АНТЕННАЯ СИСТЕМА ПРОХОДНОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК H01Q21/00 

Группа изобретений относится к радиотехнике, в частности к проходным фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча и может быть использована в радиолокационных станциях (РЛС) различного назначения.

Известна антенная система проходного типа, содержащая установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и небольшую по сравнению с размерами рефлектора проходную ФАР, помещенную между СВЧ-облучателем и рефлектором, в качестве которого использовано параболическое зеркало. При работе на передачу СВЧ-энергия от рупорного облучателя падает на первые (в данном случае приемные) излучатели антенных элементов проходной ФАР, проходит через их фазовращатели, излучается вторыми (передающими) излучателями антенных элементов в направлении рефлектора и, отразившись от его поверхности, распространяется в заданном направлении. При работе на прием электромагнитная волна (ЭМВ) из пространства падает на поверхность рефлектора и, отразившись от нее, попадает на вторые (в данном случае принимающие) излучатели антенных элементов проходной ФАР, проходит через их фазовращатели и фокусируется первыми (теперь передающими) излучателями антенных элементов в направлении рупорного СВЧ-облучателя. Угол отклонения луча антенны от осевой линии определяется задаваемым фазовым сдвигом электромагнитных колебаний, который они приобретают проходя через фазовращатели антенных элементов проходной ФАР. Данная антенная система сочетает в себе преимущества электрического сканирования, точность зеркальных антенн и относительно низкую стоимость, т.к. используется проходная ФАР небольших по сравнению с рефлектором размеров. Например, в известной конструкции использована проходная ФАР размером 22,5×30 см, содержащая 824 антенных элемента. Эта антенна обеспечивает сканирование луча в секторе углов 14×20° [1].

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известной антенной системы, заключаются в следующем. В режиме приема при падении ЭМВ под различными углами к оси рефлектора отраженная СВЧ-энергия фокусируется в различных точках на плоскости раскрыва проходной ФАР, совпадающей с фокальной плоскостью рефлектора. Поэтому с увеличением углов сканирования увеличивается “переливание” СВЧ-энергии, отраженной рефлектором, через края ФАР, что приводит к ограничению величины углового сектора сканирования, существенному падению коэффициента направленного действия, росту боковых лепестков диаграммы направленности и, как следствие, снижению помехоустойчивости приема. Несмотря на малые по сравнению с рефлектором размеры ФАР, она затеняет часть поверхности рефлектора в его центральной зоне, что существенно ослабляет принимаемые сигналы.

Сущность группы изобретений заключается в следующем.

Задачей заявленной группы изобретений является расширение функциональных возможностей антенной системы проходного типа за счет увеличения углового сектора сканирования луча.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной антенной системе, содержащей установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и проходную ФАР, согласно полезной модели рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и рефлектором, выполненным в виде параболического зеркала, диаметр которого равен (1,0-1,2) наибольшего линейного размера проходной ФАР в плане, расстояние между плоскостью раскрыва рупорного СВЧ-облучателя и отражающей поверхностью параболического зеркала выбрано равным (0,5-0,7) его фокусного расстояния, плоскость раскрыва проходной ФАР параллельна плоскости раскрыва параболического зеркала, отражающая поверхность которого снабжена поляризатором.

Поляризатор выполнен в виде параллельных тонких металлических проволочек, расположенных под углом 45° к направлению вектора электрического поля и закрепленных эквидистантно отражающей поверхности параболического зеркала на расстоянии, равном λ/8 от нее.

Проходная ФАР имеет в плане форму окружности, эллипса, прямоугольника или многоугольника.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной антенной системе, содержащей установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и проходную ФАР, согласно полезной модели в качестве рефлектора использовано плоское зеркало с поляризатором, выполненное с возможностью поворота вокруг сферического шарнира, расположенного в точке опоры, лежащей в центре симметрии плоского зеркала и на общей оси антенной системы, рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и плоским зеркалом и установлен вне апертуры ФАР так, что его продольная ось проходит через точку опоры плоского зеркала, при этом проходная ФАР и плоское зеркало в плане имеют одинаковую форму.

Поляризатор выполнен в виде параллельных тонких металлических ребер высотой λ/8 на отражающей поверхности плоского зеркала, расположенных под углом 40-45° к направлению вектора электрического поля.

Проходная ФАР и плоское зеркало в плане имеют форму окружности, эллипса, прямоугольника или многоугольника.

Линейные размеры плоского зеркала в плане равны (0,7-0,8) соответствующих линейных размеров проходной ФАР.

В отличие от прототипа в заявленных вариантах антенной системы проходная ФАР по своим размерам соизмерима с размерами рефлектора. Новым и принципиальным является то, что в режиме передачи СВЧ-энергия излучается в пространство антенными элементами проходной ФАР, а в режиме приема ЭМВ из пространства падает не на рефлектор, а принимается антенными элементами проходной ФАР. Поэтому угловой сектор сканирования луча заявленной антенной системы существенно больше, чем у прототипа, т.к. определяется только шагом расположения антенных элементов в решетке; отрицательный эффект затенения рефлектора облучателем в первом варианте устройства незначителен, а во втором варианте отсутствует.

Изобретения поясняются чертежами, на которых изображены: фиг.1 - схема антенной системы проходного типа (вариант 1); фиг.2 - схематическое изображение поляризатора для параболического зеркала; фиг 3 (а, б) - примеры форм выполнения ФАР в плане; фиг.4 - схема антенной системы проходного типа (вариант 2); фиг.5 (а, б, в) - примеры форм выполнения плоского зеркала в плане.

Антенная система проходного типа по первому варианту (фиг.1) содержит установленные соосно проходную ФАР 1, рефлектор 2 в виде параболического зеркала с поляризатором 3 и СВЧ-облучатель 4 в виде пирамидального рупора, который закреплен на конце прямоугольного волновода, связанного с приемопередающим трактом РЛС. СВЧ-облучатель 4 размещен между проходной ФАР 1 и параболическим зеркалом 2 так, что расстояние между плоскостью его раскрыва P_о и зеркалом составляет (0,5-0,7)F, где F - фокусное расстояние параболического зеркала. Это сделано как для уменьшения осевого габаритного размера антенной системы, так и для устранения боковых лепестков диаграммы направленности, обусловленных дискретизацией фазы в фазовращателях антенных элементов проходной ФАР 1. Плоскость Р_ф излучающего раскрыва ФАР 1, обращенного в сторону параболического зеркала 2, параллельна плоскости его раскрыва и отстоит от плоскости раскрыва Р_о рупорного СВЧ-облучателя 4 на расстоянии Δ=(0,8-1,2)λ_о, где λ_о - длина волны электромагнитных колебаний в свободном пространстве. Поляризатор 3 (фиг.2) выполнен в виде параллельных тонких металлических проволочек 5, расположенных под углом 45° к направлению вектора электрического поля Е падающей ЭМВ и закрепленных эквидистантно отражающей поверхности параболического зеркала 2 на расстоянии, равном λ/8 от нее, где λ - длина волны в эквидистантном пространстве. Проволочки 5 могут быть укреплены, например, на металлических штырьках, привинченных к отражающей поверхности зеркала (в этом случае эквидистантное пространство заполнено воздухом), при помощи слоев диэлектрического материала, приклеенных к ней, или любым другим способом. Поляризатор 3 может быть выполнен как одно целое с параболическим зеркалом 2 в виде тонких ребер, например, методом фрезеровки или специального литья, что усложняет технологию изготовления и повышает стоимость изделия. Межреберное пространство также может быть заполнено диэлектрическим материалом.

Проходная ФАР 1 состоит из набора размещенных в определенном порядке антенных элементов. В качестве последних использован приемопередающий элемент, содержащий фазовращатель 6, первый 7 и второй 8 излучатели. Фазовращатель 6 содержит цилиндрический ферритовый стержень, на котором закреплен магнитопровод с намагничивающей обмоткой, состоящей из обмотки набора фазы фазовращателя и обмотки установки фазы в нулевое состояние. Излучатели 7, 8 также выполнены цилиндрическими из диэлектрического материала и присоединены к торцам цилиндрического ферритового стержня через согласующие трансформаторы (в виде диэлектрических цилиндрических шайб). Свободные концы излучателей могут иметь цилиндрическую или коническую форму. На поверхность цилиндрического ферритового стержня, согласующих диэлектрических шайб и большую часть поверхности диэлектрических излучателей 7, 8 за исключением их свободных концов нанесен тонкий слой металлизации, образуя отрезок круглого металлизированного волновода. Намагничивающая обмотка подключена к устройству управления антенными элементами ФАР 1 (на схеме не показано). Антенные элементы ФАР 1 излучают и принимают ЭМВ с круговой поляризацией [2].

Геометрические размеры проходной ФАР 1 и, соответственно, количество антенных элементов в ней определяются конструкцией и назначением РЛС, в которой используется данная антенная система. Конструктивно проходная ФАР 1 может быть выполнена на базе силовой металлической плиты 9 с отверстиями (фиг.3). Антенные элементы в определенном количестве монтируются в виде модулей, которые крепятся к силовой металлической плите так, что их продольные оси перпендикулярны ее плоскости, а первые диэлектрические излучатели 7, проходя через отверстия, выступают наружу. Отверстия в

силовой металлической плите 9 и, соответственно, первые диэлектрические излучатели 7 антенных элементов расположены в узлах плоской прямоугольной или треугольной (гексагональной) координатной сетки с двойной периодичностью [1, стр.20, рис.2.1]. Таким образом, силовая металлическая плита 9, являющаяся конструктивной основой ФАР 1, играет роль экрана и вместе с выступающими первыми диэлектрическими излучателями 7 формирует первый раскрыв ФАР 1 (излучающий ЭМВ в пространство и принимающий их из пространства). В плане она может иметь форму эллипса или окружности, прямоугольника или квадрата (фиг.2а), неправильного или правильного многоугольника (фиг.2б). Основным конструктивным параметром ФАР 1 в плане является ее наибольший линейный размер D_ФАР, который в случае выполнения полотна ФАР 1 в форме эллипса равен длине его большой оси, в случае окружности - ее диаметру, в случае вытянутого прямоугольника - длине его большей стороны, в случае квадрата - диаметру вписанной в него окружности, в случае неправильного многоугольника - длине большой оси вписанного в него эллипса, в случае правильного многоугольника - диаметру вписанной в него окружности. Диаметр параболического зеркала 2 равен (1,0-1,2)D_фар и подбирается из условия обеспечения оптимального распределения поля в раскрыве ФАР 1.

Антенная система проходного типа по второму варианту (фиг.4) отличается от устройства по первому варианту тем, что в качестве рефлектора 2 использовано плоское зеркало с поляризатором 3, выполненное с возможностью поворота вокруг сферического шарнира, расположенного в точке опоры О, лежащей в центре симметрии плоского зеркала и на общей оси антенной системы. Угол наклона плоского зеркала 2 относительно плоскости Р_ф излучающего раскрыва ФАР 1 устанавливается при начальной юстировке антенной системы. Плоскость Р_ф излучающего раскрыва ФАР 1, обращенного в сторону плоского зеркала 2, отстоит от точки опоры О на расстоянии Δ=(0,3-0,4)D_ФАР. Формы плоского зеркала 2 и ФАР 1 в плане должны быть одинаковыми и могут быть выполнены как виде окружности, квадрата, правильного многоугольника, так и, преимущественно, в виде эллипса (фиг.5а), прямоугольника (фиг.5б) или неправильного многоугольника (фиг.5в). Основным конструктивным параметром плоского зеркала 2 является его наибольший линейный размер L_ПЗ, который равен (0,7-0,8) соответствующего линейного размера ФАР 1 и подбирается из условия обеспечения оптимального распределения поля в ее излучающем раскрыве.

СВЧ-облучатель 4 расположен между проходной ФАР 1 и рефлектором 2, но установлен вне апертуры ФАР так, что его продольная ось проходит через точку опоры О (центр симметрии) плоского зеркала 2. Поляризатор 3 выполнен в виде тонких параллельных ребер 13 на отражающей поверхности плоского зеркала 2, расположенных под углом 40-45° к направлению вектора Е электромагнитного поля. Конкретное значение угла определяется экспериментально и зависит от взаимного расположения проходной ФАР 1, СВЧ-облучателя 4, плоского зеркала 2 и величины угла его наклона по отношению к общей оси антенной системы. Ребра 13 высотой, равной примерно λ/8, расположены одна от другой на расстоянии, равном λ/6-λ/12; пространство между ними может быть заполнено диэлектрическим материалом. Конструктивно поляризатор 3 и плоское зеркало 2 выполнены как единая деталь.

Для устранения влияния атмосферных осадков и других факторов, антенная система может быть снабжена радиопрозрачным защитным укрытием (экраном соответствующей конфигурации).

Описанная антенная система проходного типа работает следующим образом. В режиме передачи ЭМВ с линейной поляризацией и сферическим фронтом 10 излучается рупорным СВЧ-облучателем 4 в направлении рефлектора 2. В устройстве по первому варианту, в результате взаимодействия с поляризатором 3, отраженная параболическим зеркалом ЭМВ по известным правилам приобретает круговую поляризацию и квазисферический фронт 11 в следствие того, что рупорный СВЧ-облучатель 4 смещен из фокуса в сторону отражающей поверхности параболического зеркала. В устройстве по второму варианту, в результате взаимодействия с поляризатором 3, отраженная плоским зеркалом ЭМВ приобретает круговую поляризацию и сохраняет сферический фронт 11. Эта волна падает на вторые (в данном случае приемные) излучатели 8 антенных элементов проходной ФАР 1, распространяется в диэлектрическом и ферритовом стержнях, заключенных в металлизированном волноводе, проходит через фазовращатель 6, где с помощью обмоток набора фазы фазовращателя и установки фазы получает соответствующий фазовый сдвиг. При этом фазирование антенных элементов включает также соответствующую коррекцию на квазисферичность (сферичность) фазового фронта падающей волны [3]. Через первые (передающие) излучатели 7 антенных элементов СВЧ-энергия плоским фронтом 12 излучается в пространство в заданном направлении. Максимальные углы сканирования луча в горизонтальной плоскости и по углу места определяются шагом установки антенных элементов в решетке, который задается при проектировании РЛС. В режиме приема процесс протекает в обратном порядке. Падающая из пространства плоская волна 12 с круговой поляризацией попадает на первые (теперь приемные) излучатели 7, проходит через антенные элементы ФАР 1, где приобретает соответствующие фазовые сдвиги, в том числе коррекцию на квазисферичность (сферичность) фазового фронта излучаемой волны 11, и излучается вторыми излучателями 8 в сторону рефлектора 2. После отражения от него волна становится сферической 10, а в результате взаимодействия с поляризатором 3 ее круговая поляризация по известным правилам преобразуется в линейную, возбуждающую рупорный СВЧ-облучатель 4.

Заявленные варианты антенной системы проходного типа обеспечивают сканирование луча в секторе углов до 90×120°. В отличие от прототипа ФАР не затеняет рефлектор и не оказывает отрицательного влияния на антенные характеристики. Указанные свойства существенно расширяют ее функциональные возможности.

Источники информации

1. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебн. пособие для вузов. Д.И.Воскресенский, Р.А.Грановская, Н.С.Давыдова и др. / Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, стр.47-48, рис.2.31в, рис.2.32.

2. Патент RU № 2184410, Н 01 Q 21/00, H 01 P 1/19, Бюл. № 18, 2002.

3. Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника, Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н.Трофимова. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П.И.Дудника. М., Сов. радио, 1977, стр.183-184, рис.36а.

Группа изобретений относится к радиотехнике, в частности к проходным фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча, и может быть использована в радиолокационных станциях (РЛС) различного назначения. Технический результат - расширение функциональных возможностей антенной системы проходного типа за счет увеличения углового сектора сканирования луча. Антенная система проходного типа содержит установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и проходную ФАР. В устройстве по первому варианту рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и рефлектором, выполненным в виде параболического зеркала с поляризатором, причем диаметр параболического зеркала равен (1,0-1,2) наибольшего линейного размера проходной ФАР в плане. В устройстве по второму варианту в качестве рефлектора использовано плоское зеркало с поляризатором, выполненное с возможностью поворота вокруг сферического шарнира, расположенного в точке опоры, лежащей в центре симметрии плоского зеркала и на общей оси антенной системы, рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и плоским зеркалом и установлен вне апертуры ФАР так, что его продольная ось проходит через точку опоры плоского зеркала, при этом проходная ФАР и плоское зеркало в плане имеют одинаковую форму, а линейные размеры плоского зеркала в плане равны (0,7-0,8) соответствующих линейных размеров проходной ФАР. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенная система проходного типа, содержащая установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и проходную фазированную антенную решетку (ФАР), отличающаяся тем, что рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и рефлектором, выполненным в виде параболического зеркала, диаметр которого равен (1,0-1,2) наибольшего линейного размера проходной ФАР в плане, расстояние между плоскостью раскрыва рупорного СВЧ-облучателя и зеркалом выбрано равным (0,5-0,7) его фокусного расстояния, плоскость раскрыва проходной ФАР параллельна плоскости раскрыва параболического зеркала, отражающая поверхность которого снабжена поляризатором.2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что поляризатор выполнен в виде параллельных тонких металлических проволочек, расположенных под углом 45° к направлению вектора электрического поля и закрепленных эквидистантно отражающей поверхности параболического зеркала на расстоянии, равном λ/8 от нее, где λ - длина волны электромагнитных колебаний в эквидистантном пространстве.3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что проходная ФАР имеет в плане форму окружности.4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что проходная ФАР имеет в плане форму эллипса.5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что проходная ФАР имеет в плане форму прямоугольника.6. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что проходная ФАР имеет в плане форму многоугольника.7. Антенная система проходного типа, содержащая установленные соосно рефлектор, рупорный СВЧ-облучатель и проходную фазированную антенную решетку (ФАР), отличающаяся тем, что в качестве рефлектора использовано плоское зеркало с поляризатором, выполненное с возможностью поворота вокруг сферического шарнира, расположенного в точке опоры, лежащей в центре симметрии плоского зеркала и на общей оси антенной системы, рупорный СВЧ-облучатель расположен между проходной ФАР и плоским зеркалом и установлен вне апертуры ФАР так, что его продольная ось проходит через точку опоры плоского зеркала, при этом проходная ФАР и плоское зеркало в плане имеют одинаковую форму.8. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что поляризатор выполнен в виде параллельных тонких металлических ребер высотой λ/8 на отражающей поверхности плоского зеркала, расположенных под углом 40-45° к направлению вектора электрического поля.9. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что проходная ФАР и плоское зеркало имеют в плане форму окружности.10. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что проходная ФАР и плоское зеркало имеют в плане форму эллипса.11. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что проходная ФАР и плоское зеркало имеют в плане форму прямоугольника.12. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что проходная ФАР и плоское зеркало имеют в плане форму многоугольника.13. Антенная система по п.7, отличающаяся тем, что линейные размеры плоского зеркала в плане равны (0,7-0,8) соответствующих линейных размеров проходной ФАР.