УДК 621.396.67

ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН С ПЛОСКИМ РЕФЛЕКТОРОМ

Анпилогов Александр Александрович
Международный институт компьютерных технологий
аспирант

Аннотация
Представлен обзор конструкций зеркальных антенн с плоским рефлектором. Установлено, что при их разработке используются как традиционные подходы, так и новые решения, не имеющие аналогов на ранее освоенных частотах. Одним из таких направлений является дифракция на нерегулярностях рефлектора, обеспечивающих скачок фазы отраженной волны. Одной из перспективных конструкций является широкополосная антенна с зеркалом в виде отражательной решетки с канавками разной глубины. Приведен обзор методов анализа такой антенны.

Ключевые слова: диаграмма направленности, зеркальная антенна, излучатель, периодическая отражательная решетка, плоский рефлектор


THE REVIEW OF CONSTRUCTIONS OF MIRROR ANTENNAS WITH THE PLANE REFLECTOR

Anpilogov Aleksandr Aleksandrovich
International Institute of computer technologies
postgraduate student

Abstract
Presents an overview of structural mirror antennas with a plane reflector. Found that in their design are used as traditional approaches and new solutions that are unrivaled on previously mastered frequencies. One such area is the diffraction irregularities reflector providing jump phase of the reflected wave. One of the most promising designs is broadband antenna with a mirror in a reflection grating with grooves of different depths. Provides a review of methods for the analysis of such an antenna.

Keywords: periodic reflective grid, plane reflector, radiator, the direction characteristic, the mirror antenna


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Анпилогов А.А. Обзор конструкций зеркальных антенн с плоским рефлектором // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/35823 (дата обращения: 02.06.2017).

К классу плоских антенн относят трехмерные антенны, у которых один из габаритных размеров значительно меньше двух других. Плоские антенны за счет малости третьего размера характеризуются повышенной конструкционной скрытностью в рабочем состоянии. Уменьшение габаритов подобных антенн по сравнению с объемными антеннами сопровождается снижением массы антенной системы, ее металлоемкости, что чрезвычайно привлекательно при создании аппаратуры с минимальными массогабаритными характеристиками. Обладая малой “парусностью”, плоские антенны более устойчивы к ветровой нагрузке, атмосферным осадкам, воздействию ударной волны и т. п. Отдельные варианты плоских антенн высокотехнологичны, экономичны и способны обеспечивать требуемые направленные, частотные и поляризационные свойства.

В разных типах плоских антенн формирование поля излучения обусловлено, порой, совсем непохожими физическими принципами, разнообразие которых достаточно велико. Одним из часто используемых принципов является квазиоптическое возбуждение системы дискретных элементов (дискретного зеркала), индивидуальные излучения которых интерферируют в дальней зоне.

Одна из тенденций реализации зеркальных антенн в миллиметровом и сантиметровом диапазонах заключается в использовании плоских отражательных решеток. Активные решетки печатных элементов в работе не рассматриваются, так как они обладают сравнительно большими потерями, возникающими в питающих микро- и полосковых линиях, особенно на высоких частотах.

Электродинамическая схема антенны [1] содержит двумерную отражательную решетку планарных элементов, размеры которых подобраны так, чтобы фаза волны, отраженной от каждого элемента, компенсировала разность фаз между сферическим фронтом волны излучателя и плоским фронтом нормального излучения антенны. Излучатель 1 размещен в плоскости решетки 4, а в схему введен контррефлектор 6 в форме тороида (рисунок 1,а, 2 - металлизация, 3 - диэлектрик, 7 - плоский фронт). Волна 5, отраженная контррефлектором, не засвечивает центральную часть рефлектора, а на освещенной части решетки имеет место равномерное распределение токов. Проектирование решетки (рисунок 1,б) заключается в расчете размеров элементов и нахождении распределения их размеров по поверхности рефлектора. Разработанная для диапазона частот 40.5 – 42.5 ГГц антенна при размерах 220×220×60 мм3 и фиксированном типе линейной поляризации обладает коэффициентом усиления 34 дБ, шириной диаграммы направленности (ДН) 2.3×2.3°, уровнем бокового излучения “минус” 15 дБ (рисунок 1,в).


Рисунок 1 – Схема планарной отражательной антенны (а), часть системы отражателей (б) и ДН антенны в горизонтальной плоскости (в)

В работе [2] предложена отражательная фазированная антенная решетка (ФАР), построенная по двухзеркальной схеме с рефлекторами, реализованными в виде решеток микрополосковых элементов. В антенне помимо уменьшения глубины ослаблен и такой существенный недостаток фазокорректирующих отражательных решеток, как их узкополосность. Уменьшить затенение основного зеркала удалось за счет применения поляризационного фильтра в качестве вспомогательного рефлектора и твист-рефлектора, совмещенного с основным зеркалом. Монография [3] посвящена применению микрополосковых решеток в качестве отражательных покрытий, создаваемых для реализации основных и вспомогательных функций антенных систем, ретрансляторов, устройств угловой, поляризационной и частотной фильтрации, замедляющих систем и т. д. Утверждается, что наиболее перспективна именно микрополосковая технология исполнения таких покрытий; в этом случае отражательные антенные решетки будут иметь не только минимальные габариты и массу, но и могут быть выполнены как конформные конструкции.

Антенна, предложенная в [4], относится к проходным ФАР с электрическим сканированием ДН. Она содержит установленные соосно рефлектор, рупорный облучатель и проходную ФАР. В одном варианте конструкции в качестве рефлектора использовано плоское зеркало с поляризатором.

В [5] описана зеркальная антенна с плоским рефлектором, в качестве которого использована двумерно-периодическая решетка полосковых вибраторов, нанесенных на многослойный металлизированный диэлектрик. Ряды вибраторов располагаются на секторах эллипсов разной степени кривизны (рисунок 2), так как облучатель, в качестве которого использован вынесенный пирамидальный рупор, формирует волну, близкую к сферической. Параметры решетки обеспечивают преобразование рассеиваемого поля в пространственную гармонику низшего “минус” первого порядка при минимальной мощности зеркально отраженной волны. В антенне использован рефлектор эллиптической формы с осями 600 и 690 мм и 766-ю вибраторами. Высота подвеса рупора с раскрывом 74×55 мм2 составляла 540 мм. Фокусировка антенны сохраняется в пределах полосы частот 10 % при угло-частотной чувствительности в 1° на один процент изменения частоты. На частотах 9.5 – 10.5 ГГц коэффициент усиления антенны составил 32 – 34 дБ при величине коэффициента использования поверхности (КИП) от 0.48 до 0.56.


Рисунок 2 – Конструкция антенны  с плоским дифракционным рефлектором и незеркальным углом отражения

Антенна, предложенная в [6], содержит линейный облучатель 1 и рефлектор 2 (рисунок 3), выполненный в виде решетки проводящих пластин 3, плоскости которых параллельны друг другу и перпендикулярны оси облучателя 2, а кромки расположены в одной плоскости. Кромки, обращенные к облучателю (на рисунке 3 заштрихованы), имеют гребенчатый профиль, глубина канавок которого меняется по оригинальному закону, в котором учитывается положение фазового центра облучателя, величина координаты текущей канавки, расстояние между пластинами по оси Oz, закрепленными с возможностью его изменения, длина излучаемой волны. Период профиля L реализуется равным (0.1 – 0.2) от длины волны, ширина канавок – не менее L/2. Размеры рефлектора выбираются из условия обеспечения требуемых направленных свойств, расстояние до облучателя – 0.2LА по оси Oy и 0.5LА – по оси Ox, где LА – размер рефлектора по оси Ox. В качестве облучателя следует использовать линейный излучатель, вектор магнитного поля которого перпендикулярен его оси, например, волноводно-щелевую антенну с продольными щелями. В работе приводятся результаты исследования антенны размерами 500×400×210 мм3 на частотах 9.0 – 9.5 ГГц.


Рисунок 3 – Вариант конструкции антенны с плоским ребристым рефлектором

Зеркальная антенна [7] содержит облучатель 1 и рефлектор 2, выполненный в виде двумерно-периодической решетки короткозамкнутых отрезков квадратных волноводов 3 (рисунок 4), причем их открытые концы расположены в одной плоскости. Длина волноводов выбирается из оригинального соотношения, аргументами которого являются длина волны основной волноводной моды, расстояние от облучателя до центра рефлектора, размер поперечного сечения одномодовых волноводов. Размеры и тип облучателя, снабжаемого при необходимости поляризатором, выбираются так же, как и для классических зеркальных антенн. Положение облучателя относительно рефлектора определяется требуемыми характеристиками антенны и условиями эксплуатации. При смещении облучателя направление максимума ДН изменяется, однако, при выбранных длинах отрезков короткозамкнутых волноводов ДН сохраняет свою форму. Допустимое значение отклонения направления луча определяется размерами антенны и частотным диапазоном и может превышать ±30°. Возможность приближения облучателя к зеркалу позволяет уменьшить продольный размер антенны.


Рисунок 4 – Вариант конструкции антенны с плоским ребристым рефлектором

В [8,9] предложена антенна с плоским ребристым зеркалом, рефлектор которой также содержит волноводные пазы квадратного профиля, заполняемые при необходимости однородным диэлектриком. Рефлектор может быть изготовлен путем прессования из пластмассы с последующей металлизацией отражающей поверхности, что позволяет существенно упростить технологию изготовления и снизить стоимость антенны. Конструкция антенны иллюстрируется рисунком 5. Использование в качестве облучателя турникетной антенны с дисковым рефлектором 1 [10], запитываемой с помощью четырехпроводной экранированной линии передачи 2, позволяет достаточно просто управлять поляризацией излучения с помощью стандартного фарадеевского поляризатора. Глубина одномодовых пазов отражательной решетки 3 изменяется вдоль и поперек так, чтобы фазовый фронт отраженной от рефлектора электромагнитной волны был в наибольшей степени приближен к плоскому. Для их расчета использовано простое и оригинальное соотношение, минимизирующее их величину. Расчетное значение коэффициента усиления антенны составляет 29 дБ на центральной частоте 10.9 ГГц при высоте подвеса облучателя 150 мм и формировании рефлектора из 13×13 закороченных волноводов с размерами 24×24 мм2. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что эффективность (произведение КИП на КПД) антенны с плоским рефлектором диаметром 312 мм, содержащим 137 волноводов, составляет 53 % на центральной частоте рабочего диапазона 10 ГГц.


Рисунок 5 – Вариант конструкции антенны с плоским ребристым рефлектором и малогабаритным турникетным облучателем

Достаточно простой конструкцией плоского рефлектора является двумерная решетка щелевых излучателей, выполненных в тонком металлическом экране (рисунок 6). Управление фазой отраженной волны осуществляется регулировкой электрической длины щели. В работе [11] рассмотрена подобная зеркальная антенна. Результаты моделирования антенны в приближении плоского фронта волны облучателя продемонстрировали возможность электронного сканирования ДН. Изменение фазового сдвига за счет регулировки длины щелей достигает значений 300 – 320°. Модуль коэффициента отражения от щелевой решетки близок к единице в секторе углов сканирования до ±(30 – 50)° (в зависимости от периодов решетки Т и d). Рассмотрена возможность регулирования длины щели при помощи МЭМС СВЧ-ключей или СВЧ-ключей на основе полевых транзисторов.


Рисунок 6 – Вариант конструкции плоского рефлектора в зеркальной антенне со сканированием ДН

Для сетей широкополосного доступа Wi–MAX с частотным диапазоном 5.1 – 5.8 ГГц разработана антенна с плоским рефлектором [12]. Электрические размеры рефлектора антенны, изображенной на рисунке 7,а, составляют 9×8 длин волн, отношение фокусного расстояния к размеру рефлектора 0.5. Экспериментальные значения коэффициента направленного действия составляет 26.5 дБ, полосы рабочих частот по уровню “минус” 3 дБ от максимума коэффициента усиления - 1 ГГц (18 %). Облучение рефлектора осуществляется коническим рупором. Топология рефлектора реализована на листе лавсана толщиной 0.15 мм, для подложки использован вспененный диэлектрик. Элементарная ячейка рефлектора представляет собой двухслойную структуру, состоящую из экрана и микрополоскового отражающего элемента. Размеры ячейки выбраны 0.7×0.5 длины волны, высота микрополоскового элемента меняется по длине. На рисунке 7,б показана ДН антенны в Е-плоскости.


Рисунок 7 - Вариант конструкции антенны с плоским рефлектором (а) и ДН антенны в Е-плоскости на центральной частоте (б)

В работе [13] экспериментально исследуется зеркальная антенна с плоским рефлектором предположительно для реализации VSAT абонентских станций для диапазона 11 – 14.5 ГГц. Показана возможность создания достаточно широкополосной антенны с микрополосковым отражательным рефлектором, имеющим относительно низкую стоимость и массу. Выбрана двухслойная ячейка рефлектора на основе элементов в виде мальтийского креста. Рефлектор состоит из 20×24 элементов и обладает размерами 240×288 мм2. Для реализации антенны выбрана офсетная конфигурация, угол подъема луча 25°, фокусное расстояние 225 мм. В качестве облучателя могут быть использованы стандартные конвертеры Ku-диапазона. Экспериментальная полоса рабочих частот антенны по уровню ширины ДН 6° составила 25 %.

Предложенная в работе [14] широкополосная зеркальная антенна с плоским рефлектором схематично показана на рисунке 8. Ее возбуждение осуществляется с помощью линейного синфазного излучателя, обеспечивающего цилиндрический характер фронта волны, засвечивающей рефлектор, с постоянной фазой вдоль оси Оz. Рефлектор выполнен в виде металлической гребенки с канавками прямоугольного профиля, однородными в направлении оси Оz, и разнесенными вдоль направления распространения волны с шагом L. Глубина канавок вдоль оси Оx меняется. Широкополосность антенны обеспечивается за счет постоянства суммарной длины путей от облучателя до плоского фронта отраженной волны. Это реализуется путем добавления к каждому лучу корректирующего пути 2hi, равного двойной глубине канавок рефлектора, определяемой согласно обозначениям на рисунке 8 по формуле: В работе рассмотрена зависимость глубины профиля зеркала от высоты размещения облучателя. Полученная при моделировании ДН антенны с H/LА = 0.5, LА = 1 м, L = 14 мм при  условии возбуждения конусным рупором с раскрывом 59 мм на длине волны 26 мм имеет максимум, точно смещенный в направлении фазирования. Ширина главного лепестка ДН составляет 2.5°, уровень бокового излучения – “минус” 16 - 27 дБ. Анализ антенны в диапазоне частот 4.0 – 11.5 ГГц показал, что угловая ориентация главного лепестка и структура ДН практически не изменяются.


Рисунок 8 – Геометрия широкополосной зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором

Для анализа и параметрического синтеза зеркальной антенны с гребенчатым рефлектором в работах [15,16] представлено квазистрогое решение задачи рассеяния электромагнитной волны с амплитудно-фазовым фронтом нетривиальной конфигурации на конечной гребенчатой металлической решетке, обладающей канавками разной глубины и дополненной металлическим экраном. В основу решения положено представление фронта волны облучателя локально-плоским в конечной совокупности точек излучающего раскрыва (рисунок 9) и достаточно строгий анализ рассеяния плоской волны с искусственно ограниченным в пространстве фронтом на конечном гребенчатом рефлекторе. Последний выполнен с использованием метода частичных областей, описания поля дифракции в пространстве над рефлектором непрерывной Фурье-спектральной плотностью и процедуры переразложения модальных функций компонент поля по базису прилегающей области [17-20].


Рисунок 9 - Замена волны облучателя в раскрыве плоского рефлектора суммой локально плоских волн

В работе [21] показана возможность существенного снижения высоты подвеса облучателя по сравнению с традиционным вариантом. Рассмотрены пути уменьшения глубины профиля гребенчатого рефлектора. Приведены расчетные характеристики предложенных вариантов реализации антенны с малой высотой подвеса облучателя. Влияние угла наклона плоскости излучающего раскрыва и ширины ДН вынесенного рупорного облучателя на коэффициенты полезного и направленного действия, уровень бокового излучения рассматриваемой антенны с плоским рефлектором исследовано в работе [22]. Здесь же предложен и апробирован численный алгоритм оптимизации свойств облучателя по критерию максимума коэффициента усиления антенны. Исследование снижения эффективной отражающей поверхности зеркальной антенны с гребенчатым рефлектором выполнено в [23] на основе развитого в [24] матричного метода применительно к анализу неэквидистантных отражательных решеток с канавками прямоугольного профиля.

Таким образом, наряду с параболическими зеркальными антеннами широкое распространение получили зеркальные антенны с плоским рефлектором. Этот вариант зеркальных антенн имеет следующие преимущества по сравнению с параболическими: малая масса, простота установки, малое аэродинамическое сопротивление, не требует очистки от метеорологических осадков. Исполнение по интегральной технологии отдельных вариантов зеркала позволяет относительно легко достигнуть требуемой точности изготовления. Следует иметь в виду, что антенны с плоскими зеркалами сопоставимы с параболическими антеннами по характеристикам лишь при размерах менее 0.6 м в диаметре.

Проведенный обзор показал, что в основу разработок и конструкций зеркальных антенн с плоским рефлектором закладываются как традиционные подходы, успешно зарекомендовавшие себя в более длинноволновых диапазонах, так и новые решения, не имеющие аналогов на ранее освоенных частотах. Одним из важнейших направлений является использование дифракции волны облучателя на периодически размещенных нерегулярностях проводящего зеркала. Исследованиям антенн с плоским дифракционным зеркалом принадлежит самостоятельный и важный участок в общем фронте научных работ, направленных на создание антенных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов. К настоящему времени разработаны варианты подобных антенных систем различного назначения: стационарные, бортовые, одно- и многолучевые, сканирующие. Как показал анализ, одной из перспективных конструкций является широкополосная зеркальная антенна, электродинамическая схема которой представлена на рисунке 8. Эта схема по-прежнему целесообразна для реализации малогабаритной широкополосной зеркальной антенны с плоским рефлектором.


Библиографический список
  1. Плоская отражательная печатная антенна или параболическая антенна, что технологичнее? / О. Г. Вендик, М. Д. Парнес, В. Д. Корольков, Р. Р. Шифман // Беспроводные технологии. 2007. № 1. С. 15–24.
  2. Касьянов А. О. Двухзеркальная антенна Кассегрена на основе решеток печатных элементов // Антенны. 2003. № 6 (73). С. 17–22.
  3. Обуховец В. А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006. 239 с.
  4. Патент 2038742 RU, МКИ {7} H 01 Q 21/00. Антенная система проходного типа (варианты) / Ю. П. Виниченко, И. А. Горшков, А. И. Запорожец (RU) и др. – заявл. 30.07.03; опубл. 27.01.05.
  5. Johansson F. S. A new planar grating-reflector antenna // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1990. Vol. 38. № 9. P. 1491–1495.
  6. А. с. 1732800 СССР, МКИ {6} H 01 Q 15/14. Антенна / Г. А. Ерохин, В. В. Шкварин, В. А. Макин (СССР). – № 4794099/09; заявл. 21.02.90; опубл. 27.03.95.
  7. Патент 1741621 СССР, МКИ {5} H 01 Q 19/17. Антенна / Г. А. Ерохин, В. В. Шкварин (СССР). – № 4913473/09; заявл. 16.01.91; опубл. 15.06.92.
  8. Зеркальная СВЧ антенна с плоским дифракционным рефлектором для систем телекоммуникаций и спутникового телевидения / К. Б. Меркулов, А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак и др. // Телекоммуникации. 2002. № 11. С. 25–29.
  9. Антенна трехсантиметрового диапазона волн с плоским фокусирующим рефлектором / К. Б. Меркулов, А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак и др. // Приборы и техника эксперимента. 2003. Т. 46. № 4. С. 165–166.
  10. Малогабаритный облучатель для короткофокусных рефлекторных антенн / А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак, О. И. Шерстюк, В. И. Юдин // Приборы и техника эксперимента. 2002. Т. 45. № 3. С. 156–157.
  11. Прилуцкий А. А., Шепелева Е. А. Сканирующая реконфигурируемая отражательная антенная решетка из щелевых излучателей // Труды IV Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». М.: ИРЭ РАН. 2010. С. 353–360.
  12. Опыт разработки антенных решеток с квазиоптическим типом питания / С. В. Поленга, Р. О. Рязанцев, Ю. П. Саломатов и др. // Журнал Сибирского федерального университета. Серия “Техника и технологии”. 2011. № 1. С. 40–50.
  13. Поленга С. В., Саломатов Ю. П., Литинская Е. А. Разработка и исследование отражательной антенной решетки для сетей дуплексной спутниковой связи // Доклады ТУСУРа. 2011. № 2 (24), Ч. 1. С. 214–218.
  14. Сестрорецкий Б. В., Пригода Б. А., Иванов С. А. Широкополосная плоская отражающая антенна с наклонным лучом // Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи: сб. тр. III междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГУ, 1997. Т. 2. С. 255–263.
  15. Останков А. В. Анализ излучения антенны с плоским ребристым зеркалом // Наука производству. 2004. № 11 (79). С. 46–50.
  16. Останков А. В., Фролов В. Н. Математическая модель зеркальной антенны с плоским ребристым зеркалом // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2005. Т. 1. № 11. С. 99–102.
  17. Останков А. В. Дифракция локальной плоской волны на отражательной квазипериодической решетке // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2006. Т. 2. № 1. С. 101–104.
  18. Останков А. В., Пастернак Ю. Г., Юдин В. И. Рассеивающие свойства группы канавок в бесконечном металлическом экране при наклонном облучении плоской волной // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2002. № 4.2. С. 37–40.
  19. Останков А. В. Моделирование дифракции волн на непериодической отражательной решетке // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. № 8. С. 9–15.
  20. Останков А. В. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн: дис. … д-ра техн. наук: 05.12.07 / Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2011. 421 с.
  21. Останков А. В. Антенна СВЧ-диапазона с плоским ребристым зеркалом и малой высотой подвеса облучателя // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 7. С. 14–18.
  22. Останков А. В. Оптимизация свойств вынесенного облучателя в антенне с плоским гребенчатым зеркалом // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 5-1. С. 25–27.
  23. Широкополосность и радиолокационная заметность антенных решеток на основе ребристых структур / H. A. Гальченко, В. Н. Курносенко, A. C. Настаченко и др. // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VII междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГУ, 2002. Т. 3. С. 1328–1333.
  24. Матрично-электродинамический анализ неэквидистантных антенных решеток / Н. А. Гальченко, В. Н. Курносенко, А. С. Настасенко и др. // Антенны. 2002. № 4 (50). С. 35–39.


Все статьи автора «Анпилогов Александр Александрович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: