Печатная 8-лучевая фазированная антенная решетка на основе матрицы Батлера с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида с концевым питанием

Введение. Представлены сравнительные результаты электродинамического моделирования и натурных измерений в безэховой камере опытного образца печатной 8-лучевой фазированной антенной решетки на основе матрицы Батлера. Приведена математическая модель модифицированного дифференциального фазовращателя, защищенного патентом Российской Федерации и характеризующегося наибольшей на сегодняшний день широкополосностью. Предложена и охарактеризована топология инновационного излучателя дипольного вида с концевым питанием. Цель работы. Проектирование на основе системного подхода 8-лучевой антенной решетки, моделирование ее основных электродинамических характеристик и сравнение с результатами натурных экспериментов. Материалы и методы. В качестве методов для проектирования электродинамических моделей элементов и узлов диаграммообразующей схемы, а также излучателя используются метод наводимых электродвижущих сил, математические основы проектирования микрополосковой техники, процедуры электродинамического моделирования элементов и узлов микроволновой техники и СВЧ-устройств. В качестве материалов служит отечественный диэлектрический материал ФАФ-4Д с относительной диэлектрической проницаемостью 2.5. Результаты. Экспериментально получены характеристики согласования и направленности 8-лучевой антенной решетки, и осуществлено их сравнение с результатами полноволнового электродинамического моделирования. В результате в полосе частот 2.02…2.37 ГГц наблюдается приемлемое совпадение измеренных и смоделированных результатов по положениям лучей, интенсивностям кроссполяризации, коэффициентам отражения и развязке между входами матрицы Батлера – не хуже –15 дБ. Заключение. Проектирование и финальная доработка фазированных антенных решеток с улучшенными электродинамическими характеристиками при учете отечественных конструкторско-технологических норм и требований позволит создать предпосылки для качественного увеличения тактико-технических показателей приемопередающих устройств в целом, а также системно отработать процедуры синтеза таких решеток и их отдельных узлов.

1. Handbook of Antenna Technologies. Singapore: Springer, 2016. 3473 p.

2. Butler matrix based beamforming networks for phased array antenna systems: a comprehensive review and future directions for 5G applications / A. K. Vallappil, M. K. A. Rahim, B. A. Khawaja, N. A. Murad, M. G. Mustapha // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 3970–3987. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3047696

3. Orthogonal versus zero-forced beamformig in multibeam antenna systems: review and challenges for future wireless networks / Y. Aslan, A. Roederer, N. J. G. Fonseca, P. Angeletti, and A. Yarovoy // IEEE J. of Microwaves. 2021. Vol. 1, № 4. P. 879–901. doi: 10.1109/JMW.2021.3109244

4. Butler J., Lowe R. Beam forming matrix simpli fies design of electronically scanned antennas // Electronic Design. 1961. Vol. 9. P. 170–173.

5. Pat. U.S. 3 255 450. Multiple beam antenna system employing multiple directional couplers in the leadin / J. L. Butler. Publ. 07.06.1966.

6. Wincza K., Gruszczynski S. Broadband integrated 8×8 Butler matrix utilizing quadrature couplers and Schiffman phase shifters for multibeam antennas with broadside beam // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 64, № 8. P. 2596–2604. doi: 10.1109/TMTT.2016.2582877

7. Dual-function radar-communication system de sign via sidelobe manipulation based on FDA Butler matrix / S. Y. Nusenu, S. Huaizong, P. Ye, W. Xuehan, A. Basit // IEEE Antennas Wireless Propag. Let. 2019. Vol. 18, № 3. P. 452–456. doi: 10.1109/LAWP.2019.2894015

8. Nasseri H., Bemani M., Ghaffarlou A. A new method for arbitrary amplitude distribution generation in 4×8 Butler matrix // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2020. Vol. 30, № 3. P. 249–252. doi: 10.1109/LMWC.2020.2966929

9. Jenn D. C., Chua E.-H. Two-port hybrid ring dipole with simultaneous sum an difference element patterns // Electronics Let. 2003. Vol. 39, № 12. P. 892–894. doi: 10.1049/el:20030584

10. Alhalabi R. A., Rebeiz G. M. Differentially-fed millimeter-wave Yagi-Uda antennas with folded dipole feed // IEEE Trans. Antennas. Propag. 2010. Vol. 58, № 3. P. 966–969. doi: 101109/TAP.2009.2039320

11. Пат. RU 2472261 С1. Дипольный излучатель / Д. А. Бухтияров, А. П. Горбачев, Ю. О. Филимонова. Опубл. 10.01.2013.

12. Bukhtiyarov D. A., Gorbachev A. P., Zhelezko S. Yu. Improvement of the quasi-Yagi antenna performances by using an ends-fed dipole driver // Universal J. of Electrical and Electronic Engineering. 2014. Vol. 2, № 1. P. 6–17. doi: 10.13189/ujeee.2014.020102

13. Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P. The novel printed dual-band quasi-Yagi antenna with end-fed dipole-like driver // IEEE Trans. Antennas Propag. 2020. Vol. 68, № 5. P. 4088–4090. doi: 101109/TAP.2019.2950837

14. Gorbachev A., Parshin Yu. All-pass phaser on a base of half-wave coupled-line section and its application // Microw. Opt. Technol. Let. 2021. Vol. 63, iss. 10. P. 2570–2575. doi: 10.1002/mop.32925

15. Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. An analysis of microwave radiators in order to diminish the array scan blindness // 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 64–68. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314639

16. Schiffman B. M. A new class of broad-band microwave 90-degree phase shifters // IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1958. Vol. 6, № 2. P. 232–237. doi: 10.1109/TMTT.1958.1124543

17. Lyu Y.-P., Zhu L., Cheng C.-H. Design and analysis of Schiffman phase shifter under operation of its second phase period // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2018. Vol. 66, № 7. P. 3263–3269. doi: 10.1109/TMTT.2018.2829170

18. Brenner H. E. Perturbations of the critical parameters of quarter-wave directional couplers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1967. Vol. 15, № 6. P. 384–385. doi: 10.1109/TMTT.1967.1126481

19. Monaco V. A., Tiberio P. Computer-aided analysis of microwave circuits // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1974. Vol. 22, № 3. P. 249–263. doi: 10.1109/TMTT.1974.1128208

20. Parshin Yu. N. Wideband phase shifters at 22.5, 45 and 67.5 degrees // 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 84–87. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314688

21. Паршин Ю. Н. Печатные многолучевые антенные решетки с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида: дис. … канд. техн. наук / Новосибирск, 2023. 198 с.

22. Kolesnikov A. A., Parshin Yu. N., Alekseytsev S. A. Four-beam phased antenna array based on multi-element end-fed dipole-like radiator // IEEE 25th Intern. Conf. of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, 28 Jun–2 July 2024. IEEE, 2024. P. 430–434. doi: 10.1109/EDM61683.2024.10615015

23. CST Studio Suite. URL: https://www.3ds.com/products/catia/student-license-program (дата обращения: 06.06.2025).

24. Алексейцев С. А., Горбачев А. П. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с концевым питанием возбудителя дипольного вида. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. 216 с.

25. Горбачев А. П., Паршин Ю. Н. Печатные многолучевые антенные решетки с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. 176 с.