В настоящее время антенные решетки разнообразнейших видов являются одним из ключевых радиотехнических элементов систем радиосвязи [2-7]. Наиболее широко используемой системой формирования нескольких лучей антенных решеток является матричная диаграммобразующая схема Батлера. Поскольку характеристики таких схем определяются, в основном, параметрами направленных ответвителей (НО), поэтому выявление новых качественных свойств НО, совершенствование их конструкций, миниатюризация, расширение полосы рабочих частот, улучшение технологической реализуемости при изготовлении и реализация на их основе матричных схем Батлера продолжают оставаться актуальными задачами СВЧ техники. Данный вывод подтверждается также и тем обстоятельством, что в отечественной и зарубежной периодике регулярно появляются новые публикации, посвященные совершенствованию схем направленных ответвителей и соответственно конструкций матриц Батлера на их основе.

На рисунке 1 представлена авторская топология модифицированного НО для построения четырехлучевой матрицы Батлера. Особенностью предлагаемого НО является то, что четвертьволновые отрезки линий, из которых формируется НО, заменены эквивалентными в определённом смысле квазисосредоточенными элементами, геометрические параметры которых оптимизированы.

Рисунок 1 – Топология модифицированного НО

На рисунке 2 представлены результаты моделирования модифицированного НО, предназначенного для работы в частотном диапазоне (0.85 - 0.95) ГГц с центральной частотой 0.9 ГГц и равными коэффициентами деления мощности в выходных плечах. Моделирование выполнено с помощью ознакомительной версии программного продукта Advanced Design System [1].

Рисунок 2 – Частотные зависимости модифицированного НО: s-параметров (а), сдвига фаз между выходными плечами (б)

Из представленных зависимостей следует, что коэффициент деления мощности в выходных плечах составляет (3.00 ± 0.15) дБ, развязка между плечами и коэффициент отражения на центральной частоте не хуже “минус” 25 дБ, а разность фаз гармонических сигналов в выходных плечах ответвителя составляет 89.8°.

На рисунке 3 представлена четырехлучевая матрица Батлера, которая состоит из четырёх модифицированных НО и двух статических фазовращателей осуществляющих задержку фазы электрического сигнала на 45°, обеспечивая тем самым линейное амплитудно-фазовое распределение на выходах диаграммообразующей схемы.

На рисунке 4 приведены коэффициент отражения S(1,1), развязка между портами S(2,1), S(3,1), S(4,1) и переходное ослабление S(5,1), S(6,1), S(7,1), S(8,1) при подаче сигнала на первый порт.

Рисунок 3 – Микрополосковая топология четырехлучевой матрицы Батлера
на основе модифицированного НО

Рисунок 4 – Частотные характеристики четырехлучевой матрицы Батлера
на основе модифицированного НО при возбуждении порта 1

При возбуждение первого входа потери по отражению на центральной частоте S(1,1) не хуже минус 30 дБ, развязка между портами S(4,1), S(3,1), S(2,1) не хуже минус 18 дБ. Максимальный неравномерность переходного ослабления выходных сигналов составляет порядка 1 дБ относительно номинальных значений.

На рисунке 5 приведены коэффициент отражения S(2,2), развязка между портами S(1,2), S(3,2), S(4,2) и переходное ослабление S(5,2), S(6,2), S(7,2), S(8,2) при подаче сигнала на второй порт.

Рисунок 5 – Частотные характеристики четырехлучевой матрицы Батлера
на основе модифицированного НО при возбуждении порта 2

При возбуждение второго входа матрицы Батлера обладает следующими характеристикам: потери по отражению на входе S(2,2) на центральной частоте не хуже минус 23,5 дБ. В то время как развязка между портами S(3,2), S(4,2), S(1,2) во всем частотном диапазоне превышает минус -18 дБ. Максимальная неравномерность переходного ослабления не превышает 0,6 дБ относительно номинальных значений.

На рисунке 6 изображены графики распределения амплитуд и фаз на  двух портах предназначенных для подключения антенн (порт 5 и порт 6).

Рисунок 6 – Амплитудно-фазовое распределение: а) при подаче сигнала на порт 1, б) при подаче сигнала на порт 2

 Исходя из рис. 6 видно, что фазовая погрешность не превышает 5° во всем диапазоне частот, что говорит о высокой стабильности положения луча антенной решетки.

Таким образом, разработанная четырёхлучевая диаграммобразующая схема Батлера для работы в диапазоне частот 0.85-0.95 ГГц имеет весьма высокие электрические характеристики, компактный размер и может быть использована для построения систем связи СВЧ – диапазона, обеспечивая стабильное положение главного луча диаграммы направленности антенной решетки.

1. ADS 2011 Product Release // Agilent Technologies. URL: http://www.home.agilent.com/ru/pd-1835794/ads-2011-product-release?nid=- 34346.957885&cc=RU&lc=rus(дата обращения: 02.05.2014).
2. Останков, А. В. Дифракция локальной плоской волны на отражательной квазипериодической решётке / А. В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2006. – Т. 2. – № 1. – С. 101-104.
3. Останков, А. В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны / А. В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2010. – Т. 6. – № 8. – С. 75-81.
4. Останков, А. В. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн: дис. ¼ д-ра техн. наук: 05.12.07 / Останков А. В. [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т]. – Воронеж, 2011. – 421 с.
5. Перспективные конструкции сверхширокополосных и многочастотных полосковых антенн, реализованные на основе принципа фрактальности / В. И. Винников, А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак, И. В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2009. – Т. 5. – № 9. – С. 119-123.
6. Плоские дифракционные СВЧ-антенны с фиксированной ориентацией линейной поляризации / А. И. Климов, К. Б. Меркулов, А. В. Останков и др. // Приборы и техника эксперимента. – 1999. – № 6. – С. 136.
7. Устройства СВЧ и антенны: Проектирование фазированных антенных решеток: учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский, В. И. Степаненко, В. С. Филиппов и др.; под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2012. – 744 с.

Все статьи автора «Nikita_85»