Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование возможности построения широкополосных ФАР

Сведения об участнике
ФИО
Любина Любовь Михайловна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования ""Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ ""ЛЭТИ"")
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Радиофизика, электроника, акустика
Тема
Исследование возможности построения широкополосных ФАР
Резюме
Приведены результаты электродинамического моделирования бесконечной вибраторной фазированной антенной решётки (ФАР) с пассивными планарными элементами над проводящей плоскостью. Представлены частотные зависимости коэффициентов отражения в трактах питания элементов, динамические характеристики коэффициента усиления для конечных ФАР, построенных на основе бесконечной модели. Рассмотрены перспективные с точки зрения расширения полосы рабочих частот варианты геометрии ФАР. Приведено решение задачи анализа добротности плоского ленточного вибратора в составе бесконечной двухслойной АР и нахождения условий, соответствующих минимальному значению его добротности.
Ключевые слова
Добротность, бесконечная фазированная антенная решетка, ячейка Флоке, ленточный вибратор, реактивная энергия, сканирование луча
Цели и задачи
Анализ добротности плоского ленточного вибратора, находящегося в составе двумерной бесконечной двухслойной антенной решетки и нахождения условий, соответствующих минимальному значению его добротности. Поиск оптимальной геометрии однослойной ФАР над проводящим экраном, в которой за счет применения пассивных элементов удается реализовать широкую полосу рабочих частот.
Введение

Актуальной задачей современной антенной техники является разработка многофункциональных широкополосных ФАР с широкоугольным сканированием. Оценить геометрию ШП ФАР возможно через поиск условий для минимизации добротности элемента в её составе [1-2]. В данной работе решается задача анализа добротности ленточного вибратора, находящегося в составе двумерной бесконечной двухслойной АР и нахождения условий, соответствующих минимальному значению его добротности.  Произведён поиск оптимальной геометрии однослойной ФАР над проводящим экраном, в которой за счет применения пассивных элементов удается расширить полосу рабочих частот при меньшем числе фазовращателей (стоимость которых составляет до 90% от всей стоимости ФАР), чем в [1].

Методы и материалы

Анализ добротности элемента в составе двумерной бесконечной двухслойной ФАР был исследован с помощью математического моделирования, на основании системы связанных интегральных уравнений, разрешённых по Галёркину относительно Фурье-образа распределения тока, интегрированием ближних полей элементов с применением теоремы Флоке и последующим вычислением реактивной и активной энергии [2]. Адекватность предложенной математической модели была проверена с помощью электродинамического моделирования методом конечного интегрирования [3].

При электродинамическом моделировании бесконечной однослойной вибраторной ФАР над проводящим экраном, состоящей из комбинации активных и пассивных элементов, расположенных в одной плоскости,  был использован численный метод конечного интегрирования, добротность излучателей ФАР рассчитывалась из частотной зависимости входного импеданса [4]. Анализ характеристик для конечных ФАР выполнялся на основе результатов расчета бесконечной модели, с использованием стандартной методики [5].

Описание и обсуждение результатов

В результате проведенного исследования получено выражение для добротности ленточного вибратора, находящегося в составе двухслойной бесконечной антенной решетки в свободном пространстве при многомодовой аппроксимации токового распределения в вибраторах каждого слоя. Элементы решетки возбуждаются внешним полем или сосредоточенными источниками.

Исходя из данных математического моделирования, можно сделать вывод, что геометрии двухслойных АР при внешнем питании с шагом решётки в Н-плоскости 0.17λ и расстоянием между слоями в 0.2λ (или 0.26λ и  0.15λ соответственно) являются перспективными с точки зрения расширения диапазона рабочих частот. При этом возможность увеличения широкополосности АР за счёт оптимизации межэлементных связей, с уменьшением шага решётки, рассматриваемая в работах [1,2], подтверждается результатами для двухслойных АР с возбуждением внешним падающим полем. Таким образом, можно считать плотноупакованные двухслойные АР перспективными с точки зрения построения отражательных и проходных антенных решеток [3].

Также были исследованы характеристики бесконечной однослойной вибраторной ФАР над проводящим экраном, состоящей из комбинации активных и пассивных элементов, расположенных в одной плоскости.  При электродинамическом моделировании был использован численный метод конечного интегрирования, добротность излучателей ФАР рассчитывалась из частотной зависимости входного импеданса. Получены динамические и частотные характеристики конечных ФАР, рассчитанные на основе бесконечных моделей, а также варианты геометрий ФАР, которые за счет применения  пассивных элементов можно считать перспективными с точки зрения реализации широкой полосы рабочих частот при некотором уменьшении числа фазовращателей (до 35% в рассмотренных в данной работе случаях) [6]. Однако это происходит за счёт незначительного ухудшения динамических характеристик и уменьшения уровня КУ по отношению к ФАР, представленными в [1].

Используемые источники
1 Сугак М.И., Шарапкова Ю.И. Характеристики широкополосных вибраторных ФАР с малым междуэлементным расстоянием // Электр. и Микроэлектр. СВЧ: Сб. докл. Всеросс. конф., СПб, 3-6 июня 2013 г.
2 Kwon D.H., Pozar D.M. Energy Storage and Radiation Q of Infinite Planar Dipole Phased Arrays // IEEE Trans. on ant. and prop. 2014. Vol.62. P.153-162
3 Любина Л.М., Сугак М.И. Добротность ленточного вибраторного излучателя в составе двухслойной бесконечной антенной решетки // Изв. выс. уч. зав. России. Радиоэлектроника. 2016. №2. С.63-68
4 Yaghjian A. D., Best S. R. Impedance, bandwidth, and Q of antenna // IEEE Trans. on ant. and prop. 2005. Vol. 53. P. 1298–1324
5 Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: «Энергия», 1975. – C.528
6 Любина Л.М. Расширение полосы рабочих частот вибраторной ФАР с помощью пассивных планарных элементов // Изв. выс. уч. зав. России. Радиоэлектроника. 2016. №3
Information about the project
Surname Name
Liubina Liubov
Project title
Investigation the possibility of constructing broadband phased antenna array
Summary of the project
Results of electrodynamic simulation of infinite dipole phased antenna array (PAA) with passive planar elements on the conducting plane are presented. Frequency dependences of the reflection coefficients in the paths of the power elements and dynamic dependences of the gain for the finite PAA constructed on basis of an infinite model are shown. Promising in terms of expanding the bandwidth variants of PAA geometry are considered. The solution of the quality factor analysis problem in case of ribbon vibrator located in the part of the two-dimensional infinite two-layer antenna array and finding the conditions corresponding to the minimum value of its quality factor are presented.
Keywords
Quality factor, infinite phased antenna array, Floquet cell, planar dipole, reactive energy, beam scan