Калошин В. А.

Інститут радіотехніки й електроніки РАН ГСП-9, Москва101999, Росія Тел.: (095) 2034836; e-mail: vak & cplire.ru


Анотація У доповіді наведено результати досліджень гібридних багатопроменевих антен з різними типами фокусуючих систем. Розглядаються проблеми синтезу опромінюючої і керуючої систем, які забезпечують можливість незалежного керування положенням і формою променів.

I. Вступ

В даний час багатопроменеві антени отримали застосування в різних радіотехнічних системах, зокрема, радіолокації, радіовіденія, системах зв’язку типу «пойнт-мультіпойнт» і супутникового телебачення. Відомі три основні методи формування багатопроменевих діаграм спрямованості: просторовий (квазіоптичні), схемний (матричний) і цифровий. Даний доповідь присвячена антен, в яких використовується перший метод. Такі антенні системи складаються з трьох підсистем: фокусує квазиоптической системи, опромінюючої системи та керуючої системи. Їх основні переваги малі втрати і широкополосность. Оскільки вони містить квазіоптичні систему і грати опромінювачів, їх називають гібридними. Якщо фокусуються система не має аберацій, то кожен опромінювач формує гостронаправлених діаграму спрямованості (промінь). Луч зі спеціальною формою діаграми можна сформувати, використовуючи відповідну фокусуючу систему або кілька (кластер) опромінювачів Якщо промені мають різну форму, застосовується другий спосіб. Керуюча система використовується для зміни форми і положення променів (незалежного сканування).

Розглянемо різні типи фокусуючих квазіоптичних систем, які використовуються в багатопроменевих гібридних антенах.

1. Сферичні лінзи. Завдяки центральній симетрії системи, побудовані на основі сферичних лінз, не мають аберацій при зміні положення джерела на фокальній сфері і дозволяють реалізувати велику кількість променів в широкому кутовому секторі. Однак однорідні діелектричні лінзи володіють сферичною аберацією, що не дозволяє використовувати лінзи великих електричних розмірів. У цьому випадку використовуються шаруваті або градієнтні (неоднорідні) лінзи (лінзи Люнеберга), які дозволяють частково або повністю (в останньому випадку) знищити сферичну аберацію і забезпечити високий коефіцієнт використання поверхні (КВП). Відповідний закон зміни коефіцієнта заломлення для загального випадку лінзи з оболонкою отримано в роботі [1]. Користуватися цими формулами незручно через що входять до них невласних інтегралів, тому замість них можна застосовувати методику синтезу шаруватих лінз [2] при досить великому числі шарів. Розроблено технології виготовлення градієнтних лінз, що реалізують необхідна зміна коефіцієнта заломлення від радіуса шляхом неоднорідного спінювання полістиролу і забезпечують КВП 0.7-0.8 аж до міліметрового діапазону хвиль. Для формування багатопроменевої діаграми в одній площині можна використовувати двомірні градієнтні лінзи на основі штучних діелектриків. Слід зазначити, що такі діелектрики, як правило, анізотропні і це необхідно враховувати при синтезі [3]. На малюнку 1 показаний макет планарной лінзи Люнеберга на основі анізотропної квазіперіодичні кільцевої діелектричної структури.

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.

Анотація У доповіді розглянуто результати дослідження одного із способів зменшення габаритів микрополосковой антени (МПА). Наводяться параметри макета малогабаритної антени L-діапазону.

I. Вступ

Відомо три основних способи зменшення габаритів МПА: заземлення одного кінця антени (зменшення площі в два рази) [1]; використання підкладок з великим значенням діелектричної проникності (зменшення площі може досягати 20 разів) [2]; формування щілин в топології антени (зменшення площі майже в чотири рази) [1, 3].

Перший спосіб полягає в заземленні одного кінця микрополосковой антени. У цьому випадку довжина антени зменшується в два рази при роботі на тій же частоті [1]. Така антена отримала назву F-антени. Вона являє собою четвертьволновий резонатор, один кінець якого заземлений, а інший відкритий. Перевага малого розміру Fантенни досягається за рахунок зниження ефективності антени, оскільки з процесу випромінювання виключається одна з сторін микрополосковой антени. Крім того, F-антени зазвичай вузькосмугових.

Другий спосіб фізично очевидний, але сам по собі мало продуктивний через швидкого падіння ефективності випромінювання антени в міру збільшення діелектричної проникності матеріалу підкладки у випадку електрично тонких підкладок.

Третій спосіб полягає в прорізанні в микрополосковой провіднику щілинної лінії. В цьому випадку шлях струму, що протікає по провіднику, збільшується, що веде до зниження частоти в порівнянні з антеною без щілини, або зменшення розмірів МПА при незмінності робочої частоти. Введення щілини дозволяє зменшити розміри МПА практично без погіршення її ефективності. Аналіз ближнього поля в такий антени показує, що в щілини відбувається концентрація електромагнітної енергії і, як наслідок, щілину відіграє велику роль у формуванні діаграми спрямованості (ДН) такої антени [1,3].

II. Основна частина

Рис. 1. Діаграма випромінювання в Е-площині Fig. 1. E-plane radiation pattern distribution

Особливістю розглянутої нами антени цього типу було те, що розмір екрану був дорівнює розміру топології. У разі застосування однієї щілини [3] точка харчування антени повинна бути зміщена щодо центру МПА. У зв’язку з цим при малому екрані відбувається затікання струмів на оплетку підвідного коаксіального кабелю. При цьому кабель починає впливати на процес випромінювання, спотворюючи діаграму спрямованості (ДН). Найпростішим способом усунення впливу підвідного фідера є розміщення точки харчування антени в центрі її топології. Для того щоб забезпечити узгодження антени в цьому випадку нами був запропонований спосіб, який полягає у введенні додаткової щілини, розташованої симетрично відносно точки живлення (див. Fig. 1).

Рис.1. Топологія микрополосковой антени Fig.1. Microstrip antenna topology

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.