СУММАРНО-РАЗНОСТНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ МОНОИМПУЛЬСНОЙ АНТЕННЫ Российский патент 1998 года по МПК H01Q25/02 

Изобретение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться как в качестве суммарно-разностного облучателя зеркальной, линзовой антенн и фазированной антенной решетки с эфирным питанием, так и в качестве автономной антенны в РЛС с моноимпульсным методом пеленгации.

Известны суммарно-разностные облучатели и устройства, выполненные на основе различных двухканальных балансных делителей мощности (H и E-тройников; H, E и T-мостов и др.). Среди этих устройств наиболее близок по конструкции и основной технической сущности рупорный облучатель [1], содержащий пирамидальный рупор, разделенный пополам в плоскости E перегородкой, и суммарно-разностный узел возбуждения с суммарным, разностным E, разностным H и разность-разностным каналами. Однако его конструкция не содержит никаких элементов согласования по КВС и приемлема только для пирамидальных рупоров больших размеров, когда все линейные размеры рупора (a_H, b_E и l) существенно превосходят длину волны. При малых же размерах рупора (например, при а_Н и b_Е≤ 1,5 λ, l≤ λ) проблема обеспечения малых КВС и требуемых диаграмм направленности и КУ усложняется, а в ряде случаев не решается без специальных мер. Кроме того, рассмотренные в работе варианты узлов возбуждения выполнены на основе громоздких балансных тройников с системой уголков и изгибов, сложных как в конструктивном, так и в технологическом отношениях.

Таким образом, наиболее существенными недостатками устройства, принятого за прототип, являются:
большие габариты;
сложность конструктивного и технологического исполнения;
плохое согласование облучателя, особенно при малых размерах рупора, с пространством и проблемы обеспечения низкого КВС по суммарно-разностным каналам;
существенные трудности в реализации расчетной (по размерам раскрыва) ширины диаграммы направленности в плоскостях E и H при малых размерах рупора.

В предлагаемом устройство эти недостатки удается преодолеть, в нем суммарно-разностный узел возбуждения выполнен из четырех прямых примыкающих друг к другу одинаково ориентированных прямоугольных волноводов одинакового сечения, каждый из которых имеет общую широкую стенку с одним из соседних волноводов, имеющую две симметрично расположенные относительно продольной оси волновода продольные щели, а также общую узкую стенку с другим соседним волноводом, имеющую продольную щель с настроечным винтом, установленным над ее центром со стороны широких стенок, а пирамидальный рупор имеет различную длину в плоскостях E и H и снабжен настроечным элементом в виде двух шаровых сегментов, установленных один над другим на перегородке с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси. При этом упомянутая перегородка выступает за продольный габарит рупора и имеет симметричную относительно своей продольной оси форму со ступенчатым уменьшением ширины от начала к концу выступающей части, кроме того, в выходные каналы, являющиеся продолжением суммарного и разность-разностного каналов, установлены 90^o фазосдвигающие секции, выполненные в виде диэлектрических вкладышей, частично или полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а в выходной канал, являющийся продолжением разностного E канала, установлена 180^o фазосдвигающая секция в виде вкладыша, имеющего поперечное сечение, совпадающее с волноводом, при этом в центре вкладыша в плоскости E прорезана сквозная продольная щель, полностью заполненная диэлектриком с диэлектрической проницаемостью, превосходящей диэлектрическую проницаемость вкладышей, а оба конца вкладышей выполнены ступенчатыми.

На фиг.1 показан суммарно-разностной облучатель, общий вид; на фиг. 2 - КСВ входных каналов; на фиг. 3 - диаграмма направленности облучателя.

Предлагаемый суммарно-разностный облучатель содержит суммарно-разностный узел возбуждения, состоящий из четырех прямых, примыкающих друг к другу, одинаково ориентированных волноводов 1 - 4 с общими широкой и узкой стенками в каждом волноводе, содержащими щели 5 - 10, при этом на выходе трех каналов 1, 2, 4 установлены 180^o 13 и 90^o 11, 12 фазосдвигающие секции соответственно; пирамидальный рупор 14, разделенный пополам в плоскости E перегородкой 15 с настроечным элементом 16 и имеющий различную длину в плоскостях E и H (l_E и l_H).

При указанном (фиг.1) взаимном расположении элементов входным суммарным каналом (Σ) является вход в волновод 4, разностным H-каналом (Δ_H) - волновод 3, разностным E-каналом Δ_E - волновод 1 и канала разность-разностей (ΔΔ) - волновод 2. Размеры щелей 5 - 10 выполнены из условия обеспечения направленного ответвления половины СВЧ-энергии в соседний канал в направлении распространения электромагнитной волны с фазами, указанными в таблице, а уровень ответвленной СВЧ-энергии в противоположную сторону при этом минимален.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Если СВЧ-сигнал (P₀) поступает в один из входных каналов ((Σ, Δ_H, Δ_E или ΔΔ), то за счет двукратного деления пополам через щели 5 - 10 обеспечивается равномерное разделение P₀ в четыре выходных канала 1 - 4, при этом взаимные фазы этих СВЧ-сигналов, а следовательно, и фазы на входе в пирамидальный рупор 14 определяются фазовыми характеристиками щелевых делителей 5 - 10 и фазирующих секций 11 - 13 (см. таблицу). В совокупности обеспечиваются свойственные суммарно-разностным каналам фазовые распределения в рупоре: при запитке суммарного (Σ) канала на обоих этажах (верхнем и нижнем) возбуждаются синфазные волны H₁₀, при запитке разностного H-канала (Δ_H) - синфазные волны H₂₀, при запитке разностного E-канала (Δ_E) - противофазные волны H₁₀, а по каналу разность-разностей (ΔΔ) - противофазные волны H₂₀, которые и обеспечивают формирование соответствующих диаграмм направленности облучателя.

Для преодоления проблем, возникающих при малых размерах пирамидального рупора, в предлагаемом устройстве предприняты следующие меры:
для сужения диаграммы направленности в плоскости H и одновременного увеличения КУ облучателя (фиг.3), а также улучшения условий согласования по КСВ каналов Δ_H и ΔΔ края раскрыва рупора в плоскости H продлены по сравнению с плоскостью E, т.е. длина рупора в плоскостях E и H выполнена различной;
для настройки суммарного канала предусмотрен настроечный элемент 16, расположенный в пучности волны H₁₀, перемещая который вдоль осевой линии рупора можно получить минимальный КСВ по каналу Σ, не влияя на каналы Δ_H и ΔΔ, так как в месте расположения настроечного элемента поле волны H₂₀ минимально;
для настройки разностного E-канала используется перегородка 15, изменяя длину и конфигурацию которой можно минимизировать КСВ канала Δ_E , не влияя на каналы Σ и Δ_H.

Таким образом, предлагаемая конструкция облучателя позволяет решить все перечисленные проблемы, решаемые в прототипе [1]:
сократить общие габариты;
обеспечить простейшее конструктивное и технологическое исполнение, гарантирующее реализацию амплитудно-фазовых характеристик, свойственных моноимпульсному облучателю;
обеспечить минимальный КСВ по каналам Σ, Δ_H, Δ_E и ΔΔ при любом размере рупора за счет использования независимых элементов настройки;
обеспечить независимое управление шириной диаграммы направленности в плоскостях E и H не только за счет выбора a_H и b_E, но также и за счет использования различной длины в плоскостях E и H.

Результаты испытания суммарно-разностного облучателя с линейными размерами рупора a_H=1,5 λ ; b_E=1,2 λ ; l_H=1,4 λ и l_E= λ приведены на фиг. 2 и 3.

Область применения: антенно-волноводная СВЧ-техника. Предлагается суммарно-разностный облучатель, состоящий из малогабаритного суммарно-разностного узла возбуждения, выполненного из четырех примыкающих друг к другу одинаковых по всей длине прямоугольных волноводов, каждый из которых имеет общие с двумя соседними волноводами узкую и широкую стенки со щелями связи, обеспечивающими направленное ответвление половины мощности в соседний канал, и пирамидальный рупор с выступающей перед раскрывом ступенчатой перегородкой, разделяющей рупор в пл. Е пополам, при этом в целях сужения диаграммы направленности в пл. Н длина рупора в этой плоскости выполнена больше чем в пл. Е. Требуемые для моноимпульсных облучателей фазовые соотношения в четырех выходных каналах обеспечиваются с помощью диэлектрических фазосдвигающих секций со ступенчатыми согласователями на концах, при этом для уменьшения продольных размеров 180^o секции в центре диэлектрического вкладыша параллельно вектору Е в щель, прорезанную во вкладыше, введена пластина с увеличенной диэлектрической проницаемостью. 3 ил., 1 табл.

Суммарно-разностный облучатель для моноимпульсной антенны, содержащий пирамидный рупор, разделенный пополам в плоскости Е перегородкой, и суммарно-разностный узел возбуждения с суммарным, разностным Е, разностным Н и разность-разностным каналами, отличающийся тем, что суммарно-разностный узел возбуждения выполнен из четырех прямых примыкающих друг к другу одинаково ориентированных прямоугольных волноводов одинакового сечения, каждый из которых имеет общую широкую стенку с одним из соседних волноводов, имеющую две симметрично расположенные относительно продольной оси волновода продольные щели, а также общую узкую стенку с другим соседним волноводом, имеющую продольную щель с настроечным винтом, установленным над ее центром со стороны широких стенок, а пирамидальный рупор имеет различную длину в плоскостях Е и Н и снабжен настроечным элементом в виде двух шаровых сегментов, установленных один над другим на перегородке с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси, при этом упомянутая перегородка выступает за продольный габарит рупора и имеет симметричную относительно своей продольной оси форму со ступенчатым уменьшением ширины от начала к концу выступающей части, в выходные каналы, являющиеся продолжением суммарного и разность-разностного каналов, установлены 90^o-ые фазосдвигающие секции, выполненные в виде диэлектрических вкладышей, частично или полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а в выходной канал, являющийся продолжением разностного Е канала, установлена 180^o-ая фазосдвигающая секция в виде вкладыша, имеющего поперечное сечение, совпадающее с волноводом, при этом в центре вкладыша в плоскости Е прорезана сквозная продольная щель, полностью заполненная диэлектриком с диэлектрической проницаемостью, превосходящей диэлектрическую проницаемость вкладышей, а оба конца вкладышей выполнены ступенчатыми.