Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фазированные антенные решетки и фазовращатели в их составе
1.1. Оптическое возбуждение антенной решетки 12
1.2. Отражательные антенные решетки 15
1.3. Обобщенная характеристика фазовращателя для работы в ФАР 23
1.4. Фазовращатели на основе намагниченного феррита 28
1.5. Дискретные фазовращатели на на р-/-я-диодах 35
Глава 2. Планарные отражательные антенные решетки
2.1. Планарная отражательная антенна на основе тонкопленочной технологии 43
2.2. Отражательная решетка со сканирующим лучом, составленная из микрополосковых излучателей-фазовращателей на базе полупроводниковых варакторов 69
2.3. Отражательная плоская ФАР для волны с круговой поляризацией и фазовращателямий на р-г-и-диодах 95
Глава 3. Многоэлементная решетка излучателей в фокальной плоскости радиотелескопа
3.1. Введение в проблему 116
3.2. Антенные характеристики радиотелескопа РАТАН-600 в многолучевом режиме 123
3.3. Радиотелескоп, использующий систему Шмидта 128
Глава 4. Исследование фазовращателей для использования в фазированной антенной решетке 132
4.1. Поляризационные отражательные фазовращатели я-диодах для волны с круговой поляризацией 133
4.2. Разработка и изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей с использованием сегнетоэлектрических управляемых элементов 141
4.3. Изготовление и результаты испытаний экспериментальных образцов фазовращателей «Сигма» 153
4.4. Дискретные многоразрядные СВЧ-фазовращатели, выполненные на транзисторных ключах 164
Глава 5. Различные варианты фазированных антенных решеток
5.1. Микрополосковая антенна круговой поляризации 174
5.2. Печатная микрополосковая антенная решетка с косекансной диаграммой направленности на рабочую частоту 76 ГГц для использования в аэропортах 184
5.3. Адаптивные антенны для системы связи 198
5.4. Конформная антенная решетка ,216
5.5. Мощностные характеристики фидерных цепей антенных решеток 227
Заключение
- Обобщенная характеристика фазовращателя для работы в ФАР
- Отражательная решетка со сканирующим лучом, составленная из микрополосковых излучателей-фазовращателей на базе полупроводниковых варакторов
- Антенные характеристики радиотелескопа РАТАН-600 в многолучевом режиме
- Разработка и изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей с использованием сегнетоэлектрических управляемых элементов
Введение к работе
Актуальность темы. Принципиальная возможность электронного управления лучом антенны была известна с 30-х гг. прошлого века, уже на самом начальном периоде развития антенной техники. Одна из первых антенн с управляемой диаграммой направленности была создана в 1937 г. для трансатлантической линии связи. Эта антенна, обладая высокой направленностью, определяла направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражениях от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам системы излучателей антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то замирания сигнала резко уменьшались. В данном случае электронное движение луча пришлось применить из-за невозможности механического управления антенной огромных размеров. Аналогичное положение получается при сооружении гигантских радиотелескопов в виде системы зеркал, имеющих размеры, измеряемые многими километрами. Иногда и при меньших размерах антенн масса конструкции, а также усилия по механическому управлению ей при сильном ветре, делают такое управление антенной очень сложным.
Первая в России следящая антенна с электронным сканированием для радара была разработана под руководством Ю.Я. Юрова в 1955 г., а в исследовательскую группу по ее разработке входили будущие профессора О.Г. Вендик и Ю.В. Егоров. Если в то время только предполагали, что в перспективе антенны с медленным и инерционным механическим движением должны уступить место антеннам с электронным управлением, «подобно тому, как диск Нипкова уступил место электронным трубкам», то сегодня можно утверждать, что развитие антенной техники за прошедшие годы подтвердило правильность высказанного предположения.
В начальный период фазированные антенные решетки (ФАР) находили применение исключительно в военной аппаратуре. В радиолокаторах во многих случаях нужна антенна с микросекундными временами переключения положения луча для сопровождения быстролетящих целей и для слежения за несколькими целями одновременно, а в системах связи - для удержания луча в направлении на спутник во время движения автомобиля или корабля. Новый класс приложений антенн с движением луча появился с внедрением в практику систем связи, в которых используются антенны с автопоиском направления на базовую станцию или с автоматической установкой на оптимальный луч в случае многолучевого распространения радиоволн.
Антенны с автопоиском направлений стали применяться в радиотехнических системах обзора территорий или при спасении на пожаре. Относительно новая, но бурно развивающаяся отрасль радарных сенсоров, использующих сканирование пространства, - разнообразные системы предотвращения столкновений автомоби-
лей: переднего и бокового обзоров, слепых («мертвых») зон. В таких системах требуются недорогие ФАР миллиметрового диапазона с малым потреблением мощности в цепях управления лучом. В настоящее время антенны с механическим сканированием широко используются в различных видах военной и гражданской радиоаппаратуры: это радионавигационные системы обеспечения движения внутри аэропортов, системы спутникового вещания и связи с искусственными спутниками Земли, системы связи с подвижными объектами (в ближайшие годы указанные антенны, очевидно, потребуется заменить на электронно-сканирующие). Таким образом, потребуются ФАР массового производства а, следовательно, решающим фактором в разработке ФАР становится минимизация себестоимости ее производства.
Если к середине 60-х гг. все основные принципы построения и оптимизации антенн с электронным управлением были сформулированы и в достаточной степени разработаны, то развитие техники управляющих устройств не завершилось ещё и сегодня. Первые ФАР были осуществлены на основе ферритовых фазовращателей, в конце 60-х гг. им на смену пришли фазовращатели на p—i—n-диодах, затем появились фазовращатели на полевых транзисторах, сегнетоэлектрических элементах и, наконец, фазовращатели на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). Среди возможных конструктивных решений ФАР следует выделить так называемые активные ФАР (АФАР), которые в цепях питания каждого излучателя содержат усилители мощности в режиме передачи или малошумящие усилители в режиме приёма. Естественно, что конструктивные решения АФАР имеют свои особенности, однако с точки зрения формирования диаграммы направленности и управления АФАР не имеет принципиальных отличий от ФАР с пассивными управляющими устройствами.
Основой как активных, так и пассивных ФАР является фазовращатель, и работы по созданию новых концепций построения высокотехнологичных устройств с малой себестоимостью в сантиметровом и, особенно в миллиметровом, диапазонах волн являются актуальной задачей. Решение этой проблемы чрезвычайно важно для создания нового поколения антенных решеток как военного, так и гражданского назначения.
В данной работе обобщены научно-технические и патентные исследования, выполненные автором на протяжении ряда лет в различных организациях по проблеме построения новых схем антенных решеток и фазовращателей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является развитие теоретических основ и практики построения антенных решеток отражательного и проходного типов, а также новых типов СВЧ-фазовращателей для радаров и систем связи.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Задача первая: найти оптическую схему и концепцию микрополосковой отражательной антенны, при которой обеспечивается уменьшенное затенение отражательной панели облучателем и контррефлектором, малый уровень бокового излучения и повышение эффективости работы антенны.
Задача вторая: разработать и обосновать метод анализа и синтеза отражательного микрополоскового вибратора антенной решетки на слоистой диэлектрической подложке с использованием аналитической модели в виде эквивалентной схемы отражательного элемента в виртуальном волноводе. Метод ориентирован на применение к микрополосковым антенным решеткам с фиксированным и управляемым лучом, в которых фаза отраженной волны изменяется как за счет геометрического размера вибратора, так и за счет электрической длины вибратора.
Задача третья: разработать принципы построения фокальной решетки излучателей для радиотелескопа вместе с приемниками прямого усиления для сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с максимально плотной упаковкой при расстоянии между излучателями У2 с их размещением в безаберрационной зоне для обеспечения многолучевого обзора пространства.
Задача четвертая: определить коммутационные коэффициенты качества для активных элементов фазовращателей следующих типов: сегнетоэлектрических конденсаторов на встречно-штыревых структурах; транзисторных ключей при их включении в микрополосковую линию;/?—і—п-диодов, включенных в круглый волновод.
Задача пятая: разработать принципы построения отражательной фазированной антенной решетки круговой поляризации в виде набора короткозамкнутых круглых волноводов с ключевыми элементами планарного расположения для реализации антенны сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн с электронным движением луча с большим количеством (несколько тысяч) элементов.
Задача шестая: оптимизировать конформную решетку излучателей, расположенную на параллелепипеде, цилиндре и сфере, для получения технологичной конструкции ФАР для серийного производства и сектора сканирования 4к.
Задача седьмая: развить методы расчета тепловых полей, вызванных потерями СВЧ-мощности в фидерных цепях диаграммообразующих схем антенных решеток с симметричным и несимметричным охлаждением, основанные на подобии электростатических и тепловых полей при использовании электротермического потенциала.
Методы исследований. Решение перечисленных выше задач выполнено с применением теории функций комплексной переменной, полноволнового анализа трехмерных электродинамических структур, метода моментов, метода наведенных
ЭДС, тензорных функций Грина, теоремы отсчетов в пространственной области, методов синтеза при помощи рядов Фурье и парциальных диаграмм Вудфорда-Лоусона, интегральных преобразований, решения интегрального уравнения с помощью проекционного метода Галеркина, дифференциальных уравнений в частных производных (телеграфных уравнений). Кроме того, в работе используются теория цепей, теория электромагнитного поля, различные методы оптимизации и аппроксимации.
Научная новизна. Научная новизна результатов работы состоит в следующем.
Предложена новая схема построения отражательной антенной решетки, имеющей специальное фазовое распределение по апертуре, совместимое с облучением в виде фокального кольца, которое обеспечивает малые боковые лепестки и большой коэффициент использования апертуры.
Разработан метод анализа и синтеза отражательного микрополоскового вибратора антенной решетки на слоистой диэлектрической подложке, основанный на аналитической модели, в виде эквивалентной схемы отражательного элемента в виртуальном волноводе. Метод использует феноменологическую модель возбуждения тока в проводнике, расположенном в волноводе, и определения коэффициента трансформации между вибратором и волной Tqq. Этот же метод впервые позволил обеспечить синтез и анализ вибратора с управляемым конденсатором, обеспечивающим электронную перестройку фазы отражательного излучающего элемента антенной решетки.
Определены технологические погрешности в изготовлении многослойных структур, обеспечивающие формирование диаграммы направленности отражательной решетки с поворотом плоскости поляризации с заданной фазовой ошибкой в каждом элементе.
Впервые предложена концепция расположения управляемого конденсатора непосредственно в разрыве печатного вибратора, что позволило реализовать отражательную антенную решетку с электронным движением луча. Показано, что печатный отражательный фазовращатель-излучатель можно реализовать на одном управляемом конденсаторе, установленном в разрыве плоского вибратора, а управление фазой 0...335 достижимо при приемлемых потерях мощности.
Предложена концепция отражательной фазированной антенной решетки круговой поляризации в виде набора короткозамкнутых круглых волноводов с мембраной, в радиальных сечениях которой имеются p—i—n-диоды, для реализации антенны сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн с электронным движением луча с большим количеством элементов (несколько тысяч).
Предложена оригинальная террасная архитектура трехмерной решетки (до 500 элементов) сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн с размещением излучателей вместе с приемниками с шагом У2 в фокальной безаберрационной зоне двухзеркальной антенны радиотелескопа, благодаря чему обеспечивается многолучевой обзор пространства.
Определены коммутационные коэффициенты качества активных элементов фазовращателей:
сегнетоэлектрических конденсаторов на встречно-штыревых структурах;
транзисторных ключей;
р—i—n-диодов, включенных в диафрагму в сечении круглого волновода.
Показано, что оптимальное использование конформной поверхности решетки излучателей, расположенных на параллелепипеде, круговом и многогранном цилиндре, позволяет получить в предельном случае телесный сектор сканирования 4л;, при этом реализация конформной антенной решетки возможна при разбиении поверхности на плоские грани в случае многогранных цилиндров или в виде слай-сов в случае сферической поверхности.
Найдены методы расчета тепловых полей, вызванных потерями СВЧ-мощ-ности в фидерных цепях диаграммообразующих схем антенных решеток с симметричным и несимметричным охлаждением, основанные на подобии электростатических и тепловых полей и использовании электротермического потенциала.
Практическая ценность. На основе предложенной автором концепции разработана антенная решетка для Q-диапазона (42 ГГц) с усилением 34 дБ, заменяющая параболический рефлектор и используемая для систем передачи телевидения высокой четкости. Данная антенна производится по печатной технологии и обладает невысокой себестоимостью, высокой повторяемостью в серийном производстве, что особенно важно в диапазоне миллиметровых волн.
Разработаны и экспериментально исследованы новые типы отражательных ФАР с единственным управляемым конденсатором в плоском микрополосковом вибраторе, позволившие создать высокотехнологичную конструкцию антенны с электрическим движением луча для диапазонов 12 и 33 ГГц. Эту технологию можно использовать для разработок недорогих антенных решеток в диапазонах от 1 до 100 ГГц в радарах обзора территорий, системах связи и т. д., так как предложенные схемотехнические решения успешно используют технологию поверхностного монтажа и производство многослойных печатных плат.
С использованием концепции поляризационного р / w-диодного фазовращателя создана конструкция антенной решетки для радара Х-диапазона, содержащего 3700 фазовращателей. Три новых типа фазовращателей, исследованных в данной
работе, - на сегнетоэлектрических варикондах, на транзисторных ключах и поляризационные на р—і w-диодах - используются при конструировании модулей пассивных и активных ФАР наземных и корабельных радаров.
Предложена и исследована террасная архитектура приемной решетки Ка-диапазона рефлекторной антенны с вынесенным облучателем, являющаяся составной частью радиотелескопа. Микрополосковая трехмерная решетка (до 500 элементов) сантиметрового и миллиметрового диапазонов позволила разместить излучатели вместе с приемниками прямого усиления с шагом У2 в фокальной безаберацион-ной зоне двухзеркальной антенны радиотелескопа РАТАН-600, что обеспечивает многолучевой обзор космического пространства.
Полученные методы расчета тепловых полей фидерных схем распределителей мощности позволили спроектировать и освоить в серийном производстве модуль корабельной ФАР на передаваемую мощность 350 Вт в микрополосковом исполнении.
Новые концепции построения конформных антенных решеток привели к созданию новой производственной линии недорогих антенн массового использования для систем связи - терминальных антенн с автопоиском направления на базовую станцию с сектором поиска 360. Эти антенны успешно производятся в больших количествах для диапазонов 2.4 и 3.5 ГГц для протокола WiMax.
Новизна технических решений подтверждается отечественными авторскими свидетельствами, заявкой на патент США, а также актами внедрения на ряде предприятий в России и за рубежом, производящих электронную аппаратуру, системы связи и радары.
Реализация в науке и технике. Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие разработки.
Изготовлено более трех тысяч многослойных антенных решеток на частоту 24 ГГц в рамках Федеральной целевой программы «Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах» для стационарных и передвижных автоматических комплексов фоторадарных датчиков «КРИС» (ООО «Симикон», г. Санкт-Петербург, 2008-2009 гг.).
Изготовлено 100 комплектов 4-канальных антенных модулей корабельной ФАР на уровень входной мощности 350 Вт диапазона 1.5 ГГц системы Гос. Опознавания (ОАО «Морской НИИ РЭ «Альтаир», г. Москва, 2009 г.).
Спроектированы и серийно выпускаются проходные аналоговые электронно-перестраиваемые фазовращатели на основе сегнетоэлектрических элементов и управляемых емкостей для полуактивной ФАР на частоту 4 ГГц с управляющим напряжением 0.. .200 В (ОАО «НПО «ЛЭМЗ», г. Москва, 2010 г.).
Модули антенных постов микрополосковой отражательной ФАР для волны с круговой и линейной поляризациеями и электронно-управляемым лучом Х-ди-апазона на p-i-n-диодных поляризационных фазовращателях для модернизации комплекса «Печора-2М» (ЗАО «Интеррадиосервис», г. Москва, 2009 г.).
Изготовлены и испытаны 6-разрядный фазовращатель и 5-разрядный аттенюатор на транзисторных ключах для модуля АФАР по технологии поверхностного монтажа на частоту 5,5 ГГц (ЗАО «Светлана-Электронприбор», г. Санкт-Петербург; ОАО «Радиофизика», г. Москва, 2010 г.).
Отражательная антенная решетка с электронно-управляемым движением луча на полупроводниковых варикапах для частоты 33 ГГц (ОАО «КБП», г. Тула, 2007 г.).
Изготовлено 10 000 двухполяризационных антенных решеток по многослойной технологии (12 ГГц) пользовательского терминала Интернет-связи. Изготовлена пробная серия (50 экземпляров) отражательных микрополосковых решеток Q-диапазона (42 ГГц) для приемо-передающего терминала Интернет-связи и телевидения высокой четкости HDTV (BluWan-Thales, Франция, 2003-2007 гг.).
Изготовлено более 30 000 многолучевых переключаемых антенных решеток абонентских терминалов с автопоиском базовой станции системы связи WiMax на частоту 3.5 ГГц (Alvarion, RunCom, Израиль, 2004-2006 гг.).
Документы о практическом внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.
Монография: Вендик О.Г., Парнес М.Д., Антенны с электронным сканированием. М.: Сайнс-Пресс, 2002, рекомендована Учебно-методическим объединением по образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по специальности «Радиотехника».
Научные положения, выносимые на защиту
1. Печатный отражательный фазовращатель-излучатель реализован на базе одного управляемого конденсатора, установленного в разрыве плоского вибратора. Расположение управляемого конденсатора непосредственно в разрыве печатного вибратора позволяет сформировать высокотехнологичную отражательную антенную решетку с шагом У2 для электронного движения луча, используя при этом печатную технологию и поверхностный автоматизированный монтаж.
Синтез отражательного печатного вибратора антенной решетки на слоистой диэлектрической подложке осуществляется на основе аналитической модели в виде эквивалентной схемы отражательного элемента в виртуальном волноводе.
Эта модель позволяет синтезировать и анализировать вибратор с управляемым конденсатором, обеспечивающим электронную перестройку фазы отражатель-
ного излучающего элемента антенной решетки. Метод основан на феноменологической модели возбуждения тока в проводнике, расположенном в виртуальном волноводе, и определении коэффициента трансформации между вибратором и волной Г00.
Специальное фазовое распределение по апертуре плоской отражательной решетки позволяет создать новый класс устройств, исключив металлическое зеркало, описываемое полиномом более высокого порядка, чем второй, и совместить отражательную решетку с облучателем в виде произвольного фокального кольца, что обеспечивает большой коэффициент использования апертуры и малый уровень боковых лепестков.
Фазированная антенная решетка, отражающая волну круговой поляризации и осуществленная в виде набора короткозамкнутых круглых волноводов с многослойной печатной платой в поперечном сечении, содержащем р—і-п-диоды, служит основой высокотехнологичной многоэлементной (несколько тысяч) антенны с электронным движением луча для сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн.
Телесный угол сканирования 4к обеспечивается при использовании плоской решетки излучателей, изготовленных по многослойной технологии и питаемых через фазовращатели и переключатели. Такие же многослойные решетки могут быть использованы в качестве граней параллелепипеда и многогранного цилиндра для угла сканирования An.
Многослойная трехмерная (до 500 элементов) решетка террасной архитектуры сантиметрового и миллиметрового диапазонов осуществляется при размещении излучателей вместе с приемниками прямого усиления с шагом л/2 в фокальной безаберрационной зоне двухзеркальной антенны радиотелескопа, что обеспечивает многолучевой обзор пространства.
Мощность, излучаемая антенной решеткой на базе многослойной платы, связана с температурными полями и тепловыми потоками, образуемыми волнове-дущими структурами. Синтез мощностных характеристик и тепловых полей, обусловленных потерями СВЧ-мощности в многослойных антенных решетках с симметричным и несимметричным охлаждением, выполняется на основе математического аппарата, использующего взаимосвязь волновых и тепловых сопротивлений рассматриваемых структур.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 9 международных и 4 Всероссийских конференциях, в том числе:
- International Conference "Perspective on Radio Astronomy: "Technologies for Large Antenna Arrays", The Netherlands, April, 1999;
«Всероссийская астрономическая конференция», г. Санкт-Петербург, 2001;
«Progress In Electromagnetics Research Symposium», Cambridge, USA, 26-28 March 2006;
-«IEEE COMCAS 2009, The International IEEE Conference on Microwaves, Communication, Antennas and Electronic Systems», Israel, November, 2009.
Публикации. Автор имеет 50 научных публикаций, из них 44 по теме диссертации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 43 научных работах и одной монографии, включая 9 статей в центральных периодических журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России; в 2 статьях в ведущих иностранных и 10 отечественных научных периодических журналах; в 9 докладах в сборниках трудов международных и 4 Всероссийских конференций; в описаниях 7 авторских свидетельств на изобретения и заявки на патент США.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка использованных источников информации, включающего 173 названия. Основная часть диссертационной работы изложена на 262 страницах основного текста, иллюстрируется 195 рисунками, содержит 9 таблиц.
Обобщенная характеристика фазовращателя для работы в ФАР
Следующий шаг был сделан с использованием печатных излучателей, нагруженных на отрезок микрополосковой линии передачи различной длины, как это показано на рис. 1.6. Этот отрезок и являлся переменным фазовращателем, задающим фронт волны по площади ОАР [27]. На таком принципе строятся микрополосковые ОАР заменяющие металлические (проводящие) рефлекторы.
Для электронного управления лучом в микрополосковую линию может быть внедрен фазовращатель, совместимый по типу технологии изготовления [28]. Одним из важных преимуществ ОАР является возможность конструирования многолучевой антенны с размещенным в фокусе многоэлементным облучателем, для этого надо соответствующим образом рассчитать фазовый профиль отражательного полотна [29].
Печатная технология позволила улучшить параметры ОАР, так, например, для расширения рабочей полосы частот стало возможным использование паразитных печатных излучателей с электродинамической связью, расположенных в нескольких уровнях многослойной печатной платы [30]. Спи- рофазная концепция также может быть реализована по печатной технологии, но в ней возможна работа только с круговой поляризацией и фаза отраженной волны определяется углом поворота спирального печатного излучателя относительно оси и соседних излучателей в ОАР.
Следующим шагом, позволившим использовать линейную поляризацию, была работа по анализу «пэтча» с двумя квадратурными шлейфами, повернутыми на различный угол, и далее появились «пэтчи» нагруженные на один шлейф переменной длины с открытым концом [31,32]. Новые возможности по компоновке появились с использованием плоского диполя различной длины, у которого фаза отраженного сигнала зависит от физической длины [10]. Для расширения диапазона перекрытия фазы коэффициента отражения в работе [33] было предложено использовать «пэтчи» переменной длины и ширины одновременно.
В печатных антеннах трудно преодолеть рубеж в 32 дБ усиления, особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, в связи с ростом потерь в микрополосковых делителях. Отказ от делителей и переход к зеркальным печатным антеннам позволяет создавать антенны с усилением от 30 до 50 дБ и более [26]. В этом случае, например, в радарах можно дорогие параболические антенны диаметром 3—5 м. заменить плоскими панелями, изготовленными по технологии печатных плат. При этом не понадобится изготовление дорогостоящих металлических конструкций. Точность реализации характеристик антенны будет обеспечена точностью реализации размеров излучателей на печатной плате, которая составляет 50 мкм.
Таким образом, молено представить себе новый класс антенн — быстро- развертываемые антенны - плоские антенны, развертываемые из рулона, что, очевидно проще, чем устанавливать параболическую антенну. Это становится возможным, если учесть, что в качестве основы для печатной платы используется гибкий фольгированный материал.
На рис. 1.7 изображены два варианта построения планарной зеркальной антенны с применением поляризатора (рис. 1.7,а) или с использованием отражателя (рис. 1.7,6).
Антенна состоит из рупорной антенны (3), которая облучает поляризатор (У) или отражатель (2). Волна от отражателя или поляризатора попадает на печатную зеркальную антенну (4), состоящую из решетки планарных элементов (отражателей), задающих фазу отраженного сигнала и, в результате, формирующих диаграмму направленности антенны. Печатная антенна располагается на металлическом основании (5). В случае использования поляризатора необходимо, чтобы у отраженного от печатной антенны сигнала происходил поворот плоскости поляризации.
В качестве элементарного отражателя удобно использовать прямоугольный полосковый элемент длиной около половины длины волны, что значительно упрощает моделирование и дальнейшее изготовление антенны. Если пренебречь взаимным влиянием элементов, то задача проектирования антенны сводится к построению модели одиночного планарного отражателя произвольной длины и ширины, расположенного на слоистом диэлектрике. Для построения электродинамической модели был использован метод моментов.
Полученные в ходе моделирования зависимости фазы от геометрических параметров отражателя позволили спроектировать отражательную решетку заданного диаметра. На рис. 1.8 приведена фотография решетки диаметром 300 мм. В этом случае решетка состоит из более чем 400 отражателей. Отражатели были сформированы травлением металлизированной лавсановой пленки, лежащей на пенополиэтилене.
Экспериментальные параметры антенны следующие (см. рис. 1.9): ширина луча 2.7; коэффициент направленного действия 36.6 дБ, коэффициент усиления 33 дБ.
Первые работы по анализу такой ОАР использовали метод моментов [34] в рамках теории бесконечных решеток. В 90-х гг. появляются работы по различным видам печатных ОАР с экспериментальными образцами в сантиметровом диапазоне волн. Например, на базе диполей переменной длины была спроектирована антенна с частотным сканированием [35] и эта концепция стала широко применяться в различных технологических платформах. Обобщенная конструкция активной отражательной ячейки показана на рис. 1.10.
Для реализации такой отражательной антенны на 94 ГГц использовалась полупроводниковая шестидюймовая подложка, на которой в едином технологическом цикле [36] были выращены «пэтчи»-излучатели и монолитные двухразрядные фазовращатели.
В работе [37] в аналогичной структуре использованы микроэлектрома- шинные переменные емкости (MEMS) и управляемые полупроводниковые емкости - варикапы [38].
Методы анализа ОАР достаточно очевидны для первых описанных конструкций: длина отрезка линии передачи, в случае волноводной решетки или микрополосковой линии соединенной с «пэтчем» и является определяющей для расчета фазового распределения. Амплитудное же распределение в простых схемах следует из диаграммы направленности облучателя даже если это моноимпульсная антенна или антенна с вынесенным из фокуса облучателем.
Отражательная решетка со сканирующим лучом, составленная из микрополосковых излучателей-фазовращателей на базе полупроводниковых варакторов
Для проверки достоверности аналитической модели была разработана программа численного расчета фазы отраженной волны от диполя в виртуальном волноводе с использованием метода моментов [69,70]. Задача моделирования многослойной структуры с поверхностью, на которой расположены проводники, сводится к расчету плотности поверхностного тока в плоскости расположения проводников. Плотность поверхностного тока и напряженность касательной составляющей электрического поля в этой плоскости связаны между собой интегральным преобразованием, приводящим к интегральному уравнению. Для решения интегрального уравнения применяется проекционный метод Галеркина, в соответствии с которым неизвестная функция раскладывается в ряд по полному базису и интегральное уравнение сводится к системе линейных уравнений относительно коэффициентов разложения.
Программа обеспечивает быстрый и достаточно точный расчет. Была проведена серия расчетов фазы отражения от диполя без варактора. В качест ве переменного параметра была использована длина диполя. Расчет показал хорошее совпадение результатов, полученных по аналитической модели, и по численной модели, использующей метод моментов. При этом А/ и использовались как подгоночные параметры аналитической модели.
Для экспериментального исследования параметров диполя, нагруженного управляемым варактором, был изготовлен измерительный стенд, в котором диполь размещался в реальном (не виртуальном) волноводе с металлическими стенками. Размер поперечного сечения волновода был 18x23 мм2, в волноводе распространялась волна типа Н\о. Волновод, содержащий исследуемый диполь-фазовращатель, через переход на стандартный волновод сечением 10x23 мм2 подключался к фазометру, обеспечивающему получение численных значений модуля и фазы отраженной волны.
Измерения проводились на частотах 11... 12 ГГц. В качестве управляемого элемента использовался варактор фирмы МАСОМ марки МА46Н120. При изменении приложенного напряжения от 0.5 до 12 В варактор обеспечивал изменение емкости от Стах = 0.9 пФ до Ст}п = 0.18 пФ. Активное сопротивление варактора г = 2.7 Ом. Диполь, с которым производился эксперимент, был спроектирован на основе аналитической модели с учетом подгоночных параметров: А/ = 0.525 мм, = 0.07 нГн. В результате расчета были получены следующие размеры фазовращателя: размеры диполя 21 = 8 мм, = 3.5 мм, толщина подложки Н= 1 мм, проницаемость материала подложки 8Д = 2.8. Результаты измерений на частотах 11.8 ГГц (7) и 12.0 ГГц (2) приведены на рис. 2.31. Полный сдвиг фазы составляет 300, средние потери 2.5 дБ. Используя полученные в эксперименте данные, находим фактор качества фазовращателя, определенный как отношение сдвига фазы к потерям = Аф/1[8], =120/дБ. В качестве заключения-по данному разделу сформулируем следующее: 1) Разработана аналитическая модель, позволяющая производить быстрые и достаточно точные расчеты фазовращателя. 2) Осуществлен простой фазовращатель, содержащий один активный элемент, для использования в отражательной ФАР. 3) Полученные в эксперименте величины сдвига фазы, потерь и фактора качества фазовращателя хорошо совпадают с теми же параметрами, рассчитанными на основе аналитической модели. Моделирование вольт-фарадной характеристики варактора. Получение диаграммы направленности отражательной ФАР 1. Параметры варакторов и расчет фазы отраженной волны На рис. 2.35,а приведена копия графиков из технической характеристики варакторов фирмы МАСОМ. В расчетах использовались данные для варактора МА46Н070. Пусть размеры микрополоскового вибратора: 21 — в.15 мм, = 1.5 мм, 5-= 0.3 мм. Толщина подложки равна 1 мм, ее диэлектрическая проницаемость - 2.8. Расчет зависимости фазы отраженной волны от емкости варакто- ра на частоте 13 ГГц представлен на рис. 2.36. Экспериментальная зависимость фазы отраженной волны от напряжения в области реализуемых емкостей представлена экспериментальными графиками (рис. 2.37). Экспериментальная кривая для /= 12.9 ГГц хорошо согласуется с расчетным графиком (рис. 2.36) и зависимостью емкости ва- рактора от управляющего напряжения (рис. 2.35,6). Наличие экспериментальной кривой, приведенной на рис. 2.36, позволяет рассчитать управляющие напряжения, приложенные ко всем варакторам. Расчет управляющих напряжений делается таким, образом, чтобы полученное фазовое распределение компенсировало сферичность фазового фронта волны, полученной от первичного облучателя. При этом набег фазы более 360 сбрасывается подобно тому, как это делается в зонированном зеркале Френеля. На рис. 2.38-2.40 приведены результаты расчета для длины волны 27 мм.1 Расстояние между вибраторами в решетке было выбрано 18 мм (всего 21 вибратор, длина решетки.- 360 мм), расстояние до первичного излучателя (фокусное расстояние антенны) 200 мм. Полученное фазовое распределение приведено на рис. 2.38. На рис. 2.39 приведено значение управляющих напряжений на каждом варакторе, которое обеспечит требуемое распределение фаз для случая центрального положения луча. На рис. 2.40 показано распределение управляющих напряжений на каждом варакторе, которое обеспечит распределение фаз для случая положения луча, отклоненного на 20 градусов от центрального положения.
Антенные характеристики радиотелескопа РАТАН-600 в многолучевом режиме
Фазовращатель в составе фазированной антенной решетки является основным компонентом, обеспечивающим ее функционирование. Теория ФАР показывает [8], что для нормального функционирования ФАР должна содержать от 100 до 10000 излучающих элементов, каждый из которых содержит в своем составе фазовращатель с независимым управлением. Поэтому фазовращатель для использования в ФАР должен обладать малой мощностью в цепях управления, высоким быстродействием, высокой надежностью и умеренной стоимостью изготовления при массовом производстве.
Основные виды фазовращателей: 1) фазовращатели на основе ферритовых элементов с магнитным управлением; 2) фазовращатели с дискретным управлением на основе р—г—гс-диодов; 3) отражательные фазовращатели (волна с круговой поляризацией) на основе р-г—п-диодов; 4) проходные фазовращатели на основе сегнетоэлектрических элементов, управляемые электрической разностью потенциалов; 5) фазовращатели с дискретным управлением на основе транзисторных ключей. В гл. 1 показано, что фазовращатели на основе ферритовых элементов с магнитным управлением и фазовращатели с дискретным управлением на основе /?-/-/7-диодов детально изучены за 1950 - 1980 гг. и нашли широкое применение в современной технике. Необходимо отметить, что эти два вида фазовращателей не удовлетворяют названным выше критерием, а именно малой мощности в цепях управления и умеренной стоимости изготовления при массовом производстве. Далее будут рассмотрены фазовращатели, которые обозначены в приведенном списке видов фазовращателей под номерами 3-5. Вспомним основные характеристики фазовращателей для ФАР: 1) Управляемый сдвиг фазы Д6 (обычно измеряется в градусах). 2) Потери проходящей через фазовращатель волны дБ (обычно измеряется в децибелах). 3) Качество фазовращателя [8]:F = — (измеряется в градусах на децибел). Фазовращатель, приемлемый для использования в ФАР, должен обладать качеством в пределах F = 180.. .360 /дБ. Пусть каждый излучатель в составе ФАР образован раскрывом цилиндрического (круглого) волновода. В каждом из волноводов распространяются по две взаимно ортогональные волны с типом поля Н\ j. Эти волны могут излучать внешние волны с вертикальной или горизонтальной поляризацией. Если в каждом из волноводов возбуждены две взаимно ортогональные волны, сдвинутые во времени на 90, то в волноводах распространяются волны с круговой поляризацией. Волны с круговой поляризацией в волноводах излучаются и переходят во внешние волны с круговой поляризацией. Также падающие на антенну волны с круговой поляризацией возбуждают в волноводах волны с круговой поляризацией. Рассмотрим отражательную антенную решетку. В конце каждого круглого волновода, входящего в состав решетки, находится отражательный фазовращатель, который управляет фазой отраженной волны. В качестве отражательного фазовращателя для волны с круговой поляризацией используется поляризационный полосковый фазовращатель [101]. Схема фазовращателя показана на рис. 4.1. Основой фазовращателя служит диафрагма, расположенная в поперечном сечении круглого волновода. За диафрагмой в волноводе находится проводящая стенка. Комбинация диафрагмы и стенки обеспечивает отражение волны. Модуль коэффициента отражения волны близок к „ „ . т т Рисунок 4.1. Схема поляризационного единице, а фаза определяется состоянием полоскового фазовращателя диафрагмы. В диафрагме сформированы щели, соединенные параллельно с р-Л—п- диодами. Щель и р-1-п-д,иод образуют параллельный контур. Этот контур может находится в двух состояниях в зависимости от того, в каком состоянии находится р-г-п-диод. Если через диод не протекает ток (закрытое состояние диода), то диод представляет собой конденсатор с малой емкостью. В этом случае диод и отрезок щели образуют резонансный С-контур, который в состоянии резонанса имеет достаточно большое активное сопротивление. Если через диод протекает ток (открытое состояние диода), то диод представляет собой малое активное сопротивление, которое шунтирует щель. Таким образом, контур, образованный параллельным соединением отрезка щели и р-г-п-диода, может находиться в двух состояниях, которые определяются малым или большим активным сопротивлением, т. е. контур находится в состоянии короткого замыкания или холостого хода. Естественно, что короткое замыкание или холостой ход контура создают разный коэффициент отражения для волны, падающей на диафрагму со щелями, шунтированными р-г-п-диодами.
В рабочем состоянии отражательного фазовращателя половина диодов находится в открытом состоянии, а другая - в закрытом. Конфигурация открытых и закрытых диодов может изменяться. На рис. 4.2 показаны три конфигурации диафрагмы, которые обеспечивают разные фазы коэффициента отражения волны с круговой поляризацией. Темным цветом на рис. 4.2 показана область диафрагмы, в которой р-г-п-диоды находятся в открытом состоянии, а белым цветом показана область диафрагмы, в которой р-г-п-диоды находятся в закрытом состоянии.
Поворот области, в которой р- г-п-диоды находятся в закрытом состоянии, приводит к изменению фазы коэффициента отражения волны с круговой поляризацией. При правильно согласованных импедансах элементов схемы фаза коэффициента отражения повторяет фазу поворота конфигурации открытых и закрытых диодов. Фазы коэффициента отражения конфигураций, показанных на рис. 4.2, слева р = 0, в центре р = 45, справа ср = 90.
Поляризационный фазовращатель, схема которого показана на рис. 4.1, содержит 8 р-1—и-диодов. В этом случае можно реализовать 8 различных фазовых состояний, т. е. обеспечить управление фазовым сдвигом с дискретом Дф = 45, что эквивалентно дискретному фазовращателю, имеющему три разряда.
Поляризационный фазовращатель, использующий в качестве коммутируемого элемента р-г-и-диод, может управлять достаточно большой мощностью СВЧ-сигнала. При этом на каждый элемент ФАР может приходиться 10...30 Вт импульсной мощности.
Разработка и изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей с использованием сегнетоэлектрических управляемых элементов
В формуле (4.5); в отличие от выражения (4.4), напряженность поля смещения записана как функция температуры и заданной емкости С&, так как значение заданной проницаемости определяется исходя из значения требуемой для работы фазовращателя емкости с использованием выражения (4.6), связывающего значения емкости и проницаемости планарного конденсатора, включающего в себя подложку с сегнетоэлектрической пленкой. Приложение к сегнетоэлектрическому конденсатору зависящего от температуры напряжения в соответствии с (4.4)-(4.6) позволяет получить емкость, не зависящую от температуры в требуемом температурном интервале.
Характерные параметры, сегнетоэлектрического фазовращателя 1. Время переключения ФВ (продолжительность процесса установки фазового сдвига) в основном определяется временем релаксации диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки, входящей в состав ва- риконда, вызванной изменением управляющего напряжения. Экспериментальные исследования [113] показывают, что время релаксации диэлектрического состояния пленок сегнетоэлектрика (Ва,8г)ТЮ3, которые используются в разработанном ФВ, не превышает 30 не. Эта величина определяется не столько физическим процессом в материале, сколько задержками в цепях измерительной установки. 2. Вносимые потери в СВЧ-диапазоне. Основной проблемой при использовании фазовращателей на сегнетоэлектрических конденсаторах является уровень потерь в сегнетоэлектрическом элементе, в частности, диэлектрические потери в сегнетоэлектрике в СВЧ-диапазоне. Возможность улучшения СВЧ-сегнетоэлектрических элементов обеспечивается тем, что в настоящее время имеется надежное теоретическое описание параметров сегнетоэлектриков на СВЧ, найдены математические модели зависимости параметров сегнетоэлектрических пленок от температуры, управляющего напряжения и других внешних воздействий, разработано программное обеспечение на основе названных выше математических моделей [116,117]. Известны более или менее успешные попытки существенного уменьшения величины диэлектрических потерь в сегнетоэлектрических пленках [118]. Эти исследования продолжаются [119]. Говоря о диэлектрических потерях в сегнетоэлектрической пленке, не следует забывать о потерях в металлических проводящих элементах СВЧ-интегральной схемы [120,121]. 3. Параметр качества сегнетоэлектрического ФВ. Сделанные выше оценки коммутационного коэффициента качества, отвечающего параметрам полученных сегнетоэлектрических пленок (К = 1250), и полученного на его основе параметра качества фазовращателя F = 180 /дБ не совпадают с экспериментально полученными данными (табл. 4.3, рис. 4.29 и 4.30). При сдвиге фазы 360 среднюю величину потерь составляет 3.3 дБ, что дает параметр качества фазовращателя F = 110 /дБ. Увеличение параметра качества ФВ требует совершенствования качества сегнетоэлектрических пленок и снижения потерь в металлических проводящих элементах. Теоретические оценки [121-123] показывают, что на частотах 3...5 ГГц вполне достижима величина качества фазовращателя F= 180.. .200 /дБ. Окончательная оптимизация параметров ФВ возможна только в условиях массового промышленного производства. Примером тому может быть совершенствование ферритовых СВЧ-изделий в условиях производства в 1950-1970 гг., совершенствование изделий на основе арсенида галлия в 1970-1990 гг. Таким образом, проделанная работа подтверждает принципиальную возможность разработки СВЧ-сегнетоэлектрических фазовращателей с использованием отечественных материалов и комплектующих изделий. Разработан, изготовлен и испытан проходной сегнетоэлектрический фазовращатель с электронным аналоговым управлением, обеспечивающий фазовый сдвиг 0...360 в диапазоне частот 3.9.. .4.2 ГГц. Изготовлено пять экспериментальных образцов сегнетоэлектрических фазовращателей с использованием варикондов КН1-7 в качестве управляющего элемента фазовращателя. Получен параметр качества фазовращателя- F = 110... 130 /дБ, что требует его дальнейшего совершенствования. Анализ литературных данных показывает, что в условиях развитого массового производства достижим параметр качества фазовращателя F = = 180...200 /дБ. В итоге исследований получены следующие результаты: - подтверждена принципиальная возможность создания электронно- перестраиваемых фазовращателей с использованием отечественных материалов и комплектующих изделий; - разработана конструкция проходного фазовращателя с электронным аналоговым управлением, обеспечивающего фазовый сдвиг 0...3600 в диапазоне частот 3.9.. .4.2 ГГц; - найдены модельные параметры для построения модели зависимости диэлектрического отклика сегнетоэлектрических образцов от напряжения смещения и температуры; - смоделирована и проанализирована температурная зависимость фа- зо-частотных характеристик фазовращателя и предложен метод, который обеспечит устойчивую работу фазовращателя в требуемом интервале температур окружающей среды; - предложена методика измерения времени установки фазового сдвига; - разработана конструкция для осуществления измерений характеристик сегнетоэлектрических планарных конденсаторов на СВЧ; - предложена блок-схема и перечень испытательного оборудования для исследования -параметров фазовращателя; - изготовлено пять экспериментальных образцов фазовращателей «Сигма» с использованием варикондов КН1-7 в качестве управляющего элемента фазовращателя; - проведены лабораторные испытания- экспериментальных образцов ФВ «Сигма». По результатам можно сделать следующие выводы: 1. Результаты лабораторных испытаний показали, что полученные параметры близки «к требуемым и полностью «могут быть достигнуты только в случае использования варикондов с нижеприведенными;параметрами. 2. Для создания ФВ необходимы вариконды со следующими электрическими параметрами: - начальная емкость 2.35 пФ; - коэффициент перекрытия (управляемость) 2; - добротность (на частоте 4 ГГц) 50 единиц. 3. Для установки варикондов на органическую печатную плату (типа ФЛАН) требуется металлизация торцов корпуса вариконда. 4. Для удовлетворения требования по устойчивости в условиях изменения температуры окружающей среды--50...+50С необходимо иметь температурный коэффициент ухода ёмкости не более 0.1 %/С. 5. Для организации серийного производства фазовращателей требуется закупка автоматизированных стендов; оснащенных приборами с программным обеспечением автоматизации процесса измерений и вывода результатов на печать. Время, затрачиваемое на измерение характеристик одного фазовращателя «Сигма», приведены в табл. 4.4 .
