Antenna array based on parabolic antenna elements

Full Text

Введение

Спутниковая связь довольно важна в настоящее время. Для неё характерен переход в высокочастотные милимметровые диапазоны. Всё больше разнообразных прототипов антенных систем для связи в миллиметровом диапазоне разрабатывается и совершенствуется повсеместно. Традиционно для мобильных терминалов спутниковой связи применяется система на основе линзовой структуры, либо же на основе зеркальных антенн или их элементов. В настоящей статье будет рассмотрен пример разработанного прототипа синфазной антенной решётки из усеченных параболических антенн.

Зеркальная антенная решётка существеннее легче, дешевле в изготовлении и технологичнее линзовой решётки. При использовании зеркальной антенны на мобильных терминалах обычно необходимо применение радиопрозрачных укрытий, которые являются и защитой, и обтекателем антенны. Но применение радиопрозрачных обтекателей увеличивает массогабаритные показатели системы. Существуют разработки, подразумевающие использование купольных линзовых антенн, в которых поверхность линзы является своеобразным куполом для расположенной под ней облучающей антенной решётки. Линза преломляет лучи облучателя, находящегося под ней, и одновременно защищает антенную решётку от механических воздействий. Но производство схожих линзовых структур является довольно дорогостоящим, менее технологичным, чем производство зеркальных антенн. Также конструкция линзовой структуры имеет большую массу, чем зеркальной антенной решётки.

Пример купольной линзовой антенны в контексте использования её на мобильных терминалах для обеспечения спутниковой связи миллиметрового диапазона рассматривается в работе [1]. Как преломляющие поверхности обычно применяют параболические, сферические и другие поверхности вращения. Получившийся коэффициент усиления тороидальной линзовой антенны составляет около 17…17,5 дБ для ε = 2,3 и около 19 дБ для ε = 2,6. При определенном подборе значений диэлектрической проницаемости величина коэффициента усиления может доходить до 21 дБ. При малых значениях диэлектрической проницаемости материала увеличение сектора сканирования излучающей решётки вплоть до полусферы может быть затруднительным, а слишком большие значения диэлектрической проницаемости повлекут сильные переотражения от поверхностей линзы и обязательность принятия мер по их нивелированию. К недостаткам купольных линзовых антенн относится также то, что расширение сектора сканирования излучающей решётки соответствует понижению коэффициента усиления антенны. При этом во время излучения в секторе углов, прилегающих к зениту (в направлении нормали к плоскости решётки), спад уровня коэффициента усиления соответствует 10…15 дБ и более (но чтобы частично скомпенсировать падение коэффициента усиления в такой области углов, в некоторой небольшой мере повысить его и единовременно уменьшить вес антенны, купольная линза может изготавливаться усеченной).  Ко всему этому, как было сказано выше, производство линзовых структур является значительно более дорогостоящим, чем производство зеркальных решёток и менее технологичным. Также линзовые структуры обычно обладают большей массой, чем зеркальные. И, также, исходя из указанных расчётных данных в вышеупомянутой статье, в итоге не удаётся добиться довольно высокого уровня коэффициента усиления такой антенной системы.

Высокоскоростные терминалы спутниковой связи мобильного базирования должны быть доступными по цене большинству, по этой причине актуальным является разработка недорогих и простых антенных систем, а не только ФАР (фазированных антенных решёток), АФАР (активных фазированных антенных решёток) и других дорогостоящих антенных систем. Важное отличие зеркальных от линзовых систем заключается в том, что зеркальная антенная решётка намного легче, дешевле и технологичнее линзовой.

Конструкция антенной системы

Далее будет рассмотрена разработанная антенная решетка на основе параболических антенных элементов. Решетка реализована на основе четырех сегментов зеркальной параболической антенны. Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала) [2]. Зеркальные параболические антенны – это наиболее распространенные остронаправленные антенны. Их частое применение в разных областях связи можно пояснить простотой их конструкции, возможностью получения различных диаграмм направленности, большим уровнем коэффициента полезного действия, малой шумовой температурой и достойными диапазонными характеристиками [3].  Внешний вид разработанной антенной системы представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид разработанной антенной системы

Из рис. 1 можно наблюдать основные составные части конструкции антенной системы: облучатели рупоры, круглые и прямоугольные волноводы, делители мощности, и непосредственно саму отражательную антенную решётку, выполненную из четырёх усеченных сегментов параболических антенн. Предполагаемая область применения – в высокоскоростных терминалах спутниковой связи мобильного базирования. Антенна располагается на крыше автомобиля, или – локомотива, или – летательного аппарата, или судна. Необходимо размещение её под радиопрозрачным обтекателем. Так как антенная система размещается на крыше транспортного средства, то она должна быть небольшой высоты и вытянутой по горизонтали, для реализации достаточно высоких значений коэффициента усиления.

В приведённой конфигурации антенной системы реализованы механические поляризаторы – рупоры с отрезками круглых волноводов синхронно вращаются от электропривода, плоскость линейной поляризации при этом также плавно вращается. Поляризаторы к тому же могут использоваться и других видов – например, на основе ферритов, или p-i-n диодов.

Уникальность приведённого технического решения состоит в том, что это есть антенная решетка с очень большим электрическим периодом, и, несмотря на период расположения элементов, существенно больший длины волны, характеризуется уровень боковых лепестков в горизонтальной плоскости не хуже -13.2 дБ, что соответствует синфазному и равноамплитудному раскрыву. Ширина диаграммы направленности системы также соответствует синфазному и равноамплитудному раскрыву. Этот результат достигается благодаря тому, что области параболических сегментов, расположенные вблизи их границы, облучаются двумя облучателями, в результате чего существенно сужается неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Для облучения антенной решетки используется волноводный синфазный и равноамплитудный делитель мощности и вращающиеся облучатели рупорного типа, выполняющие также функцию механических поляризаторов. Разрез облучателя представлен на рис. 2.

Рис. 2. Облучатель в разрезе

Приведенный на рис. 2 вращающийся облучатель выполняет функцию механического поляризатора, возбуждаемого штырем, погруженным в прямоугольный волновод.

 Характеристики разработанной антенной системы

Было проведено компьютерное моделирование представленной антенной системы с помощью программы CST STUDIO. Результаты моделирования трёхмерной диаграммы направленности на частоте 14.5 ГГц представлены на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Трехмерная диаграмма направленности антенной системы на частоте 14.5 ГГц

На частоте 14.5 ГГц коэффициент направленного действия системы соответствует величине 34.58 изотропных дБ. Проекция диаграммы направленности на плоскость (Theta = 150) представлена на рис. 4.

Рис. 4. Проекция диаграммы направленности на плоскость

Из проекции диаграммы направленности на плоскость на рис. 4 (угол Theta=150) можно увидеть, что ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составила величину 2.9 градуса. Уровень боковых лепестков при этом соответствует величине -14.9 дБ.

Заключение

В данной работе была рассмотрена и исследована разработанная антенная решетка на основе параболических антенных элементов. Уникальность рассмотренной разработанной конфигурации в том, что это антенная решетка с очень большим электрическим периодом, но и при таком периоде размещения элементов, существенно превышающем длину волны, реализуется уровень боковых лепестков в горизонтальной плоскости не хуже -13.2 дБ, что говорит о синфазном и равноамплитудном раскрыве. Ширина диаграммы направленности системы также соответствует синфазному и равноамплитудному раскрыву. Удается добиться такого результата с помощью того, что области параболических сегментов, расположенные вблизи их границы, облучаются двумя облучателями, и из-за этого значительно сужается неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Из результатов компьютерного моделирования было получено, что на частоте 14.5 ГГц коэффициент направленного действия соответствует величине 34.58 изотропных дБ. Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составила величину 2.9 градуса. Уровень боковых лепестков при этом соответствует величине -14.9 дБ. Можно сказать то, что удалось разработать недорогую зеркальную систему с очень достойными характеристиками, что подтверждают результаты компьютерного моделирования.

______________________

© Баранников И.А., Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Проскурин Д.К., Фёдоров С.М., 2025

About the authors

Il’ya A. Barannikov

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: 8thbar@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3093-0455

graduate student, assistant

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Evgeniy A. Ishchenko

Voronezh State Technical University

Email: kursk1998@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5270-0792

graduate student, engineer

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Yuriy G. Pasternak

Voronezh State Technical University

Email: pasternakyg@mail.ru

Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Dmitriy K. Proskurin

Voronezh State Technical University

Email: rector@cchgeu.ru

Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Rector

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Sergey M. Fedorov

Voronezh State Technical University; International Institute of Computer Technologies

Email: fedorov_sm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9027-6163

Cand. Sc. (Technical), Associate Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia; 29b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia

References

Supplementary files