РЕШЕТКА ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1999 года по МПК H01Q21/00 H01Q21/06 

Изобретение относится к решеткам излучающих элементов, которые используются в качестве модуля в фазированных антеннах радаров, причем указанные излучающие элементы имеют форму прямоугольных в поперечном сечении, ограниченных стенками волноводов.

Такие решетки известны из Европейского патента EP-A-0 554378. B патенте описан антенный модуль для активной моноимпульсной фазированной антенной системы, содержащий корпус с четырьмя излучающими элементами в форме волноводов прямоугольного поперечного сечения. Путем соответствующей компоновки антенных модулей выполняют практически непрерывную антенную поверхность.

Целью данного изобретения является усовершенствование указанного патента путем повышения жесткости конструкции и уменьшения искажений. Другой целью является создание решетки, которая может быть изготовлена менее трудоемко и с меньшими издержками. Это достигается тем, что излучающие элементы в данной решетке расположены в основном параллельно на общей стенке, которая образует боковую стенку для каждого волновода.

Один из предпочтительных вариантов изобретения имеет ту особенность, что указанная стенка образует наиболее широкую стенку каждого излучающего элемента.

Если излучающие элементы имеют не квадратное поперечное сечение, а это есть общий случай, то излучающие элементы закрепляются на указанной стенке таким образом, чтобы самые широкие их стенки прилегали к упомянутой стенке, в результате чего последняя и образует широчайшую стенку каждого излучающего элемента. Благодаря этому экономится материл и обеспечивается жесткость конструкции.

Другой предпочтительный вариант решетки характерен тем, что указанная стенка выполнена из листа. Такое выполнение дешево, технологично и обеспечивает хорошую сборку.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что по крайней мере часть излучающего элемента имеет П-образное сечение, причем эта часть закрепляется на указанной стенке основаниями своих вертикальных боковых стенок.

Такая конструкция дает целый ряд преимуществ. Во-первых, П-образную часть легко изготовить, во всяком случае легче, чем трубковидную. Например, можно для П-образной детали применить прокатку, в то время, как трубка может быть изготовлена только в результате гораздо более дорогого экструзионного процесса. Далее, П-образная в поперечном сечении часть может быть легко закреплена на стенке путем припаивания боковых стенок без выполнения дополнительных зазоров или выемок, которые отрицательно сказываются на электрических характеристиках антенны. Кроме того, использование П-образных секций в описанных конструкциях предпочтительнее трубчатых и с точки зрения механических свойств. В конструкции с применением П-образных в сечении секций излучающих элементов дополнительные преимущества извлекаются за счет использования указанной стенки в качестве боковой стенки излучающего элемента. В этом случае П-образная секция должна закрепляться на стенке по всей длине, без каких-либо воздушных зазоров.

Возможным вариантом является также выполнение щелей в стенке по всей длине секций для введения в них вертикальных боковых стенок этих секций. Такое выполнение значительно облегчает технологи. П-образные секции могут монтироваться в указанных щелях надежно, без опасности сдвига, и затем закрепляться пайкой.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что по крайней мере один излучающий элемент по крайней мере в собранном состоянии имеет переходной элемент, который служит для в основном безрефлекционного подвода энергии излучения к указанному излучающему элементу.

Такой переходной элемент позволяет при минимуме потерь передачу энергии излучения, генерируемой в расположенном отдельно от антенны передатчике. Так как излучающие элементы расположены на очень небольшом расстоянии друг от друга, исключается, ввиду недостатка места, боковой подвод энергии к излучающим элементам. Поэтому остается только один путь подвода энергии - снизу, для чего указанные переходные элементы прекрасно приспособлены.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что по крайней мере один переходной элемент по крайней мере в собранном состоянии выполнен заодно со стенкой.

Это дает особые преимущества в технологии изготовления решетки. Стенка, например, выполненная из листа, первоначально оснащается переходными элементами, закрепляемыми, например, пайкой. После этого на ней закрепляются излучающие элементы.

Еще один особо предпочтительный вариант решетки характерен тем, что по крайней мере один переходной элемент выполняется заодно со стенкой.

Поскольку установка переходных элементов на стенке - задача, требующая большой затраты времени, можно рекомендовать изготавливать переходные элементы заодно со стенкой. При этом экономится несколько технологических операций, что приводят к уменьшению производственных затрат. При использовании П-образных секций излучающих элементов в комбинации с переходными элементами удаляется материал стенки в местах крепления излучающих элементов. Затем при сборке секция устанавливается так, что она охватывает переходной элемент. Использование П-образных в сечении секций и переходных элементов, изготавливаемых за одну операцию вместе со стенкой, значительно упрощает технологию изготовления и позволяет создать легкую и весьма жесткую конструкцию. При использовании трубчатых секций установка переходных элементов в излучатели требует значительно большего времени, чем в описанном выше случае.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что стенка выполняется в комбинации с, по крайней мере, одним переходным элементом за по, крайней мере, одну операцию экструзии, во время которой образуется форма переходного элемента.

При использовании листовой стенки появляется возможность за одну операцию экструзии изготовить стенку с заготовками всех переходных элементов. В процессе последующих механических операций, таких как фрезерование, сверление или протяжка, изготавливаются другие элементы, необходимые для надлежащего функционирования переходных элементов. Дополнительным преимуществом такой технологии является высокопрочная связь между переходным элементом и стенкой.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что переходной элемент содержит проводник в основном лепестковой формы, который расположен в основном параллельно стенке, причем указанный проводник в определенной точке соединен со стенкой, а его остальная часть образует паз со стенкой. Такие переходные элементы обладают соответствующими электрическими характеристиками и прекрасно приспособлены для изготовления методом экструзии, особенно в комбинации со стенкой.

Кроме того, лепестковый проводник на одном конце снабжен соединительным элементом для присоединения проводника, несущего энергию излучения. Такое выполнение дает возможность управлять индивидуально каждым излучающим элементом через индивидуальные подводящие проводники.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что излучающие элементы расположены на обеих сторонах стенки. Таким образом, на одной стенке можно разместить максимальное количество излучающих элементов со всеми вытекающими отсюда преимуществами. В результате получается самая легкая и компактная конструкция, так как в этом случае необходимо наименьшее количество стенок для антенны.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что ряд излучающих элементов, расположенных на одной стороне стенки, смещен в поперечном направлении относительно ряда излучающих элементов, расположенного на другой стороне стенки. Такое выполнение обеспечивает большую жесткость конструкции при том же весе, при этом формирование луча значительно улучшается.

Еще один предпочтительный вариант решетки характерен тем, что ряд излучающих элементов, расположенный на одной стороне стенки, смещен относительно ряда излучающих элементов, расположенного на другой стороне стенки, причем величина этого смещения в основном равна половине расстояния между плоскостями симметрии двух соседних излучающих элементов, расположенных на одной из сторон стенки. При таком выполнении достигается оптимальная жесткость конструкции и создаются наилучшие условия для формирования луча.

Путем размещения на близком расстоянии нескольких описанных решеток можно построить почти непрерывную антенную поверхность. При этом фронтальную поверхность такой антенны может образовывать плоская диафрагма, закрепленная на концах указанных стенок. Применение такой диафрагмы, с одной стороны, существенно уменьшает взаимную интерференцию излучающих элементов, а, с другой стороны, значительно увеличивает жесткость конструкции. Эта диафрагма может быть выполнена из плоского листа, имеющего определенную проводимость. В местах прилегания концов излучающих элементов в диафрагме выполняются отверстия прямоугольные по форме, а по площади меньше площади поперечного сечения полостей излучающих элементов. С тыльной стороны антенны, в месте расположения переходных элементов может быть помещена задняя стенка, которая снабжена соответствующими присоединительными устройствами для подключения к переходному элементу. Указанная задняя стенка еще более улучшает жесткость конструкции.

Соответствующая данному изобретению решетка более детально описана ниже со ссылками на следующие чертежи.

На фиг. 1A представлена решетка излучающих элементов, выполненная в соответствии с данным изобретением и содержащая стенку в форме листа, на обеих сторонах которого укреплены излучающие элементы.

Фиг. 1B представляет сечение по А-А фиг. 1A.

На фиг. 2 представлено несколько решеток излучающих элементов по данному изобретению, установленных рядом и снабженных диафрагмой.

Фиг. 3 представляет П-образную часть излучающего элемента, которые образуют решетку согласно данному изобретению.

Фиг. 4 представляет стенку решетки излучающих элементов согласно данному изобретению.

Активная моноимпульсная радарная антенна состоит обычно из нескольких антенных модулей. Каждый антенный модуль имеет излучающий элемент, а все излучающие элементы совместно образуют антенную поверхность. Для получения приемлемого коэффициента "цена-качество" конструкция модуля должна быть хорошо продумана.

Активная моноимпульсная фазированная радарная антенна содержит устройство, на котором антенные модули могли бы быть собраны. Должна иметься также распределительная сеть для снабжения энергией и передачи сигналов на радиочастотах. Далее, должны иметься суммирующие и дифференцирующие контуры для генерирования Σ, ΔB, ΔE выходных сигналов.

Поскольку антенна обычно устанавливается на вершине мачты судна, она должна иметь небольшую массу. Кроме того, легкая конструкция обычно дешевле конструкций тяжелых. При использовании металлических волноводов в качестве излучающих элементов фазированной антенны радара вопрос экономного использования материалов является весьма существенным.

Фазированная антенна радара содержит множество излучающих элементов. Поэтому желательно, как можно более ограничить количество компонентов, приходящихся на каждый излучающий элемент. С точки зрения технологии производства следует обеспечить наибольшую простоту компонентов излучающего элемента. Кроме того, как можно больше компонентов должны изготавливаться за минимальное количество технологических операций.

Ограниченное количество компонентов также целесообразно с точки зрения сборки. Конструкция антенны должна предусматривать минимум операций сборки.

Для того, чтобы обеспечить высокую точность формирования радарного луча, важно, чтобы излучающие элементы располагались с большой точностью на равных расстояниях друг от друга, причем это расположение должно быть независимо от воздействия внешних сил. Отсюда следует, что конструкция антенны должна быть жесткой.

Решетка излучающих элементов, соответствующих данному изобретению, используемая в качестве модуля фазированной антенны, создавалась с целью удовлетворить всем приведенным выше требованиям.

На фиг. 1A представлен вид на тыльную часть решетки излучающих элементов 1, выполненную согласно данному изобретению. Решетка состоит из стенки 2, выполненной из листа. На обеих сторонах стенки 2 закреплены излучающие элементы. Именно с тыльной стороны к излучающим элементам подводится энергия излучения от не показанного на фиг приемо-передающего элемента. Излучающий элемент состоит из П-образной в сечении части 3, которая образована перемычкой 4 и двумя боковыми стенками 5. Последние присоединены своими основаниями 6 к стенке 2.

Таким образом, стенка 2 образует четвертую сторону всех излучающих элементов. Излучающие элементы расположены в основном параллельно на стенке 2. Если это необходимо, излучающие элементы могут выступать за стенку 2 на передней стороне решетки. Путем закрепления П-образных частей излучающих элементов на стенке 2 получают жесткую малодеформируемую конструкцию, что позволяет формировать радиолуч с высокой точностью. Определенные преимущества вытекают также из того, что стенка 2 образует одну из боковых поверхностей излучающего элемента. Чтобы эти преимущества реализовать, стенка 2 должна обладать проводимостью. Дополнительным преимуществом является то, что стенка 2 образует механическую связь между излучающими элементами.

Связь между П-образными частями 3 излучающих элементов и стенкой 2 может быть осуществлена с помощью пайки, причем паяные соединения занимают в основном всю длину оснований 6.

В рассматриваемом варианте изобретения боковые стенки 5 короче перемычки 4. Ширина перемычки 4 не должна превышать λ/2, чтобы исключить работу излучающих элементов в режиме запирания. В конструкции, показанной на чертеже, стенка 2 представляет наиболее широкую боковую стенку излучающего элемента, хотя она может образовывать и наиболее узкую стенку. На стенке 2 закрепляется также переходной элемент 7.

На фиг. 1B представлено сечение по А-А фиг. 1A. Из этого чертежа следует, что переходный элемент 7 содержит лепесток 8, который со стенкой образует паз 9. Лепесток 8 через промежуточную часть 10 механически и электрически соединен со стенкой 2. Лепесток 8 имеет соединительное гнездо 11, в которое входит штырь 12 линии связи, по которой к переходному элементу 7 подводится высокочастотная энергия. Таким образом, элемент 7 обеспечивает безрефлекционное соединение для подвода к излучающему элементу 1 энергии, преобразующейся в энергию излучения.

На фиг. 1B, кроме того, показана задняя стенка 13, снабженная штырями 12, которые одними концами введены в соединительные гнезда 11 лепестков 8 переходных элементов 7. К другим концам штырей 12 присоединен приемо-передающий модуль. Задняя стенка 13 может иметь не показанные на фиг. короткие выступы, размеры которых должны в точности соответствовать внутренним полостям излучающих элементов. Таким образом, с помощью этих штырей решетка излучающих элементов может устанавливаться на задней стенке 13 перед окончательной сборкой.

В показанном на чертеже варианте изобретения переходной элемент 7 изготовлен так, что он представляет единое целое со стенкой 2. Переходные элементы 7 могут быть выполнены методом экструзии, что позволяет получить профиль переходного элемента 7 за одну операцию. Впоследствии необходимое снятие материала может быть сделано фрезерованием в местах крепления оснований 6 излучающих элементов 3 к стенке. При этом можно обеспечить равенство ширины промежуточной части 10 и перемычки 4 с тем, чтобы элементы 3 могли бы припаиваться без изменения заданного положения. Возможен также вариант, в котором промежуточная часть 10 имеет меньшую ширину, чем внутренняя часть перемычки 4. При этом, например, фрезерованием выполняются щели в стенке 2 в местах крепления оснований 6 излучающих элементов. После выполнения щелей в них с минимальным зазором вводятся основания 6. Очевидно, что возможные оптимальные варианты предварительного крепления излучающих элементов не исчерпываются рассмотренными выше. Для этой цели могут, например, использоваться съемные дистанционирующие зажимы. Однако все возможные варианты здесь не рассматриваются. Самым оптимальным и в тоже время сберегающим и эффективным способом предварительного крепления является использование описанных щелей. Переходные элементы могут также быть выполнены методом металлообработки из более массивной заготовки.

Излучающие элементы, переходные элементы, стенку предпочтительно изготавливать из одного и того же материала, например алюминия.

При креплении излучающих элементов на обеих сторонах стенки 2 эти элементы на одной стороне лучше располагать в шахматном порядке относительно излучающих элементов на другой стороне со сдвигом, обозначенным a2 на фиг. 1A, причем этот сдвиг в основном равен половине расстояния a1 /см. фиг. 1A/ между плоскостями симметрии двух соседних излучающих элементов. Такое выполнение удобно как с точки зрения технологии изготовления антенны, так и с точки зрения ее механической жесткости.

На фиг. 2 показано, как решетки 1 излучающих элементов могут быть собраны в единую трехмерную конструкцию антенны. Основание решетки закреплено на задней стенке 13. Последняя имеет отверстия 14, через которые пропущены провода связи, не показанные на чертеже. Эти провода присоединены к соответствующим переходным элементам 7, которые не видны на фиг. 2. Излучающие элементы 1 расположены на обеих сторонах стенки 2. Диафрагма 15 укреплена на передних концах излучающих элементов и служит для уменьшения взаимной интерференции излучающих элементов и для увеличения механической жесткости конструкции в целом. Отверстия в диафрагме меньше, чем соответствующие сечения полостей излучающих элементов. Диафрагма может быть закреплена с помощью пайки.

На фиг. 3 показана П-образная в поперечном сечении деталь, которая в данном варианте служит излучающим элементом. Позиции на этой фиг те же, что на предыдущих чертежах. П-образная в сечении деталь может быть изготовлена прокатом или экструзией. Ее боковые стенки у оснований утолщены в той мере, в какой это облегчает закрепление детали.

На фиг. 4 представлена стенка 2, которая содержит определенное количество переходных элементов 7. Здесь позиции также соответствуют позициями на других чертежах. Переходные элементы 7 изготовлены заодно со стенкой 2 в процессе экструзии, когда на поверхности стенки образуют единый профиль переходных элементов. В местах расположения оснований 6 излучающих элементов путем фрезерования выполняют выемки 16. Если это необходимо, переходные элементы могут быть изготовлены отдельно, а затем закреплены на стенке 2, например пайкой. Однако эта технология сложнее и поглощает больше времени, чем описанная выше. Другое решение - это выполнение элементов 7 фрезерованием из утолщения на стенке 2. Эта технология требует больше времени, чем экструзия плюс фрезерование, но менее продолжительна, чем отдельное изготовление переходных элементов и последующее их закрепление.

Изобретение содержит решетку излучающих элементов, используемую в качестве модуля в фазированой антенне радара, причем излучающие элементы состоят из волноводов прямоугольного поперечного сечения. Излучающие элементы расположены на общей стенке, которая образует общую замыкающую поверхность каждого излучающего элемента. Каждый излучающий элемент предпочтительно содержит П-образную в сечении секцию. Техническим результатом является обеспечение жесткости конструкции, причем решетка может быть изготовлена в результате минимума технологических операций. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Линейная решетка прямоугольных волноводных излучателей для использования в качестве модуля в двухмерной фазированной антенной решетке, в которой каждый излучающий элемент содержит волновод, причем излучающие элементы установлены в основном параллельно, с тыльной стороны каждый излучающий элемент сообщен с источником энергии излучения, а на внешних концах излучающих элементов установлена диафрагма, отличающаяся тем, что каждый излучающий элемент имеет, по крайней мере, на некотором участке по длине часть П-образного поперечного сечения, которая закреплена на стенке, общей для всех излучающих элементов основаниями боковых стенок. 2. Линейная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом излучающем элементе помещен переходной элемент, выполненный заодно с общей стенкой и подключенный к источнику энергии излучения. 3. Линейная решетка по п.2, отличающаяся тем, что она содержит заднюю стенку, установленную со стороны тыльных концов излучающих элементов и имеющую отверстия, через которые пропущены штыри, связанные с переходными элементами. 4. Линейная решетка по п.2, отличающаяся тем, что переходный элемент содержит лепесток, образующий с общей стенкой паз. 5. Линейная решетка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что общая стенка имеет щели, в которые заведены основания боковых стенок П-образных частей излучающих элементов. 6. Линейная решетка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что основания боковых стенок П-образной части излучающих элементов прикреплены к общей стенке пайкой. 7. Линейная решетка по любому из вышеприведенных пунктов, отличающаяся тем, что излучающие элементы расположены на обеих сторонах общей стенки. 8. Линейная решетка по п.7, отличающаяся тем, что ряд излучающих элементов, расположенных на одной стороне общей стенки, сдвинут в поперечном направлении относительно ряда излучающих элементов, расположенных на другой стороне общей стенки. 9. Линейная решетка по п.8, отличающаяся тем, что сдвиг ряда излучающих элементов, расположенных на одной стороне стенки относительно ряда излучающих элементов, расположенных на другой стороне общей стенки, равен в основном половине расстояния между плоскостями симметрии двух соседних излучающих элементов на одной из сторон общей стенки.