Диаrраммообразующие схемы многолучевых антенных решеток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестандартной шлейфной структуры

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ 

 
 

Кафедра основ радиотехники и электроники 

 
 

 

 

 

 

 

 

ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИЕ СХЕМЫ  

МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК НА ОСНОВЕ  

МИКРОПОЛОСКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ  

НЕСТАНДАРТНОЙ ШЛЕЙФНОЙ СТРУКТУРЫ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ 

2022 

 

Учебное пособие 

 

УДК 621.372.8; 621.396.67 
ББК 32.845.8; 32.845 

Д44 

 
 

Утверждено методическим советом  

Воронежского института ФСИН России 

19 мая 2022 г., протокол № 9 

 

Рецензенты: 

 

заведующий кафедрой радиотехники  

Воронежского государственного технического университета 

доктор технических наук, доцент А. В. Останков; 

начальник кафедры технических комплексов охраны и связи  

Воронежского института ФСИН России 

кандидат технических наук, доцент А. В. Паринов 

 
Учебное пособие содержит теоретические сведения, апробирован-

ные результаты, оригинальные методики и подходы, позволяющие повы-
сить эффективность разработки и проектирования микроволновых 
устройств, входящих в состав диаграммообразующих схем. 

Учебное пособие предназначено для курсантов, студентов и слуша-

телей технических специальностей, а также может быть полезно для 
практических работников территориальных органов, занимающихся про-
блемами организации связи в УИС. 
 
 

УДК 621.372.8, 621.396.67 
ББК 32.845.8, 32.845 

 
 

© ФКОУ ВО Воронежский институт 
ФСИН России, 2022 
© Составление. Щетинин Н. Н.,  
Андреев Р. Н., Чепелев М. Ю., 2022 

 

Диаграммообразующие схемы многолучевых антенных реше-

ток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестан-
дартной шлейфной структуры : учебное пособие / сост. Н. Н. Щетинин, 
Р. Н. Андреев, М. Ю. Чепелев. – Воронеж: ФКОУ ВО Воронежский ин-
ститут ФСИН России, 2022.– 84 с. 

Д44 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение………………………………………………………………………. 

1 Микрополосковые направленные ответвители нестандартной шлейф-

ной структуры…………………………………………………………………. 

1.1 Конструкция и электрические характеристики направленного от-

ветвителя…………………………………………………………………….. 

1.2 Микрополосковый 
направленный 
ответвитель 
на 
основе

Т-образных структур…………………………………………………………. 

1.3 Микрополосковый направленный ответвитель на основе встречно-

штыревых структур…………………………………………………………... 

1.4 Микрополосковый 
направленный 
ответвитель 
на 
основе 

Т- и П-образных структур……………………………………………………. 

1.5 Микрополосковый 
направленный 
ответвитель 
диапазона 

450 МГц………………………………………………………………………. 

1.6 Микрополосковые направленные ответвители со специальными 

характеристиками…………………………………………………………….. 

1.7 Миниатюрный 
микрополосковый 
направленный 
ответвитель 

на основе искусственных длинных линий………………………………….. 

1.8 Микрополосковые направленные ответвители с расширенными 

функциональными возможностями…………………………………………. 

1.9 Микрополосковый направленный ответвитель на основе плоскопа-

раллельных конденсаторов………………………………………………….. 

1.10 Контрольные вопросы………………………………………………. 

2 Четырехлучевые 
диаграммообразующие 
схемы 
многолучевых 

антенных 
решеток 
на 
основе 
модифицированных 
направленных 

ответвителей…………………………………………………………………. 

2.1 Диаграммообразующая 
схема 
на 
основе 
ответвителей 

реализованных на Т-образных структурах………………………………… 

 

5 

 

7 

 

7 

 

10 

 

12 

 

13 

 

15 

 

17 

 

21 

 

24 

 

33 

41 

 

 

42 

 

42 

 

2.2 Диаграммообразующая 
схема 
на 
основе 
ответвителей, 

реализованных на Т- и П-образных структурах……………………………. 

2.3 Диаграммообразующая схема для антенной решетки центральной 

частоты 450 МГц на малоразмерных направленных ответвителях……….. 

2.4 Четырехлучевая схема Батлера на основе многослойного направ-

ленного ответвителя………………………………………………………….. 

2.5 Двухполосный 
многослойный 
направленный 
ответвитель 

и четырехлучевая диаграммообразующая схема Батлера на его основе…. 

2.6 Малогабаритная четырехлучевая диаграммообразующая схема 

на основе искусственных длинных линий…………………………………. 

2.7 Трехлучевая диаграммообразующая схема…………………………… 

2.8 Контрольные вопросы…………………………………………………. 

Заключение…………………………………………………………………. 

Список использованной литературы………………………………………

 

47 

 

51 

 

56 

 

63 

 

70 

72 

76 

77 

78 

 

 

 

 

 

 
 

Введение 

 

Появление высокоскоростных телекоммуникационных систем мобильной 

и персональной связи с сотами большого радиуса и высокой пропускной спо-

собностью требует создания базовых станций с многолучевыми антеннами  

и возможностью управления их диаграммой направленности (ДН).  

Для управления в пространстве положением ДН многолучевой антенной 

решетки (МАР) применяются диаграммообразующие схемы (ДОС). Классиче-

ская четырехлучевая схема диаграммообразования включает в себя набор че-

тырех трехдецибельных направленных ответвителей (НО) и фиксированных 

фазовращателей (ФВ). Для обеспечения заданных электрических характеристик 

ДОС необходимо использовать ответвители с малым разбалансом амплитуд  

и фаз. Следовательно, возникает необходимость в конструктивных и топологи-

ческих решениях, направленных на выявление нетрадиционных свойств ответ-

вителей, способах уменьшения габаритных размеров, функционирования  

в расширенной полосе частот и сохранения при этом возможности простой тех-

нологической реализуемости. Актуальность учебного пособия обусловлена 

ежегодным увеличением количества публикаций по тематике микрополосковых 

устройств УВЧ- и СВЧ-диапазонов и создаваемых на их основе более сложных 

радиотехнических систем. 

Значительный вклад в разработку и исследование микроволновых 

устройств внесли В. И. Гвоздев, А. Н. Гридин, Д. А. Летавин, В. П. Мещанов,  

Ю. Е. Мительман, Л. Р. Малорадский, Б. А. Мишустин, Е. И. Нефедов,  

Д. М. Сазонов, Л. Р. Явич и др. Однако, на взгляд авторов, имеется необходимость 
в разработке издания, содержащего актуализированные способы и методы 
расширения функциональных возможностей микроволновых устройств. 

Таким образом, основной целью настоящего учебного пособия является 

расширение и углубление знаний обучающихся в области проектирования  

и разработки шлейфных направленных ответвителей и диаграммообразующих 

схем на их основе. 

Учебное пособие «Диаграммообразующие схемы многолучевых антенных 

решеток на основе микрополосковых направленных ответвителей нестандартной 
шлейфной структуры» предназначено для обучающихся по специальностям 

10.05.02 
Информационная 
безопасность 
телекоммуникационных 
систем, 

11.05.04 Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи, которые 
изучают дисциплины «Антенны и распространение радиоволн»  

и «Системы радиосвязи специального назначения». 

 
 

1 Микрополосковые направленные ответвители нестандартной 

шлейфной структуры 

 

1.1 Конструкция и электрические характеристики направленного  

ответвителя 

 

Микрополосковые направленные ответвители (НО) шлейфной структуры 

нашли широкое применение в микроволновой технике [1]. В частности, 

направленные ответвители являются базовыми компонентами диаграммообра-

зующих схем (ДОС) для формирования многолучевых антенных решеток [2, 3]. 

Более того, ответвители нашли широкое применение в устройствах деления-

суммирования мощности, направленных фильтрах, кроссоверах, рефлектометрах 
с измерительными мостами и ряде других микроволновых устройств.  

На практике наиболее распространенным является классический НО, выполненный 
на основе четвертьволновых шлейфов (рис. 1.1). 

 

 

Рис. 1.1. Микрополосковый направленный ответвитель  

на основе четвертьволновых шлейфов 

 

Так, линейные габаритные размеры классического ответвителя на центральной 
частоте 0,9 ГГц составляют 51  53 мм, при этом материал используемой 
подложки – Rogers RO4003C с толщиной 0,508 мм, диэлектрической проницаемостью 
3,38 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0027.  

В УВЧ-диапазоне габаритные размеры микрополоскового классического 

НО достаточно велики, что в ряде случаев ограничивает его практическое применение.  


Рисунок 1.1 иллюстрирует конструкцию ответвителя, в которой сигнал, 

подаваемый на порт 1 устройства, делится между двумя выходными портами  

3 и 4 с заданным соотношением, при этом порт 2 остается развязанным. Стоит 

отметить, что широкое распространение получили квадратурные ответвители,  

в которых входная мощность делится поровну между выходными портами 

(трехдецибельные ответвители). Для обеспечения равного деления мощности 

между выходными портами волновые сопротивления вертикальных шлейфов 

составляют величину 50 Ом, в свою очередь горизонтально расположенные 

шлейфы характеризуются сопротивлениями 35 Ом. Вместе с тем фазовый сдвиг 

между выходами устройства составляет 90°. 

Направленные 
ответвители 
характеризуются 
следующими  

S-параметрами: 

S(1,1) – коэффициент отражения; 

S(2,1) – развязка; 

S(3,1) – переходное ослабление; 

S(4,1) – рабочее затухание. 

Рисунок 1.2 иллюстрирует амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастот-

ную (ФЧХ) характеристики классического четвертьволнового ответвителя, 

представленного на рисунке 1.1. Частотные характеристики получены с помощью 
электродинамического моделирования методом моментов для центральной 
частоты 0,9 ГГц. 

 

Рис. 1.2. Амплитудно- и фазочастотная характеристики  

классического ответвителя 

 

Коэффициент отражения S(1,1) и развязка S(2,1) на центральной частоте 

0,9 ГГц составляют величину –45 дБ. Дисбаланс переходного ослабления S(3,1) 

и рабочего затухания S(4,1) варьируется в пределах (± 0,3 дБ) относительно номинального 
значения –3 дБ, что соответствует полосе частот от 0,85 до 0,95 

ГГц. Разность фаз на выходах ответвителя (порт 3, порт 4) не превышает значения 
0,5°относительно номинального значения –90°. Представленные электрические 
характеристики двухшлейфного ответвителя свидетельствуют о возможности 
применения микрополосковых НО в качестве базовых элементов при построении 
четырехлучевых диаграммообразующих схем. Однако стоит отметить, 
что ввиду значительных габаритных размеров микрополоскового ответви-

теля, представленного на рисунке 1.1, реализация ДОС на его основе является 

нерациональной с точки зрения конечных габаритных параметров. 

Таким образом, возникает задача уменьшения габаритных размеров клас-

сического НО, поскольку от степени миниатюризации ответвителя зависят мас-

согабаритные параметры многолучевых антенных решеток. Следовательно, пе-

ред разработчиками микроволновых устройств возникает необходимость в ис-

следовании эффективных способов, приводящих к уменьшению габаритных 

размеров УВЧ- и СВЧ-устройств.  

1.2 Микрополосковый 
направленный 
ответвитель 
на 
основе  

Т-образных структур 

 

Одним из эффективных способов миниатюризации микрополосковых 

четвертьволновых шлейфов, формирующих топологию ответвителя, заключа-

ется в замене последних квазисосредоточенными элементами, представляющи-

ми собой Т-образные структуры планарных индуктивностей и емкостей [4, 5]. 

На рисунке 1.3 представлена модифицированная топология ответвителя на ос-

нове квазисосредоточенных элементов, разработанная в работе [4]. 

 

Рис. 1.3. Топология ответвителя на основе Т-образных структур 

 

Методика, позволяющая осуществить эквивалентное преобразование чет-

вертьволнового отрезка в Т-образную структуру, изложена в работе [6]. В ме-

тодике описан частный алгоритм перехода от сосредоточенных элементов эк-

вивалентной схемы (емкости и индуктивности) к планарным микрополосковым 

элементам. Модифицированная шлейфная структура представляет собой сово-

купность высокоомных шлейфов и встречно-штыревых структур, что позволяет 

достаточно компактно разместить шлейфные структуры внутри пространства 

ответвителя. Данный подход позволил уменьшить габаритные размеры НО  

на 69 % относительно площади исходной классической топологии при цен-

тральной рабочей частоте 0,9 ГГц. Амплитудно-частотные характеристики  

в виде частотных зависимостей коэффициента отражения S(1,1), рабочего зату-

хания S(4,1), переходного ослабления S(3,1) и развязки S(2,1), а также фазоча-

стотная характеристика (ФЧХ) в виде частотной зависимости разности фаз сиг-

налов на основном и вспомогательном портах ответвителя с модифицирован-

ной структурой (рис. 1.3) показаны на рисунке 1.4. 

 

 

Рис. 1.4. Амплитудно- и фазочастотная характеристики  

модифицированного ответвителя на основе Т-структур 

 

S-параметры модифицированной топологии ответвителя на основе  

Т-структур аналогичны S-параметрам классического ответвителя. Коэффициент 

отражения S(1,1) и развязка S(2,1) обладают значениями не хуже чем «минус» 

30 дБ, которые для большинства практических случаев являются более чем 

приемлемыми. Передаточные характеристики варьируется в пределах (± 0,3 дБ) 

относительно номинального значения «минус» 3 дБ. Разности фаз сигналов на 

выходах модифицированной конструкции соответствует значениям, указанным 

для классической двухшлейфной топологии.  

Однако стоит отметить, что вследствие перехода от четвертьволновых 

отрезков линий передачи к эквивалентным Т-структурам неизбежно наблюдается 
сужение полосы частот. Данное обстоятельство необходимо учитывать при 

разработке и проектировании многолучевых антенных решеток. 

 
 

1.3 Микрополосковый направленный ответвитель на основе встречно-
штыревых структур  

 

Дальнейшим развитием методологии реализации шлейфов ответвителя на 

Т-образных ячейках со встречно-штыревыми структурами стала топология, 

предложенная в работе [5] и показанная на рисунке 1.5. Расчетные частотные 

характеристики ответвителя приведены на рисунке 1.6. 

 

 

Рис. 1.5. Топология ответвителя на основе встречно-штыревых структур 

 

Особенностью представленной топологии являются встречно-штыревые 

структуры, по сути, представляющие собой электрическую емкость в планарном 
исполнении. Модификация шлейфного НО содержит только четыре планарные 
встречно-штыревые секции, что позволяет дополнительно снизить  

габаритные размеры ответвителя на 11 % относительно модифицированной топологии, 
представленной на рисунке 1.3. Однако необходимо заметить,  

что из-за относительно малых зазоров между выступающими элементами 

(пальцами) секции (0,2 мм) возникают паразитные связи пальцев по полю,  

приводящие к разбалансировке параметров S(3,1) и S(4,1) относительно номинального 
значения. В результате рабочее затухание S(4,1) и переходное  

ослабление S(3,1) в рабочей полосе частот 0,85–0,95 ГГц максимально