Двухдиапазонные антенны с поляризационными рефлекторами

Бортовые двухдиапазонные радиолокационные системы с существенным разнесением несущих частот имеют дополнительные преимущества в плохих метеоусловиях и при выполнении полета над сложным рельефом на небольшой высоте. При этом для уменьшения габаритов и массы желательно использовать для двух частотных каналов одну антенну с общей апертурой.

Двухдиапазонная антенна с поворотом плоскости поляризации (АППП) с общей апертурой

АППП [1–3] в одночастотном исполнении широко используются в различных радиотехнических устройствах сантиметрового и особенно миллиметрового диапазона длин волн.

АППП имеет следующие преимущества перед классическими зеркальными антеннами:

•  управление угловым положением диаграммы направленности (ДН) с помощью механического сканирования плоского твист-рефлектора, имеющего малую массу;
•  сравнительно небольшая длина волноводного тракта, обеспечивающая меньшие потери.

В связи с этим интересно рассмотреть возможность построения на принципе АППП двухдиапазонной антенны с общим раскрывом с десятикратным отношением верхней и нижней рабочих частот и оценить ее характеристики.

Основной задачей при создании двухдиапазонной антенны является обеспечение приемлемых характеристик в каждом рабочем диапазоне длин волн.

Схематически двухдиапазонная АППП представлена на рис. 1. Принцип действия такой антенны ничем не отличается от ее работы в классическом однодиапазонном варианте.

Рис. 1. Конструкция двухдиапазонной АППП

При создании двухдиапазонной АППП, с офсетной структурой и вынесенным облучателем, работающей на двух далеко разнесенных частотах, были поставлены следующие задачи:

•  оптимизация параметров структуры двухдиапазонного твист-рефлектора по максимуму поляризационной развязки в рабочих полосах обеих частот;
•  создание двухдиапазонного облучателя, обеспечивающего осесимметричные ДН в рабочих диапазонах.

Построение двухдиапазонного облучателя представляется отдельной задачей, требующей дополнительного исследования.

Ниже рассмотрены варианты построения двухдиапазонного твист-рефлектора.

Применение АППП, работающей на двух далеко разнесенных частотах, предполагает создание и твист-рефлектора, действующего на этих же частотах [4, 5]. Предлагаемый твист-рефлектор имеет двухслойную структуру. Параметрами двухдиапазонного твист-рефлектора, по которым проводилась оптимизация, являются толщина диэлектрической подложки, шаг расположения и ширина металлических проводников.

Моделирование поляризационной структуры твист-рефлектора в X‑ и W‑диапазонах осуществлялось двумя методами:

•  частотным методом с помощью ячейки Флоке;
•  методом полноразмерного моделирования в пространственно-временной области.

Конструктивное исполнение двухдиапазонной поляризационной структуры твист-рефлектора рассмотрено в двух вариантах с параллельным (рис. 2) и ортогональным (рис. 3) расположением проводников.

Рис. 2. Структура двухслойного твист-рефлектора

Рис. 3. Структура двухслойного твист-рефлектора

При моделировании структуры твист-рефлектора использовались порты Флоке и разбиение модели с минимальным размером элементарной ячейки λ/16. Варьируемыми параметрами при выполнении оптимизации являлись ширина v и шаг w полосок проводников Х‑диапазона, ширина vv и шаг ww полосок проводников W‑диапазона, а целевой функцией — коэффициент отражения S₁₁ от поляризационной решетки. Рассматривалось нормальное падение плоской электромагнитной волны (ЭМВ) на твист-рефлектор.

Для проверки достоверности полученных результатов было проведено полноразмерное моделирование твист-рефлектора во временной области. Объектом исследования в данном методе стала модель двухдиапазонного твист-рефлектора конечного размера с ортогональным расположением проводников.

По итогам расчета двухдиапазонного твист-рефлектора методом полноразмерного моделирования были получены графики развязок поляризационных структур в Х‑ и W‑диапазонах длин волн для параллельного и ортогонального расположения проводников (рис. 4 и 5 соответственно). Уровень поляризационной развязки на центральной частоте f₀ для параллельного и ортогонального расположения проводников в W‑диапазоне составляет –27 и –35 дБ соответственно, а в X‑диапазоне приблизительно –57 дБ.

Рис. 4. Зависимость S11 от частоты в X-диапазоне

На графике частотной зависимости развязки поляризационной структуры в W‑диапазоне при ортогональном расположении полос (рис. 5) появляется второй резонансный минимум в области высоких частот на уровне –23 дБ.

Рис. 5. Зависимость S11 от частоты в W-диапазоне

На приведенных графиках начало системы отсчета совмещено с несущей частотой в X‑ и W‑диапазонах соответственно.

Результаты моделирования показывают приемлемые для практики поляризационные развязки в X‑ и W‑диапазонах.

Двухдиапазонная антенна на основе АППП и ВЩАР

Один из первых вариантов совмещения излучающей структуры (зонированного рефлектора Френеля) миллиметрового диапазона с полотном ВЩАР сантиметрового диапазона приведен в [6]. В работе [7] впервые предлагается создание двухчастотной антенны на основе сочетания АППП и ВЩАР. Однако в [7] с помощью компьютерного моделирования исследовалось лишь влияние имитатора ВЩАР Х‑диапазона на характеристики АППП W‑диапазона. В настоящей работе представлена модель двухдиапазонной антенны (ДА), позволяющая выполнить корректное определение ее характеристик как в Ka-, так и в X‑диапазоне частот. Схематичное изображение конструкции ДА с офсетным транс-рефлектором приведено на рис. 6. Облучатель, транс-рефлектор и твист-рефлектор являются составными частями АППП Ka-диапазона частот. Твист-рефлектор, как следует из рис. 6, совмещен с излучающей поверхностью ВЩАР. На практике поляризационная структура транс-рефлектора расположена на поверхности сегмента параболоида, являющегося в свою очередь частью поверхности диэлектрического колпака. Поляризационная структура транс-рефлектора образована вертикально ориентированной решеткой проводников, лежащих параллельно друг другу на вырезке из параболической поверхности [7]. Отраженная от транс-рефлектора ЭМВ с вертикальной поляризацией падает на твист-рефлектор. В свою очередь, отраженная от твист-рефлектора ЭМВ уже имеет горизонтальную поляризацию и практически без потерь проходит через транс-рефлектор. ЭМВ Х‑диапазона также имеет горизонтальную поляризацию и проходит через транс-рефлектор с небольшими потерями.

Рис. 6. Модель ДДАС с параболическим офсетным транс-рефлектором

Компьютерная модель ДА соответствовала рис. 6 и имела следующие геометрические размеры: диаметр транс-рефлектора — 120 мм, диаметр твист-рефлектора — 134 мм, фокусное расстояние — 84 мм. Использовался пирамидальный рупорный облучатель с размерами апертуры в Е‑ и Н‑плоскостях — 10,5×14,1 мм соответственно. Размеры щелей ВЩАР — 15×3 мм. В модели поляризационная структура транс-рефлектора выполнена без диэлектрического колпака для снижения объема вычислений. На рис. 7–8 и в таблице представлены результаты моделирования для X‑ и Ka-диапазонов длин волн.

Рис. 7. Сечение ДН ДА в Ka-диапазоне
а) в E-плоскости;
б) в Н-плоскости для углов отклонения твист-рефлектора: 1 – 0°; 2 – 15°

Рис. 8. Сечение ДН ДА в X-диапазоне 1 – в E-плоскости; 2 – в Н-плоскости

В таблице введены следующие обозначения: E‑плоскость — азимутальное сечение (Аз.); Н‑плоскость — угломестное сечение (Ум.); КНД — коэффициент направленного действия; ШДН — ширина главного лепестка ДН; УБЛ — уровень первого бокового лепестка.

Как видно из результатов компьютерного моделирования в X‑диапазоне частот, ДА имеет приемлемые для компактной антенны характеристики излучения. В Ka-диапазоне частот ДА показана возможность сканирования в достаточно широком угловом диапазоне без значительного снижения характеристик излучения. Так, при отклонении максимума ДН на 30° КНД снижается на 0,3 дБ, ШДН в Е‑ и Н‑плоскостях увеличилась на 0,1°, а максимальный УБЛ не превышает –21,8 дБ. Небольшие размеры модели ДДАС обусловлены ограниченностью вычислительных средств при выполнении моделирования в пространственно-временной области.

Следует отметить, что на практике транс-рефлектор размещен на внутренней или внешней поверхности параболической части диэлектрического колпака, закрывающего твис-трефлектор с ВЩАР. Поверхность колпака представляет собой плавно сопряженное сочетание параболической и конической поверхностей. На параболическую поверхность напыляется металлический слой, который после лазерного скрайбирования приобретает структуру транс-рефлектора. Твист-рефлектор с требуемой поляризационной структурой изготавливается обычно методом фотолитографии.

Заключение

С помощью компьютерного моделирования показана возможность реализации двух вариантов двухдиапазонных антенн с общей апертурой. Второй вариант характеризуется различием в два раза углов отклонения главного лепестка ДН для Х‑ и W‑диапазонов. Дальнейшей задачей является создание для первого варианта антенны вынесенного двухдиапазонного облучателя с общим фазовым центром.