RU8165U1 - ANTENNA ARRAY WITH REJECTED BEAM OF THE DIRECTION DIAGRAM - Google Patents

Abstract

Антенная решетка, состоящая из двух совмещенных печатных металлизированных диэлектрических плат, в первой из которых выполнены отверстия-излучатели, а во второй, напротив излучателей, выполнены возбуждающие их резонаторы, а также микрополосковая питающая разводка, отличающаяся тем, что излучатели сгруппированы, и вокруг каждой из групп излучателей в обеих платах выполнены П-образные прорези и каждая из групп излучателей отогнута от общей плоскости плат на угол, соответствующий требуемому углу отклонения луча антенны от нормали к плоскости решетки.An antenna array consisting of two combined printed metallized dielectric boards, in the first of which holes are made of emitters, and in the second, opposite the emitters, the resonators exciting them are made, as well as a microstrip supply wiring, characterized in that the emitters are grouped and around each of groups of emitters in both boards U-shaped slots are made and each of the groups of emitters is bent from the common plane of the boards by an angle corresponding to the required angle of deviation of the antenna beam from the normal to the plane awn lattice.

Description

Антенная решетка с отклоненным лучом диаграммы направленностиDeflected Antenna Array

Заявляемое техническое решение (полезная модель) относится к технике связи, а именно, к СВЧ-акгеннам, предназначенным для тфиема или передачи сигналов геостационарного вещательного спутника, а также может быть использовано для работы в системах радиосвязи и радаюлокации.The claimed technical solution (utility model) relates to communication technology, namely, to microwave acgenes intended for tfiem or transmitting signals from a geostationary broadcast satellite, and can also be used to work in radio communication systems and radar location.

Известна плоская антенная решетка (пат. Франции № 2609577, МКИ H01Q 21/06, опубл. 15.07.88 г.), состоящая из суперпозиции парных элементов с питанием, выполненным печатным способом. Данная ангенная решетка имеет модульную конструкцию. Каждый модуль состоит из центральной диэлектрической пластаны с расположенными на ней микрополосковыми линиями и двух металлических пластин, расположенных сверху и снизу от ценгральиой. Последние имеют соосные кр5тлые отверстия-излучатели, равномерно расположенные на поверхности, образуя антенную решетку из 16 (4x4) элементов.Known flat antenna array (US Pat. France No. 2609577, MKI H01Q 21/06, publ. 07/15/88), consisting of a superposition of paired elements with power, made by printing. This angular lattice has a modular design. Each module consists of a central dielectric plate with microstrip lines located on it and two metal plates located above and below the center. The latter have coaxial sharp holes-emitters, evenly located on the surface, forming an antenna array of 16 (4x4) elements.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является плоская СВЧангенная решетка, свидетельство РФ № 2056 от 05.08.94 г. МКИ H01Q 21/00. Данная ангенная решетка состоит из двух совмещенных диэлектрических плат, на одной из которых выполнены излучатели, а на второй их резонаторы и микрополосковая разводка. Вся ангенная решетка разбита на подрешетки и сигналы от них суммируются с помощью волноводного сумматора на четыре.The closest technical solution to the claimed is a flat microwave lattice, certificate of the Russian Federation No. 2056 from 05.08.94, MKI H01Q 21/00. This angular array consists of two combined dielectric boards, on one of which emitters are made, and on the second their resonators and microstrip wiring. The entire angular lattice is divided into sublattices and the signals from them are summed by a waveguide adder into four.

Общим недостатком известных конструкций является то, что основной луч диаграммы направленности ориентирован по нормали к плоскости печатных плат. При этом для точной ориентации антенны на источник излучения (спутник) приходится вращать антенны в двух плоскостях (по азимуту и углу места), чго усложняет процесс юстировки антенны и увеличивает стоимость опорно-поворотного устройства антенны. Вместе с тем известно, что больпшнство геостационарных (вещательных и связных) спутников имеют для данной местности одно и то же значение координаты по углу места (порядка 10-15 Г|;идусов в России и до 90 градусов при приближении к экватору), и использование антенны с заранее отклоненным лучоы на некоторое значение (фиксированное для данной местности) позволяет не юстировать антенну по углу места при установке и уггростить опорно-поворотное устройство, которое должно обеспечивать вращение только по одной координате (азимуту).A common drawback of the known designs is that the main beam of the radiation pattern is oriented normal to the plane of the printed circuit boards. At the same time, for the antenna to be accurately oriented to the radiation source (satellite), it is necessary to rotate the antennas in two planes (in azimuth and elevation), which complicates the process of aligning the antenna and increases the cost of the antenna rotary support device. At the same time, it is known that the majority of geostationary (broadcasting and connected) satellites have the same coordinate value for a given area in elevation (of the order of 10-15 G |; Idus in Russia and up to 90 degrees when approaching the equator), and use antennas with rays deflected in advance by a certain value (fixed for a given area) allows not to align the antenna with the elevation angle during installation and to aggravate the slewing ring, which should provide rotation only in one coordinate (azimuth).

в обеих известных конструкциях антенн можно, в принципе, сформировать отклоненный луч путем создания необходимого фазового распределения в отдельных излучателях А.З. Фрадин. Антенно-фидёрные устройства. М., Связь, 1977. - гл.10. за счет изменения электрических длин питающих проводников, но техническая реализация такого метода отклонения луча в печатных антеннах возможна до углов отклонения 10-15 градусов в связи с тем, что удлиненные пигаюпще проводники не помещаются в свободном пространстве печатных плат между излучателями. Кроме того при реализации этого метода возрастают потери в питающей разводке и снижается коэффициент усиления антенны.in both known antenna designs, it is possible, in principle, to form a deflected beam by creating the necessary phase distribution in individual emitters A.Z. Fradin. Antenna-feeder devices. M., Communication, 1977 .-- ch. 10. due to changes in the electrical lengths of the supply conductors, but the technical implementation of this method of beam deflection in printed antennas is possible up to deviation angles of 10-15 degrees due to the fact that elongated conductors are not placed in the free space of printed circuit boards between the emitters. In addition, when implementing this method, losses in the supply wiring increase and the antenna gain decreases.

Заявляемое решение направлено на реализацию следуюпщх задач:The claimed solution is aimed at the implementation of the following tasks:

а)создание диаграммы направленности с отклоненным основным лепеспсом на угол до 90 градусов от нормали к плоскости антенны гфи оптимальном использования плохцади ангенной рещетки;a) creation of a radiation pattern with a deflected main lepeps at an angle of up to 90 degrees from the normal to the plane of the GFI antenna, the optimal use of the poor antenna lattice;

б)минимизация стоимости изготовления и установки антенн с отклоненным лучом диаграммы направленности за счет упрощения опорно-поворотного устройства и процедуры юстировки антенны на источник излечения.b) minimizing the cost of manufacturing and installing antennas with a deflected beam due to the simplification of the slewing ring and the procedure for aligning the antenna to the source of healing.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что антенная решетка состоит из двух совмещенных печатных металдющюванных диэлектрических плат, в первой из которых выполнены отверстия-излз чатели, а во второй, напротив излучателей, выполнены возбужающие их резонаторы, а также микрополосковая питающая разводка, причем излучатели сгругшированы, и вокруг каждой из групп излучателей в обеих платах выполнены П-образные прорези и каждая из групп излучателей отогнута от общей плоскости плат на угол, соответствуюпщй требуемому углу отклонения луча антенны от нормали к плоскости решетки.The essence of the claimed technical solution lies in the fact that the antenna array consists of two combined printed metal-forming dielectric boards, in the first of which holes are made, and the second, in front of the radiators, have resonators exciting them, as well as a microstrip supply wiring, and the radiators are rounded, and U-shaped slots are made around each of the groups of emitters in both boards, and each of the groups of emitters is bent from the common plane of the boards by an angle corresponding to the required lu antenna beam deviation from the normal to the grating plane.

На фиг. 1 показан обпщй вид предлагаемой антенны, с отогнутыми от плоскости антенны группами излучателей.In FIG. 1 shows a general view of the proposed antenna, with groups of emitters bent from the plane of the antenna.

На фиг. 2-5 показан пример конкретного выполнения антенной решетки:In FIG. 2-5 shows an example of a specific implementation of the antenna array:

на фиг. 2 представлен фрагмент гфедлагаемой антенной решетки в плоскости сечения двух соседних элементов;in FIG. Figure 2 shows a fragment of the proposed antenna array in the sectional plane of two adjacent elements;

на фиг. 3 показан фрагмент платы излучателей;in FIG. 3 shows a fragment of a radiator board;

на фиг. 4 показан фрагмент платы СВЧ разводки для возбуждения и фазировки элеменгов антенной решетки.in FIG. 4 shows a fragment of a microwave circuit board for exciting and phasing elements of an antenna array.

На фиг. 5 и 6 представлены экспериментальные данные испытаний изготовленного мжета решетки для диапазона 11,7-12,2 ГГц (одного из используемых диапазонов спутникового телевещания):In FIG. Figures 5 and 6 show the experimental test data of the fabricated mjet grating for the range 11.7-12.2 GHz (one of the used ranges of satellite broadcasting):

на фиг. 5 приведены экспериментальные диаграммы направленности при угле отклонения основного луча на 45 градусов от плоскости решетки;in FIG. 5 shows experimental radiation patterns at an angle of deflection of the main beam by 45 degrees from the plane of the grating;

на фиг. 6 представлены экспериментальные электрические характеристики (коэффициент усиления и КСВН) макета.in FIG. 6 shows the experimental electrical characteristics (gain and VSWR) of the layout.

Предлагаемая антенная решетка состоит из двух совмегценных печатных 1 и 2 (фиг. 2), в металлизированной стороне платы 1 (платы излучателей) выполнены отверстия излучателей 3 (фиг.З), причем излучатели объединены в группы 4 (фиг.1). Отверстияизлучатели могут быть выполнены прямоугольной, круглой или более сложной формы, а также могут содержать дополнительные печатные элементы, обеспечивающие или линейную, или круговую поляризацию в зависимости от поставленных задач. На фиг. 3 тфиведен пример конкретного выполнения излучателей с круговой поляризацией с дополнительным печатным щюводником. Напротив излучателей на второй плате (плате разводки) расположены возбуждающие резонаторы и линии питающей разводки. Пакет из двух печатных плат имеет П-образные прорези 5 вокруг групп излучателей, выполненных таким образом, что печатные платы изогнуты и группы излучателей отклонены от плоскости решетки 6 (фиг.1) на угол, соответствующий требуемому углу отклонения диаграммы направленности от нормали к плоскости решетки.The proposed antenna array consists of two matching printed 1 and 2 (Fig. 2), in the metallized side of the board 1 (emitter board) holes of the emitters 3 (Fig. 3) are made, and the emitters are combined into groups 4 (Fig. 1). The openings of the emitters can be made rectangular, round or more complex in shape, and can also contain additional printing elements that provide either linear or circular polarization depending on the tasks. In FIG. 3 tfiveden example of a specific implementation of the emitters with circular polarization with an additional printed shield box. Opposite the emitters on the second board (wiring board) are exciting resonators and power wiring lines. The package of two printed circuit boards has U-shaped slots 5 around the groups of emitters, made in such a way that the printed circuit boards are bent and the groups of emitters are deflected from the plane of the grating 6 (Fig. 1) by an angle corresponding to the desired angle of deviation of the radiation pattern from the normal to the plane of the grating .

Питающая разводка, выполненная на плате 2, включает в себя сложный сумматор 7 (фиг.4), выход которого является выходом решетки. Питающая разводка выполнена на симметричной микрополосковой линии, для чего между платой из.1г чателей и платой разводки, а также между платой разводки и металлическим основанием 8 проложены диэлектрические прокладки 9 и 10 определенной толпщны (фиг. 2), имеющее такие же Побразные прорези 5, как платы и основание, причем металлизированная часть платы излучателей и металлическое основание выполняют роль экранов симметричной микрополосковой линии. Питающая разводка вьшолняется таким образом, что электрическая длина линий передач от каждого излучателя одинакова (с учетом пространственного положения излучателей) до выхода решетки, так что обеспечивается компенсация фазовьк набегов от различных излучателей ягтенной решетки, гфичем без укорочения 1фатно длине волны. Это позволяет создать частотно независимую систему питающей разводки.The power wiring made on the board 2 includes a complex adder 7 (figure 4), the output of which is the output of the grating. The supply wiring is made on a symmetrical microstrip line, for which a dielectric strip 9 and 10 of a certain mass are laid between a board of 1 g receivers and a wiring board, as well as between a wiring board and a metal base 8 (Fig. 2), having the same shaped Slots 5, as boards and the base, and the metallized part of the radiator board and the metal base act as screens of a symmetrical microstrip line. The power supply wiring is performed in such a way that the electric length of the transmission lines from each emitter is the same (taking into account the spatial position of the emitters) to the output of the grating, so that phase compensation of incursions from different emitters of the lattice grating is provided, which does not shorten the wavelength to 1. This allows you to create a frequency-independent power wiring system.

Печатные платы выполнены из настолько тонкого материала (в макете антенны использовался материал типа фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,1 мм), что его толщина позволяет с заданным радиусом изгибать платы. С целью увеличения жесткости и сохранения формы антенны при изготовлении пакет из печатных плат 1 и 2 и диэлектрических прокладок 9 и 10 прикреплен (например, приклеен) к металлическому основанию 8 (фиг. 2), которое имеет такие же П-образные про1юзи 5 и отощутые на угол отклонения участки, лежащие под группами 4 излучателей.Printed circuit boards are made of such a thin material (a material such as 0.1 mm thick foil fiberglass was used in the antenna layout) that its thickness allows the boards to be bent with a given radius. In order to increase rigidity and maintain the shape of the antenna during manufacture, a package of printed circuit boards 1 and 2 and dielectric spacers 9 and 10 is attached (for example, glued) to a metal base 8 (Fig. 2), which has the same U-shaped slots 5 and empty at an angle of deviation, the areas lying under the groups of 4 emitters.

Гфедлагаемая антенна работает следующим образом (в режиме на переда). Ыа вход антенны поступает мопщость от источника сигнала и через питающую разводку распределяется между резонаторами. Резонаторы возбуждают отверстия-излучатели, которые мощность в пространство. Количество, взаимное расположение и фазировка излучателей определяют форму (ширину) диаграммы направленности антенной решетки. Так как плоскости излз чателей отклонены на определенный угол от плоскости решетки, на тот же угол отклоняется и главная ось диаграммы направлеьшости антенны, чем достигается решение поставленной задачи. Диаграмма нагфавленности ангенны при работе на прием совершенно аналогична в силу принципа взаимности.The proposed antenna works as follows (in the forward mode). The antenna input receives power from the signal source and is distributed between the resonators through the supply wiring. Resonators excite emitter holes that power in space. The number, relative position and phasing of the emitters determine the shape (width) of the radiation pattern of the antenna array. Since the planes of the emitters are deflected by a certain angle from the plane of the grating, the main axis of the antenna directivity diagram also deviates by the same angle, thereby achieving the solution of the problem posed. Angen’s alphabet chart when working at the reception is completely analogous by virtue of the principle of reciprocity.

Экспериментальные исследования, щюведенные на изготовленном макете антенны в диапазоне спутникового ТВ, показали ее работоспособность при угле отклонения луча 45 градусов (фиг. 5 и 6).The experimental studies shown on the fabricated antenna layout in the satellite TV range showed its operability at a beam deflection angle of 45 degrees (Figs. 5 and 6).

При установке ангенны с заранее отклоненным лучом диаграммы направленности (для данной местности) достаточно установить антенну строго вертикально (например, на стене здания) или горизонтально (например, на крыше) и ориентировать ее по единственной координате - азимуту на источник излучения, что упрощает процедуру юстировки и удешевляет опорно-поворотное устройство антенны.When installing an antenna with a pre-deflected beam (for a given area), it is enough to install the antenna strictly vertically (for example, on the wall of the building) or horizontally (for example, on the roof) and orient it in a single coordinate - azimuth to the radiation source, which simplifies the alignment procedure and cheapens the slewing ring of the antenna.

Предлагаемое техническое решение позволяет строш-ь ангенны с заранее отклоненным (на этапе изготовления) основным лучом, по стоимости изготовления, максимально щ)иближенные к обычным плоским печатным антенным решеткам, и открывает в этом классе антенн принципиально новые потребите.11ьские свойства, связанные с упрощением юстировки антенн на источник излучения.The proposed technical solution allows the construction of angens with a pre-deflected (at the manufacturing stage) main beam, at the cost of production, maximally close to ordinary flat printed antenna arrays, and opens up fundamentally new consumer properties in this class of antennas. 11 properties related to simplification alignment of antennas to the radiation source.

Предлагаемые ангенны могут быть использованы для регионов, где угол возвышения спутника над горизонтом составляет от О до 90 градусов, т.е. практически на всей поверхности Земли.The proposed angens can be used for regions where the angle of elevation of the satellite above the horizon is from O to 90 degrees, i.e. on almost the entire surface of the earth.

Claims (1)

Антенная решетка, состоящая из двух совмещенных печатных металлизированных диэлектрических плат, в первой из которых выполнены отверстия-излучатели, а во второй, напротив излучателей, выполнены возбуждающие их резонаторы, а также микрополосковая питающая разводка, отличающаяся тем, что излучатели сгруппированы, и вокруг каждой из групп излучателей в обеих платах выполнены П-образные прорези и каждая из групп излучателей отогнута от общей плоскости плат на угол, соответствующий требуемому углу отклонения луча антенны от нормали к плоскости решетки.

An antenna array consisting of two combined printed metallized dielectric boards, in the first of which holes are made of emitters, and in the second, opposite the emitters, the resonators exciting them are made, as well as a microstrip supply wiring, characterized in that the emitters are grouped and around each of groups of emitters in both boards made U-shaped slots and each of the groups of emitters is bent from the common plane of the boards at an angle corresponding to the desired angle of deviation of the antenna beam from normal to plane awn lattice.