К вопросу построения ряда широкополосных измерительных антенн

Касименко В.Б., Копусов В.Н., Гордеев А.Н.
ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт»,
ул. Я. Коласа, 73, г. Минск, Республика Беларусь
(017) 262-21-24

    
    Аннотация - Проведены исследования параметров различных типов измерительных антенн и показана целесообразность и возможность реализации ряда сверхширокополосных рупорно-линзовых антенн с коаксиальным входом.
    Представлены результаты проектирования измерительных антенн данного типа в диапазоне частот от 0,85 до 37,5 ГГц.
    Этот диапазон частот перекрыт тремя моделями антенн:
     - П6-23М – 0,85-17,44 ГГц;
     - П6-65 – 2,0 – 25,95 ГГц;
     - П6-66 – 12,05 – 37,5 ГГц.
     Параметры комплекта измерительных антенн обеспечивают реализацию большого количества требований различной современной аппаратуры, с которой работают предлагаемые антенны (анализаторы спектра, приемники, системы мониторинга сигналов и др.).
     Широкий диапазон частот, высокие технические характеристики и возможность работы в жестких климатических условиях (от минус 50 ºС до плюс 60 ºС) ставит данные антенны в число лучших антенных устройств в своем классе.

I. Введение

    Измерительные антенны имеют нормированные с заданной погрешностью характеристики, что позволяет использовать их как метрологическое средство при измерениях различных параметров антенн, напряженности поля и помех, оценки качества сигналов совместно с приемниками или анализаторами спектра в составе мониторинговых систем.
    Широкое распространение радиоэлектронных средств привело к значительному увеличению использования антенных устройств, как при измерениях различных типов сигналов, передаче информации, так и при создании необходимых уровней мощности электромагнитных полей в широком диапазоне частот.
     К традиционным задачам измерительных антенн исследованию параметров новых типов антенн, добавился большой объем измерений параметров электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, участие в мониторинговых системах различных типов. Все это требует дальнейшей автоматизации процесса измерения и обработки результатов. Таким образом, необходимо создание широкополосных неперестраиваемых измерительных антенн, которые существенно помогают реализации этих задач.
    Настоящая работа представляет результаты исследований по проектированию ряда сверхширокополосных измерительных антенн в диапазоне от 0,85 до 37,5 ГГц, оптимизированных для различных диапазонов частот и областей использования.
    Технические характеристики измерительных антенн такого типа представляют компромисс между как можно более широким диапазоном рабочих частот и возможно лучшими характеристиками по коэффициенту усиления, уровню согласования и помехозащищенности.
    Большой объем исследований, проведенный в данном направлении с различными типами измерительных антенн показал целесообразность создания в диапазоне частот от 0,85 до 37,5 ГГц рупорно-линзовых антенн. Они обладают параметрами апертурных антенн с синфазным распределением поля на их раскрыве (меньшим уровнем боковых лепестков и большим коэффициентом усиления) [1].

II. Проектирование

    Как показали исследования, важной особенностью для рассматриваемого типа антенн должны быть:
    - исследование минимальных размеров излучающего рупора для конкретных диапазонов частот;
    - разработки широкодиапазонного волноводно-коаксиального перехода (ВКП) с малым коэффициентом отражения, выполненного как единая конструкция с выходным рупором;
    - получение сферического фронта волны в раскрыве антенны для формирования нормальной диаграммы направленности в Е и Н-плоскости в широком диапазоне частот.
    Форма раскрыва антенны выбрана прямоугольной, так как это позволяет получить меньший уровень паразитной поляризации.
    Размеры раскрыва рупора антенны определяются нижней рабочей частотой диапазона fmin (или λmax). И как показано в [1], площадь раскрыва антенны должна быть не менее 0,65λ2max.
    Далее определяется соотношение сторон рупора для получения одинаковой ширины диаграмм направленности в Е и Н-плоскостях.
    ВКП имеет сложную конструкцию, так как требует сшивки нескольких (до шести) типов электромагнитных полей в таком переходе и обеспечить широкое перекрытие по диапазону частот (до 15-20 раз) с достаточно хорошими параметрами согласования входа и выхода антенны.
    Как показали расчеты и исследования, получение малых искажений диаграммы направленности антенны в широком диапазоне частот может быть реализовано разработкой специальной фазокорректирующей линзы в раскрыве рупора.
    Реализация приведенных выше принципов построения широкодиапазонных антенн и методов расчета составных частей антенны позволяет реализовать различные модели рупорно-линзовых широкодиапазонных антенн в конкретных диапазонах частот с необходимыми параметрами.
    Разработаны три типа рупорно-линзовых измерительных антенн с коаксиальным входом в диапазоне от 0,85 до 37,5 ГГц.
    В зависимости от диапазонов частот и области использования они отличаются величинами коэффициента усиления (эффективной площади), габаритами и массой, а также различными типами коаксиальных разъемов для конкретных диапазонов частот.
    Антенны обеспечивают работу в жестких климатических условиях (от минус 50 ºС до плюс 60 ºС).
    Для указанных типов измерительных антенн разработано высокоточное опорно-поворотное устройство (ОПУ), которое обеспечивает управление антеннами в трех плоскостях и высотой подъема антенны.

III. Основные технические характеристики

Основные технические характеристики антенн приведены в таблице [2, 3]

IV. Заключение

     1 Разработан комплект широкополосных рупорно-линзовых измерительных антенн с коаксиальным входом в диапазоне от 0,85 до 37,5 ГГц.
     2 Показано, что рупорно-линзовые антенны позволяют существенно снизить величину искажений диаграммы направленности в широком диапазоне частот.
     3 Разработанный ряд измерительных антенн в сочетании с приемными устройствами в состоянии обеспечить различные виды измерений электромагнитного поля, имея в своем составе антенны с величиной коэффициента перекрытия по диапазону частот порядка 20 раз и усиления до 30 дБ (П6-23М). В составе этого комплекта также представлены две малогабаритные антенны, перекрывающие диапазон частот от 2 до 37,5 ГГц с коэффициентом усиления до 20 дБ (П6-65, П6-66).
     4 Для обеспечения работы антенн разработано высокоточное ОПУ, обеспечивающее наведение антенн в трех плоскостях и установку заданной высоты антенны.
     5 Антенны обеспечивают работу с устройствами с присоединительными размерами по ГОСТ В 13317-89 и разъемами (N, SMA и К-типов). Антенны П6-65 и П6-66 имеют возможность работы с аппаратурой, имеющей волноводные выходы с сечениями волноводов 11х5,5 мм и 7,2х3,4 мм.
     6 По нашему мнению этот комплект измерительных антенн по основным параметрам соответствует одним из лучших антенных устройств в своем классе.

V. Список литературы

        1. Л.Н. Лук. Диссертация. Минск.
        2. Информационный материал ОАО «МНИПИ». 2003.
        3. Информационный материал. 2009.