, возбуждаемые щелевой линией.- the topology of the slit collinear antenna forms sequentially located radiating slits, which are excited by the slit line.
Формирование печатной топологии, задающей режим стоячей волны, обеспечивает максимальный отбор подводимой мощности, при заданном законе амплитудного распределения, так как отсутствует диссипация на согласованных нагрузках в отличие от режима бегущей волны, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.The formation of a printed topology, which sets the standing wave mode, ensures the maximum selection of the input power, for a given law of amplitude distribution, since there is no dissipation at matched loads, in contrast to the traveling wave mode, which increases the AA efficiency, and hence the radiation efficiency.
Коллинеарное расположение излучателей при прямолинейной системе последовательно-параллельного деления снижает диссипативные потери, так как уменьшается общая протяженность линий возбуждения, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.The collinear arrangement of the emitters in a rectilinear system of series-parallel fission reduces dissipative losses, since the total length of the excitation lines decreases, which increases the AR efficiency, and hence the radiation efficiency.
Выполнение коллинеарных антенн в виде щелей, возбуждаемых щелевой линией увеличивает полосу согласования, так как уменьшается значение постоянной распространения, и как следствие, увеличивается резонансный размер таких излучателей, что при больших апертурах АР снижает их общее число. Увеличивается направленность по сравнению с микрополосковой структурой из-за обужения диаграммы направленности (ДН) не в плоскости коллинеарной антенны дополнительно на значение до 3 дБ. Кроме того снижается чувствительность электрических характеристик к изменению относительной диэлектрической проницаемости подложки ввиду низкого эффективного значения.The implementation of collinear antennas in the form of slits excited by a slit line increases the matching band, since the value of the propagation constant decreases, and as a consequence, the resonant size of such emitters increases, which, at large AA apertures, reduces their total number. The directivity increases in comparison with the microstrip structure due to the narrowing of the directional pattern (DP) not in the plane of the collinear antenna by an additional value of up to 3 dB. In addition, the sensitivity of the electrical characteristics to a change in the relative permittivity of the substrate decreases due to the low effective value.
Применение последовательно-параллельного возбуждения обеспечивает частотную стабильность направленных характеристик АР, а именно направление максимума и коэффициент направленного действия в полосе, определяемой количеством последовательных излучателей с шагом d по критерию, задающему их максимальное количество N пп The use of series-parallel excitation ensures the frequency stability of the directional characteristics of the AA, namely, the direction of the maximum and the directional action coefficient in the band determined by the number of successive emitters with a step d according to the criterion specifying their maximum number N pp
где: γ - постоянная распространения,where: γ is the propagation constant,
k - волновое число,k is the wavenumber,
λ - постоянная распространения излучающей щелевой лини,λ is the propagation constant of the radiating slot line,
dθ - коэффициент расширения луча ДН.dθ is the expansion coefficient of the beam pattern.
Введение точек питания, разнесенных вдоль микрополосковой линии на расстояния, кратные электрической длине волны технически обеспечивает последовательно-параллельное возбуждение и регулировку амплитудного распределения.The introduction of feed points spaced along the microstrip line at distances that are multiples of the electrical wavelength technically provides series-parallel excitation and amplitude distribution control.
Волноводная реализация распределительной системы деления мощности параллельных апертур задает значение амплитудных весов точек питания при минимальных диссипативных потерях, что повышает КПД АР, а значит эффективность излучения.The waveguide implementation of the distribution system for dividing the power of parallel apertures sets the value of the amplitude weights of the feed points with minimal dissipative losses, which increases the AA efficiency, and hence the radiation efficiency.
Последовательное соединение ступеней волноводного делителя позволяет минимизировать неравновесность амплитуд между каналами одной ступени по сравнению с классическим способом попарного включения в каждое плечо следующей ступени.The series connection of the stages of the waveguide divider allows minimizing the nonequilibrium of the amplitudes between the channels of one stage in comparison with the classical method of pairwise connection to each arm of the next stage.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На фиг. 1 представлен участок топологии щелевой коллинеарной антенны с графическим пояснением условия синфазности поля излучения каждой щели, на фиг. 2 представлен участок топологии двухмерной щелевой структуры с графическим пояснением условия синфазного параллельного возбуждения коллинеарных антенн, на фиг. 3 изображен общий вид топологии АР с гибридной системой питания, при этом контуром выделена волноводная система параллельного деления, расположенная внутри рефлектора АР, на фиг. 4 показана общая конструкция АР с гибридной системой питания, на фиг. 5 показано крепление платы и возбуждение АР с гибридной системой питания, на фиг. 6 представлены укрупненные участки печатной платы двухмерной щелевой структуры, на фиг. 7 - типичный вид нормированной ДН в E-плоскости.FIG. 1 shows a section of the topology of a slit collinear antenna with a graphical explanation of the condition of in-phase of the radiation field of each slit, FIG. 2 shows a section of the topology of a two-dimensional slot structure with a graphical explanation of the condition of in-phase parallel excitation of collinear antennas, FIG. 3 shows a general view of the topology of the AR with a hybrid power supply system, while the circuit highlights the waveguide system of parallel division, located inside the reflector of the AR; FIG. 4 shows the general construction of an AP with a hybrid power system; FIG. 5 shows the mounting of the board and the excitation of the AP with a hybrid power supply system; 6 shows enlarged sections of a printed circuit board of a two-dimensional slotted structure; FIG. 7 is a typical view of the normalized pattern in the E-plane.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Техническая реализация признаков АР с гибридной системой питания определяет следующую конструкцию, которая может видоизменяться в зависимости от требований, выдвигаемых к АР. Конструкция АР, спроектированной на основе гибридной системы питания, включает признаки, объединяющие особенности различных типов антенн и принципов их построения, а именно:The technical implementation of the features of an AP with a hybrid power supply system determines the following design, which can be modified depending on the requirements put forward for the AP. The design of the AR, designed on the basis of a hybrid power system, includes features that combine the features of various types of antennas and the principles of their construction, namely:
- печатная топология излучающей части,- printed topology of the emitting part,
- режим стоячей волны,- standing wave mode,
- коллинеарное расположение излучателей,- collinear arrangement of emitters,
- последовательное питание излучателей с разбиением на параллельно возбуждаемые участки апертуры,- sequential power supply of emitters with division into parallel excited sections of the aperture,
- волноводная распределительная система деления мощности параллельных апертур.- waveguide distribution system for dividing the power of parallel apertures.
Печатная плата 1 с щелевой топологией расположена над рефлектором 2, внутри которого расположен волноводный неравновесный синфазный делитель 3 с развязкой, ступени которого соединены последовательно друг за другом, при этом высота волновода уменьшена на величину до 50% относительно стандартного значения для соответствующего диапазона частот. Точки питания 4, расположенные вдоль микрополоска 5 на печатной плате 1, соединены через микрополосково-коаксиально-волноводный переход с волноводным неравновесным синфазным делителем 3.The printed
Антенна с гибридной системой питания работает следующим образом. На вход волноводного неравновесного синфазного делителя 3 подается СВЧ сигнал, делящийся в соотношении 1:1, а затем ответвляется в заданной пропорции на каждой последовательной ступени так, чтобы обеспечить амплитудное распределение, определяющее УБЛ АР. С каждого выхода волноводного неравновесного синфазного делителя 3 СВЧ сигналы заданной амплитуды возбуждают волну электрического тока последовательно-параллельно в нескольких точках питания 4 через микрополосково-коаксиально-волноводные переходы, разнесенных кратно электрической длине волны и расположенных вдоль микрополоска 5. Распространяющаяся волна вдоль микрополоска 5 возбуждает последовательно-параллельно коллинеарные щелевые антенны 6, шаг которых составляет электрическую длину волны, при этом печатная излучающая щелевая структура работает в режиме стоячей или квазистоячей волны, обеспечивая максимальный отбор мощности СВЧ сигнала без его диссипации на согласованной нагрузке в отличие от режима бегущей волны.Antenna with a hybrid power system works as follows. At the input of the waveguide non-equilibrium in-
Крайние щели в коллинеарной антенне работают в режиме холостого хода, то есть сопротивление нагрузки . Условие синфазности поля излучения каждой щели задается следующим соотношением (пояснение на фиг. 1)The extreme slots in the collinear antenna operate in idle mode, that is, the load resistance ... The condition of the in-phase of the radiation field of each slit is given by the following relation (explanation in Fig. 1)
, ,
где - постоянная распространения щелевой линии питания,Where - constant propagation of the slotted power line,
- длина щелевой линии питания, - length of the slotted supply line,
- постоянная распространения излучающей щелевой лини, - the constant of propagation of the radiating slot line,
- длина излучающей щелевой линии, - length of the radiating slit line,
- длина волны в диэлектрике. is the wavelength in the dielectric.
Крайние участки микрополосковой линии разомкнуты и работают в режиме холостого хода, то есть сопротивление нагрузки . Условие синфазности поля излучения коллинеарных антенн друг относительно друга при их параллельном возбуждении задается следующим соотношением (пояснение на фиг. 2)The extreme sections of the microstrip line are open and operate in idle mode, that is, the load resistance ... The condition of the in-phase of the radiation field of collinear antennas relative to each other with their parallel excitation is given by the following relationship (explanation in Fig. 2)
, ,
где: определяет фазовый набег до первого участка последовательной апертуры АР,Where: determines the phase incursion to the first section of the AR series aperture,
определяет фазовый набег до второго участка последовательной апертуры АР. determines the phase incursion to the second section of the serial aperture AA.
Парциальные диаграммы направленности (ДН) каждой коллинеарной щелевой антенны 6 в суперпозиции формируют ДН антенной решетки с гибридной системой питания, при этом последовательно-параллельное возбуждение обеспечивает частотную стабильность максимума ДН вследствие того, что парциальные ДН последовательных апертур при отклонении частоты от центрального значения имеют встречный наклон, и как следствие, суммарное излучение происходит строго по нормали.Partial directional patterns (BP) of each
Таким образом, предложенное изобретение повышает КПД антенной решетки, а значит эффективность излучения.Thus, the proposed invention increases the efficiency of the antenna array, and hence the radiation efficiency.
Кроме того, использование печатной топологии излучающей части обеспечивает простоту изготовления, планарность конструкции, что существенно улучшает массогабариты антенной решетки и упрощает серийное производство.In addition, the use of a printed topology of the emitting part provides simplicity of manufacture, planarity of the structure, which significantly improves the mass and dimensions of the antenna array and simplifies serial production.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020113624A RU2738758C1 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Hybrid antenna array power supply system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020113624A RU2738758C1 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Hybrid antenna array power supply system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2738758C1 true RU2738758C1 (en) | 2020-12-16 |
Family
ID=73835176
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020113624A RU2738758C1 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Hybrid antenna array power supply system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2738758C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024129C1 (en) * | 1990-11-29 | 1994-11-30 | Завод "Красное Знамя" | Flat slot array |
RU2581017C2 (en) * | 2014-04-15 | 2016-04-10 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Ultra wideband antenna |
CN109546356A (en) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 哈尔滨工业大学(威海) | Inverted L-shaped printed dipole antenna array apparatus based on mixing feeding network |
RU2703608C1 (en) * | 2019-04-03 | 2019-10-21 | Публичное акционерное общество "Радиофизика" | Two-polar radiator of phased antenna array with limited scanning sector |
-
2020
- 2020-04-16 RU RU2020113624A patent/RU2738758C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024129C1 (en) * | 1990-11-29 | 1994-11-30 | Завод "Красное Знамя" | Flat slot array |
RU2581017C2 (en) * | 2014-04-15 | 2016-04-10 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Ultra wideband antenna |
CN109546356A (en) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 哈尔滨工业大学(威海) | Inverted L-shaped printed dipole antenna array apparatus based on mixing feeding network |
RU2703608C1 (en) * | 2019-04-03 | 2019-10-21 | Публичное акционерное общество "Радиофизика" | Two-polar radiator of phased antenna array with limited scanning sector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7079082B2 (en) | Coplanar waveguide continuous transverse stub (CPW-CTS) antenna for wireless communications | |
Jin et al. | Millimeter-wave TE 20-mode SIW dual-slot-fed patch antenna array with a compact differential feeding network | |
Chen et al. | Low-cost high gain planar antenna array for 60-GHz band applications | |
EP1787356B1 (en) | Radome structure | |
CN110649388B (en) | Low loss feed network and high efficiency antenna device | |
CN108987946B (en) | Slot array antenna based on substrate integrated waveguide and power distribution network thereof | |
CN108511924B (en) | Broadband end-fire antenna array for millimeter wave communication system | |
CN108767441B (en) | Full parallel slot array antenna based on single-layer substrate integrated waveguide | |
CN107134658A (en) | One kind miniaturization CTS flat plate array antennas | |
US11545757B2 (en) | Dual end-fed broadside leaky-wave antenna | |
CN112259962B (en) | Dual-band common-aperture antenna array based on dual-mode parallel waveguide | |
US4260988A (en) | Stripline antenna for microwaves | |
CN112201933B (en) | Array antenna of compact lightweight multi-scanning system | |
CN112787099A (en) | Patch-driven super-surface antenna applied to 5G millimeter wave communication | |
CN113328266A (en) | Substrate integrated waveguide antenna array | |
JPH10242745A (en) | Antenna device | |
JPS6230409A (en) | Slot array antenna unit | |
RU2738758C1 (en) | Hybrid antenna array power supply system | |
US6781554B2 (en) | Compact wide scan periodically loaded edge slot waveguide array | |
Zhao et al. | 3D-printed frequency scanning slotted waveguide array with wide band power divider | |
CN114914683A (en) | Millimeter wave dual-polarized array element with high isolation and array antenna | |
CN114843770A (en) | Microstrip antenna and millimeter wave radar | |
Zhang et al. | A four-way divider for partially-corporate feed in an alternating-phase fed single-layer slotted waveguide array | |
Hamedani et al. | Design of Ku-band Leaky-Wave Slot Array Antenna Based on Ridge Gap Waveguide | |
Aydemir | Development of K band microstrip patch antenna array for traffic radars |