ВОЛНОВОДНЫЙ ИМИТАТОР ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2000 года по МПК G05B17/02 G09B9/54 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при разработке устройств для экспериментального моделирования фазированных антенных решеток (ФАР).

При разработке ФАР важно заранее знать характеристики ее излучения: ширину диаграммы направленности, коэффициент усиления, качество сложения парциальных волн от отдельных излучателей на оси ФАР и т.д., однако теоретически рассчитать эти характеристики заранее чаще всего не удается. Поэтому часто прибегают к экспериментальным методам, когда поле излучения ФАР может быть смоделировано с помощью всего лишь одного излучателя - элемента ФАР, помещенного в так называемый имитатор ФАР.

Известны волноводные имитаторы ФАР, представляющие собой отрезки волноводов, стенки которых выполнены из проводящего материала [1] (Шанников Д.В. Излучение и распространение электромагнитных волн. Учебное пособие. Л.: ЛПИ, 1990, 64 с. ), а также [2] (Старк Л. Теория фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона, ТИИЭР, 1974, т. 62, N 12, с. 55-104). Внутрь волновода помещают элемент ФАР и на некотором расстоянии L от него, на котором необходимо провести измерения, измерительный детектор. Тогда в результате многократных отражений от стенок волноводного имитатора сигнал, регистрируемый детектором, будет идентичен сигналу, испускаемому бесконечной синфазной ФАР.

Известен волноводный имитатор ФАР, выполненный в виде отрезка волновода с проводящими стенками с помещенными внутри него элементом ФАР и детектором, а поперечное сечение этого волновода представляет собой многоугольник, в частности прямоугольник [3] (Hannan P.W., Meier P.J. Balfour M.A., "Simulation of phased antenna impedance in waveguide", IEEE Trans. on Antenna and Propagation, Nov. 1963, p. 715-716). Этот имитатор, который выбран за прототип, также моделирует излучение бесконечной синфазной ФАР.

Недостатком вышеперечисленных имитаторов ФАР является тот факт, что реальную картину излучения ФАР с конечной площадью раскрыва и с конечным числом элементов в ней с помощью таких имитаторов смоделировать нельзя. Иными словами, в известных имитаторах при моделировании не учитывается влияние краев ФАР на поле излучения.

В последнее время стали разрабатываться мощные импульсные ФАР, состоящие из небольшого числа релятивистских СВЧ-генераторов, расстояние между которыми в решетке (период решетки) намного больше длины волны генерируемого излучения [4] (Levine J.S., Aiello N., Benford J., Harleneck B., "Design and operation of phase-locked relativistic magnetrons", J. Appl. Phys., 1991, v. 70, N 5, p. 2838-2848). В таких ФАР влияние ее краев на поле излучения особенно существенно. Поэтому технической задачей является создание имитатора для моделирования ФАР с заданной конечной площадью раскрыва или, что то же самое, с заданным конечным числом ее элементов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность моделирования поля излучения на оси ФАР, имеющей заданную конечную площадь раскрыва.

Данный технический результат достигается тем, что волноводный имитатор ФАР, выполненный в виде отрезка волновода с помещенными внутри него элементом ФАР и детектором, отличается тем, что стенки волновода выполняются двухслойными, причем внешний слой выполнен радиопоглощающим, а внутренний слой выполнен из диэлектрика.

Такой имитатор будет моделировать ФАР с конечным числом элементов, определяемым из соотношения
(1)
где L - расстояние между помещенными в имитатор элементом ФАР и детектором, на котором необходимо провести измерения; D - период решетки ФАР; N = 2n+1 - число элементов ФАР в одном ряду; ε - диэлектрическая проницаемость внутреннего слоя имитатора.

Принцип действия такого имитатора основан на явлении полного отражения электромагнитной волны от поверхности диэлектрика при условии превышения угла падения этой волны, отсчитываемого от нормали к поверхности, критического значения, называемого углом Брюстера [5] (Яворский Б. М., Детлаф А.А., "Справочник по физике", М. : Наука, 1979, 944 с.). Величина угла Брюстера определяется выражением
(2)
Напомним, что длина волны излучения ФАР с релятивистскими СВЧ-генераторами в качестве элемента этой решетки обычно много меньше периода решетки, а следовательно, и характерных размеров имитатора, поэтому применимо приближение геометрической оптики. В этом случае при больших углах падения (ϕ > ϕ_в), что соответствует малому количеству переотражений луча от стенок имитатора, его принцип действия сходен с принципом действия детской игрушки калейдоскоп. При малых углах падения (ϕ < ϕ_в), что соответствовало бы большому числу переотражений луча, волна проникает вглубь диэлектрика и поглощается на радиопоглощающей (безэховой) оболочке имитатора, не создавая изображений. Поэтому детектор регистрирует лишь конечное число изображений, соответствующих большим углам падения. Количество этих изображений соответствует неравенству (1), поэтому технический результат, заключающийся в обеспечении возможности моделирования ФАР с конечной площадью раскрыва и с конечным числом элементов в ней, достигается в предлагаемом решении.

На фиг. 1 показан пример выполнения предлагаемого волноводного имитатора; фиг. 2 поясняет принцип его действия.

Внутренний слой имитатора представляет собой диэлектрический слой 1, поперечное сечение которого изнутри ограничено квадратом с размером стороны, равным периоду моделируемой решетки D. В этом случае имитатор моделирует ФАР с элементами, расположенными в узлах квадратной сетки. Возможна и другая форма внутренней границы поперечного сечения диэлектрического слоя, например, в виде равностороннего треугольника. Внешний слой 2 имитатора выполняется в виде радиопоглощающего или безэхового покрытия, методы расчета и технология изготовления которого описаны в [6] (Мицмахер М.Ю., Торгованов В. А. Безэховые камеры СВЧ, М.: Радио и связь, 1982, 128 с.). В частности, на фиг. 1 показан безэховый слой 2, выполненный в виде профилированной пирамидами поверхности. Пунктиром на фиг. 1 показана сетка моделируемой ФАР, в узлах сетки расположены изображения элементов ФАР, номера этих изображений (1', 2' и т.д.) соответствуют числу переотражений лучей, формирующих эти изображения. Символом 0' обозначено положение элемента ФАР, с помощью которого осуществляется моделирование всей ФАР.

Рассмотрим принцип действия предлагаемого имитатора. Для этого обратимся к фиг. 2, на которой показано продольное сечение внутренних стенок имитатора и их изображений, причем вертикальные линии соответствуют внутренней границе диэлектрика. 0' - положение элемента ФАР, с помощью которого осуществляется моделирование всей ФАР; П - положение детектора; 1', 2' и т.д. - положения соответствующих изображений, формирующих поле ФАР. Сплошными тонкими линиями со стрелками на них показан ход реальных лучей, пунктиром показан кажущийся ход лучей, штрихпунктиром - возможный ход реальных и кажущихся лучей, если бы стенки были металлическими. В нашем примере только изображения 0', 1' и 2' регистрируются детектором, а изображений 3' и с более высокими номерами не существуют. Это соответствует тому, что углы падения ϕ₁ и ϕ₂ превышают угол Брюстера ϕ_в, а углы падения ϕ₃, ϕ₄ и т.д. меньше, чем ϕ_в. Поэтому лучи, соответствующие ϕ₃, ϕ₄ и т.д., проникают внутрь диэлектрического слоя 1 и поглощаются внешним безэховым слоем 2. Итак, приведенный пример волноводного имитатора моделирует ФАР с пятью элементами в каждом ряду как вертикальном, так и горизонтальном, то есть всего моделируется 25 элементов ФАР, расположенных в узлах квадратной сетки.

Таким образом, предложенный волноводный имитатор позволяет моделировать ФАР с конечным числом элементов в ней, то есть с конечной площадью раскрыва ФАР. В связи с этим нет необходимости в изготовлении всего набора элементов проектируемой ФАР, состоящий из небольшого количества обычно дорогостоящих релятивистских СВЧ-генераторов, достаточно лишь провести необходимые измерения с одним СВЧ-генератором, помещенным в предлагаемый имитатор.

Применение: антенная СВЧ-техника может применяться для экспериментального моделирования фазированной антенной решетки с помощью одного ее элемента, помещенного в имитатор. Волноводный имитатор в виде отрезка волновода с помещенными внутри него элементом ФАР и детектором выполняется двухслойным, причем внешний слой выполнен в виде безэхового (радиопоглощающего) покрытия, а внутренний слой - из диэлектрика. Принцип действия имитатора основан на явлении полного отражения электромагнитной волны от поверхности диэлектрика. Технический результат: возможность моделирования фазированной антенной решетки с конечным заданным числом элементов в ней, то есть решетки с коночной заданной площадью раскрыва. 2 ил.

Волноводный имитатор фазированной антенной решетки (ФАР), выполненный в виде отрезки волновода с помещенными внутри него элементом ФАР и детектором, отличающийся тем, что стенки волновода выполнены двухслойными, причем внешний слой выполнен радиопоглощающим, а внутренний слой выполнен из диэлектрика.