RU2775172C1

RU2775172C1 - Ultra-wideband antenna array

Info

Publication number: RU2775172C1
Application number: RU2021127749A
Authority: RU
Inventors: Максим Олегович Коноваленко
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран"
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-06-28

Abstract

FIELD: antenna technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of antenna technology, namely, to ultra-wideband antenna arrays. The expected result is achieved by the fact that an antenna array is proposed consisting of printed antenna elements made on the upper layer of a two-layer or multilayer dielectric substrate, representing a slit formed by a closed H-shaped electrical circuit with high resistance, the electrical circuits of which are connected galvanically by means of metal polygons, forming a single layer with slits, while multi-channel nonequilibrium divider/adder connected to antenna elements, is implemented in accordance with a series-parallel or parallel circuit.

EFFECT: expansion of the bandwidth of linear antenna arrays to double the overlap of the extreme frequencies at a step less than the wavelength of the upper band boundary.

1 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к планарным, сверхширокополосным антеннам и предназначено для использования в качестве антенной системы в терминалах связи и радиолокационных станциях вплоть до миллиметрового диапазона частот.The invention relates to the field of antenna technology, namely planar, ultra-wideband antennas and is intended for use as an antenna system in communication terminals and radar stations up to the millimeter frequency range.

Уровень техникиState of the art

Известна антенна полосково-щелевая (патент RU 2440649, опубл. 20.01.2012), которая выполнена в виде герметичного корпуса из трубы прямоугольного сечения со щелями с проводником прямолинейной или волнообразной формы. Щели выполнены различной ширины для каждого излучателя, расположенные перпендикулярно или вдоль оси проводника, при этом проводник размещен на продольной оси корпуса, и его первый конец является входом антенны, второй конец проводника соединен с поглощающей нагрузкой. Антенна может быть снабжена рупором ступенчатой формы.A strip-slot antenna is known (patent RU 2440649, publ. 01/20/2012), which is made in the form of a sealed housing from a rectangular tube with slots with a conductor of a straight or wavy shape. The slots are made of different widths for each radiator, located perpendicularly or along the conductor axis, while the conductor is placed on the longitudinal axis of the body, and its first end is the antenna input, the second end of the conductor is connected to the absorbing load. The antenna can be equipped with a stepped horn.

Недостатком технического решения является узкая полоса пропускания ввиду частотной зависимости максимума диаграммы направленности при последовательном возбуждении излучателей, а также сложность одновременной реализации низкого уровня боковых лепестков и коэффициента отражения из-за различной ширины щелей при одинаковом волновом сопротивлении проводника. В целом конфигурация прямоугольных щелей, прорезанных в непрерывном экране, не позволяет достигать широких полос согласования. Кроме того использование поглощающей нагрузки снижает КПД антенны.The disadvantage of the technical solution is a narrow bandwidth due to the frequency dependence of the maximum of the directivity pattern when the emitters are sequentially excited, as well as the difficulty of simultaneously implementing a low level of side lobes and a reflection coefficient due to different slot widths with the same wave impedance of the conductor. In general, the configuration of rectangular slots cut in a continuous screen does not allow wide matching bands to be achieved. In addition, the use of an absorbing load reduces the efficiency of the antenna.

Известна широкополосная антенна линейной поляризации (патент RU 119528, опубл. 20.08.2012), содержащая круглый волновод, у которого одна торцевая стенка закорочена, лист двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, на котором выполнены согласующие полоски, излучатель и 50-омный коаксиальный кабель. Лист двухстороннего фольгированного стеклотекстолита закрепляется в отрезке круглого волновода с помощью клея. Коаксиальный кабель устанавливается по оси отрезка круглого волновода, внешний и внутренний проводники кососрезанного участка коаксиального кабеля имеют омический контакт с противоположными сторонами излучателя, коаксиальный кабель также имеет омический контакт с отрезком круглого волновода. Внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны, центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°.A broadband antenna of linear polarization is known (patent RU 119528, publ. 08/20/2012), containing a round waveguide, in which one end wall is shorted, a sheet of double-sided foil fiberglass 1.5 mm thick, on which matching strips are made, an emitter and a 50-ohm coaxial cable. A sheet of double-sided foil fiberglass is fixed in a segment of a round waveguide with glue. The coaxial cable is installed along the axis of the circular waveguide segment, the outer and inner conductors of the oblique section of the coaxial cable have ohmic contact with opposite sides of the emitter, the coaxial cable also has ohmic contact with the circular waveguide segment. The outer dimensions of the metallization of the emitter are limited by the sides of the square and two lines parallel to the diagonal of the square and spaced from this diagonal in different directions, the center of the square is located on the axis of the round waveguide segment, the internal dimensions, in which there is no metallization in the emitter, are limited by two beams emerging from the center of the square in both directions, with an angle between them equal to 50 °.

Техническое решение обеспечивает ширину полосы согласования до двухкратного перекрытия крайних частот. Недостатком является использование волновода, что при построении сверхширокополосной антенной решётки ограничивает верхнюю рабочую частоту из-за слишком большого шага, нарушающего условие отсутствия побочных максимумов диаграммы направленности. Помимо этого конструкция антенны существенно снижает её применимость или полностью ограничивает выше X- или K-диапазонов соответственно, где поперечные размеры любого коаксиального кабеля слишком велики по отношению к диаметру волновода.The technical solution provides the matching bandwidth up to a double overlap of the extreme frequencies. The disadvantage is the use of a waveguide, which, when building an ultra-wideband antenna array, limits the upper operating frequency due to a too large step that violates the condition for the absence of side maxima in the radiation pattern. In addition, the design of the antenna significantly reduces its applicability or completely limits it above the X- or K-bands, respectively, where the transverse dimensions of any coaxial cable are too large in relation to the diameter of the waveguide.

Известен сверхширокополосный облучатель с высоким коэффициентом эллиптичности (патент RU 163383, опубл. 25.01.2016), который содержит печатную дипольную антенну турникетного типа, выполненную на кварцевой подложке, содержащий скрещенные несимметричные диполя в форме лепестка, расположенный горизонтально над поверхностью рефлектора. Каждый несимметричный диполь снабжен реактивным шлейфом. Реактивный шлейф и несимметричный диполь соединены металлическим переходом, а на пересечении осей несимметричных диполей расположена металлическая втулка, к которой прикреплена полиимидная шайба.Known ultrawideband irradiator with a high coefficient of ellipticity (patent RU 163383, publ. 01/25/2016), which contains a printed dipole antenna of the turnstile type, made on a quartz substrate, containing crossed asymmetrical dipoles in the form of a lobe, located horizontally above the surface of the reflector. Each unbalanced dipole is equipped with a reactive loop. The reactive loop and the asymmetric dipole are connected by a metal transition, and at the intersection of the axes of the asymmetric dipoles there is a metal bushing, to which a polyimide washer is attached.

Недостатком является применение квадрупольного возбуждения, что существенно усложняет реализацию делителя/сумматора для объединения антенных элементов в решётку. Использование коаксиального кабеля ограничивает верхнюю частотную границу реализуемости, например, выше K-диапазона по причине слишком миниатюрных размеров печатных диполей и узких зазоров между ними по отношению к диаметру коаксиалов.The disadvantage is the use of quadrupole excitation, which significantly complicates the implementation of the divider/adder for combining antenna elements into an array. The use of a coaxial cable limits the upper frequency limit of feasibility, for example, above the K-band due to the too small dimensions of the printed dipoles and the narrow gaps between them in relation to the diameter of the coaxes.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является панельная антенна (патент RU 2273079, опубл. 01.01.2000). Панельная антенна включает в себя ряд излучателей, рефлектор, сумматор-делитель, радиопрозрачное укрытие и разъем. Каждый излучатель питается коаксиальным кабелем, при этом выполнен в виде плоской металлической рамки со щелью и четырьмя шлейфами, которые могут быть отогнуты. Внутренний проводник кабеля соединен с одной половинкой рамки, а внешний проводник – с другой половинкой рамки, плоскость рамки параллельна отражателю. Рамка имеет пластины для её крепления к отражателю в точках нулевого потенциала.Closest to the claimed invention is a panel antenna (patent RU 2273079, publ. 01/01/2000). The panel antenna includes a number of radiators, a reflector, an adder-divider, a radio-transparent shelter and a connector. Each emitter is powered by a coaxial cable, while it is made in the form of a flat metal frame with a slot and four loops that can be bent. The inner conductor of the cable is connected to one half of the frame, and the outer conductor is connected to the other half of the frame, the plane of the frame is parallel to the reflector. The frame has plates for attaching it to the reflector at zero potential points.

Основным недостатком антенны является использование четырёх шлейфов, величина отгиба которых от плоскости щелей регулирует уровень КСВН. Данный приём существенно снижает её применимость или полностью ограничивает выше X- или K-диапазонов соответственно, где электрические размеры антенных элементов малы и точность реализации каждого узла, в том числе шлейфов, требует слишком высокого уровня. Исполнение щелей в печатном варианте не представляется возможным ввиду нереализуемости отогнутых шлейфов. Вытекающим недостатком является сложность реализации точно заданного амплитудно-фазового распределения при построении антенной решётки с низким уровнем боковых лепестков, например, ниже –20 дБ. Применение с этой целью коаксиального кабеля также не представляется возможным, применение печатного делителя/сумматора затруднено ввиду отогнутых шлейфов.The main disadvantage of the antenna is the use of four loops, the amount of bending of which from the plane of the slots regulates the VSWR level. This technique significantly reduces its applicability or completely limits it above the X- or K-bands, respectively, where the electrical dimensions of the antenna elements are small and the accuracy of the implementation of each node, including loops, requires too high a level. The execution of slots in the printed version is not possible due to the impracticability of bent loops. The resulting disadvantage is the difficulty of implementing a precisely specified amplitude-phase distribution when building an antenna array with a low level of side lobes, for example, below -20 dB. The use of a coaxial cable for this purpose is also not possible; the use of a printed divider / adder is difficult due to bent cables.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Техническая задача направлена на создание планарного антенного элемента, пригодного для построения сверхширокополосных антенных решёток вплоть до миллиметрового диапазона частот.The technical task is aimed at creating a planar antenna element suitable for constructing ultra-wideband antenna arrays up to the millimeter frequency range.

Техническим результатом предложенного решения является расширение полосы пропускания линейных антенных решёток до двухкратного перекрытия крайних частот при шаге меньше длины волны верхней границы полосы и повышение КНД на величину до трёх децибел относительно коллинеарных решёток такой же эффективной длины с дипольными элементами.The technical result of the proposed solution is to expand the bandwidth of linear antenna arrays to double the overlap of extreme frequencies with a step less than the wavelength of the upper band boundary and increase the gain by up to three decibels relative to collinear arrays of the same effective length with dipole elements.

Не каждый антенный элемент обладает частотной стабильностью направленных характеристик при сохранении полосы согласования, что противоречит определению полосы пропускания. Рассматриваемое изобретение полностью удовлетворяет указанному определению полосы пропускания.Not every antenna element has frequency stability of directional characteristics while maintaining the matching bandwidth, which contradicts the definition of bandwidth. The present invention fully satisfies the above definition of bandwidth.

Основной технический результат достигается тем, чтоThe main technical result is achieved by the fact that

– сверхширокополосная антенная решётка состоит из печатных антенных элементов, расположенных над рефлектором на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы при заполнении пространства до рефлектора воздушным или частично воздушным слоем и выполненных на верхнем слое двухслойной или многослойной диэлектрической подложки;- ultra-wideband antenna array consists of printed antenna elements located above the reflector at a distance not closer than 0.125 electric wavelength of the lower boundary of the working strip when the space up to the reflector is filled with an air or partially air layer and made on the upper layer of a two-layer or multilayer dielectric substrate;

– печатные антенные элементы представляют собой щель, образованную замкнутым электрическим контуром H-образной формы с высокоомным сопротивлением, причём электрические контуры соединены гальванически посредством металлических полигонов, заданных размеров и подобранных для каждой пары антенных элементов, образуя единый слой со щелями, ширина которых увеличивается при удалении от их центра, образуя переход на электрический контур, а ширина линий и периметр электрических контуров, расположенных по краям решётки, меньше относительно размеров центральных;- printed antenna elements are a slot formed by a closed H-shaped electrical circuit with high resistance, and the electrical circuits are galvanically connected by means of metal polygons, of given dimensions and selected for each pair of antenna elements, forming a single layer with slots, the width of which increases with distance from their center, forming a transition to an electrical circuit, and the width of the lines and the perimeter of the electrical circuits located along the edges of the lattice are smaller relative to the dimensions of the central ones;

– многоканальный неравновесный делитель/сумматор реализован в соответствии с последовательно-параллельной схемой или параллельной, при этом количество последовательно возбуждаемых антенных элементов

с шагом

задаётся следующим соотношением:– a multichannel non-equilibrium divider/adder is implemented in accordance with a series-parallel or parallel circuit, while the number of series-excited antenna elements

step by step

is given by the following relation:

,

где

– постоянная распространения в линии возбуждения,where

is the propagation constant in the excitation line,

– волновое число свободного пространства,

is the wave number of free space,

– длина волны свободного пространства,

is the wavelength of free space,

– коэффициент расширения луча ДН при амплитудном взвешивании.

is the expansion coefficient of the RP beam at amplitude weighing.

Выбор расположения антенных элементов на двухслойной или многослойной диэлектрической подложке, или реализация на подвешенных линиях в виде полосковой структуры зависит от диапазона частот. Например, для миллиметровых волн требуется последовательность нескольких ядер, образующих Stack-Up печатной платы, для формирования экрана на заданном удалении и реализуемости сопротивления всех линий и элементов антенной решётки. Наличие диэлектрика неизбежно сужает полосу пропускания, поэтому не рекомендуется использовать подложки с высокой диэлектрической проницаемостью.The choice of the location of the antenna elements on a two-layer or multilayer dielectric substrate, or implementation on suspended lines in the form of a strip structure depends on the frequency range. For example, millimeter waves require a sequence of several cores that form a Stack-Up of a printed circuit board to form a screen at a given distance and implement the impedance of all lines and elements of the antenna array. The presence of a dielectric inevitably narrows the bandwidth, so it is not recommended to use substrates with a high dielectric constant.

Расположение антенных элементов над рефлектором на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы и заполнение пространства до рефлектора воздушным или частично воздушным слоем обеспечивает формирование ДН заданной формы вплоть до удвоенной частоты при сохранении частотной стабильности импедансных свойств. Выбор материала и объёма заполнения влияет на полосу пропускания. С целью достижения максимальной широкополосности не рекомендуется использовать полное заполнение пространства диэлектрическим материалом.The location of the antenna elements above the reflector at a distance not closer than 0.125 of the electrical wavelength of the lower boundary of the operating band and filling the space up to the reflector with an air or partially air layer ensures the formation of a pattern of a given shape up to a doubled frequency while maintaining the frequency stability of the impedance properties. The choice of material and fill volume affects the bandwidth. In order to achieve maximum bandwidth, it is not recommended to use full space filling with dielectric material.

Известно, что щель, прорезанная в бесконечном экране, является идеальным аналогом электрического диполя лишь с тем отличием, что направление максимума ДН ориентировано вдоль её оси, а срез ДН в поперечном сечении имеет вид восьмёрки, то есть излучение неизотропное. Таким образом, формирование линейной щелевой решётки в плоскости перпендикулярной вектору напряжённости электрического поля позволяет увеличить коэффициент усиления на величину до трёх децибел относительно коллинеарных решёток такой же эффективной длины с дипольными элементами, имеющими изотропный вид ДН в поперечном сечении.It is known that a slit cut in an infinite screen is an ideal analog of an electric dipole, with the only difference that the direction of the RP maximum is oriented along its axis, and the RP cut in cross section has the form of a figure eight, that is, the radiation is nonisotropic. Thus, the formation of a linear slotted grating in a plane perpendicular to the electric field strength vector makes it possible to increase the gain by up to three decibels relative to collinear gratings of the same effective length with dipole elements having an isotropic pattern of MDs in cross section.

Задание ширины линий и периметра электрических контуров, расположенных по краям решётки, меньше относительно размеров центральных, служит для наилучшего согласования в условиях отличной импедансной нагруженности по сравнению с остальными антенными элементами, окружёнными с обеих сторон.Setting the width of the lines and the perimeter of the electrical circuits located at the edges of the array is smaller relative to the dimensions of the central ones, and serves for the best matching under conditions of excellent impedance loading compared to the rest of the antenna elements surrounded on both sides.

Возбуждение антенных элементов волной электрического тока, распространяющейся по линии, нагруженной распределённой ёмкостью, минимизирует амплитуду отражённой волны от холостоходного участка данной линии. В случае снижения требования на ширину полосы согласования допускается отсутствие распределённой ёмкости, при этом достаточно выбрать протяжённость участка линии между её разомкнутым краем и центром возбуждаемой щели равной четверти электрической длины волны.Excitation of antenna elements by an electric current wave propagating along a line loaded with a distributed capacitance minimizes the amplitude of the reflected wave from the idle section of this line. In the case of a reduction in the requirement for the width of the matching band, the absence of a distributed capacitance is allowed, while it is sufficient to choose the length of the line section between its open edge and the center of the excited slot equal to a quarter of the electric wavelength.

Гальваническое соединение электрических контуров посредством металлических полигонов, подобранных для каждой пары антенных элементов, позволяет изменять распределение поверхностного тока, тем самым регулировать комплексное входное сопротивление каждого антенного элемента в отдельности для наилучшего согласования.Galvanic connection of electrical circuits by means of metal polygons, selected for each pair of antenna elements, allows you to change the distribution of the surface current, thereby adjusting the complex input impedance of each antenna element separately for the best matching.

Увеличение ширины щелей при удалении от их центра позволяет достичь наиболее равномерного коэффициента отражения в полосе частот и является ещё одним механизмом воздействия на импедансную характеристику антенной решётки.An increase in the width of the slots with distance from their center makes it possible to achieve the most uniform reflection coefficient in the frequency band and is another mechanism for influencing the impedance characteristic of the antenna array.

Выполнение условия высокоомного сопротивления линий электрических контуров при том, что их ширина существенно меньше ширины щелей обеспечивает оптимальное соотношение электрической и магнитной компонент запасённой энергии в ближней зоне в соответствии с принципом взаимодополняющих структур.Fulfillment of the condition of high-resistance lines of electrical circuits, despite the fact that their width is significantly less than the width of the slots, provides the optimal ratio of the electric and magnetic components of the stored energy in the near zone in accordance with the principle of complementary structures.

Реализация многоканальной системы возбуждения в соответствии с последовательно-параллельной схемой или параллельной позволяет оптимальным образом добиваться заданной полосы пропускания решётки при известной полосе пропускания антенного элемента. В случае требования максимально возможной полосы необходимо применять параллельную схему возбуждения, в случае сужения ширины рабочих частот допускается применение последовательно-параллельной схемы. В обоих случаях система возбуждения может иметь неравные веса для достижения меньшего уровня боковых лепестков (УБЛ) относительно равноамплитудного распределения в зависимости от назначения разрабатываемой антенной решётки.The implementation of a multi-channel excitation system in accordance with a series-parallel circuit or a parallel one makes it possible to optimally achieve a given array bandwidth with a known bandwidth of the antenna element. If the maximum possible bandwidth is required, it is necessary to use a parallel excitation circuit, in the case of narrowing the width of the operating frequencies, a series-parallel circuit can be used. In both cases, the excitation system may have unequal weights to achieve a lower level of side lobes (SLL) relative to the equal amplitude distribution, depending on the purpose of the antenna array being developed.

Частотная стабильность направленных характеристик антенной решётки с последовательно-параллельным возбуждением, а именно направление максимума и коэффициент направленного действия, зависит от количества последовательных элементов

с шагом

. Критерий максимального количества

задаётся следующим образомThe frequency stability of the directional characteristics of an antenna array with series-parallel excitation, namely the direction of the maximum and the directional coefficient, depends on the number of series elements

step by step

. Maximum Quantity Criteria

is set as follows

,

где

is the propagation constant in the excitation line,

– волновое число свободного пространства,

is the wave number of free space,

– длина волны свободного пространства,

is the wavelength of free space,

is the expansion coefficient of the RP beam at amplitude weighing.

При выполнении указанного условия основной луч ДН всегда ориентирован по нормали к апертуре решётки без провалов в его центре, сохраняя правильную форму во всём телесном угле наблюдения.When this condition is met, the main beam of the RP is always oriented along the normal to the array aperture without dips in its center, while maintaining the correct shape throughout the entire solid viewing angle.

Как правило, наиболее сложно достичь увеличения полосы согласования вниз по частоте относительно центрального значения. Исполнение антенного элемента в виде щели, образованной замкнутым электрическим контуром H-образной формы, позволяет расширить полосу согласования на величину не менее октавы, при условии выполнения неравенства

≥ 1,2 для нижней частоты рабочей полосы. Данный эффект обусловлен взаимокомпенсацией сопряжённых компонент запасённой энергии в ближней зоне антенны. Величина

определяет волновое число в среде значением относительной диэлектрической проницаемости

, величина

определяет максимальный размер антенного элемента.As a rule, it is most difficult to achieve an increase in the matching bandwidth down in frequency from the center value. The execution of the antenna element in the form of a slot formed by a closed H-shaped electric circuit allows you to expand the matching band by at least an octave, provided that the inequality

≥ 1.2 for the lower frequency of the operating band. This effect is due to the mutual compensation of the conjugate components of the stored energy in the near field of the antenna. Value

determines the wave number in the medium by the value of the relative permittivity

, value

defines the maximum size of the antenna element.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 изображён общий вид верхнего слоя печатной платы, содержащего все элементы антенной решётки, фиг. 2 отображает все слои печатной платы, включая систему возбуждения антенной решётки, фиг. 3 показывает укрупнённый вид части верхнего слоя печатной платы с элементами антенной решётки, фиг. 4 демонстрирует график частотной зависимости амплитуды коэффициент отражения, фиг. 5 демонстрирует ДН в плоскости решётки (E-плоскость) при последовательно-параллельном возбуждении для центральной частоты и крайних частот выделенного диапазона, фиг. 6 демонстрирует ДН в плоскости решётки (E-плоскость) при параллельном возбуждении для центральной частоты и крайних частот выделенного диапазона.In FIG. 1 shows a general view of the top layer of the printed circuit board containing all elements of the antenna array, fig. 2 shows all layers of the PCB including the antenna array drive system, FIG. 3 shows an enlarged view of a part of the top layer of the printed circuit board with antenna array elements, FIG. 4 shows a plot of the frequency dependence of the amplitude of the reflection coefficient, FIG. 5 shows the RP in the grating plane (E-plane) with series-parallel excitation for the center frequency and extreme frequencies of the selected range, FIG. 6 shows the RP in the grating plane (E-plane) with parallel excitation for the center frequency and extreme frequencies of the selected range.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Техническая реализация изобретения с использованием всех существенных признаков рассмотрена на примере печатной антенной решётки K-диапазона с низким УБЛ.The technical implementation of the invention using all the essential features is considered on the example of a printed K-band antenna array with low UBL.

Сверхширокополосная антенная решётка выполнена на нескольких слоях печатной платы 1, которая расположена над рефлектором 2 на расстоянии не ближе 0,125 электрической длины волны нижней границы рабочей полосы. Каждый элемент антенной решётки представляет собой щель 3, образованную замкнутым электрическим контуром H-образной формы 4, при этом электрические контуры соединены гальванически посредством металлических полигонов 5, заданных размеров и подобранных для каждой пары антенных элементов, образуя единый слой со щелями. В качестве системы распределения мощности антенной решётки выступает многоканальный неравновесный делитель/сумматор 6, реализованный в соответствии с последовательно-параллельной схемой. Антенные элементы, расположенные на верхнем слое печатной платы 1, возбуждаются волной электрического тока заданной амплитуды в зависимости от требуемого УБЛ с помощью линии 7, нагруженной распределённой ёмкостью. С целью плавной трансформации сопротивления линий возбуждения 7 в области, соединяющей систему распределения мощности и антенные элементы, используется переход 8, образованный сужающимся земляным полигоном верхнего слоя печатной платы 1 и земляным полигоном, повторяющим форму линий возбуждения 7 нижнего слоя печатной платы 1, при этом непосредственно вблизи антенных элементов земляной полигон верхнего слоя печатной платы 1 расширяется до размера полигона 5.The ultra-wideband antenna array is made on several layers of a printed circuit board 1, which is located above the reflector 2 at a distance not closer than 0.125 of the electric wavelength of the lower boundary of the working band. Each element of the antenna array is a slot 3 formed by a closed H-shaped electrical circuit 4, while the electrical circuits are galvanically connected by means of metal polygons 5, of given dimensions and selected for each pair of antenna elements, forming a single layer with slots. The multichannel non-equilibrium divider/adder 6, implemented in accordance with the series-parallel circuit, acts as the power distribution system of the antenna array. The antenna elements located on the upper layer of the printed circuit board 1 are excited by an electric current wave of a given amplitude, depending on the required UBL, using line 7 loaded with a distributed capacitance. In order to smoothly transform the resistance of the excitation lines 7 in the area connecting the power distribution system and antenna elements, a transition 8 is used, formed by a tapering ground polygon of the upper layer of the printed circuit board 1 and a ground polygon that repeats the shape of the excitation lines 7 of the lower layer of the printed circuit board 1, while directly near the antenna elements, the ground polygon of the top layer of printed circuit board 1 expands to the size of polygon 5.

Работа устройстваDevice operation

Рассматриваемая сверхширокополосная антенная решётка является пассивным устройством, в котором отсутствуют активные элементы или невзаимные узлы типа ферритов, поэтому режим её работы не имеет значения. Для удобства пусть решётка функционирует в режиме передачи. Сигнал СВЧ, поданный на её вход, возбуждает волны электрического тока, мощность которых делится в пропорции 1:1 на первой ступени неравновесного многоканального делителя 6. На следующих параллельных и последовательных ступенях каждый канал отбирает такую долю оставшейся мощности, совокупность которых формирует заданное амплитудное распределение вдоль антенной решётки, обеспечивающее требуемый УБЛ. Волны электрического тока, распространяющиеся вдоль линий 7 с амплитудой, соответствующей мощности каждого канала, возбуждают щели 3, образованные замкнутыми электрическими контурами H-образной формы 4. Суперпозиция поля излучения линейной поляризации каждой щели 3 формирует ДН антенной решётки. Вследствие того, что парциальные ДН параллельных участков решётки с последовательно включенными элементами при отклонении частоты от центрального значения имеют встречный наклон, суммарное излучение происходит строго по нормали. Рефлектор 2 обеспечивает однонаправленное излучение, при этом регулируя его размеры можно в небольших пределах изменять УБЛ антенной решётки и коэффициент отражения крайних её элементов.The ultra-wideband antenna array under consideration is a passive device in which there are no active elements or non-reciprocal nodes such as ferrites, so its mode of operation does not matter. For convenience, let the grid operate in transmission mode. The microwave signal applied to its input excites electric current waves, the power of which is divided in a 1:1 ratio at the first stage of a non-equilibrium multichannel divider 6. At the next parallel and successive stages, each channel selects such a fraction of the remaining power, the combination of which forms a given amplitude distribution along antenna array, providing the required UBL. Waves of electric current propagating along lines 7 with an amplitude corresponding to the power of each channel excite slots 3 formed by closed H-shaped electric circuits 4. The superposition of the radiation field of linear polarization of each slot 3 forms the RP of the antenna array. Due to the fact that the partial RPs of the parallel sections of the array with series-connected elements have an opposite slope when the frequency deviates from the central value, the total radiation occurs strictly along the normal. Reflector 2 provides unidirectional radiation, while adjusting its dimensions, it is possible to change the UBL of the antenna array and the reflection coefficient of its extreme elements within a small range.

Claims

An ultra-wideband antenna array consisting of printed antenna elements located above the reflector at a distance not closer than 0.125 electric wavelength of the lower boundary of the working strip when the space up to the reflector is filled with an air or partially air layer, made on the upper layer of a two-layer or multilayer dielectric substrate, while printed antenna the elements are a slot formed by a closed H-shaped electrical circuit with high resistance, and the electrical circuits are galvanically connected by means of metal polygons, of given dimensions and selected for each pair of antenna elements, forming a single layer with slots, the width of which increases with distance from their center , forming a transition to the electrical circuit, and the width of the lines and the perimeter of the electrical circuits located at the edges of the lattice is smaller relative to the size of the central ones, a multichannel non-equilibrium divider-adder, implemented in accordance with with a series-parallel circuit or parallel, while the number of series-excited antenna elements

step by step

is given by the following relation:

,

where

is the propagation constant in the excitation line,

is the wave number of free space,

is the wavelength of free space,

is the expansion coefficient of the RP beam at amplitude weighing.