АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ ПО РАСКРЫВУ АНТЕННЫ Российский патент 2002 года по МПК H01Q21/00 H01Q3/26 H01P5/12 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным устройствам направленного излучения СВЧ-сигнала, и может быть использовано при разработке малогабаритных РЛС обнаружения наземных целей малой и средней дальности.

Антенная система является одним из основных устройств, которые оказывают определяющее влияние на характеристики РЛС, и должна иметь минимальные массогабаритные характеристики при максимально возможном коэффициенте усиления.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются антенные устройства РЛС обнаружения AN/PPS-5 (США), "Кредо" (СССР), Rasit-E (Франция) [1].

Антенное устройство в указанных станциях включает параболическую антенну, которая является достаточно широкополосной и довольно проста в изготовлении.

Недостатком антенн этого типа являются сравнительно большие поперечные размеры, обусловленные наличием облучателя и некоторая сложность компановки в малогабаритных РЛС, а также низкий коэффициент η=КИП•КПД, где КИП - коэффициент использования поверхности раскрыва, КПД - коэффициент полезного действия.

Энергетические характеристики параболической антенны зависят от ряда факторов, сложно взаимодействующих между собой. Так, при улучшении равномерности амплитудного распределения в раскрыве уменьшается доля мощности, перехватываемая зеркалом, т.е. увеличивается коэффициент рассеяния мощности.

В параболических антеннах снижение КПД в основном обусловлено
- рассеянием мощности, излученной облучателем за пределы раскрыва параболы;
- затенением части раскрыва облучателем и поддерживающими конструкциями, затенение ведет к росту коэффициента рассеяния.

- затеканием электрических токов на теневую поверхность параболы;
- появлением кроссполяризации.

Как правило, коэффициент η параболической антенны равен 0.5÷0.65.

В ряде случаев к РЛС разведки наземных целей предъявляется требование к обеспечению режима корректировки огня артиллерии. Наличие одного узкого луча диаграммы направленности требует его сканирования для обзора сектора рассеивания снарядов. Поскольку время сканирования, необходимое для обнаружения места разрывов, во многих случаях больше времени существования следов разрыва снаряда, вероятность обнаружения и определения их координат становится малой величиной. Использование дополнительно неподвижного широкого луча позволяет перекрыть весь сектор рассеивания снарядов и значительно повысить вероятность обнаружения, особенно при маложивущих следах разрывов.

Таким образом, применение двух режимов по ширине основного луча диаграммы направленности позволяет существенно улучшить точностные и энергетические параметры РЛС и обеспечить высокую вероятность обнаружения цели.

Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетических, точностных характеристик и упрощение компановки малогабаритных РЛС.

Упрощения компановки, в частности уменьшения поперечных размеров антенны, можно достичь, используя полосковые антенны [2]. Однако существенным недостатком этого типа антенн является низкий КПД, обусловленный потерями в диэлектрике. Коэффициент η полосковых антенн составляет 0.3-0.4.

Наиболее перспективными с точки зрения повышения энергетических характеристик при малых поперечных размерах являются волноводно-щелевые антенны, в которых отсутствуют вышеперечисленные недостатки параболических и полосковых антенн в части потерь мощности, а коэффициент η находится в пределах 0.7-0.85.

В отличие от параболических волноводно-щелевые антенны позволяют создавать независимо требуемое амплитудное и фазовое распределение тока возбуждения в раскрыве антенны, что является их достоинством.

Известен ряд конструктивных исполнений волноводно-щелевых решеток, применяемых в радиолокационных системах [3, 4] . Однако данные антенны не удовлетворяют по энергетическим характеристикам, в частности по ширине основного луча диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях и по устойчивости к механоклиматическим воздействиям в условиях эксплуатации малогабаритных РЛС обнаружения наземных целей.

Отличительной особенностью предлагаемого антенного устройства является то, что излучающее полотно, представляющее собой волноводно-щелевую антенну резонансного типа, выполнено в виде двух антенных решеток, установленных на корпусе, в котором размещены приемопередающие устройства РЛС, антенные решетки разделены на подрешетки и объединены гибридным устройством, при этом в состав антенного устройства введено устройство управления распределением мощности по раскрыву излучения антенны.

Устройство управления распределением мощности обеспечивает излучение из всего раскрыва антенны либо из заданной части раскрыва, что достигается отключением одного из каналов распределительной системы антенной решетки.

Задача отключения одного из каналов распределительной системы может быть решена известным путем с помощью параллельного включения в линию p-i-n диодов [5]. Такое устройство имеет минимальные габариты и обеспечивает развязку до 20 дБ на каскад, следовательно для достижения требуемого уровня развязки, в частности 30 дБ, необходимо двухкаскадное устройство.

Недостатком описанного решения [5] являются сравнительно большие потери в режиме пропускания (для двухкаскадного переключателя 1-2 дБ).

Из известных переключателей, предназначенных для решения аналогичных задач, меньшими потерями обладают устройства, обеспечивающие отключение одного из каналов с помощью введения в щель связи проводящих штырей [6] или диафрагмы [7] . Недостатком указанных устройств является необходимость достижения надежного электрического контакта по всей плоскости между штырями (диафрагмой) и широкой стенкой волновода для обеспечения требуемого уровня развязки, что накладывает ограничения на используемые материалы, приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства, затрудняет его изготовление. Отсутствие контакта приводит к ухудшению развязки и росту потерь.

Предлагаемое устройство управления распределением мощности представляет собой волноводно-щелевой мост, в котором отключение одного из каналов осуществляется введением в щель связи бесконтактной пластины с помощью электромагнитного привода. Данное управляемое устройство обладает малыми габаритами, минимальными потерями СВЧ-мощности (не более 0.1 дБ) и развязкой между каналами не менее 30 дБ.

Таким образом, предлагаемое антенное устройство обеспечивает работу РЛС в двух режимах по ширине основного луча диаграммы направленности.

В отличие от конструкций антенн [3] предлагаемым изобретением решена также проблема защиты раскрыва антенны от механических повреждений и климатических воздействий без нарушения характеристик излучения. С этой целью над раскрывом антенны с определенным зазором установлен плоский радиопрозрачный обтекатель с малым весом. По периметру антенны установлены радиопрозрачные стенки.

Кроме того, предлагаемым изобретением решен вопрос перехода с линейной поляризации излучения СВЧ-сигнала на круговую, что обеспечивает работу РЛС в условиях воздействия гидрометеоров. С этой целью в состав антенного устройства входит поляризационная насадка, которая может быстро устанавливаться перед раскрывом антенны или сниматься.

На фиг.1 представлен общий вид антенны;
на фиг.2 - схема питания антенны;
на фиг.3 - конструкция устройства управления распределением мощности.

Заявляемое устройство представляет собой две двумерные волноводно-щелевые решетки 1, установленные на корпусе 2, над раскрывом антенны установлен обтекатель 3, изготовленный из радиопрозрачного диэлектрика с малым ε, в частности пенопласта ПС-1-200. Обтекатель крепится к излучающей поверхности с помощью клея. По периметру установлены стенки 4 из радиопрозрачного материала, в частности из капролона, зазор между полотном антенны и стенками залит герметиком. Установка обтекателя и стенок обеспечивает герметичность и защиту антенны от механических повреждений. Крючки 5 служат для быстрой стыковки и отстыковки поляризационной насадки.

Антенные решетки 1 состоят из нескольких параллельно расположенных волноводов, по широким стенкам которых выполнены продольные щели. Антенные решетки 1 объединены гибридным устройством 6, в частности двойным тройником.

Каждая из решеток 1 разделена на четыре подрешетки 7, 8, 9, 10. Питание по подрешеткам осуществляется через делители 11 с равным делением мощности, устройство управления распределением мощности 12 и фазовращатели 13.

Устройство управления распределением мощности 11 представляет собой делитель мощности, в частности волноводно-щелевой мост 14, и электромагнитный привод 15, например, известного типа [8]. Устройство 14 содержит подвижную бесконтактную пластину 16, установленную на широкой стенке волновода и перекрывающую щель связи 17 в направлении, перпендикулярном широкой стенке волновода.

На противоположной стенке волновода выполнены прямоугольные пазы 18 шириной t≥t₀, длиной d<λ/2, закороченные на глубине 1=n•λ/2,
где t₀ - ширина общей стенки волноводов щелевого моста, λ - длина волны, n - целое число.

Предлагаемое антенное устройство излучает СВЧ-сигнал линейной поляризации. С целью изменения линейной поляризации на круговую в состав антенного устройства введена поляризационная насадка, которая может быстро устанавливаться перед раскрывом антенны.

Конструктивно поляризационная насадка представляет собой решетку из металлических пластин определенной ширины, расположенных на заданном расстоянии друг от друга под углом 45^o относительно горизонтальной оси. Промежутки между пластинами заполнены радиопрозрачным диэлектриком (в частности пенопластом ПС-1-100) с малым значением диэлектрической проницаемости ε и малым углом потерь tgδ.

При подаче СВЧ-мощности на вход Н гибридного устройства 6 (двойного тройника) мощность в равных соотношениях и синфазно через фазовращатели 13, устройства управления распределением мощности 12, делители 11 с равным делением (волноводно-щелевые мосты) и волноводы поступает в подрешетки 7, 8, 9, 10, обеспечивая запитку волноводов, в которых находятся щели излучения, расположенные на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, и смещенные относительно продольной оси волновода в соответствии с заданным амплитудным распределением токов возбуждения в раскрыве антенны. В результате в пространстве формируется суммарная диаграмма направленности, ориентированная по нормали к раскрыву антенны.

При подаче СВЧ-мощности на вход Е гибридного устройства 6 (двойного тройника) сигнал СВЧ поступает в решетки 1 со сдвигом фазы на 180^o относительно друг друга, в результате в пространстве формируется разностная диаграмма направленности, угловое положение минимума которой ориентировано строго по нормали.

В устройстве управления распределением мощности при отсутствии напряжения на электромагнитном приводе пластина находится заподлицо с верхней стенкой щели связи, и устройство работает как обычный щелевой мост, распределяющий мощность на два канала в соответствии с заданным коэффициентом связи. Размер щели связи определяется амплитудным распределением токов возбуждения по раскрыву антенны и необходимой шириной диаграммы направленности в режиме отключения части излучающего раскрыва.

При подаче управляющего напряжения на электромагнитный привод пластина перекрывает щель связи, погружаясь в прямоугольный паз на определенную глубину. В этом случае вся мощность СВЧ-сигнала поступает в один канал.

При этом при открытой щели связи происходит излучение СВЧ-сигнала из всего раскрыва антенны, при закрытой щели происходит отключение излучения из подрешеток 7, 8, т.е. уменьшается раскрыв излучения, а соответственно происходит расширение основного луча суммарной ДН в азимутальной плоскости.

Тем самым обеспечивается работа антенного устройства в двух режимах по ширине основного луча диаграммы направленности (узкого и широкого). Предлагаемое антенное устройство имеет улучшенные энергетические и точностные характеристики, обеспечивая
- формирование суммарной и разностной диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости в направлении по нормали к раскрыву;
- передачу СВЧ-сигнала в пространство по суммарной ДН и прием отраженного от цели сигнала по суммарной и разностной ДН;
- формирование в азимутальной плоскости ДН в двух режимах по ширине основного луча суммарной ДН;
- излучение и прием СВЧ-сигнала в режимах либо линейной, либо круговой поляризации.

При этом антенное устройство отличает компактность и малые массогабаритные размеры.

Предлагаемое антенное устройство изготовлено в соответствии с разработанной технической документацией, проведены испытания в составе разрабатываемых РЛС обнаружения малой и средней дальности, которые подтвердили возможность достижения более высоких энергетических и точностных характеристик изделия при условии применения предлагаемого антенного устройства, а также работоспособность в условиях эксплуатации по группе 1.7, 1.14 ГОСТ В20. 39. 304-76.

Источники информации, принятые во внимание
1. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - M.: ИПРЖР, 1998, с. 3-9 7.

2. Панченко Б. А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986, с. 75-85, 89-91, 100-103.

3. Sparks Richord. Sistems applications of mechanically scaned slotted array antennas. "Microwave J.", 1988, 31, 6, с. 26-48.

4. Watson Charles К., Ringer Kenneth. Feed network design for airborne monopulse slot-array antennas. "Microwave J.", 1988, 31, 6, с. 129-145.

5. И.В.Лебедев, В.Г.Алыбин, Е.И.Купцов Интегрализация твердотельных управляющих и защитных устройств СВЧ. - "Изв. вузов -Радиоэлектроника", 1982, 25, 10, с. 32-41.

Изобретения относятся к антенной технике и могут быть использованы при разработке антенных устройств для РЛС, преимущественно малой и средней дальности обнаружения. Техническим результатом является повышение энергетических и точностных характеристик указанных РЛС, обеспечение формирования суммарной и разностной диаграмм направленности в двух режимах по ширине основного луча, повышение механической прочности и изменение типа поляризации с линейной на круговую. Излучающее полотно представляет собой волноводно-щелевую антенну резонансного типа, выполненную в виде двух антенных решеток, объединенных гибридным устройством и установленных непосредственно на корпусе, в котором размещены приемопередающие устройства РЛС. В состав антенного устройства введено устройство управления распределением мощности по раскрыву, обеспечивающее излучение из всего раскрыва либо из заданной его части. Устройство распределения мощности по раскрыву представляет собой делитель мощности, в частности волноводно-щелевой мост, и электромагнитный привод. На одной из широких стенок волновода в зоне щели связи выполнен прямоугольный паз шириной t≥t₀, длиной d<λ/2, закорочены на глубине 1=n•λ/2, при этом t₀ - толщина общей узкой стенки волноводов, λ - длина волны, n - целое число. На противоположной широкой стенке установлена заподлицо бесконтактная пластина, которая под действием электромагнитного привода имеет возможность перемещения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенное устройство, содержащее излучающее полотно с системой питания, отличающееся тем, что излучающее полотно выполнено в виде двух двумерных антенных решеток, объединенных гибридным устройством и установленных непосредственно на корпусе, в котором размещены приемопередающие устройства РЛС, двумерные антенные решетки разделены на подрешетки, введены устройства управления распределением мощности, подключенные через делители мощности к подрешеткам и через фазовращатели к гибридному устройству. 2. Антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что перед раскрывом с зазором установлен плоский радиопрозрачный обтекатель, по периметру которого установлены стенки из радиопрозрачного материала. 3. Антенное устройство по любому их пп. 1 и 2, отличающееся тем, что перед раскрывом установлена съемная поляризационная насадка. 4. Устройство управления распределением мощности по раскрыву антенны, включающее волноводно-щелевой мост и электромагнитный привод, отличающееся тем, что в зоне щели связи на широкой стенке волновода выполнен паз, а на противоположной стенке соответственно установлена заподлицо бесконтактная пластина с возможностью перемещения под действием электромагнитного привода в паз, при этом глубина паза 1 определяется соотношением 1 = n • λ/2, где λ - длина волны, n - целое число.