О формировании излучающими элементами активной фазированной антенной решётки размещаемой на космическом аппарате эллиптической поляризации поля

В активных фазированных антенных решётках (АФАР) бортовых радиолокационных комплексов (БРЛК) космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) в настоящее время требуется излучающий элемент с изменяемой поляризацией поля. В статье приводится методика формирования диаграммы направленности щелевой антенной решеткой с изменяемой поляризацией, позволяющая обеспечить заданный режим для БРЛК КА ДЗЗ.

Для обеспечения радиолокационного зондирования земли в различных режимах вне зависимости от положения требуется построение излучающего полотна АФАР радиолокатора с возможностью приема и излучения радиоволн с линейной или левой/правой эллиптической поляризаций [1,2,3].

Рис. 1 АР разной размерности

На рис. 1 показан излучающий элемент, представляющий собой антенную решётку (АР) размерностью 2×1 и состоящий их двух обычных кольцевых щелей выполненных в полосковом исполнении и рассчитанных на частоту 1275 МГц. Щель вытравлена на материале FR-4 с относительной диэлектрической проницаемостью, е_r = 4,4 и тангенсом угла диэлектрических потерь д = 0,02. В качестве основной возбуждается волна TM11, соответствующее уравнение для определения резонансной частоты [4,5,6], которой можно определить исходя из:

где — радиусы, показанные на рис. 1.

Для формирования диаграмм направленности приведём методику, которая представляет собой изменение фазового сдвига на входах портов P1, P2, P3 и P4, что позволяет менять параметры излучающей системы следующим образом.

• 1. Для получения линейной вертикальной поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1 и P2 (таблица 1, вид поляризации V);
• 2. Для получения линейной горизонтальной поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P3 и P4 (таблица 1, вид поляризации H);
• 3. Для получения эллиптической (левого направления вращения) поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1, P2, P3 и P4 с фазами P1, P2 — 90⁰, P3 — 0⁰, P4 — 180⁰ (таблица 1, вид поляризации VH);
• 4. Для получения эллиптической (левого направления вращения) поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1, P2, P3 и P4 с фазами P1, P2 — 0⁰, P3 — 90⁰, P4 — 270⁰ (таблица 1, вид поляризации HV).

Таблица № 1.

На рис. 2 показаны нормированные диаграммы направленности одиночного элемента из рассматриваемой системы 2×1 в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла при размерах щели и подачи энергии на порт № 1. поляризация зондирование решетка поле.

Так как расчёт и синтез представленных в статье электродинамических структур труднореализуем при использовании стандартных подходов или требует несоизмеримого с реальной обстановкой трудоемкости работ и времени их выполнения, все проведённые расчёты выполнялись в системах автоматизированного проектирования с применением современных вычислительных систем способных работать в кластерном режиме [7,8,11]. В основе решения задачи лежит метод конечных элементов — область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество элементов. Итоговое количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями вычислительной системы [9,10].

На рис. 3 показаны нормированные диаграммы направленности антенной решётки размерностью 4×4 (рис.1) в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла при различных размерах .

Рис. 3 ДН АР 4×4. Луч по нормали к плоскости решётки

Как видно из рисунков 3 а, б изменение размера щели при неизменном шаге решётки играет роль в области дальних боковых лепестков. Уровень первого бокового лепестка составляет минус 16дБ от максимума ДН.

На рисунках 4 а, б показаны нормированные диаграммы направленности антенной решётки 4×4 из рассматриваемой системы в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла при различных размерах при наличии фазовых сдвигов на входах излучающих элементов. В приведённом примере луч решётки отклоняется на 13⁰ от нормали. Уровень первого бокового лепестка составляет минус 13дБ от максимума ДН, при этом происходит значительный всплеск обратного излучения.

Рис. 4 ДН АР 4×4. Луч отклонён от нормали к плоскости решётки на 13⁰

Таким образом, в результате проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

• -рассмотренный излучающий элемент 2×1 может быть применен как одиночный излучатель, так и как элемент фазированной антенной решётки размерностью NxM элементов;
• -рассмотренная методика возбуждения решетки позволяет сформировать диаграмму направленности антенной решётки с требуемой поляризацией излучаемого поля;
• -ширина диаграммы направленности синтезированного излучающего раскрыва по уровню половинной мощности составляет 21,8 градусов в плоскостях X0Z и Y0Z.

Сабиров Т. Р. Характеристики излучения передающей АФАР при отказах каналов усиления [Текст] // Материалы докладов 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». М.: Издание JRE — ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, Том 2. 2012. С.133−135.

Сабиров Т. Р. Синтез числа излучателей АФАР космического базирования [Текст] // Сборник докладов научно-технической конференции «Новые технологии в перспективных системах обнаружения, навигации и радиоуправления». Москва: Изд-во ОАО «Концерн «Вега». 2012. C.71−72.

Сабиров Т. Р. Излучающий элемент для АФАР L-Диапазона бортового радиолокационного комплекса КА ДЗЗ [Текст] // материалы 9-й Международной молодёжной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013». 2013 г. Севастополь. Украина.

R. Azim, M.T. Islam, and N. Misran / Compact Tapered Shape Slot Antenna for UWB Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 10, 2011, pp. 1190−1193.

P. R. Urwin-Wright, G.S. Hilton, I. J. Craddock, and P. N. Fletcher / An electrically-small annular slot operating in the 'DC' mode // Twelfth International Conference on Antennas and Propagation, vol. 2, pp. 686 — 689, April 2003.

Tong C.E. and Blundell R. / An annular slot antenna on a dielectric half-space // IEEE Trans. Antennas and Propagation vol 2, no.7, pp.967 — 974, July 1994.

Morishita H., Hirasawa K, Fujimoto K. / Analysis of a cavity-backed annular slot antenna with one point shorted // Antennas and Propagation, IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol.39, no.10, pp.1472 — 1478, October 1991.

Мушников, В. В. Электродинамические модели и исследование фар из комбинированных микрополосковых излучателей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2008, № 2. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2008/65 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.

Середа А.Ю., Детюк К. В. Бортовой информационно-навигационный комплекс КА «Глонасс-К» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 3. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/906 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.

Kharakhili F.G., Fardis M., Dadashzadeh G. and Ahmadi A. / Circular slot with a novel circular microstrip open ended microstrip feed for UBW application // Progress In Electromagnetics Research, PIER 68, 161−167, 2007.

Сабиров Т. Р. Излучающий элемент АФАР L-диапазона на основе полосковых структур сложной формы для космического аппарата [Текст] // Научно-технический журнал «Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2013 г. № 1. С. 34−37.