ОБЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H01Q25/00 

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к антенным системам, имеющим по крайней мере два вида диаграмм направленности, и может быть использовано при разработке зеркальных антенных систем, формирующих различные диаграммы направленности, для летательных аппаратов.

Известны широко описанные в отечественных и зарубежных материалах облучатели апертурных (зеркальных) моноимпульсных антенн (Пат. США N 4849761 МКИ⁴ G 01 S 13/44 опубл. 18.07.89 г., пат. США N 5036332 МКИ⁵ H 01 Q 21/06 опубл. 30.07.91 г. , пат. США N 5329285 МКИ⁴ G 01 S 13/14), в которых традиционно в качестве облучателя моноимпульсных антенн используются упорные облучатели, которые вместе с системой запитки формируют диаграммы направленности (ДН) различных видов (суммарные и разностные). Однако расположение в раскрыве рефлектора рупорного облучателя с системой запитки для моноимпульсной антенны создает проблемы в связи с увеличением массогабаритных характеристик антенны из-за громоздкости и сложности многоканальной запитывающей системы по суммарному и разностному каналам в азимутальной и угломестной плоскостях. Кроме того, запитывающая система и рупор, расположенные в раскрыве, вызывают затенение апертуры параболического рефлектора, что приводит к ухудшению высококачественных характеристик антенны.

Известно облучающее устройство обратного излучения для зеркальных антенн (пат. США N 4673945 МКИ⁴ H 01 Q 19/10 опубл. 16.06.87). Это облучающее устройство содержит круглый волновод и размещенный в нем диэлектрический стержень с контррефлектором. В таком облучающем устройстве запитывающая система располагается с обратной стороны рефлектора, что снижает затенение раскрыва. Однако известное облучающее устройство формирует только одну ДН в виде луча карандашной формы, ориентированного вдоль продольной оси.

Из известных облучающих устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте США N 4673945 МКИ⁴ H 01 Q 19/10, опубл. 87.06.16. По максимальному количеству сходных существенных признаков это устройство выбрано за прототип.

В известном устройстве, выбранном за прототип, диэлектрический волновод (стержень) содержит цилиндрическую и воронкообразную (профильную) части. Цилиндрическая часть диэлектрического волновода расположена внутри отрезка круглого волновода с фланцем для крепления облучателя к зеркалу и стыковки с волноводным запитывающим устройством. Конец цилиндрической части диэлектрического стержня, обращенный в сторону запитывающего устройства, срезан на конус для согласования.

В воронкообразной части диэлектрического волновода профильная поверхность покрыта тонким слоем алюминия. Этот слой металлизации играет роль контррефлектора.

Высокочастотная энергия, распространяющаяся по диэлектрическому волноводу, переотражается контррефлектором в направлении зеркала (отражателя) антенны, создавая требуемое амплитудно-фазовое распределение в раскрыве зеркала.

Однако устройство, выбранное за прототип, может формировать только один вид диаграммы направленности (ДН) - острый луч.

Целью предлагаемого устройства является расширение его функциональных возможностей путем обеспечения формирования ДН нескольких типов (суммарной и разностной).

Поставленная цель достигается тем, что в облучающем устройстве, включающем в себя облучатель в виде антенны обратного осевого излучения, содержащий отрезок волновода с установленным в нем диэлектрическим стержнем, один конец которого заканчивается профильным контеррефлектором, другой конец имеет сужающуюся форму, и волноводное устройство запитки в виде многомодового волновода, соединенного с волноводом облучателя, волновод и диэлектрический стержень облучателя имеют квадратное сечение, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение основной волны H₁₀ и волн высших мод H₁₁ и E₁₁, при этом волноводное устройство запитки выполнено в виде торцевого соединения отрезка многомодового волновода квадратного сечения, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение волн основной моды H₁₀ и высших мод H₁₁ и E₁₁, с каналом, образованным свернутые в E-плоскости плечами двойного T-образного моста, два других плеча которого являются соответственно суммарным и разностным входами (выходами) облучающего устройства.

Кроме того, волноводное устройство запитки содержит второй, идентичный первому, но ортогонально ориентированный двойной T-образный мост, два свернутых в E-плоскости плеча которого соединены с окном, прорезанным в стенке отрезка многомодового волновода квадратного сечения, поляризация волны в котором ортогональна первому мостовому соединению. Два других плеча моста являются, соответственно, суммарным и разностным входами (выходами) облучающего устройства.

Введение вышеуказанных признаков расширяет функциональные возможности облучающего устройства благодаря формированию в нем суммарно-разностных ДН в двух плоскостях на одной поляризации. Наличие дополнительного суммарного канала дает возможность использовать излучающее устройство в системах с ортогональной поляризацией при развороте всего устройства на 90^o, а также реализовать в антенне канал, работающий на круговой поляризации.

Таким образом, предлагаемое излучающее устройство может найти применение в моноимпульсных системах.

Формирование облучающим устройством разностных ДН стало возможным благодаря возбуждению с помощью двойного Т-образного моста и многомодового волновода запитывающего устройства, имеющего квадратное сечение, волн с модами H₁₁ и E₁₁, суперпозиция которых обеспечила формирование облучающим устройством двух противофазных лепестков, определяющих разностную ДН. Суммарная ДН формируется волной основной моды H₁₀, свободно распространяющейся в прямоугольном волноводе двойного Т-образного моста и квадратных волноводах запитывающего устройства и облучателя.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения, поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - структура поля в многомодовом квадратном волноводе запитывающего устройства для волн H₁₁ и E₁₁, на фиг. 3 - вид электрических силовых линий волны основной моды H₁₀ и суперпозиции волн с модами H₁₁ и E₁₁.

Предлагаемое устройство (фиг. 1), как и прототип, содержит облучатель в виде отрезка волновода 1, с установленным в нем диэлектрическим стержнем 2, с одного конца заканчивающегося профильным металлизированным отражателем (контррефлектором) 3, сужающегося к другому концу 4, и волноводное устройство запитки 5, соединенное с отрезком волновода 1.

В отличие от прототипа, предлагаемый облучатель выполнен на волноводе квадратного сечения с размерами, обеспечивающими возбуждение и распространение волн с модами H₁₁ и E₁₁. Его волноводное устройство запитки 5 выполнено в виде торцевого соединения отрезка многомодового волновода квадратного сечения 6 с размерами, обеспечивающими возбуждение и распространение волн с модами H₁₁ и E₁₁, с каналом, образованным свернутыми в E-плоскости плечами двойного Т-образного моста 7, при этом два других его плеча являются суммарным 8 и разностным 9 входами (выходами) облучающего устройства. Кроме того, волноводное устройство запитки 5 содержит второй ортогонально ориентированный двойной Т-образный мост 10, два свернутых в плоскости E плеча которого соединены с окном 11, прорезанным в стенке многомодового волновода 6, причем поляризация волны для этого кона 11 ортогональна первому мостовому соединению. Два других плеча Т-образного моста являются соответственно суммарным 12 и разностным 13 входами облучающего устройства.

Предлагаемое облучающее устройство работает следующим образом. В волноводном тракте квадратного сечения предлагаемого облучающего устройства при наличии двойного Т-образного моста обеспечивается возбуждение помимо основной волны H₁₀ волн с модами H₁₁ и E₁₁. Электрические силовые линии для суперпозиции этих волн высших мод создают поле, силовые линии которого противофазны (фиг. 2). Такое поле дает возможность облучающему устройству сформировать ДН с двумя одинаковыми и противофазными лепестками, присущими разностной ДН.

Возбуждение и распространение указанных типов волн H₁₁ и E₁₁ обеспечивается выбором размера сторон a квадратных волноводов облучателя и запитывающего устройства. Как известно, размер a волновода связан с критической длиной волны λ_кр для волн H₁₁ и E₁₁ одинаковым соотношением откуда, с учетом заданной полосы частот, определяется требуемый размер. Размер стороны A квадратного сечения диэлектрического стержня определяется известным соотношением где ε - диэлектрическая постоянная материала, используемого для диэлектрического стержня 2. Для плавного, согласованного перехода от воздушного и диэлектрическому заполнению отрезок волновода квадратного сечения облучателя 1 со стороны, примыкающей к контррефлектору 3, сужается до размера диэлектрического стержня 2. При этом выбранный размер обеспечивает сохранение в облучателе структуры поля для суперпозиции волн H₁₁ и E₁₁.

Электрические силовые линии электромагнитного поля обеспечивают формирование облучателем суммарной ДН волной H₁₀ (A, фиг. 3) и разностной ДН суперпозицией волн H₁₁ и E₁₁ (B фиг. 3) для первого мостового соединения в одной плоскости.

Электрические силовые линии электромагнитного поля волны H₁₀ (C фиг. 3) и суперпозиции волн H₁₁ и E₁₁ (D фиг. 3) при наличии второго мостового соединения обеспечивают формирование облучателем суммарной и разностной диаграмм направленности в другой плоскости.

При подведении мощности от передатчика к одному из суммарных 8, 12 входов (выходов) облучающего устройства распространяющаяся по волноводам запитывающего устройства 5 и облучателя электромагнитная волна через согласующий конец диэлектрического стержня 2 возбуждает диэлектрическую антенну. Мощность, излученная диэлектрической антенной, переотражается контррефлектором 3 в направлении параболического рефлектора, создает требуемое амплитудно-фазовое распределение в его раскрыве и излучается в виде сформированных ДН. При этом следует отметить, что суммарный канал работает как на прием, так и на передачу, а разностный - только на прием. Поэтому в режиме приема последовательность работы обратная, но уже с возбуждением двух каналов, причем синфазные сигналы выделяются в суммарных каналах, в противофазные - в разностных.

Развязка между прямым (торцевым) 7 и боковым 11 каналами запитывающего устройства может быть обеспечена наклонной решеткой из металлических штырей 14, устанавливаемых в многомодовом волноводе запитывающего устройства 5.

Согласование облучателя по разностному и суммарному каналам обеспечивается, например, металлическими диафрагмами 15 и диэлектрическими вкладышами 16, устанавливаемыми в волноводе облучателя 1.

Профиль образующей контррефлектора 3 может иметь форму эллипса.

Излучающее устройство предназначено для центрального осесимметричного расположения в раскрыве отражателя. Предлагаемая система позволяет расположить в раскрыве рефлектора непосредственно сам облучатель обратного излучения, а устройство запитки с волноводным трактом разместить сзади рефлектора на одной оси с облучателем.

Предлагаемое облучающее устройство компактно и обеспечивает улучшение высокочастотных характеристике из-за уменьшения затенения в раскрыве, особенно ощутимого в многоканальных моноимпульсных антеннах.

Облучающее устройство содержит антенну обратного осевого излучения, представляющую собой облучатель в виде волновода с установленным в нем диэлектрическим стержнем, один конец которого заканчивается профильным контррефлектором, а другой имеет сужающуюся форму, и запитывающее устройство. Волновод и диэлектрический стержень облучателя имеют квадратное сечение, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение волн с модами H₁₀, H₁₁ и E₁₁, при этом запитывающее устройство выполнено в виде торцевого соединения многомодового волновода квадратного сечения, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение волн H₁₀, H₁₁ и E₁₁, с каналом, образованным свернутыми в Е-плоскости плечами двойного Т-образного моста, два других плеча которого являются суммарным и разностным входами (выходами) облучающего устройства. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, так как обеспечивается формирование диаграммы направленности нескольких типов. Устройство компактно и обеспечивает улучшение высокочастотных характеристик из-за уменьшения затенения в раскрыве отражателя, что особенно важно для многоканальных моноимпульсных антенн. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Облучающее устройство, содержащее антенну обратного осевого излучения, представляющую собой облучатель в виде волновода, с установленным в нем диэлектрическим стержнем, один конец которого заканчивается профильным контррефлектором, а другой имеет сужающуюся форму, и запитывающее устройство, соединенное с волноводом, отличающееся тем, что волновод и диэлектрический стержень облучателя имеют квадратное сечение, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение волн с модами H₁₀, H₁₁ и E₁₁, при этом запитывающее устройство выполнено в виде торцевого соединения многомодового волновода квадратного сечения, размеры которого обеспечивают возбуждение и распространение волн H₁₀, H₁₁ и E₁₁, с каналом, образованным свернутыми в E-плоскости плечами двойного T-образного моста, два других плеча которого являются соответственно суммарным и разностным каналами облучающего устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что запитывающее устройство содержит второй, идентичный первому и ортогонально ориентированный по отношению к нему двойной T-образный мост, два свернутых плеча которого соединены с прорезанным в стенке многомодового волновода квадратного сечения окном, причем два других плеча моста являются суммарным и разностным каналами облучающего устройства в другой плоскости.