МОНОИМПУЛЬСНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01Q13/10 H01Q21/06 H01Q25/02 

Изобретение относится к моноимпульсным антенным устройствам (АУ) с суммарно-разностной обработкой сигнала, используемым в радиолокационных системах точного автоматического сопровождения цели и в обзорных моноимпульсных радиолокационных системах.

Антенное устройство является одним из основных элементов моноимпульсных РЛС, характеристики которых во многом зависят от конструкции антенной системы, к которой, кроме всего прочего, предъявляются требования по снижению массогабаритных характеристик. Параметры АУ во многом определяют характеристики РЛС в целом.

Моноимпульсные антенные устройства разделены на секторы и должны формировать симметричные пары диаграмм направленности (ДН) в каждой плоскости пеленгации. Выходные ДН (суммарную и, по крайней мере, одну разностную в зависимости от назначения РЛС) формируют посредством использования в моноимпульсных АУ устройств суммарно-разностной обработки сигналов. Одной из основных причин невыполнения требуемой симметрии возбуждения секторов является неточность изготовления узлов антенн. Неизбежно присутствующие технологические погрешности изготовления деталей и сборки АУ в процессе производства вызывают неустранимые искажения диаграмм направленности. Совокупные амплитудные и фазовые ошибки возбуждения секторов вызывают повышение уровня боковых лепестков, смещение равносигнального направления, уменьшение глубины нуля и крутизны разностных ДН, уменьшение коэффициента направленного действия, что оказывает существенное влияние на пеленгационные характеристики РЛС.

Известно антенное устройство, содержащее плоскую антенную решетку, четыре идентичных сектора (подрешетки) которой запитываются через суммарно-разностное устройство из четырех двойных волноводных тройников, реализующее моноимпульсный режим по азимуту и углу места [1]. Недостатком данного устройства является невозможность регулировки и настройки его параметров.

Наиболее близко к предлагаемому изобретению моноимпульсное антенное устройство в виде многомодовой антенной решетки, излучающие элементы которой расположены в одной плоскости и разделены на четыре подрешетки, каждая из которых посредством своего питающего волновода, служащего для подвода энергии к излучающим элементам подрешеток, соединена с устройством суммарно-разностной обработки сигналов [2]. Это устройство служит для обеспечения моноимпульсного режима работы по двум координатам, азимуту и углу места, и построено на основе четырех двойных волноводных тройников, каждый из которых содержит Т-соединение трех прямоугольных волноводов в Н-плоскости, к которому в районе пересечения оси двух соосных волноводов с осью третьего перпендикулярно им подсоединен четвертый волновод, ось которого проходит через точку пересечения осей первых трех волноводов, и широкая стенка которого параллельна оси третьего волновода.

В таких антенных устройствах любые изменения параметров входящих узлов, вызванные технологическими погрешностями изготовления, приводят к искажению выходных характеристик АУ. Корректировка параметров в таких устройствах невозможна, что приводит к необходимости предъявления высоких требований к точности изготовления его деталей и сборки изделия, особенно при работе АУ в коротковолновой части диапазона длин волн. Кроме того, используемая конструкция двойного волноводного тройника не позволяет реализовать низкопрофильную (малой толщины) конструкцию устройства суммарно-разностной обработки сигналов, что приводит к увеличению габаритов АУ.

Задачей данного изобретения является создание низкопрофильного моноимпульсного антенного устройства, обеспечивающего возможность регулировки параметров АУ.

Предлагаемое моноимпульсное антенное устройство содержит плоскую антенную решетку, разделенную, по крайней мере, на две подрешетки, каждая из которых соединена с соответствующим входом волноводного устройства суммарно-разностной обработки сигналов, выполненного на двойных волноводных тройниках, каждый из которых содержит Т-образное соединение трех прямоугольных волноводов в Н-плоскости, первый и второй из которых являются симметричными плечами тройника, ось третьего волновода перпендикулярна оси первых двух, при этом четвертый прямоугольный волновод двойного волноводного тройника, выполненный закороченным на одном из его концов, расположен в плоскости, параллельной плоскости Т-соединения, с которым имеет общую широкую стенку и электромагнитно связан с ним через окно связи в этой общей стенке. Причем в области пересечения общей оси первого и второго волноводов с осью третьего прямоугольного волновода установлен согласующий штырь Г-образной формы, первое плечо которого параллельно узким стенкам волноводов, второе плечо в основном своем положении параллельно широким стенкам волноводов и направлено в сторону, противоположную входу третьего волновода, при этом второе плечо штыря выполнено с возможностью углового перемещения в Н- и Е-плоскостях.

Окно связи с четвертым волноводом выполнено в виде щелевого отверстия, продольная ось которого расположена параллельно оси третьего прямоугольного волновода.

В четвертом волноводе между его незакороченным торцом и окном связи установлен, по крайней мере, один согласующий элемент, выполненный в виде диафрагмы или дополнительного штыря.

В предлагаемом изобретении ось четвертого волновода двойного волноводного тройника направлена перпендикулярно или параллельно оси третьего волновода.

При параллельном расположении третьего и четвертого волноводов в четвертом волноводе между окном связи и его узкой стенкой параллельно ей установлен возбуждающий штырь.

Предлагаемое изобретение позволяет частично скомпенсировать неидентичность изготовления подрешеток АУ, уменьшая тем самым ошибки пеленгации. Инструментом, служащим для уменьшения величин фазовых и амплитудных ошибок возбуждения подрешеток антенны и деления мощности в устройстве обработки сигналов, служит установленный в предлагаемом изобретении двойной волноводный тройник, выполненный с возможностью регулировки его параметров посредством штыря Г-образной формы. Двойной волноводный тройник, а следовательно, и все устройство суммарно-разностной обработки сигналов имеет высоту, равную удвоенной высоте волновода. Предложенная Г-образная форма согласующего штыря дает возможность использовать при конструировании таких устройств низкоомные волноводы (волноводы с соотношением размеров широкой и узкой стенок больше двух), что позволяет сконструировать устройство с максимально низким профилем.

На фиг.1 изображена схема построения моноимпульсного АУ с устройством суммарно-разностной обработки сигналов.

На фиг.2 представлена конструкция АУ, схематично изображенного на фиг.1.

На фиг.3 изображен вариант конструкции двойного волноводного тройника с взаимно перпендикулярным расположением третьего и четвертого волноводов.

На фиг.4 изображен вариант конструкции двойного волноводного тройника с параллельным расположением третьего и четвертого волноводов.

На фиг.5 представлена зависимость изменения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) по входу третьего волновода от величины смещения (X) конца второго плеча Г-образного согласующего штыря от его основного положения в Е-плоскости.

На фиг.6 представлен график зависимости фазового разбаланса (Δφ) сигналов в первом и втором волноводах от величины отклонения (Z) конца второго плеча Г-образного согласующего штыря от его основного положения в Н-плоскости.

На фиг.7 представлен график зависимости амплитудного разбаланса (Δα) сигналов в первом и втором волноводах от величины отклонения (Z) конца второго плеча Г-образного согласующего штыря от его основного положения в Н-плоскости.

Предлагаемое моноимпульсное антенное устройство, один из возможных вариантов которого схематично изображен на фиг.1, а конструкция - на фиг.2, представляет собой плоскую антенную решетку 1, разделенную на четыре подрешетки 2, 3, 4 и 5. Каждая подрешетка соединена с входом суммарно-разностного устройства, выполненного на двойных волноводных тройниках 6, 7, 8 и 9. В режиме приема суммарные сигналы подрешеток 2 и 3 поступают на входы тройника 6, а сигналы подрешеток 4 и 5 - на входы тройника 7. Сигналы с суммарных выходов (∑) тройников 6 и 7 поступают на входы тройника 8, суммарный выход которого соединен с суммарным каналом АУ (∑_АУ), а разностный (Δ) - с разностным каналом АУ по азимуту (Δ_АЗ). Сигналы с разностных выходов тройников 6 и 7 поступают на входы тройника 9, суммарный выход которого соединен с разностным каналом АУ по углу места (Δ_УМ), а разностный - с согласованной нагрузкой.

В режиме передачи сигнал поступает с суммарного входа АУ на суммарный вход тройника 8 и с помощью суммарно-разностного устройства делится поровну между подрешетками 2, 3, 4 и 5.

Различные варианты выполнения двойного волноводного тройника согласно изобретению изображены на фиг.3 и 4. Двойной волноводный тройник содержит Т-образное соединение в Н-плоскости трех прямоугольных волноводов 10, 11 и 12. Волноводы 10 и 11 являются симметричными плечами тройника, ось третьего волновода 12 перпендикулярна оси первых двух. При этом четвертый волновод 13, выполненный закороченным на одном из его концов, расположен в плоскости, параллельной плоскости Т-соединения, с которым имеет общую широкую стенку. Электромагнитная связь волновода 13 с Т-соединением волноводов осуществляется через окно связи 14 в этой общей стенке. Для согласования двойного волноводного тройника по суммарному входу (волновод 12) в области пересечения общей оси первого и второго волноводов с осью третьего установлен согласующий штырь 15 Г-образной формы. Первое плечо штыря, закрепленного одним концом на широкой стенке волноводов 10 и 11 на оси симметрии Т-соединения, параллельно узким стенкам волноводов. Второе плечо штыря расположено вблизи противоположной широкой стенки, в основном своем положении параллельно широким стенкам волноводов и направлено в сторону, противоположную входу третьего волновода 12 вдоль его оси. Второе плечо штыря выполнено с возможностью углового перемещения (например, за счет изгибания штыря в точке соединения его плеч) в Н- и Е-плоскостях.

Окно связи 14 выполнено в виде щелевого отверстия, продольная ось которого расположена параллельно оси волновода 12.

Для согласования двойного волноводного тройника по разностному входу (волновод 13) в этом волноводе между его незакороченным торцом и окном связи установлен, по крайней мере, один согласующий элемент, выполненный в виде диафрагмы 16. Согласующий элемент также может быть выполнен в виде дополнительного штыря.

В предлагаемом изобретении ось волновода 13 двойного волноводного тройника направлена перпендикулярно (фиг.3) или параллельно (фиг.4) оси волновода 12.

При параллельном расположении волноводов 12 и 13 (например, в случае расположения щелевого окна связи на оси симметрии волновода 13) между окном и узкой стенкой волновода параллельно ей установлен возбуждающий штырь 17 для возбуждения щелевого окна связи.

В устройстве, показанном на фиг.2, тройники 6 и 7 имеют конструкцию тройника, изображенного на фиг.3, а тройники 8 и 9 - конструкцию тройника, изображенного на фиг.4.

В предлагаемых вариантах изобретения геометрические размеры и расположение волноводов, щелевого окна связи, Г-образного штыря, местоположения закорачивающей стенки волновода 13, согласующих диафрагм и штырей, тип двойного тройника выбираются из условий согласования по входам двойного тройника и по конструктивным соображениям. Г-образный штырь 15, являясь согласующим элементом, может быть использован для изменения коэффициентов матрицы рассеяния двойного тройника, в частности, с его помощью можно регулировать коэффициент отражения на входе волновода 12 и коэффициенты передачи между волноводами 10, 12 и 11, 12. Угол между первым и вторым плечами Г-образного штыря может изменяться путем отклонения второго плеча штыря как в Н-, так и в Е-плоскости. При отклонении в Е-плоскости изменяется коэффициент стоячей волны по напряжению суммарного входа двойного тройника. График изменения коэффициента отражения от величины отклонения конца второго плеча штыря в плоскости Е от его основного положения показан на фиг.5. Отклонение штыря в Н-плоскости приводит к изменению коэффициента деления мощности между волноводами 10 и 11, причем отклонение второго плеча в сторону волновода, например, 10 приводит к уменьшению модуля коэффициента передачи в это плечо. График зависимости разбаланса мощностей и фаз на выходах волноводов 10 и 11 при подаче сигнала на вход волновода 12 от величины смещения конца второго плеча штыря от его основного положения в плоскости Н показан на фиг.6 и 7. Представленные результаты были получены на макетах в 2-см диапазоне волн. Двойные тройники выполнены на низкоомных волноводах с соотношением сторон порядка 7:1. Кроме того, описанные волноводные тройники были реализованы на волноводах с соотношением сторон порядка 5:1.

Используя способность двойного тройника предложенной конструкции изменять коэффициенты собственной матрицы рассеяния, появилась возможность регулировать параметры суммарно-разностного устройства, а следовательно, корректировать электрические параметры антенного устройства в целом.

Так, изменяя угловое положение второго плеча Г-образного штыря в тройнике 8 (фиг.1, 2) в Е-плоскости, можно добиться минимальной величины КСВн на суммарном входе АУ. Изменение углового положения второго плеча штырей в тройниках 6 и 7 влияет как на КСВн суммарного канала, так и разностного канала по азимуту. Изменение углового положения второго плеча штыря в тройнике 9 в Е-плоскости позволяет настроить КСВн разностного канала по углу места. Изменение углового положения второго плеча штыря в тройнике 8 в Н-плоскости позволяет регулировать величину глубины нуля разностной диаграммы направленности по азимуту, минимизируя суммарную неидентичность сигналов излучателей левой (подрешетки 2 и 3) и правой (подрешетки 4 и 5) подрешеток, а изменение положения второго плеча штырей в тройниках 6 и 7 - регулировать параметры разностной диаграммы по углу места, верхняя (подрешетки 2 и 4) и нижняя (подрешетки 3 и 5) подрешетки. Одновременно с увеличением глубины нуля разностных диаграмм направленности происходит изменение и некоторых других параметров АУ, например увеличивается величина развязки между суммарным и разностными каналами.

В качестве конкретной реализации предлагаемого изобретения было рассмотрено антенное устройство, излучающее полотно которого разделено на четыре подрешетки, а суммарно-разностное устройство построено на четырех двойных тройниках. Однако очевидно, что существуют и другие примеры осуществления данного изобретения. В зависимости от назначения радиолокационной системы, в которой используется АУ, схемы деления антенной решетки на подрешетки, а следовательно, и схемы построения суммарно-разностных устройств могут быть различными, но оставаться в рамках данного изобретения. Кроме того, суммарно-разностное устройство может включать в себя также несколько сумматоров/делителей мощности, служащих для распределения мощности по элементам или группам элементов подрешеток, которые также построены на двойных волноводных тройниках. Двойной волноводный тройник, используемый в предлагаемом изобретении, может быть полезен при конструировании любых устройств, в которых требуется оптимизация параметров при сложении/делении, по крайней мере, двух сигналов, а также при построении устройств, использующих сумматоры/делители мощности с развязанными выходами.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при конструировании различных моноимпульсных АУ, использующих устройства суммарно-разностной обработки сигналов в волноводном исполнении при необходимости создания низкопрофильных конструкций. В качестве антенной решетки в предлагаемом изобретении могут быть использованы волноводно-щелевые решетки, антенные решетки из открытых концов волноводов, а также антенные решетки с излучающими элементами любого типа, в которых возможно применение волноводного устройства суммарно-разностной обработки сигналов. Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить требования к точности изготовления деталей антенных устройств, улучшить массогабаритные показатели изделий и существенно повысить процент выхода годных при промышленном производстве.

Источники информации

1. Патент США №4359742, заявл. 23.12.80, №219745, опубл. 16.11.82. МКИ H 01 Q 13/10, НКИ 343/767.

2. Патент США №4376281, заявл. 23.12.80, №219744, опубл. 08.03.83. МКИ Н 01 Q 13/10, НКИ 343/768.

Изобретение относится к моноимпульсным антенным устройствам (АУ) с суммарно-разностной обработкой сигнала, используемым в радиолокационных системах точного автоматического сопровождения цели и в обзорных моноимпульсных радиолокационных системах. Моноимпульсное антенное устройство содержит плоскую антенную решетку, разделенную, по крайней мере, на две подрешетки, соединенные с устройством суммарно-разностной обработки сигналов, выполненным на двойных волноводных тройниках. Прямоугольный волновод разностного входа двойного тройника расположен в плоскости, параллельной плоскости Т-соединения волноводов в Н-плоскости, имеет с Т-соединением общую широкую стенку и связан с ним через окно связи в этой стенке. Для согласования суммарного входа двойного тройника служит штырь Г-образной формы, одно плечо которого имеет возможность углового перемещения в Е- и Н-плоскостях. Волновод разностного входа может быть расположен перпендикулярно или параллельно суммарному входу. Для согласования тройника по разностному входу служит согласующий элемент в виде штыря или диафрагмы. Техническим результатом является создание низкопрофильной конструкции моноимпульсного антенного устройства с возможностью регулировки параметров АУ. Изобретение позволяет снизить требования к точности изготовления деталей антенных устройств и существенно повысить процент выхода годных при промышленном производстве. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Моноимпульсное антенное устройство, содержащее плоскую антенную решетку, разделенную по крайней мере на две подрешетки, каждая из которых соединена с соответствующим входом волноводного устройства суммарно-разностной обработки сигналов, выполненного на двойных волноводных тройниках, каждый из которых содержит Т-образное соединение трех прямоугольных волноводов в Н-плоскости, первый и второй из которых являются симметричными плечами тройника, ось третьего волновода перпендикулярна оси первых двух, отличающееся тем, что четвертый прямоугольный волновод двойного волноводного тройника, выполненный закороченным на одном из его концов, расположен в плоскости, параллельной плоскости Т-соединения, с которым имеет общую широкую стенку и электромагнитно связан с ним через окно связи в этой общей стенке, причем в области пересечения общей оси первого и второго волноводов с осью третьего волновода установлен согласующий штырь Г-образной формы, первое плечо которого параллельно узким стенкам волноводов, второе плечо в основном своем положении параллельно широким стенкам волноводов и направлено в сторону, противоположную входу третьего волновода, при этом второе плечо штыря выполнено с возможностью углового перемещения в Н- и Е-плоскостях.2. Моноимпульсное антенное устройство по п.1, отличающееся тем, что окно связи выполнено в виде щелевого отверстия, продольная ось которого расположена параллельно оси третьего прямоугольного волновода.3. Моноимпульсное антенное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в четвертом волноводе между его незакороченным торцом и окном связи установлен по крайней мере один согласующий элемент, выполненный в виде диафрагмы или дополнительного штыря.4. Моноимпульсное антенное устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что ось четвертого волновода двойного волноводного тройника направлена перпендикулярно оси третьего волновода.5. Моноимпульсное антенное устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что ось четвертого волновода двойного волноводного тройника направлена параллельно оси третьего волновода.6. Моноимпульсное антенное устройство по п.5, отличающееся тем, что в четвертом волноводе между окном связи и его узкой стенкой параллельно ей установлен возбуждающий штырь.