ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ПРОХОДНОГО ТИПА Российский патент 1995 года по МПК H01Q21/00 H01Q3/26 H01Q13/00 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к конструированию фазированных антенных решеток проходного типа из волноводных фазовращателей с управляемыми диодами, преимущественно для работы в ММДВ.

Известны конструкции антенных решеток (АР) для широкоугольного сканирования, которые содержат линейные решетки открытых концов прямоугольных волноводов, короткозамкнутые канавки и линейные рассеиватели. Недостатком данных конструкций является узкий (± 6,5^о) сектор сканирования в Е-плоскости и наличие многочисленных конструктивных элементов, увеличивающих массогабаритные параметры АР.

Известны АР с управляющими полупроводниковыми диодами. В основе элементов АР лежит фазовращатель, представляющий собой закороченный отрезок прямоугольного волновода, внутри которого в Е-плоскости установлены платы с pin-диодами. Управление pin-диодами осуществляется через выводы, проходящие в широких стенках волновода. Фазовращатели объединены в решетку корпусом и закрыты со стороны входа радиопрозрачным укрытием. В задней части АР расположены платы управления, соединенные с компьютером.

Однако данная конструкция имеет большие потери и исключает возможность осуществления плотной упаковки элементов в решетку ММДВ из-за наличия большого количества pin-диодов на платах внутри волновода, необходимости подвода питания к ним и отвода тепла.

Наиболее близкой к предложенному устройству по технической сущности и достигаемому результату является АР, которая содержит N каналов, включающих направленные ответвители, фазовращатели, волноводные отрезки, излучатели. АР может быть выполнена из волноводных элементов, а каналы сформированы так, что сигнал на волноводные входы фазовращателей поступает от делителя мощности в виде волноводного рупора. Такая АР будет являться решеткой проходного типа. Недостаток АР, заключающийся в наличии в каждом канале одного входа с одним фазовращателем на два излучателя, компенсируется реализацией секторных парциальных диаграмм направленности. При этом конструкция АР позволяет минимизировать число управляемых элементов, а при проектировании крупноапертурных антенн с пространственным возбуждением получить близкой к максимальному КИП облучаемой апертуры при близкой к максимальной эффективности использования облучателя. Кроме того, разреженность волноводной АР на входе позволяет осуществлять коммутацию для управления pin-диодами и их термостабилизацию.

Однако наличие большого количества направленных ответвителей и отрезков линий передачи приводит к большой длине трактов, а следовательно, к большим потерям, особенно в ММДВ, и большим массогабаритным параметрам.

Целью изобретения является снижение потерь и массогабаритных параметров фазированной антенной решетки (ФАР) при однолучевом режиме работы в широком секторе углов сканирования, преимущественно в ММДВ.

Это достигается тем, что в фазированной антенной решетке (ФАР) проходного типа, содержащей N каналов, излучающие элементы, отрезки линий передачи, направленные ответвители и управляемые фазовращатели выполнены в виде соответствующих отрезков волноводов, а излучающими элементами являются открытые концы отрезков волноводов сечения a x b, на входах и выходах которых расположены соответствующие переходы сечения a x b на сечение a x b/2 и с сечения a x b/2 на сечение a x b. Управляемые фазовращатели при этом выполнены в виде соединения щелевых мостов, соответствующие плечи которых соединены с соответствующими короткозамкнутыми отрезками волноводов сечением a x b/2 и сечением a x b/4, в каждом из которых расположены управляемые диоды, причем N каналов ФАР расположены так, что суммарная их площадь поперечного сечения не превышает площади N поперечных сечений отрезков волноводов размерами a x b, а короткозамкнутые отрезки волноводов расположены так, что образуют прямоугольные отверстия в соответствующих местах вдоль продольных осей N каналов.

Кроме того, в нечетных каналах на его входах переход с сечения a x b на сечение a x b/2 соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по узкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов сечениями a x b/4 и последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов сечениями a x b/2, а выход управляемого фазовращателя подключен к отрезку волновода сечения a x b/2 на сечение a x b, а в четных каналах на его входах переход с сечения a x b на сечение a x b/2 сое- динен с отрезком волновода сечения a x b/2, второй конец которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками сечением a x b/2 с последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по узкой стенке соответствующих отрезков волноводов с короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечением a x b/4, а выход управляемого фазовращателя соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к переходу с сечения a x b/2 на сечение a x b, при этом нечетный и четный каналы плотно примыкают друг к другу узкими стенками соответствующих отрезков волноводов.

На фиг.1 показан фрагмент антенной решетки, состоящий из четырех волноводных каналов.

Первый канал состоит из перехода 1 с сечения волновода a x b на a x b/2, подключенного к направленному ответвителю 2. Выход направленного ответвителя 2 соединен с входом второго направленного ответвителя 3, выход которого подключен к первому щелевому мосту 4 фазовращателя. Выход щелевого моста 4 подключен к входу второго моста 5, выход которого через волноводный отрезок 6 подключен к переходу 7 с сечения a x b/2 на сечение a x b.

Второй канал состоит из последовательно соединенных перехода 8, направленных ответвителей 9 и 10, щелевых мостов 11 и 12 фазовращателя, волноводного отрезка 13 и перехода 14.

Третий канал состоит из последовательно соединенных перехода 15, щелевых мостов 16 и 17 фазовращателя, волноводного отрезка 18, направленных ответвителей 19 и 20 и волноводного перехода 21.

Четвертый канал состоит из перехода 22, волноводного отрезка 23, щелевых мостов 24 и 25, направленных ответвителей 26 и 27 и перехода 28.

Четыре волноводных канала имеют площадь поперечного сечения, равную площади четырех сечений a x b волновода, при которых обеспечивается однолучевой режим ФАР в широком секторе сканирования.

Наличие меньшего количества направленных ответвителей по сравнению с прототипом, а также меньшего количества других элементов канала приводит к меньшей длине трактов и соответственно к меньшим потерям и массогабаритным параметрам.

Рассмотрим работу фазированной антенной решетки проходного типа на примере первого канала.

Падающая на проходную решетку волна поступает на переход 1 и далее через направленные ответвители 2 и 3 на вход щелевого моста 4 фазовращателя. В зависимости от комбинации управляющих сигналов на четырех диодах фаза волны принимает следующие дискретные состояния 0, 45, 90 и 135^о. Далее волна поступает на щелевой мост 5 и в зависимости от управляющих сигналов на двух диодах к фазе волны добавляется либо 0^о, либо 180^о. Далее волна через отрезок волновода 6 и переход 7 излучается в пространство.

Компоновка волноводных элементов осуществлена так, что возле управляющих диодов образуются сквозные окна для их коммутации и термостабилизации, а также при необходимости для размещения устройств управления диодами.

Более компактная конструкция волноводной проходной решетки представлена на фиг.2. Линейка из двух волноводных трактов (см. фиг.2) изображена в виде разомкнутых деталей.

Падающая волна через переход и направленный ответвитель поступает на щелевой мост со связью по узкой стенке волновода и далее на щелевой мост со связью по широкой стенке волновода (см. фиг.2). С выхода фазовращателя волна через отрезок волновода сечения a x b/2 поступает на переход и излучается в пространство. Поворот фазы волны в зависимости от комбинации управляющих сигналов на 4+2 диодах осуществляется на углы 0, 45, 90, 135, 225, 270 и 315^о.

По второму каналу волна последовательно проходит через переход, отрезок волновода, щелевой мост со связью по широкой стенке волновода, щелевой мост со связью по узкой стенке волновода, направленный ответвитель, переход и излучается в пространство с аналогичными фазовыми дискретами. В данной конструкции (см. фиг.2) еще более сокращается по сравнению с прототипом количество и протяженность волноводных элементов, что приводит к еще меньшим потерям (затуханию) мощности и массогабаритным параметрам.

Кроме того, в конструкции образованы сквозные окна в двух ортогональных направлениях, в плоскости, ортогональной направлению падающей и излучаемой ФАР волны.

Элемент ФАР в виде линейки из двух волноводных трактов со сквозными окнами может быть использован для создания решетки с гексагональной сеткой расположения элементов.

Приставив линейки друг к другу пазами в центре, получим фрагмент с одним горизонтальным центральным окном и двумя вертикальными по краям.

При смещении линеек относительно друг друга вдоль горизонтального окна не изменяется проем этого окна, что позволяет осуществлять коммутацию и термостабилизацию гексагональной ФАР.

Построение волноводных ФАР проходного типа на элементах с сечением волновода a x b/2 удалось осуществить впервые. Ранее были созданы элементы антенных решеток с 1/3 частью сечения волновода. В данном случае потери (затухание) будут значительно меньшими. Предлагаемое техническое решение дает возможность впервые создавать на практике волноводные ФАР ММДВ с малыми потерями и широким сектором сканирования.

Так для антенной решетки с гексагональной сеткой расположения излучающих волноводов сечением 5,8 х 4,2 мм и толщиной стенок 0,4 мм (т.е. толщинами 0,8 мм перегородок АР) сектор однолучевого сканирования составляет угол не менее 30^о.

Использование: в антенной технике для конструирования фазированных антенных решеток (ФАР) проходного типа из волноводных фазовращателей с управляемыми диодами для работы в ММДВ. Сущность изобретения: ФАР содержит излучающие элементы в виде отрезков волноводов сечения a b, переходы c сечения a b на сечение (a b)/2, переходы c сечения (a b)/2 на сечение a b, управляемые фазовращатели в виде соединения щелевых мостов, короткозамкнутые отрезки волноводов сечение (a b)/2 и сечением (a b)/4, управляемы диоды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ПРОХОДНОГО ТИПА, содержащая N каналов, каждый из которых состоит из излучающих элементов, отрезков линий передачи, направленных ответвителей, управляемых фазовращателей, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения потерь и массогабаритных параметров решетки при однолучевом режиме работы в широком секторе сканирования, излучающие элементы, отрезки линий передачи, направленные ответвители и управляемые фазовращатели выполнены в виде соответствующих отрезков волноводов, а излучающими элементами являются открытые концы отрезков волноводов сечения a · b, на входах и выходах которых расположены соответствующие переходы с сечения a · b на сечение (a · b) / 2 и с сечения (a · b) / 2 на сечение a · b, при этом управляемые фазовращатели выполнены в виде соединения щелевых мостов, соответствующие плечи которых соединены с соответствующими короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечением (a · b) / 2 и сечением (a · b) / 4, в каждом из которых расположены управляемые диоды, причем N каналов решетки расположены так, что суммарная их площадь поперечного сечения не превышает площади N поперечных сечений отрезков волноводов с размерами a · b, а короткозамкнутые отрезки волноводов расположены так, что образуют прямоугольные отверстия в соответствующих местах вдоль продольных осей N каналов. 2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что в нечетных каналах на входах переход с сечения a · b на сечение (a · b) / 2 соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по узкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечениями (a · b) / 4 и последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечениями (a · b) / 2, а выход управляемого фазовращателя подключен к отрезку волновода сечения (a · b) / 2, второй конец которого соединен с переходом с сечения (a · B) / 2 на сечение a · b, а в четных каналах на его входах переход с сечения a · b на сечение (a · b) / 2 соединен с отрезком волновода сечения (a · b) / 2, второй конец которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками с сечением (a · b) / 2 и последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по узкой стенке соответствующих отрезков волноводов с короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечением (a · b) / 4, а выход управляемого фазовращателя соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к переходу с сечения (a · b) / 2 на сечение a · b, при этом нечетный и четный каналы плотно примыкают друг к другу узкими стенками соответствующих отрезков волноводов.