В работе произведен анализ литературы по данной тематике. Изучены принципы построения отражательных антенных решеток.
Ключевые слова: антенная решетка, микрополосковая антенна, отражательная антенная решетка, электромагнитное моделирование, микрополосковый резонатор, бесконечная периодическая структура.
In work the analysis of literature on this subject is made. The principles of creation of reflective antenna arrays are studied.
Keywords: аrray, microstrip patch, reflectarray, electromagnetic modeling, microstrip resonator, finite-element method.
Концепция ОАР была впервые предложена Berry, Malech и Kennedy в начале 1960-ых годов. Для фазировки применялись закороченные волноводы разной длины. Электромагнитная волна от облучателя, попадая в волновод, распространяется в нем как в линии передачи, затем отражается от закороченной стенки и излучается открытым концом волновода. Таким образом, при изменении длины волновода изменялась фаза отраженной волны. Волноводная конфигурация ОАР оказалась очень громоздкой и тяжелой. Интерес к данному типу антенн прошел уже через 10 лет. Первое упоминание об использовании микрополосковых элементов в ОАР было в 1978 году. Malagisi представил ОАР на круглых микрополосковых элементах. В том же году Montgomery предпринял попытку анализа элемента решетки, используя подход бесконечной эквивалентной ячейки. В последующее десятилетие не было никакого дальнейшего развития микрополосковых ОАР. Лишь в конце 1980-ых и начале 1990-ых были представлены решетки с различными конфигурациями элементов. И так же с конца 1980-х годов микрополосковые антенные решетки появились как новое поколение антенн с высоким коэффициентом усиления для дальней связи и набирают все большую популярность и становятся привлекательной альтернативой традиционным зеркальным антеннам. В начале 2000-ых годов развитие ОАР продолжило бурный рост. Использование многослойных структур (рисунок 1) позволило улучшить рабочий диапазон с нескольких до десятков процентов, сделало более пологой кривую отношения фазы отраженной волны к размеру элемента, расширило диапазон регулировки фазы более чем до 600° [1].
Была разработана и реализована 3-х метровая надувная ОАР для Ka‑диапазона, состоящая из 200,000 элементов [2]. На данный момент это электрически наибольшая ОАР для сантиметрового и миллиметрового диапазона. Печатные элементы решетки расположены на тонкой мембране, мембрана же поддерживается надувной трубкой по периметру. В сложенном состоянии антенна представляет собой цилиндр диаметром 0,5 м, длиной 3 м.
Рис. 1. Структура многослойной ОАР
В 2006 была представлена антенная система конфигурации Кассегрена на базе ОАР с офсетной конфигурацией питания. Использование данной конфигурации позволяет манипулировать лучом, уменьшается высота антенны, а также минимизируется эффект затенения.
В некоторых случаях есть необходимость использовать 2 различных диапазона частот, например X-диапазон и Ka-диапазон. Для данных случаев разработаны двухдиапазонные ОАР на базе кольцевых, многослойных резонаторов и крестообразных диполей. Были использованы двухслойные структуры, где слой верхних элементов практически прозрачен для сигналов нижнего слоя.
Другая инновационная технология заключается в сочетании элементов решетки с солнечными батареями. Таким образом, две наибольшие структуры космического аппарата могут быть объединены в одну. На рисунке 2 показан экспериментальный образец такой ОАР. Элементы решетки выполнены в виде тонких крестообразных диполей, как указано в результатах измерений, не влияющих на характеристики солнечных баратеей.
Рис. 2. Структура ОАР совмещенной с солнечной батареей
Описание отражательной антенной решетки
Печатная отражательная антенная решетка — это антенна, состоящая из плоской или незначительно искривленной отражающей поверхности и антенны, выполняющей роль облучателя. Отражающая поверхность состоит из множества излучающих элементов (резонаторы, диполи, субволновые элементы, волноводы, петли) без питающих цепей. Питающая антенна облучает элементы ОАР таким образом, чтобы переизлучать падающее поле с необходимыми фазами для формирования плоского либо специального фазового фронта. Другими словами, рассчитанные фазы отраженной волны элементов компенсируют различные фазы, связанные с различными длинами пути от облучателя. Данный принцип подобен принципу, используемому при построении параболических рефлекторов, где используется искривление зеркала для отражения и формирования плоского фазового фронта в случае расположения облучателя в фокусе. Таким образом, термин “плоский рефлектор” иногда используется, чтобы описать ОАР, которая использует принципы рефлектора и антенной решетки.
Преимущества ОАР
Отражательные антенные решетки появились как новое поколение антенн с высоким коэффициентом усиления для дальней связи и набирают все большую популярность и становятся привлекательной альтернативой традиционным зеркальным антеннам. Они имеют ряд преимуществ над зеркальными антеннами, такие как низкая стоимость, легкость, простата установки, большой коэффициент усиления, плоскостность. Использование печатных микрополосковых элементов в ОАР позволило значительно уменьшить массу и профиль антенны, а также уменьшить стоимость производства. Такие печатные ОАР сочетают в себе существенные преимущества параболических антенн и технологии микрополосковых антенных решеток. Подобно параболическому рефлектору, ОАР могут достигать очень высокой эффективности (> 50 %) для больших апертур, так как нет необходимости использовать делители мощности, подводящие цепи и другие элементы с возможными потерями. С другой стороны, возможна реализация ОАР с отклонением главного лепестка на большой угол (> 50 °) от перпендикулярного направления. Для реализации электронного сканирования луча электронные фазовращатели могут быть включены в элементы решетки. С такими возможностями ОАР больше нет необходимости в использовании сложных схем формирования луча с высокими потерями и дорогостоящих усилителей в традиционных фазированных антенных решетках. Еще одно преимущество связано с использованием антенн с большими апертурами в условиях космического пространства, где необходим механизм развертывания антенны. Плоская структура позволяет реализовать более простой и надежный механизм по сравнению с требуемым для поверхности двойной кривизны параболического рефлектора. Также, благодаря плоской форме ОАР, она может быть установлена на имеющуюся плоскую структуру без значительного увеличения габаритов и веса общей системы. ОАР с сотнями или тысячами микрополосковых элементов могут производиться по имеющейся дешевой и точной технологии химического травления. Другой важной особенностью данного типа антенн является возможность формирования диаграмм направленности специальной формы, а так же точных контурных диаграмм используя известные техники фазового синтеза.
Недостатки ОАР
Несмотря на все вышеупомянутые возможности, ОАР имеет явный недостаток. Это ее врожденная особенность — узкая рабочая полоса частот, которая не может быть намного больше 10 %, в зависимости от конфигурации элемента, размера апертуры, фокусного расстояния и т. п. Ширина рабочей полосы ОАР не соответствует ширине полосы параболического рефлектора, где она теоретически бесконечна. Полоса пропускания печатной микрополосковой ОАР прежде всего ограниченна двумя факторами. Первый — это узкая полоса микрополоскового резонатора, который является элементом ОАР. Вторым же является различная пространственная фазовая задержка. [3]
Рабочий диапазон микрополоскового элемента составляет от 3 до 5 процентов. Для расширения рабочей полосы частот традиционных антенных решеток используется ряд подходов: использование толстых подложек, расположение нескольких элементов друг над другом. Известны случаи получения рабочего диапазона частот более 15 процентов.
Литература:
- Huang J., Encinar J. A., Reflectarray antennas. IEEE Press 2007. 232 pp.
- Обуховец В. А., Касьянов А. О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006. 240с.
- Feng-Chi E. Tsai, Bialkowski M. E. Designing a 161-element ku-Band microstrip reflectarray of variable size patches using an equivalent unit cell waveguide approach // IEEE transactions on antennas and propagation. 2003. Vol. 51, No. 10, P. 2953–2962.
