МНОГОЛУЧЕВЫЕ ГИБРИДНЫЕ АНТЕННЫ

July 31, 2012 by admin Комментировать »

Калошин В. А.

Институт радиотехники и электроники РАН ГСП-9, Москва101999, Россия Тел.: (095) 2034836; e-mail: vak&cplire.ru


Аннотация В докладе приведены результаты исследований гибридных многолучевых антенн с различными типами фокусирующих систем. Рассматриваются проблемы синтеза облучающей и управляющей систем, которые обеспечивают возможность независимого управления положением и формой лучей.

I.  Введение

В настоящее время многолучевые антенны получили применение в различных радиотехнических системах, в частности, радиолокации, радиовидения, системах связи типа «пойнт-мультипойнт» и спутникового телевидения. Известны три основных метода формирования многолучевых диаграмм направленности: пространственный (квазиоптический), схемный (матричный) и цифровой. Данный доклад посвящен антеннам, в которых используется первый метод. Такие антенные системы состоят из трех подсистем: фокусирующей квазиоптической системы, облучающей системы и управляющей системы. Их основные преимущества малые потери и широкополосность. Поскольку они содержит квазиоптическую систему и решетку облучателей, их называют гибридными. Если фокусирующая система не имеет аберраций, то каждый облучатель формирует остронаправленную диаграмму направленности(луч). Луч со специальной формой диаграммы можно сформировать, используя соответствующую фокусирующую систему или несколько (кластер) облучателей Если лучи имеют различную форму, применяется второй способ. Управляющая система используется для изменения формы и положения лучей (независимого сканирования).

Рассмотрим различные типы фокусирующих квазиоптических систем, которые используются в многолучевых гибридных антеннах.

1 .Сферические линзы. Благодаря центральной симметрии системы, построенные на основе сферических линз, не имеют аберраций при изменении положения источника на фокальной сфере и позволяют реализовать большое количество лучей в широком угловом секторе. Однако однородные диэлектрические линзы обладают сферической аберрацией, что не позволяет использовать линзы больших электрических размеров. В этом случае используются слоистые или градиентные (неоднородные) линзы (линзы Люнеберга), которые позволяют частично или полностью (в последнем случае) уничтожить сферическую аберрацию и обеспечить высокий коэффициент использования поверхности (КИП). Соответствующий закон изменения коэффициента преломления для общего случая линзы с оболочкой получен в работе [1]. Пользоваться этими формулами неудобно из-за входящих в них несобственных интегралов, поэтому вместо них можно применять методику синтеза слоистых линз [2] при достаточно большом числе слоев. Разработаны технологии изготовления градиентных линз, реализующие необходимое изменение коэффициента преломления от радиуса путем неоднородного вспенивания полистирола и обеспечивающие КИП 0.7-0.8 вплоть до миллиметрового диапазона волн. Для формирования многолучевой диаграммы в одной плоскости можно использовать двумерные градиентные линзы на основе искусственных диэлектриков. Следует отметить, что такие диэлектрики, как правило, анизотропны и это необходимо учитывать при синтезе [3]. На рисунке 1 показан макет планарной линзы Люнеберга на основе анизотропной квазипериодической кольцевой диэлектрической структуры.

Institute of Radioengineering and Electronics RAS GSP-9, Moscow 101999, Russia phone: (095)2034836 e-mail: vak(g)_cplire.ru

Abstract The investigation results for multibeam hybrid antennas with different types of focusing system are presented. The problems of synthesis the focusing and controlling systems providing independent control of beam position and shapes are examined.

I.  Introduction

At present the multibeam antennas are used in different types of radio systems, particularly, in radars, radio vision systems, point-multipoint communications and satellite TV systems. Three main techniques of multibeam far field patterns formation are known: quasi-optic, matrix and numerical. The first one is considered in this paper. Hybrid antenna consists of three subsystems: quasi-optic focusing system, feed elements array and controlling system. The main advantages of hybrid antennas are small losses and a wide frequency bandwidth. If a focusing system has no aberrations a feed element forms a pencil-beam pattern. A specially shaped beam pattern can be formed using an appropriate focusing system or a cluster of feed elements.

II.  Main part

The first type of the focusing system considered is Luneburg lens. The general solution for index of refraction is obtained in [1]. The formulae in [1] contain singular integrals. The simple technique is based on a layered approximation [2]. The polystyrene non-uniform density foaming technology has been designed for spherical Luneburg lenses. Cylindrical anisotropic Luneburg lenses are proposed [3] for two dimensional multibeam far field patterns. A sample of cylindrical anisotropic Luneburg lens is shown in Fig.1. Two far field patterns are shown in Fig.2 at different frequencies. The second type of focusing systems is a constrained lens, shown in Fig.3. Several beam patterns of the 20×20 wavelength antenna array fed by the bifocal constrained lens is shown in Fig.4. The third type of focusing system is aplanatic dielectric lens. Two techniques of synthesis for gradient dielectric aplanatic lens with axial symmetry are given in [2,5]. The technology of manufacturing this lens is simpler then that of spherical one. On the other hand this lens has three degrees of freedom in contrast to a uniform lens, so it is possible to vary one of lens surface shapes. The aberration that limits the angle of view of aplanatic and polyfocal lenses with axial symmetry is astigmatism. Formula for this aberration is obtained in [6]. The fourth type of focusing system is aplanatic or bifocal mirror system. The main aberration is also astigmatism. Besides, there is an aperture shadowing in a two-mirror system with axial symmetry. A twomirror bifocal system can use a parabolic dish as a main mirror

[7]  . In case of beam forming in one plane or if an angle of view in one plane is more than that in another one we can increase this angle using a two-mirror antenna with a convex-concave small dish [8]. Gain of a two-mirror bifocal system with the 100 wavelengths parabolic dish [7] is shown in Fig.5 by solid line (1). The same value for a twomirror antenna with toroidal main dish and convex-concave small dish is shown in Fig.5 by dotted line (2). The same value for a two-mirror Gregorian aplanatic antenna is shown by dashed line (3). One can see that angle of view of the second antenna is two times more than that for the others. The feeding system uses dielectric feed elements or connected horns to increase the beam intersection level. The controlling system is a matrix of the controlled power dividers with two inputs and two outputs. The matrix elements have been designed and tested in a millimeter wave region.

II. Conclusion

The investigation results are presented for multibeam hybrid antennas with different types of quasi-optic focusing system: Luneburg lens, constrained lens, aplanatic dielectric lens, aplanatic or bifocal mirror system.

Аннотация В докладе рассмотрены результаты исследования одного из способов уменьшения габаритов микрополосковой антенны (МПА). Приводятся параметры макета малогабаритной антенны L-диапазона.

I.  Введение

Известно три основных способа уменьшения габаритов МПА: заземление одного конца антенны (уменьшение площади в два раза) [1]; использование подложек с большим значением диэлектрической проницаемости (уменьшение площади может достигать 20 раз) [2]; формирование щелей в топологии антенны (уменьшение площади почти в четыре раза) [1, 3].

Первый способ заключается в заземлении одного конца микрополосковой антенны. В этом случае длина антенны уменьшается в два раза при работе на той же частоте [1]. Такая антенна получила название F-антенны. Она представляет собой четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлён, а другой открыт. Преимущество малого размера Fантенны достигается за счёт понижения эффективности антенны, поскольку из процесса излучения исключается одна из сторон микрополосковой антенны. Кроме того, F-антенны обычно узкополосны.

Второй способ физически очевиден, но сам по себе мало продуктивен по причине быстрого падения эффективности излучения антенны по мере увеличения диэлектрической проницаемости материала подложки в случае электрически тонких подложек.

Третий способ заключается в прорезании в микрополосковом проводнике щелевой линии. В этом случае путь тока, протекающего по проводнику, увеличивается, что ведёт к снижению частоты по сравнению с антенной без щели, или уменьшению размеров МПА при неизменности рабочей частоты. Введение щели позволяет уменьшить размеры МПА практически без ухудшения её эффективности. Анализ ближнего поля в такой антенне показывает, что в щели происходит концентрация электромагнитной энергии и, как следствие, щель играет большую роль в формировании диаграммы направленности (ДН) такой антенны [1,3].

II.  Основная часть

Рис. 1. Диаграмма излучения в Е-плоскости Fig. 1. E-plane radiation pattern distribution

Особенностью рассмотренной нами антенны этого типа являлось то, что размер экрана был равен размеру топологии. В случае применения одной щели [3] точка питания антенны должна быть смещена относительно центра МПА. В связи с этим при малом экране происходит затекание токов на оплетку подводящего коаксиального кабеля. При этом кабель начинает влиять на процесс излучения, искажая диаграмму направленности (ДН). Самым простым способом устранения влияния подводящего фидера является размещение точки питания антенны в центре ее топологии. Для того чтобы обеспечить согласование антенны в этом случае нами был предложен способ, который заключается во введении дополнительной щели, расположенной симметрично относительно точки питания (см. Fig. 1).

Рис.1. Топология микрополосковой антенны Fig.1. Microstrip antenna topology

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты