Dual-polarized radiator with high isolation for phased antenna arrays

Full Text

Для целого ряда радиотехнических бортовых и космических систем возникает необходимость разработки фазированных антенных решеток (ФАР) с электрическим сканированием и независимыми взаимно ортогональными линейными поляризациями излучаемых (принимаемых) полей. К числу таких задач относится разработка двухполяризационных ФАР с широким сектором сканирования, а также активных ФАР (АФАР) для спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой [1]. Для построения таких антенных систем должны использоваться двухполяризационные излучатели. При этом к таким излучателям предъявляются требования высокой развязки между каналами - модуль коэффициента связи между каналами), минимальных массогабаритных параметров (особенно поперечных размеров), высокого коэффициента полезного действия (КПД), высокого коэффициента усиления (КУ) и достаточной прочности конструкции. Известны малогабаритные двухполяризационные микрополосковые излучатели с двумя ортогональными входами [2]. Недостатком подобных излучателей является малая развязка между входами 1 и 2 (меньше 20 дБ). Кроме того, микрополосковые излучатели имеют значительные потери в диэлектрике, особенно в X-диапазоне и более высокочастотных диапазонах, не обладают достаточной прочностью и проигрывают по этим показателям волноводным излучателям. Известны двухполяризационные волноводно-рупорные антенны с квадратным раскрывом, возбуждаемые с помощью микрополоскового излучателя квадратной формы и подводимых к нему двух взаимно ортогональных микрополосковых линий, расположенных в некотором сечении и проходящих в квадратный волновод через отверстия в боковых стенках квадратного волновода [3]. Однако такой излучатель имеет ограниченную развязку (менее 30 дБ) между поляризациями и большой поперечный размер - около полутора длин волн, что исключает использование подобного излучателя в сканирующих ФАР. Рупорно-волноводный излучатель с квадратным раскрывом с уменьшенным поперечным размером апертуры приводится в [4]. Уменьшение поперечных размеров достигнуто за счет применения в структуре излучателя двух отрезков квадратного волновода с четырьмя и двумя металлическими гребнями и использования «висячих» воздушных полосковых линий. Однако минимальный уровень кроссполяризации составляет -27 дБ. Кроме того, конструкция излучателя значительно усложняется. Известны волноводные излучатели в виде пирамидального рупора с квадратным раскрывом и отрезка короткозамкнутого квадратного волновода с поперечными размерами, обеспечивающими «докритический» режим работы только для основных типов волн и [5]. При ортогональном расположении одинаковых коаксиально-штыревых возбудителей в смежных боковых стенках в некотором сечении такого волновода в волноводе возбуждается и распространяется или только волна или только волна являющиеся источниками двух взаимно ортогональных полей, излучаемых открытым концом волновода или раскрывом пирамидального рупора. Однако и в таком излучателе коэффициент связи между входами лежит в интервале примерно -15...-20 дБ. С целью существенного уменьшения коэффициента связи (существенного увеличения развязки) между двумя взаимно ортогональными каналами до значений, лежащих в интервале -35...-65 дБ (35...65 дБ) и даже более, при существенном уменьшении поперечных размеров двухполяризационного волноводного излучателя примерно до где - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте рабочего диапазона, может быть использован двухполяризационный излучатель (рис. 1) в виде отрезка короткозамкнутого прямоугольного волновода 3, переходящего в E-секториальный рупор 4 с квадратным раскрывом, и двух коаксиально-штыревых возбудителей 1 и 2, запитываемых коаксиальными линиями с волновым сопротивлением Ом, причем возбудитель 1 расположен посередине широкой стенки прямоугольного волновода на расстоянии от короткозамыкателя и на расстоянии от горловины рупора, а возбудитель 2 расположен посередине боковой стенки рупора на расстоянии от горловины рупора и на расстоянии от апертуры рупора, а продольные оси обоих штыревых возбудителей взаимно ортогональны и лежат в плоскостях, содержащих продольную ось рупорного излучателя. Поперечные размеры прямоугольного волновода и поперечные размеры раскрыва рупора выбираются из условий закритичности волн высших типов и докритичности волн основного типа H10 в волноводе и волн и в рупоре и известных ограничений на расстояние между соседними излучателями в ФАР с плоской апертурой, сканирующей в коническом секторе углов т. е. и где a - внутренний размер квадратного раскрыва рупора; t - толщина стенок волновода; - длина волны в свободном пространстве для рабочей частоты f. Рассматриваемый излучатель с указанными выше поперечными размерами позволяет обеспечить широкоугольное и независимое по обеим поляризациям электрическое сканирование луча в ФАР с плоской апертурой в коническом секторе углов с углом при вершине конуса Геометрия и места включения возбудителей определяются в следующей последовательности. Сначала определяются расстояние длина штыря и его диаметр из условия обеспечения требуемого на входе 2 в рабочем диапазоне частот; затем определяется расстояние длина штыря и его диаметр из условия обеспечения требуемого на входе 1 для некоторого изначально выбранного расстояния потом уточняется расстояние из условия обеспечения требуемого коэффициента связи между входами 1 и 2 и следом уточняются значения расстояния и длины штыря при уточненном значении после этого находится расстояние при выбранной длине излучателя l из соотношения С целью минимизации продольного размера излучателя каждый из размеров выбирается минимально возможным и определяется в процессе электродинамического моделирования или эксперимента. Расстояние влияет на уровень подавления волн высших типов, возникающих в раскрыве рупора от возбудителя 2, выбирается из условия при заданном размере излучателя l, который в свою очередь определяется из условия обеспечения требуемого уровня подавления волн высших типов в раскрыве рупора. Анализ результатов моделирования показывает, что минимальный продольный размер излучателя лежит в интервале Достоинством предлагаемой схемы излучателя является возможность практически независимого обеспечения каждого из четырех выше перечисленных параметров: и уровня высших типов волн в раскрыве рупора. Это утверждение иллюстрируется результатами моделирования, приведенными на рис. 2-5, которые получены для излучателя со следующими размерами: Моделирование проводилось с помощью специализированного программного пакета электродинамического моделирования, в котором был использован метод конечных разностей во временной области. На рис. 2 представлен график зависимости коэффициента связи на частоте от величины Как видно, изменяя размер в интервале от до почти можно существенно изменять величину - от значений примерно -39 дБ вплоть до уровня примерно -68 дБ. Результаты моделирования рассматриваемого излучателя показали, что при следующих ограничениях на размеры излучателя: - величина слабо зависит от значений но существенно зависит от размера При этом значения диаметров и лежат в следующих интервалах: Представленные на рис. 3-5 характеристики излучателя были получены в соответствии с изложенной выше последовательностью моделирования из условия минимизации и в требуемом относительном диапазоне частот при наличии ограничений на размеры Размер выбирался в соответствии с зависимостью от значения (рис. 2) и при условии, что при дБ. В итоге были получены следующие результаты: Графики и в полосе частот при значениях и приведены на рис. 3. Моделирование показывает, что и слабо зависят от размеров На рис. 4 показана частотная зависимость величины для и На рис. 5 приведены диаграммы направленности (ДН) излучателя (в виде зависимостей КНД излучателя в логарифмическом масштабе) относительно каждого входа на центральной частоте в двух взаимно ортогональных плоскостях: в плоскости zOx и в плоскости zOy При этом угол отсчитывается от оси Oz по направлению к плоскости xOy. Как следует из представленных результатов, КНД в направлении продольной оси излучателя составляет 8 дБ по входу 1 и 7,4 дБ по входу 2, что близко к максимально возможному КНД квадратного раскрыва. Однако ДН по входу 2 в плоскости является несимметричной. Это вызвано наличием в раскрыве рупора волн высших типов, амплитуда которых может быть уменьшена путем увеличения размера (увеличения размера l). Так как потери в таком излучателе незначительны, то его коэффициент усиления на средней частоте по величине практически не отличается от КНД. Рассмотренный излучатель может использоваться в качестве отдельного излучателя в сканирующих ФАР с двумя ортогональными поляризациями излучаемого (принимаемого) поля и широким сектором сканирования в произвольной плоскости. Существует ряд задач, в которых требуется осуществлять широкоугольное электрическое сканирование только в одной плоскости при условии обеспечения высокого КУ и двухполяризационного режима работы. Так, в спутниковых радиолокаторах с синтезированной апертурой, например, TerraSAR-X [6], используется АФАР, состоящая из подрешеток с волноводно-щелевыми излучателями с вертикальной и горизонтальной поляризациями. Габаритные размеры подрешеток выбраны из условия обеспечения сканирования АФАР в угломестной (вертикальной) плоскости в пределах сектора углов а в азимутальной (горизонтальной) плоскости при работе в полосе частот 1,6 %. Рассмотренный выше волноводный излучатель также может быть использован в составе четырехэлементного модуля с ортогональными линейными поляризациями при создании радиолокаторов космического базирования с синтезированной апертурой. Схема такого модуля представлена на рис. 6. Подобный модуль имеет ряд преимуществ как в характеристиках направленности, так и в возможности размещения системы питания модуля по обеим поляризациям в пространстве между соседними излучателями, что делает этот модуль достаточно компактным устройством. В качестве системы питания в Х-диапазоне выбрана система из двухступенчатых коаксиальных равноамплитудных делителей мощности. При этом входное сопротивление каждого из делителей при работе в системе выбиралось равным 50 Ом. Остальные параметры делителя оптимизировались из условия минимизации КСВ в рассматриваемой рабочей полосе частот. На рис. 7 представлены зависимости КСВ на входах 1 и 2 в полосе частот уровень развязки (рис. 8) между входами 1 и 2, а также ДН четырехэлементного модуля в азимутальной и угломестной плоскостях на средней частоте выбранного диапазона (рис. 9). Излучатели располагаются на расстоянии в горизонтальной плоскости. При этом в случае прямоугольной сетки расположения излучателей обеспечивается сектор сканирования в угломестной плоскости до а в горизонтальной плоскости до Таким образом, рассмотренный двухполяризационный излучатель при использовании его в качестве отдельного излучателя ФАР позволяет обеспечить сектор сканирования ФАР до в полосе частот и высокую развязку между ортогональными по поляризации каналами до уровня -50 дБ и лучше. При использовании такого излучателя в четырехэлементном модуле возможно построение ФАР для спутниковых РЛС с синтезированной апертурой, причем рабочая полоса частот ФАР составляет приблизительно а возможные сектора сканирования в угломестной и азимутальной плоскостях достигают и соответственно.

About the authors

L. I Ponomarev

E. V Neklyudov

A. A Vasin

O. V Terekhin

References

Supplementary files