ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЛУЧОМ Российский патент 2001 года по МПК H01Q21/00 

Техническое решение относится к радиолокации и может быть использовано в размещаемых на борту летательного аппарата (ЛА) радиолокационной станции (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) с электронным сканированием диаграммы направленности антенны (ДНА), предназначенных для обнаружения целей.

Известна двухчастотная ФАР (см. AP-S Int. Symp., Amherst 1976, New York, 1976, pp. 323-325), содержащая группу примыкающих друг к другу открытых концов волноводов высокочастотного и низкочастотного диапазонов, причем излучатели обеих частотных диапазонов размещены в одной апертуре и представляют собой волноводно-волноводную совмещенную ФАР, а также фидерную систему разводки и управления фазой и амплитудой сигналов.

Известна двухчастотная ФАР (см. Д. Н. Воскресенский, 1994, Антенны и устройства СВЧ, Москва, Радио и связь, стр. 107, фиг. 4.2 г), включающая единую апертуру антенной системы, которая образована открытыми концами низкочастотных волноводов, а раскрыв высокочастотных волноводов служит рефлектором для поля низкочастотного диапазона, волноводы низкочастотного диапазона возбуждаются штырями от коаксиальных линий, причем высокочастотные волноводы излучают через отрезки низкочастотных волноводов.

Известна антенна с электронным сканированием (см. патент IP N 8601/94 МПИ H 01 Q 03/26, 1994), содержащая излучающий антенный блок, образованный с помощью первой излучающей апертуры со схемой управления фазой питания и излучающими элементами, а также второй излучающей апертурой со схемой управления фазой питания и излучающими элементами, и блок питания, причем блок питания обеспечивает два режима питания антенны, располагает переключателями для устройства распределения мощности.

Известно устройство управления наведения луча для антенной системы с электронным сканированием (см. патент ЕР N 0415818 МПИ H 01 Q 03/26, 1992), содержащая фазированную антенной решетки верхнего диапазона и нижнего диапазонов, причем ФАР нижнего диапазона включает n устройств распределения и фазирования сигналов (размещенных соответственно в правой и левой половинах фазированной антенной решетки верхнего диапазона).

Известна двухчастотная ФАР (см. Д.Н. Воскресенский, 1994, Антенны и устройства СВЧ, Москва, Радио и связь), включающая единую апертуру антенной системы, в которой расположены разночастотные излучатели, два независимых тракта питания, состоящие из делителей мощности высокочастотного и низкочастотного диапазонов, а также двух блоков фазовращателей этих диапазонов, а также полосовых фильтров, включенных на входе делителей мощности и/или перед каждым излучателем. При этом, как правило, излучатели низкочастотного диапазона располагаются над излучателями высокочастотного диапазона.

Известна двухчастотная ФАР (см. Д.Н.Воскресенский, 1994, Антенны и устройства СВЧ, Москва, Радио и связь, стр. 107, фиг.4.2б, а также см. Известия вузов. Радиотехника, 1981, т.24, N 5, стр.23, Л.И.Пономарев, Двухчастотная волноводно-вибраторная совмещенная ФАР, стр.23-36), включающая единую апертуру антенной решетки, причем в качестве излучателей высокочастотного диапазона выбраны волноводы, которые служат экраном для вибраторных излучателей низкочастотного диапазона.

Известное техническое решение позволяет использовать двухчастотную работу ФАР, однако не позволяет решить задачу развязки между частотными диапазонами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является двухчастотная антенная решетка (см. патент US N 4097868 НКИ 343-727, 1978), содержащая две совмещенные в одной апертуре антенные решетки, причем одна состоит из волноводных излучателей и работает в высокочастотном диапазоне, другая выполнена из расположенных над раскрывом полуволновых симметричных вибраторных излучателей и работает в низкочастотном диапазоне. Излучатели низкочастотного диапазона располагаются над излучателями высокочастотного диапазона в совмещенной двухчастотной ФАР. Питание излучателей и включение фазовращателей в каждом частотном диапазоне, как правило, независимы и реализуются в соответствии с принципами и контроля фидерного тракта обычных одночастотных ФАР, особенность схем питания совмещенных ФАР являются более жесткие габариты и конструктивные ограничения, связанные с необходимостью размещения два физических тракта в ограниченном объеме.

Совмещение разночастотных ФАР в рамках одной или перекрывающихся апертур позволяет существенно расширить их функциональные возможности. Однако совмещение ФАР приводит к взаимному искажению характеристик, особенно высокочастотной ФАР, причем наибольшие искажения в характеристиках направленности высокочастотной ФАР возникают при совпадении поляризации обеих решеток. Основной вклад в эти искажения дают токи, наводимые полем высокочастотной ФАР на активные плечи низкочастотных вибраторов. Интенсивность этих токов и, соответственно, величина искажений, существенно зависят от длины активных плеч вибраторов.

Влияние вибраторов на характеристики излучения высокочастотной антенной решетки, обусловленное паразитными возбуждениями плеч вибраторов полем высокочастотной антенной решетки, проявляется как увеличение уровня боковых лепестков и снижение коэффициента усиления высокочастотной антенной решетки.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в минимизации воздействия излучения низкочастотного диапазона ФАР на характеристики излучения высокочастотной ФАР при обеспечении близких к предельным характеристикам низкочастотной ФАР.

Указанный результат достигается следующим образом. В двухдиапазонной антенной системе с электронным управлением лучом, включающей в себя фазированную антенную решетку высокочастотного диапазона и фазированную антенную решетку низкочастотного диапазона, излучатели образуют единую апертуру антенной системы. Апертуры высокочастотной и низкочастотной ФАР соосны с точностью до периода расположения высокочастотных излучателей в каждой плоскости, излучатели высокочастотной ФАР, образующие регулярную периодическую структуру, объединены в линейки, а излучатели низкочастотной ФАР, образующие регулярную периодическую структуру, расположены между линейками высокочастотной ФАР. Период расположения излучателей низкочастотной ФАР в первой плоскости может выбираться строго в соответствии с заданным сектором сканирования, а во второй плоскости - дискретно, с шагом, кратным периоду расположения излучателей высокочастотной ФАР в этой плоскости.

Излучатели низкочастотного диапазона выполнены в виде укороченных H-образных вибраторов с активным плечом длиной L₁ и пассивным плечом длиной L₂, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линий длиной h с симметрирующими щелями длиной L₃, причем длина L₁ выбрана в интервале от 0,209 до 0,15λ , длина L₂ выбрана в интервале от (0,05±0,015)λ (при L₁=0,209λ) до (0,01±0,0005)λ (при L₁=0,15λ), длина L₃ выбирается в интервале от (0,18±0,005)λ (при L₁=0,209λ) до (0,146±0,002)λ (при L₁= 0,15λ), длина h выбирается в интервале (0,25-0,23)λ, а на стойках установлены диэлектрические трубки из материала с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0-2,5 и толщиной стенки (0,002-0,005)λ, где λ - средняя длина рабочей волны низкочастотного диапазона. Такая конструкция обеспечивает согласование вибратора со свободным пространством с КСВН не хуже 1,4 в полосе частот ± 5%.

Кроме того, излучатели низкочастотного диапазона могут быть расположены не на всей апертуре, а в полосе с максимальным горизонтальным размером, образуя двух- и трехрядную структуру, причем при двухрядном расположении, излучатели одного ряда сдвинуты в горизонтальной плоскости относительно излучателей второго ряда на половину периода, а при трехрядном расположении излучатели каждого ряда сдвинуты относительно других рядов излучателей на одну треть периода.

В определенных конкретным назначением условиях, излучатели низкочастотного диапазона занимают всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона только центральную часть апертуры.

Излучатели низкочастотного диапазона могут быть смещены на случайную величину в единой апертуре антенной системы относительно регулярной координаты, причем среднеквадратичная величина смещения не должна превышать 0,1 от величины периода расположения излучателей своего частотного диапазона.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании в антенной системе на частоте низкочастотной ФАР, вместо полуволновых Н-образных симметричных вибраторов, имеющих меньшую, чем λ/2 длину активных плеч, а это позволяет ослабить искажения диаграммы направленности высокочастотной ФАР (укорочение активных плеч до (0,35-0,25)λ снижает рассеянную мощность в 1,5-2 раза) при обеспечении оптимальных собственных характеристик низкочастотной ФАР.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На фиг. 1 изображена апертура двухдиапазонной антенной системы, на фиг. 2 - излучатель низкочастотного диапазона.

Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом состоит из вибраторов 1, встроенных в полотно излучателей 2 волноводной высокочастотной антенной решетки, причем вибраторы 1 содержат активные плечи 3 длиной L₁, пассивные плечи 4 длиной L₂ и поддерживающие плечи над раскрывом 2 на высоте h стойки 5 из цилиндрических коаксиалов с симметрирующими щелями длиной L₃ 6 и с диэлектрической трубкой 7.

Устройство работает следующим образом.

Излучатели как высокочастотной ФАР 2, так и низкочастотной ФАР 1 возбуждаются по своим законам и формируют соответствующие диаграммы направленности. При этом центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину не более периода расположения излучателей высокочастотной ФАР 2. Часть энергии излучения высокочастотной ФАР 2 попадает на излучатели низкочастотной ФАР 1, внося определенные возмущения в первоначальное поле излучения высокочастотной ФАР 2. В силу этих возмущения и периодичности расположения излучателей низкочастотной ФАР 1, в диаграмме направленности высокочастотной ФАР 2 появляются дополнительные боковые лепестки (паразитные лепестки рассеяния).

Излучатели ФАР низкочастотного диапазона 1 выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом 3 длиной L₁ и пассивным плечом 4 длиной L₂, установленных на стойках 5, выполненных на отрезках коаксиальной линий высотой h с симметрирующими щелями 6 длиной L₃, причем длина L₁ выбрана в интервале от 0,209 до 0,15λ, длина L₂ выбрана в интервале от (0,05±0,015)λ (при L₁=0,209λ) до (0,01±0,0005)λ (при L₁ = 0,15λ), длина L₃ выбирается в интервале от (0,18±0,005)λ (при L₁=0,209λ) до (0,146 ± 0,002)λ (при L₁ = 0,15λ), длина h выбирается в интервале (0,25-0,23)λ, а на стойках установлены диэлектрические трубки из материала с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0-2,5 и толщиной стенки (0,002-0,005)λ, где λ - средняя длина рабочей волны низкочастотного диапазона.

При таком построении излучателей низкочастотной ФАР 1, энергия взаимодействия между ФАР разных диапазонов минимизируется (минимизируется амплитуда токов, возбуждаемых на плечах вибраторов полем излучения высокочастотной ФАР 2), сводя тем самым к минимуму уровень паразитных лепестков рассеяния в диаграмме направленности высокочастотной ФАР.

Было установлено, что эффективность излучения Н-образных вибраторов 1 в полосе частот может быть обеспечена только при наличии во входной проводимости реактивной составляющей емкостного характера, т.е. при относительно коротких пассивных плечах 4, причем такому режиму настройки соответствует и малая добротность излучателя. Однако согласование вибраторов 1 возможно, лишь при условии компенсации входной реактивности с помощью дополнительных элементов конструкции (специального шлейфа, трансформатора и т.д.), причем в совмещенной антенной системе введение дополнительных узлов и элементов, как правило, нежелательно. Предложено использование симметрирующих щелей длиной L₃ в качестве звеньев согласующей цепи (см. Известия вузов, Радиоэлектроника, 1976, т. XIX, N 5, Т.Г.Иванова, Эквивалентная схема и расчет щелевых симметрирующих устройств). Оптимальным для настройки оказались значения ε в пределах 2-2,5 (например, фторопласт), и найденные для настройки значения укладываются в следующие простые соотношения для размеров активного и пассивного и симметрирующего плеч L₁, L₂, L₃, где L₁ от 0,209 до 0,15λ, L₂ от (0,05±0,005)λ до (0,01±0,0005)λ, L₃ от (0,18±0,005)λ до (0,146 ± 0,002)λ.. Кроме того, излучатели низкочастотного диапазона 1 могут быть расположены в полосе с максимальным горизонтальным размером, образуя двух- и трехрядную структуру, причем при двухрядном расположении, излучатели одного ряда сдвинуты в горизонтальной плоскости относительно излучателей второго ряда наполовину периода, а при трехрядном расположении излучатели каждого ряда сдвинуты относительно других рядов излучателей на одну треть периода. В силу общего уменьшения числа излучателей низкочастотной ФАР 1 (при этом характеристики излучателя низкочастотной ФАР 1 все еще удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям) уровень взаимодействия и, следовательно, уровни паразитных лепестков рассеяния еще более уменьшатся (от 2 дБ при диаметре высокочастотной апертуры 15λ до 4,0 дБ при диаметре высокочастотной апертуре 35λ ).

Излучатели низкочастотного диапазона ФАР 1 могут быть смещены на случайную величину в единой апертуре антенной системы относительно регулярной координаты, причем среднеквадратичная величина смещения не должна превышать 0,1 от величины периода расположения излучателей низкочастотного диапазона. В результате возмущения высокочастотные поля излучения становятся не вполне периодическими, вследствие чего, при сохранении общей энергии взаимодействия, уровень паразитных лепестков рассеяния понижается примерно на 5-12 дБ. Однако при этом имеет место ухудшения характеристик излучения низкочастотной ФАР 1, этим и обусловлено ограничение на допустимую величину среднеквадратичного смещения.

Излучатели низкочастотного диапазона 1 могут занимать всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона 2 только центральную часть апертуры, что позволяет сблизить между собой характеристики направленности низкочастотной 1 и высокочастотной ФАР 2.

Предлагаемое техническое решение позволяет осуществить минимизацию воздействия излучателей низкочастотного диапазона на характеристики излучения высокочастотного диапазона за счет использования предлагаемой схемы построения апертуры низкочастотной и высокочастотной ФАР при обеспечении оптимальных собственных характеристик, кроме того, осуществляется разрушение лепестков рассеяния в диаграмме направленности высокочастотной ФАР.

Улучшаются эксплуатационные характеристики, обусловленные повышением механической прочности и упрощением настройки H-образных вибраторов при укороченных пассивных плечах, а также достигается снижение трудоемкости и стоимости антенной системы.

Относится к радиолокации. Технический результат заключается в минимизации воздействия излучения низкочастотного диапазона ФАР на характеристики излучения высокочастотной ФАР при обеспечении близких к предельным характеристикам низкочастотной ФАР. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом, включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, причем излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы, центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР, излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки, а излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды, причем величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами дискретно, с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели низкочастотного диапазона могут быть расположены не на всей апертуре, образуя двух- и трехрядную структуру, либо занимают всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона - только центральную часть апертуры, либо могут быть смещены на случайную величину, либо могут быть выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом длиной L₁ и пассивным плечом длиной L₂, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линии длиной h с симметрирующими щелями длиной L₃, причем L₁, L₂, L₃, h выбираются по приведенным формулам. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом, включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, причем излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы, отличающаяся тем, что центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР, излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки, а излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды, причем величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами дискретно, с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР. 2. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели низкочастотного диапазона расположены не на всей апертуре, а в полосе с максимальным линейным размером вдоль одной из осей апертуры, образуя двух- и трехрядную структуру, причем при двухрядном расположении излучатели одного ряда сдвинуты относительно излучателей второго ряда на половину периода, а при трехрядном расположении излучатели каждого ряда сдвинуты относительно других рядов излучателей на одну треть периода. 3. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом по п.1, отличающаяся тем, что излучатели низкочастотного диапазона занимают всю апертуру антенной системы, а излучатели высокочастотного диапазона только центральную часть апертуры. 4. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели низкочастотного диапазона могут быть смещены на случайную величину в единой апертуре антенной системы относительно регулярной координаты, причем среднеквадратичная величина смещения не должна превышать 0,1 от величины периода расположения излучателей низкочастотного диапазона в соответствующей оси координат. 5. Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели низкочастотного диапазона выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом длиной L₁ и пассивным плечом длиной L₂, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линий длиной h с симметрирующими щелями длиной L₃, причем длина L₁ выбрана в интервале от 0,209 до 0,15λ, длина L₂ выбрана в интервале от (0,05±0,015)λ при L₁=0,209λ, до (0,01±0,0005)λ при L₁=0,15λ, длина L₃ выбирается в интервале от (0,18±0,005)λ при L₁=0,209λ, до (0,146±0,002)λ при L₁= 0,15λ, длина h выбирается в интервале (0,25-0,23)λ, а на стойках установлены диэлектрические трубки из материала с диэлектрической проницаемостью ε= 2,0-2,5 и толщиной стенки (0,002-0,005)λ, где λ - средняя длина рабочей волны низкочастотного диапазона.