МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01Q13/02 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в антенной технике как самостоятельно, так и в качестве облучателя зеркальных, линзовых и др. антенн и фазированных антенных решеток, формирующих суммарно-разностные характеристики излучения на двух взаимно ортогональных поляризациях.

Известны суммарно-разностные облучатели, выполненные на основе различных балансных делителей мощности (Н и Е - тройников, Н, Е и Т - мостов и др.) ["Антенны и устройства СВЧ" ред. Воскресенский Д.И., Москва, "Сов. радио", 1972 г., стр.291-294]. Известны облучатели моноимпульсных антенн, выполненные на основе четырех "точечных" излучателей (вибраторов, щелей, рупоров и т.д.), возбуждение которых в определенных фазовых соотношениях обеспечивается узлом формирования суммарно-разностных диаграмм направленности ["Справочник по элементам радиоэлектронных устройств", ред. Куликовский А.А., Дулин В.И, Жук М.С., Москва, "Энергия", 1977 г., стр.555-557].

Недостатком всех этих технических решений является формирование поля лишь с одной ориентацией вектора Е излученного СВЧ-сигнала.

Изменение этой ориентации на 90° может осуществляться только путем поворота всего облучателя вокруг своей продольной оси.

Известен волноводный излучатель [“Активные фазированные антенные решетки” стр.260, авторов Гостюхина В.А., Трусова В.Н. и др., изд. "Радиосвязь"], работающих одновременно на двух взаимно ортогональных поляризациях, но он не является суммарно-разностным и при этом меняет ширину диаграммы направленности в любой из плоскостей, например вертикальной или горизонтальной, при повороте вектора Е на 90° .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является суммарно-разностный облучатель для моноимпульсной антенны [Пат. Р.Ф. №2109377 от 31.07.96г.]. Основным недостатком этого известного технического решения также является то, что облучатель может формировать суммарно-разностные диаграммы направленности только на одной линейной поляризации, обусловленной ориентацией составляющих поля волны Н₁₀ в запитывающих пирамидальный рупор прямоугольных волноводах. Конструкция облучателя и все его элементы настройки определяются именно этим однополяризационным режимом работы, при котором ориентация векторов Е и Н в рупоре и относительно рупора в пространстве однозначно зафиксирована. В частности:

- плоская металлическая перегородка разделяет пирамидальный рупор пополам в плоскости Е и ориентирована в Н-плоскости, а форма и размеры ее выступающей части используются в качестве элемента настройки разностного Е при соответствующей ориентации рупора (угломестного) - канала;

- облучатель имеет четыре входных канала (суммарный (Σ ); два разностных (Δ _Е - в пл. Е и Δ _н - в пл. Н) и разность-разностный (Δ Δ ), поле в диаграммах направленности которых для рассматриваемой ориентации рупора поляризовано вертикально);

- емкостной элемент настройки суммарного канала расположен на осевой линии перегородки, посередине между двумя запитывающими рупор волноводными каналами, разнесенными в плоскости Н, и обеспечивает настройку суммарного канала за счет изменения высоты волновода (в пл. Е) на участке, равном размеру элемента настройки;

- пирамидальный рупор имеет различную эквивалентную длину в плоскостях Е и Н, что позволяет выравнивать ширину диаграмм направленности в этих плоскостях.

Невозможность сформировать с помощью такого облучателя поле с другой поляризацией очевидна:

- прежде всего, отсутствуют дополнительные входные каналы, запитывая которые можно было бы реализовать работу на другой поляризации, ортогональной первой;

- волны Н₁₀ в прямоугольных, запитывающих рупор волноводах, формируют в нем три аналогично поляризованных типа электромагнитной волны: Н₁₀ - по суммарному каналу, Н₂₀ - по разностному Н-каналу и Н₁₀±_{- по разностному Е - каналу;}

- все излучающие и настроечные элементы рассчитаны только на этот вид поляризации, изменение которой на ортогональную делает эти элементы неработоспособными.

Техническим результатом предлагаемого суммарно-разностного облучателя является достижение возможности получения на двух взаимно-ортогональных линейных поляризациях близких по ширине диаграмм направленности.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что моноимпульсный облучатель содержит суммарно-разностный узел возбуждения, пирамидальный рупор с перегородкой, выступающей за его продольный габарит, и настроечные элементы, установленные на перегородке с возможностью перемещения. Отличительными признаками заявляемого моноимпульсного облучателя являются введение второго суммарно-разностного узла возбуждения и четырех волноводных излучателей квадратного сечения с двумя волноводными входами в каждом. Сигнал от одного из волноводных входов возбуждает в излучателе волну Н₁₀ и формирует в пирамидальном рупоре электромагнитное поле с поляризацией, соответствующей ориентации вектора Е возбуждающей волны, а другой возбуждает волну H₀₁ и формирует поле, соответственно, с ортогональной поляризацией. Четыре выхода каждого из двух суммарно-разностных узлов возбуждения подключены к входам волноводных излучателей, формирующим электромагнитное поле на одной из поляризаций, при этом общее количество суммарно-разностных входов равно восьми: по четыре для каждой поляризации. Волноводные излучатели вплотную примыкают стенками, не содержащими волноводных входов, к двум соседним волноводным излучателям. Внутренние стенки волноводных излучателей соединены с перегородкой, имеющей крестообразное сечение и разделяющей пирамидальный рупор на четыре равные части, в каждой из которых на взаимно ортогональных плечах перегородки установлены по одному настроечному элементу с возможностью их перемещения как параллельно, так и перпендикулярно продольной оси пирамидального рупора. Внешние стенки волноводных излучателей соединены со стенками пирамидального рупора, края которого со стороны излучающей апертуры выполнены из металлических полос, параллельных краям стенок, с шагом <0,2 λ , где λ - длина волны в свободном пространстве.

На фиг.1 изображен пирамидальный рупор предлагаемого моноимпульсного облучателя.

На фиг.2 изображены диаграммы направленности моноимпульсного облучателя на двух поляризациях.

Моноимпульсный облучатель состоит из пирамидального рупора 1, первого суммарно-разностного узла возбуждения с четырьмя входами 2, второго суммарно-разностного узла возбуждения с четырьмя входами 3, первого волноводного излучателя 4, второго волноводного излучателя 5, третьего волноводного излучателя 6, четвертого волноводного излучателя 7, каждый из которых имеет по два волноводных входа Вх↑ и Вх→ , соединенных с волноводным излучателем, например, щелью связи или трансформатором сечения. Пирамидальный рупор 1 имеет перегородку 8, выступающую за его продольный габарит и настроечные элементы 9, установленные на перегородке с возможностью перемещения их при настройке. Края пирамидального рупора 1 со стороны излучающей апертуры выполнены из металлических полос 10, параллельных краям стенок, с шагом <0,2 λ , где λ - длина волны в свободном пространстве.

Принцип работы предлагаемого моноимпульсного облучателя, показанного на фиг.1, состоит в следующем:

СВЧ-сигнал, поданный на вход Σ ↑ суммарно-разностного узла возбуждения 2, поступает на четыре соответствующих входа Bx↑ волноводных излучателей 4-7 и возбуждает в их квадратных каналах синфазные и равные по амплитуде поля волны Н₁₀. Второй суммарно-разностный узел возбуждения аналогичным образом формирует в квадратных каналах через входы Вх→ . волну H₀₁.

Четыре квадратных выхода волноводных излучателей 4-7, вплотную примыкающих друг к другу, запитывают соответственно четыре равные части пирамидального рупора 1, разделенного перегородкой 8. Каждая четверть пирамидального рупора 1 и пирамидальный рупор 1 в целом для любой из поляризаций настраивается своей системой настроечных элементов: для одного типа поляризации, например, - это элементы, расположенные на горизонтальных плечах крестообразной перегородки 8, а для ортогонального типа поляризации - на вертикальных. Таким образом моноимпульсный облучатель без изменения своего положения может формировать поля двух взаимно ортогональных поляризаций.

И обратное, при подаче СВЧ-сигнала на суммарно-разностный узел возбуждения от пирамидального рупора через волноводные излучатели на входах АЗ↑ , УМ ↑ , Δ Δ ↑ , A3→ , УМ→ , и Δ Δ → формируются разностные сигналы по каждому виду поляризации с амплитудами и фазами, зависящими от наклона фазового фронта падающей на раскрыв рупора волны.

Одной из основных проблем, решенных в предлагаемом моноимпульсном облучателе, является проблема выравнивания по ширине диаграмм направленности (ДН) для двух взаимно ортогональных поляризаций. Задача сводится к получению в рупоре с квадратной апертурой одинаковых по ширине ДН в пл. Е и Н для каждой из поляризаций. В обычных квадратных рупорных антеннах с линейной поляризацией ДН в плоскостях Е и Н отличаются из-за различных амплитудных распределений, формируемых волной Н₁₀ (или H₀₁)

- постоянного в плоскости Е и - в плоскости Н. Чтобы избежать этого отличия, размер апертуры в пл. Н делают обычно больше, чем в пл. Е.

Сложность этой проблемы для пирамидального рупора, работающего на двух взаимно ортогональных поляризациях, обусловлена тем, что корректировку апертуры рупора в одной из плоскостей допустить нельзя. Необходимый эффект в предлагаемом облучателе достигается за счет выполнения по всему периметру краев пирамидального рупора на длине "l " из металлических полос, параллельных краям стенок и расположенных с шагом <0,2λ , (см. 6 фиг.1). Для вектора Е, параллельного металлическим полосам, например, на вертикальных боковых стенках, это эквивалентно продлению боковых стенок на длину "l ", что приводит к сужению ДН в плоскости Н. При этом для вектора Е, параллельного металлическим полосам на горизонтальных стенках, достигается аналогичный эффект с соответствующим сужением ДН в вертикальной плоскости (пл. Е). В результате при любой ориентации вектора Е может быть достигнуто выравнивание ДН в плоскостях Е и Н, и соответственно стабилизированы диаграммы направленности при повороте вектора Е на 90° .

Технико-экономические преимущества предложенного решения по сравнению с прототипом заключаются в формировании на двух взаимно ортогональных поляризациях диаграмм направленности (ДН) с высоким КПД, хорошими развязками и минимальным КСВ и обеспечении возможности создания близких по ширине ДН на двух взаимно ортогональных поляризациях по всем каналам.

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытание макет моноимпульсного облучателя. Измеренные на этом макете диаграммы направленности приведены на фиг.2.

Расчет и испытания подтвердили возможность достижения заявленного технического эффекта. Создан моноимпульсный облучатель, формирующий одновременно суммарно-разностную ДН на двух взаимно ортогональных поляризациях;

1. Стабилизированы характеристики излучения квадратного рупора:

- суммарные ДН при повороте вектора Е на 90° меняются не более чем на 10%;

- крутизна разностной ДН для двух взаимно ортогональных поляризаций отличается не более чем на 10%;

2. Поляризационные развязки получены не хуже 20-25 дБ.

Моноимпульсный облучатель может использоваться в антенной технике как самостоятельно, так и в качестве облучателя зеркальных, линзовых и др. антенн, а также фазированных антенных решеток, формирующих суммарно-разностные характеристики излучения на двух взаимно ортогональных поляризациях. Техническим результатом является формирование суммарно-разностных диаграмм направленности одновременно на двух взаимно ортогональных поляризациях. Пирамидальный рупор моноимпульсного облучателя запитывается четырьмя волноводными излучателями квадратного сечения, примыкающими вплотную друг к другу, имеющими по два входа, сигнал от одного из которых возбуждает волну Н₁₀, а от другого H₀₁ и, соответственно, поля с взаимно ортогональными поляризациями, четыре однотипных входа, например, для волны Н₁₀, объединены с помощью одного суммарно-разностного узла возбуждения, со входов которого формируются суммарно-разностные диаграммы направленности для одного типа поляризации, а четыре входа для волны H₀₁ - с помощью другого суммарно-разностного узла возбуждения, со входов которого формируются аналогичные диаграммы направленности с ортогональной первому типу поляризацией, требуемые электрические характеристики моноимпульсного облучателя реализуются с помощью выступающей за пределы пирамидального рупора крестообразной перегородки и элементов настройки на ней, ширина диаграммы направленности для взаимно ортогональных типов поляризаций выравнивается с помощью стенок пирамидального рупора, края которых со стороны излучающей апертуры выполнены из металлических полос, параллельных краям стенок. 2 ил.

Моноимпульсный облучатель, содержащий суммарно-разностный узел возбуждения, пирамидальный рупор с перегородкой, выступающей за его продольный габарит и настроечные элементы, установленные на перегородке с возможностью перемещения, отличающийся тем, что введены второй суммарно-разностный узел возбуждения и четыре волноводных излучателя квадратного сечения с двумя волноводными входами в каждом, причем сигнал от одного из волноводных входов возбуждает в излучателе волну Н₁₀ и формирует в пирамидальном рупоре электромагнитное поле с поляризацией, соответствующей ориентации вектора Е возбуждающей волны Н₁₀, а другой возбуждает волну H₀₁ и формирует ортогонально поляризованное поле, соответствующее ориентации вектору Е волны H₀₁, четыре выхода каждого из двух суммарно-разностных узлов возбуждения соединены с входами волноводных излучателей, формирующих электромагнитное поле на одной из поляризаций, при этом общее количество суммарно-разностных входов равно восьми - по четыре для каждой поляризации, волноводные излучатели вплотную примыкают стенками, не содержащими волноводных входов, к двум соседним волноводным излучателям, причем внутренние стенки волноводных излучателей соединены с перегородкой, имеющей крестообразное сечение и разделяющей пирамидальный рупор на четыре равные части, в каждой из которых на взаимно-ортогональных плечах перегородки установлено по одному настроечному элементу с возможностью их перемещения как параллельно, так и перпендикулярно продольной оси пирамидального рупора, а внешние стенки волноводных излучателей соединены со стенками пирамидального рупора, края которого со стороны излучающей апертуры выполнены из металлических полос, параллельных краям стенок, с шагом <0,2λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.