RU2795527C1 - Method for constructing antenna array - Google Patents
Method for constructing antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795527C1 RU2795527C1 RU2021137202A RU2021137202A RU2795527C1 RU 2795527 C1 RU2795527 C1 RU 2795527C1 RU 2021137202 A RU2021137202 A RU 2021137202A RU 2021137202 A RU2021137202 A RU 2021137202A RU 2795527 C1 RU2795527 C1 RU 2795527C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- printed
- vibrators
- dielectric
- conductive screen
- printed vibrators
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в приемопередающих активных фазированных антенных решетках (АФАР).The invention relates to antenna technology and is intended for use in transceiver active phased antenna arrays (APAA).
Известен способ построения антенной решетки [1 - стр. 313 - Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. - 432 с.], в котором в стенке волновода, закороченном на конце, выполняют ряд щелей, каждая из которых имеет длину λ/2, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, при этом расстояния между щелями и между крайними щелями и концами волновода устанавливают равными, соответственно, λ и λ/2.A known method of constructing an antenna array [1 - p. 313 - Sazonov D.M. Antennas and microwave devices. M.: Higher school. - 432 s.], in which a number of slots are made in the wall of the waveguide, shorted at the end, each of which has a length of λ/2, where λ is the average wavelength of the operating wavelength range of the antenna array, while the distances between the slots and between the extreme the slots and ends of the waveguide are set equal, respectively, λ and λ/2.
Недостатком известного способа является ограниченность рабочей полосы частот [1 - стр. 316] и высокий вес за счет необходимости использования металлических волноводов.The disadvantage of this method is the limited operating frequency band [1 - p. 316] and high weight due to the need to use metal waveguides.
Известен способ построения антенной решетки [2 - стр. 144, рис. 7.3 -Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д. и др. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. М.: Радио и связь. 1988. - 240 с.], наиболее близкий к предлагаемому и взятый за прототип, при котором печатные вибраторы с плечами из металлических полос прямоугольной формы располагают на верхнем слое двуслойной диэлектрической подложки, нижний слой которой является проводящим экраном, при этом вибраторы расположены эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки. Запитка плечей вибраторов осуществляется с помощью штырей, соединенных с центральным проводником коаксиальной линии передачи или с помощью полосковой линии.A known method of constructing an antenna array [2 - p. 144, Fig. 7.3 - Voskresensky D.I., Kremenetsky S.D. Automated design of antennas and microwave devices. M.: Radio and communications. 1988. - 240 S.], closest to the proposed one and taken as a prototype, in which printed vibrators with shoulders made of rectangular metal strips are placed on the upper layer of a two-layer dielectric substrate, the lower layer of which is a conductive screen, while the vibrators are located equidistantly at the nodes rectangular or triangular grid. The arms of the vibrators are powered by pins connected to the central conductor of a coaxial transmission line or by means of a strip line.
К недостатками прототипа следует отнести:The disadvantages of the prototype include:
- недостаточную полосу рабочих частот полосковых излучателей, составляющую не более 3% [3 - стр. 128 - Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. - 144 с.], в то время как в системах связи требуются полосы 12% и более;- insufficient band of operating frequencies of strip radiators, which is no more than 3% [3 - p. 128 - Panchenko B.A., Nefedov E.I. microstrip antennas. M.: Radio and communications. 1986. - 144 p.], while communication systems require bands of 12% or more;
- значительное увеличение массы антенной решетки при реализации антенной решетки на низких рабочих частотах, поскольку на одной сплошной подложке расположено несколько линеек с вибраторами, а со снижением частоты размеры вибраторов и расстояния между ними увеличиваются.- a significant increase in the mass of the antenna array when implementing the antenna array at low operating frequencies, since several lines with vibrators are located on one continuous substrate, and with a decrease in frequency, the dimensions of the vibrators and the distance between them increase.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение полосы рабочих частот.The technical problem to be solved by the present invention is to increase the operating frequency band.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения антенной решетки, при котором излучатели в виде печатных вибраторов с плечами из металлических полос располагают на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом центры печатных вибраторов располагаются эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки, запитку плеч печатных вибраторов осуществляют с помощью полосковой линии.To solve this technical problem, a method is proposed for constructing an antenna array, in which emitters in the form of printed vibrators with arms made of metal strips are placed on a dielectric substrate above a conductive screen, while the centers of the printed vibrators are located equidistantly at the nodes of a rectangular or triangular grid, the arms of the printed vibrators are powered using a strip line.
Согласно изобретению, излучатели выполняют в виде одиночных или скрещенных печатных вибраторов, форма каждого плеча которых получена из равнобедренного треугольника путем наложения на его бедра фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации, причем основание треугольника оставляют неизменным, при этом плоскость диэлектрической подложки располагают параллельно проводящему экрану на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки, расстояние dy между центрами печатных вибраторов по вертикали устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние dx между центрами печатных вибраторов по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости, при этом диэлектрик вокруг печатных вибраторов удаляют, а в их плечах выполняют сквозные отверстия, возбуждение печатных вибраторов осуществляют через согласующее устройство в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой с печатным вибратором, а нижней гранью - с проводящим экраном, соединение полосковой линии согласующего устройства с внешним фидером осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов, для их запитки используют два согласующих устройства в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером, края печатных вибраторов закрепляют на диэлектрических стойках, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану.According to the invention, the emitters are made in the form of single or crossed printed vibrators, the shape of each arm of which is obtained from an isosceles triangle by superimposing the fractal Koch curve of the first, third or fourth iteration on its hips, with the base of the triangle left unchanged, while the plane of the dielectric substrate is placed parallel to the conductive screen at a height less than or equal to λ/4, where λ is the average wavelength of the operating wavelength range of the antenna array, the vertical distance d y between the centers of the printed vibrators is set from the condition of providing the required scanning sector in the vertical plane, and the distance d x between the centers of the printed vibrators horizontally - from the condition of providing the required scanning sector in the horizontal plane, while the dielectric around the printed vibrators is removed, and through holes are made in their arms, the excitation of the printed vibrators is carried out through a matching device in the form of a strip line located on a rectangular printed circuit board installed vertically and connected by the upper side with a dielectric substrate with a printed vibrator, and by the lower side - with a conductive screen, the connection of the strip line of the matching device with an external feeder is carried out using cut-in connectors or by soldering, in the case of using crossed printed vibrators, two matching devices are used to power them in the form of a strip line located on rectangular printed circuit boards, which are installed at right angles to each other, while each printed vibrator is powered by a separate feeder, the edges of the printed vibrators are fixed on dielectric racks, the lower end of which is connected to a conductive screen.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы антенной решетки.The technical result of the invention is to reduce the mass of the antenna array.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:The comparative analysis of the claimed method and the prototype shows that their difference is as follows:
- в предлагаемом способе антенная решетка обеспечивает перекрытие по частоте не менее 2 раз за счет использования излучателей, форма плеч которых получена с помощью наложения на бедра равнобедренного треугольника фрактальной кривой Коха, в то время как в прототипе полоса полосковых излучателей, составляет не более 3% [3 - стр. 128];- in the proposed method, the antenna array provides a frequency overlap of at least 2 times through the use of radiators, the shape of the shoulders of which is obtained by imposing an isosceles triangle of the fractal Koch curve on the hips, while in the prototype the band of strip radiators is no more than 3% [ 3 - p. 128];
- в предлагаемом способе вокруг печатных вибраторов удален диэлектрик, что позволяет снизить массу антенной решетки, в то время как в прототипе антенная решетка имеет более высокую массу за счет массы диэлектрика, заполняющего промежутки между излучателями;- in the proposed method, a dielectric is removed around the printed vibrators, which makes it possible to reduce the mass of the antenna array, while in the prototype the antenna array has a higher mass due to the mass of the dielectric filling the gaps between the emitters;
- в предлагаемом способе антенная решетка обеспечивает работу в двух поляризациях за счет использования скрещенных печатных вибраторов, в то время как в прототипе используется одна поляризация.- in the proposed method, the antenna array provides operation in two polarizations through the use of crossed printed vibrators, while the prototype uses one polarization.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinctive features and properties of the proposed method for constructing an antenna array is not known from the literature, so it meets the criteria of novelty and inventive step.
На фиг. 1 приведен один из вариантов антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа, с размещением печатных вибраторов в узлах прямоугольной сетки.In FIG. 1 shows one of the variants of the antenna array built using the proposed method, with the placement of printed vibrators in the nodes of a rectangular grid.
На фиг. 2 приведен один из вариантов антенной решетки, построенной с использованием предлагаемого способа, с размещением печатных вибраторов в узлах треугольной сетки.In FIG. 2 shows one of the variants of the antenna array built using the proposed method, with the placement of printed vibrators in the nodes of a triangular grid.
На фиг. 3 приведена схема подключения согласующего устройства к скрещенным печатным вибраторам.In FIG. 3 shows a diagram of connecting a matching device to crossed printed vibrators.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method, the following sequence of actions is performed:
- располагают излучатели в виде печатных вибраторов с плечами из металлических полос на диэлектрической подложке над проводящим экраном, при этом центры печатных вибраторов располагают эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки, запитку плеч вибраторов осуществляют с помощью полосковой линии - 1;- emitters are placed in the form of printed vibrators with arms made of metal strips on a dielectric substrate above a conductive screen, while the centers of the printed vibrators are placed equidistantly at the nodes of a rectangular or triangular grid, the vibrator arms are powered using a strip line - 1;
- выполняют излучатели в виде одиночных или скрещенных печатных вибраторов, форма каждого плеча которых получена из равнобедренного треугольника путем наложения на его бедра фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации, причем основание треугольника оставляют неизменным - 2;- emitters are made in the form of single or crossed printed vibrators, the shape of each arm of which is obtained from an isosceles triangle by applying the Koch fractal curve of the first, third or fourth iteration to its hips, while the base of the triangle is left unchanged - 2;
располагают плоскость диэлектрической подложки параллельно проводящему экрану на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки - 3;have the plane of the dielectric substrate parallel to the conductive screen at a height less than or equal to λ/4, where λ is the average wavelength of the operating wavelength range of the antenna array - 3;
- устанавливают расстояние dy между центрами печатных вибраторов по вертикали из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние dx между центрами печатных вибраторов по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости - 4;- set the distance d y between the centers of the printed vibrators along the vertical from the condition of providing the required scanning sector in the vertical plane, and the distance d x between the centers of the printed vibrators horizontally - from the condition of providing the required scanning sector in the horizontal plane - 4;
- удаляют диэлектрик вокруг печатных вибраторов, а в их плечах выполняют сквозные отверстия - 5;- the dielectric is removed around the printed vibrators, and through holes are made in their shoulders - 5;
- осуществляют возбуждение печатных вибраторов через согласующее устройство в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой с печатным вибратором, а нижней гранью - с проводящим экраном, соединение полосковой линии согласующего устройства с внешним фидером осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов, для их запитки используют два согласующих устройства в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером - 6;- excitation of the printed vibrators is carried out through a matching device in the form of a strip line located on a rectangular printed circuit board, installed vertically and connected by the upper face to the dielectric substrate with the printed vibrator, and by the lower face to a conductive screen, the connection of the strip line of the matching device with an external feeder is carried out using cut-in connectors or soldering, in the case of using crossed printed vibrators, they are powered by two matching devices in the form of a strip line located on rectangular printed circuit boards, which are installed at right angles to each other, while each printed vibrator is powered separately feeder - 6;
- закрепляют края печатных вибраторов на диэлектрических стойках, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану - 7.- fix the edges of the printed vibrators on dielectric racks, the lower end of which is attached to the conductive screen - 7.
Один из вариантов антенной решетки из четырех печатных вибраторов, построенной с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг. 1) проводящий экран 1, над которым установлены диэлектрические подложки 2 с печатными вибраторами 3 с плечами из металлических полос, при этом центры печатных вибраторов располагаются эквидистантно в узлах прямоугольной или треугольной сетки. На фиг. 1 показан вариант скрещенных печатных вибраторов 3, размещенных в углах прямоугольной сетки. Плоскости диэлектрических подложек 2 расположены параллельно проводящему экрану 1 на высоте меньшей или равной λ/4, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн антенной решетки. Диэлектрик вокруг печатных вибраторов 3 удаляют, а в их плечах выполняют сквозные отверстия.One of the variants of the antenna array of four printed vibrators, built using the proposed method, contains (Fig. 1) a
Форма плечей печатных вибраторов 3 сформирована путем наложения на бедра равнобедренных треугольников 4 и 5 фрактальной кривой Коха первой, третьей или четвертой итерации 6, причем основание треугольника оставляют неизменным (на фиг. 1 для наглядности показаны пунктирными линиями треугольники в плечах только одного печатного вибратора).The shape of the shoulders of the printed
Расстояние dy между центрами печатных вибраторов 3 по вертикали устанавливают из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в вертикальной плоскости, а расстояние dx между центрами печатных вибраторов 3 по горизонтали - из условия обеспечения требуемого сектора сканирования в горизонтальной плоскости.The vertical distance d y between the centers of the
Края печатных вибраторов 3 закрепляют на диэлектрических стойках 7, нижний конец которых присоединяют к проводящему экрану 1.The edges of the printed
На фиг. 2 показан вариант антенной решетки из 16 печатных вибраторов, установленных в углах треугольной сетки, элементы крепления печатных вибраторов на фиг. 2 условно не показаны.In FIG. 2 shows a variant of an antenna array of 16 printed vibrators installed at the corners of a triangular grid, the fastening elements of the printed vibrators in FIG. 2 are conventionally not shown.
Возбуждение печатных вибраторов 3 осуществляют через согласующее устройство 8 в виде полосковой линии, расположенной на печатной плате прямоугольной формы, установленной вертикально и соединенной верхней гранью с диэлектрической подложкой 2 с печатным вибратором 3, а нижней гранью - с проводящим экраном 1 (фиг. 3). Соединение полосковой линии согласующего устройства 8 с внешним фидером (на фиг. 3 не показан) осуществляют с помощью врубных разъемов или пайкой, в случае использования скрещенных печатных вибраторов 3, для их запитки используют два согласующих устройства 8 в виде полосковой линии, расположенной на печатных платах прямоугольной формы, которые установлены под прямым углом друг к другу, при этом запитку каждого печатного вибратора осуществляют отдельным фидером (на фиг. 3 не показан).The excitation of printed
Диэлектрические подложки 2 могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита или другого фольгированного диэлектрика, при этом печатные вибраторы 3 выполняются с помощью травления.
Расстояния между центрами печатных вибраторов 3 - dx по горизонтали и dy по вертикали выбирают из условия отсутствия дифракционных максимумов при заданных максимальных углах отклонения луча θxmax и θymax соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, используя выражение [4 - стр. 65 - Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Воскресенского Д.И. - М.: Радиотехника. 2012. - 744 с.]:The distances between the centers of the printed vibrators 3 - d x horizontally and d y vertically are selected from the condition of the absence of diffraction maxima at given maximum beam deflection angles θ xmax and θ ymax , respectively, in the horizontal and vertical planes, using the expression [4 - p. 65 - Design Phased Antenna Arrays / Ed. Voskresensky D.I. - M.: Radio engineering. 2012. - 744 p.]:
Предложенный способ обеспечивает повышение вибропрочности антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет соединения диэлектрических подложек 2 между собой с помощью диэлектрических стоек 7 в случае использования прямоугольной сетки размещения печатных вибраторов 3 (фиг. 1). В случае использования треугольной сетки размещения печатных вибраторов 3, их края закрепляются на диэлектрических стойках 7 по-отдельности (на фиг. 2 диэлектрические стойки не показаны).The proposed method provides an increase in the vibration resistance of the antenna array, in comparison with the prototype, by connecting the
В то время как в прототипе диэлектрическая подложка с печатными вибраторами расположена параллельно проводящему экрану и разделена с ним воздушным промежутком, при этом конструктивные элементы, обеспечивающие прочность конструкции, отсутствуют, что не позволяет конструкцию прототипа использовать в реальных устройствах.While in the prototype the dielectric substrate with printed vibrators is located parallel to the conductive screen and separated from it by an air gap, there are no structural elements that ensure the strength of the structure, which does not allow the design of the prototype to be used in real devices.
Предложенный способ также обеспечивает снижение массы антенной решетки, по сравнению с прототипом, за счет применения печатных вибраторов 3, диэлектрик вокруг которых удален, а в плечах выполняют сквозные отверстия. В то время как в прототипе промежутки между линейками печатных вибраторов заполнены диэлектриком, масса которого значительно превышает массу воздуха того же объема.The proposed method also reduces the mass of the antenna array, compared with the prototype, due to the use of printed
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.To test the proposed method, a prototype was made, the tests of which showed the coincidence of the obtained characteristics with the calculated ones.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2795527C1 true RU2795527C1 (en) | 2023-05-04 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU131241U1 (en) * | 2013-03-22 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" | ANTENNA ELEMENT OF A LOW PROFILE PHASED ANTENNA ARRAY |
| RU2638082C1 (en) * | 2016-06-29 | 2017-12-11 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Fractal radiator |
| WO2020091897A1 (en) * | 2018-10-31 | 2020-05-07 | Commscope Technologies Llc | Base station antennas having radiating elements formed on flexible substrates and/or offset cross-dipole radiating elements |
| RU2730111C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-08-17 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Broadband antenna array construction method |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU131241U1 (en) * | 2013-03-22 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" | ANTENNA ELEMENT OF A LOW PROFILE PHASED ANTENNA ARRAY |
| RU2638082C1 (en) * | 2016-06-29 | 2017-12-11 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Fractal radiator |
| WO2020091897A1 (en) * | 2018-10-31 | 2020-05-07 | Commscope Technologies Llc | Base station antennas having radiating elements formed on flexible substrates and/or offset cross-dipole radiating elements |
| RU2730111C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-08-17 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Broadband antenna array construction method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВОСКРЕСЕНСКИЙ Д.И. и др. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ, Радио и связь, Москва, 1988. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110034377B (en) | Antenna device | |
| JP7239743B2 (en) | Antenna unit and terminal equipment | |
| US11424543B2 (en) | Antenna apparatus with integrated filter having stacked planar resonators | |
| EP3465823B1 (en) | C-fed antenna formed on multi-layer printed circuit board edge | |
| US10854984B2 (en) | Air-filled quad-ridge radiator for AESA applications | |
| US20130141299A1 (en) | Horn antenna including integrated electronics and associated method | |
| US11721892B2 (en) | Surface wave reduction for antenna structures | |
| JP2013511185A (en) | Modular phased array antenna | |
| CN103311653A (en) | Small high-isolation and wide-band antenna adopting differential feed and multilayer patch structures | |
| EP3780279A1 (en) | Array antenna apparatus and communication device | |
| CN110808463A (en) | Strong penetration antenna device | |
| CN111129704A (en) | Antenna unit and electronic equipment | |
| CN111668605B (en) | Electrically-controlled antenna used along high-speed rail | |
| CN108134203A (en) | Big unit spacing large-angle scanning phased array antenna based on electromagnetic bandgap structure | |
| CN108539422B (en) | Three-dimensional meandering substrate integrated waveguide near-field focusing scanning leaky-wave slot array antenna | |
| RU2795527C1 (en) | Method for constructing antenna array | |
| RU2592721C1 (en) | Method of constructing antenna array | |
| RU2699555C1 (en) | Antenna array construction method | |
| RU2716835C1 (en) | Dipole radiator realization | |
| RU2730111C1 (en) | Broadband antenna array construction method | |
| RU2775172C1 (en) | Ultra-wideband antenna array | |
| CN110767982A (en) | Antenna structure and electronic device with same | |
| RU2737700C1 (en) | Method of constructing a broadband antenna array | |
| RU2638082C1 (en) | Fractal radiator | |
| Trinh-Van et al. | Meandered UC-EBG structure for a reduction of the mutual coupling in a patch antenna array |