Три поколения отечественных планарных антенн

Статья Андрея Хохлова, главного конструктора ОАО “НПЦ “Вигстар" об эффективности планарных антенн и об истории их развития в России за последние 30–40 лет.

Добиться минимальной высоты профиля позволяет технология производства антенных систем на основе многослойных печатных плат (МПП). При этом подходе эффективно решаются проблемы снижения габаритов и массы радиоэлектронных средств и одновременно достигаются достаточно высокие для мобильных, в том числе носимых, средств связи электродинамические характеристики.

В области создания планарных антенн в России за последние 30–40 лет накоплен значительный опыт. Одна из первых российских малогабаритных носимых станций спутниковой связи с планарной антенной была разработана в восьмидесятые годы Московским НИИ радиосвязи (МНИИРС, в настоящее время – ОАО “МНИИРС"), выпускалась серийно и находилась в эксплуатации длительное время. Планарная антенна была выполнена по волноводно-щелевой технологии и для своего времени обладала достаточно высокими электродинамическими характеристиками, но была необычайно трудоемка и материалоемка при изготовлении (см. рис. 1). Это была базовая технология первого поколения, для преодоления существенных недостатков которой на следующем этапе развития была применена микрополосковая технология на основе двухсторонних печатных СВЧ-плат из фольгированного диэлектрика.

В одном слое выполняются облучатели и коммутационные линии, в другом слое – “земля". Это существенное изменение подхода к конструкции и технологии планарных антенн позволило коренным образом пересмотреть базовую технологию и исключить трудоемкие и дорогостоящие технологические операции механической обработки с поэтапной термостабилизацией, монтажа и пайки перегородок и штырей в специальных технологических приспособлениях, гальванического серебрения. Планарные антенны по этой технологии были разработаны и внедрены в серийное производство в 2002 г. Главный недостаток – технологически вынужденное фрагментарное построение АФУ – был частично преодолен в последующих разработках. Этот период развития технологии следует рассматривать как второе поколение планарных антенн на основе двусторонних печатных плат (см. рис. 2).

В настоящее время идет развитие технологий третьего поколения. Главное отличие новой технологии – это трехмерная структура СВЧ-устройств на основе МПП (см. рис. 3).

Базовая технология третьего поколения основывается на следующих конструктивно-технологических принципах:

• применение СВЧ-материалов (диэлектрик и препрег) от одного производителя с наилучшими параметрами для конкретного конструктивно-технологического решения и максимальными размерами, превышающими потребные размеры полотна антенны;
• применение современного специализированного программного обеспечения для проектирования и моделирования антенн с высокой точностью (прецизионно);
• создание трехмерной структуры антенны;
• применение технологии многослойных печатных плат для формирования конструкции;
• интеграция распределенных многоканальных МШУ с режекторными фильтрами в приемо-передающее АФУ с обеспечением надежного неразъемного соединения;
• минимизация трактов деления мощности и их интеграция в приемо-передающее АФУ для обеспечения надежного неразъемного СВЧ-перехода;
• интеграция фидерных линий СВЧ-трактов с СВЧ-излучателями, распределенной системой частотной режекции, МШУ и трактами деления и общего защитного обтекателя в единую многослойную многоуровневую трехмерную структуру типа “сэндвич";
• применение совмещенного приемопередающего полотна внешних излучателей АФУ;
• интеграция фидерных СВЧ трактов внутренних излучателей с фазовращателями;
• интеграция в АФУ кросс-платы для питания распределенного МШУ, фидерных трактов, линий контроля, управления и питания усилителей мощности;
• применение ячеистых конструкций обечаек для повышения жесткости конструкции СВЧ-модуля, обеспечения секционирования (экранировки) трактов сложения/деления мощности, МШУ, фильтров и обеспечения теплостоков от внутренних элементов на внешнюю сторону конструкции станции с использованием сплошных слоев “земля".

Переход от волноводно-щелевой технологии к микрополосковой плоскопараллельной на основе двухсторонних печатных плат и далее к микро-полосковой трехмерной технологии на основе МПП позволил улучшить основные радиотехнические характеристики и существенно улучшить массогабаритные характеристики АФУ. Кроме того, каждый переход на новую базовую технологию позволил снизить трудоемкость изготовления АФУ не менее чем на порядок, и в настоящее время трудоемкость изготовления АФУ по базовой технологии третьего поколения в 100 и 10 раз ниже, чем в базовых технологиях первого и второго поколения соответственно (см. табл. 1).

Существенное развитие базовые технологии третьего поколения планарных антенн получили в работах, выполненных ОАО “НПЦ “Вигстар" и ООО “Аэроспейс текнолоджи" (ООО “АСТЕК") в 2011–2012 гг. по заказу Минпромторга России в рамках ФЦП “Развитие элементной компонентной базы и радиоэлектроники". Были разработаны технологии, изготовлены и испытаны опытные образцы моноблочных СВЧ-модулей с планарными антеннами L-, C-, и Х-диапазонов. В первую очередь это носимые станции спутниковой связи. Безусловно, возможно и применение этих технологий для мобильных спутниковых средств: автомобильных, железнодорожных, авиационных, судовых. Отдельные работы в этом направлении уже ведутся. Сегодня отечественные разработки планарных антенн в указанных диапазонах не уступают лучшим зарубежным аналогам, а в чем-то и превосходят их.

К сожалению, по неизвестным исполнителю причинам эти работы не нашли продолжения в рамках вышеуказанной ФЦП Минпромторга России. А между тем, как показывает мировая практика, следующим шагом к технологиям четвертого поколения планарных антенн должно стать освоение Ка-диапазона. Вообще освоение Ка-диапазона известными мировыми производителями радиоэлектронных средств осуществляется весьма энергично. Отечественные производители в ближайшие годы практически ничего не смогут противопоставить зарубежным в этом сегменте рынка в целом и по планарным антеннам в частности. В остальных диапазонах ситуация ненамного лучше, особенно это касается гражданского сегмента рынка.

При освоении Ка-диапазона разработчики планарных антенн столкнутся с целым рядом новых проблем, решение которых потребует освоения новых СВЧ-материалов и разработки новых конструктивно-технологических решений. Известно, что в Ка-диапазоне микрополосковая технология малоэффективна. Следовательно, нужны новые решения по конструкции фидерных линий и других элементов АФУ. Такие решения есть, но они требуют достаточно длительной и тщательной технологической отработки.