ВОЛНОВОДНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2004 года по МПК H01P5/12 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к волноводным трактам антенных решеток, волноводным делителям, волноводным сумматорам, и может быть использовано в радиолокаторах для деления мощности от источника на большое число каналов.

В радиолокации широко применяются фазированные антенные решетки (ФАР) с частотным сканированием, работающие на излучение и на прием.

В качестве системы питания таких ФАР обычно используется волноводная система последовательного питания, отличающаяся простотой конструкции.

Известны антенны с частотным сканированием, содержащие систему питания в виде зигзагообразной (змейковой) волноводной линии (прямоугольного сечения) с изгибами либо в Е-плоскости либо в Н-плоскости. Элементы связи с излучающими элементами расположены на узких или на широких стенках волноводов таким образом, что образуется линейка излучателей (Справочник по радиолокации под ред. М. Сколника. - М.: Советское радио, 1977, т.2, стр. 283-284, авт. свид. СССР 10410000, Н 01 Q 21/00).

Наиболее близкой из известных по технической сущности к изобретению является волноводная система питания, выполненная на змейковом волноводе, образованном прямоугольными изгибами в Е-плоскости и элементами связи с излучателями антенной решетки. Ячейки, выполняющие роль прямоугольных изгибов, являются короткозамкнутыми щелевыми мостами в Е-плоскости (сб. "Сканирующие антенны СВЧ". - М.: Машиностроение, 1964, стр. 51).

Известно, что фазовая длина пути волны между излучателями равна длине внутреннего прямолинейного участка змейкового волновода и выбирается из условия S=(n±0,25) Λ_cp, где n=1, 2, 3... целое число, определяющее коэффициент замедления волновода; Λ_cp - длина волны в волноводе для средней частоты рабочего диапазона. Т. е. чем больше n, тем выше дисперсионность волновода и тем выше его углочастотная характеристика.

Недостатком известных волноводных систем питания является наличие эффекта резкого возрастания коэффициента стоячей волны на входе, обусловленное нарушением режима бегущей волны в волноводе при когда все отражения от закороченных стенок волновода начнут суммироваться синфазно. В результате образуется стоячий волновой процесс. Система не сможет обеспечить синфазного возбуждения всех излучателей, а следовательно, антенна не будет излучать в направлении нормали к полотну решетки.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение коэффициента отражения волноводной системы питания в широком диапазоне частот.

Поставленная задача решается за счет того, что в волноводной системе питания для фазированной антенной решетки, выполненной в виде змейкового волновода, образованного на короткозамкнутых щелевых мостах, выполненных в виде прямоугольных изгибов в Е-плоскости, и содержащего прямолинейные участки, а также элементы связи змейкового волновода с излучателями антенны, длины четных внутренних прямолинейных участков выполнены с разницей на четверть длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона по сравнению с длинами нечетных внутренних прямолинейных участков змейкового волновода.

При этом на широких стенках прямолинейных участков волновода в местах изгиба введены реактивные неоднородности.

Реактивные неоднородности могут быть выполнены либо в виде ступенчатых, либо в виде плавных переходов.

Предлагаемая волноводная система питания представляет собой змейковый волновод, построенный на короткозамкнутых щелевых мостах таким образом, что длины внутренних прямолинейных участков между короткозамкнутыми стенками попеременно меняются таким образом, что происходит компенсация отражений от соседних короткозамкнутых стенок на центральной частоте. В рабочем диапазоне частот не будет происходить накапливание отраженного сигнала. Фазовая длина пути между соседними элементами связи составит
Выполнение змейкового волновода с попарно переменными длинами внутренних прямолинейных участков позволило компенсировать отражения от их короткозамкнутых стенок на центральной частоте и исключить образование стоячего волнового процесса в питающем тракте в рабочем диапазоне частот.

А введение неоднородностей на широких стенках прямолинейных участков волновода в местах изгиба обусловило снижение коэффициента отражения от короткозамкнутых стенок.

Т. е. предложенная система по сравнению с известными питающими системами позволяет избежать эффекта запирания питающего тракта на частоте нормали.

На чертеже приведен общий вид волноводной системы питания для ФАР в разрезе по Н-плоскости.

Волноводная система питания для фазированной антенной решетки выполнена в виде змейкового волновода 1, образованного на короткозамкнутых щелевых мостах 2, выполненных в виде прямоугольных изгибов в Е-плоскости, и содержащего прямолинейные участки 3 и элементы связи 4 (например, Чебышевский направленный ответвитель) с излучателями антенной решетки. На широких стенках прямолинейных участков 3 в местах изгибов выполнены реактивные неоднородности 5 (для примера в виде ступенчатого перехода). Длины четных внутренних прямолинейных участков выполнены с разницей на четверть длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона по сравнению с длинами нечетных внутренних прямолинейных участков змейкового волновода, т.е. при и т.д. для S₃ и S₄, S₅ и S₆...., где S₁, S₃, S₅... - длины четных внутренних прямолинейных участков змейкового волновода; S₂, S₄, S₆... - длины нечетных внутренних прямолинейных участков.

Волноводная система питания работает следующим образом.

Сигнал СВЧ поступает в систему питания ФАР. Волны, проходя по короткозамкнутым щелевым мостам 2 волновода 1 с реактивными неоднородностями 5, частично отражаются. Отраженная волна формируется во входном участке на первом изгибе волновода 1 при отражении падающей волны. Для случая n=1 волна, отраженная в следующем изгибе участка 3₁, суммируется с отраженной волной первого изгиба в противофазе. Волна, отраженная в изгибе четного участка 3₂ суммируется с предыдущими отраженными волнами со сдвигом π. Волна, отраженная в изгибе следующего нечетного участка 3₃, просуммируется с предыдущими волнами в фазе. Все эти волны в противофазе компенсируют друг друга.

Аналогично происходит компенсация отраженных волн, сформированных в последующих изгибах каждых двух пар четных и нечетных прямолинейных участков волновода 1. Таким образом, отражения практически равны нулю.

Фазовый набег на участке между двумя соседними элементами связи 4 с излучателями составит Отраженные волны на частоте нормали там складываются синфазно.

Предложенная волноводная система питания по сравнению с прототипом позволит избежать эффекта запирания питающего тракта на частоте нормали и расширить диапазон рабочих частот.

Изобретение относится к радиотехнике, конкретно к волноводным трактам антенных решеток, волноводным делителям и сумматорам, и может быть использовано в антенных системах с частотным сканированием. Техническим результатом является снижение коэффициента отражения волноводной системы питания в широком диапазоне частот, а также исключение эффекта запирания питающего тракта на частоте нормали. Волноводная система питания для фазированной антенной решетки выполнена в виде змейкового волновода, образованного на короткозамкнутых щелевых мостах, выполненных в виде прямоугольных изгибов в Е-плоскости, и содержащего прямолинейные участки, а также элементы связи змейкового волновода с излучателями антенной решетки. Длины четных внутренних прямолинейных участков выполнены с разницей на четверть длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона по сравнению с длинами нечетных внутренних прямолинейных участков, а также введение реактивных неоднородностей, расположенных на широких стенках прямолинейных участков в местах изгиба. Реактивные неоднородности могут быть выполнены в виде ступенчатых переходов либо в виде плавных переходов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волноводная система питания для фазированной антенной решетки, выполненная в виде змейкового волновода, образованого на короткозамкнутых щелевых мостах, выполненных в виде прямоугольных изгибов в Е-плоскости, и содержащего прямолинейные участки, а также элементы связи змейкового волновода с излучателями антенной решетки, отличающаяся тем, что длины четных внутренних прямолинейных участков выполнены с разницей на четверть длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона по сравнению с длинами нечетных внутренних прямолинейных участков змейкового волновода.2. Волноводная система питания по п.1, отличающаяся тем, что на широких стенках прямолинейных участков в местах изгиба введены реактивные неоднородности.3. Волноводная система питания по п.2, отличающаяся тем, что реактивные неоднородности выполнены в виде ступенчатых переходов.4. Волноводная система питания по п.2, отличающаяся тем, что реактивные неоднородности выполнены в виде плавных переходов.