АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2005 года по МПК H01Q3/28 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в радиолокационной технике для определения координат цели с помощью моноимпульсного метода пеленгации.

Известна антенная система с фазированной антенной решеткой и волноводной системой питания, выполненной на основе осесимметричного многоканального делителя и многозвенных делителей, с радиально-кольцевым неэквидистантным расположением выходных каналов волноводной системы, что позволяет уменьшить вдвое число каналов по сравнению со стандартной гексагональной сеткой при сохранении ширины сектора сканирования ["Волноводная система питания фазированной антенной решетки", авт. свид. СССР №1406674, кл. Н 01 Р 5/12, 1988 г. Патент США №4926145, кл. Н 01 Р 5/12, 1990; авт. Скляр Л.М., Ганцевич М.М.] Недостатком этого технического решения является невысокая мощность, которую можно подать на вход указанной фазированной антенной решетки и, особенно, в условиях пониженного давления, что обусловлено отсутствием герметизации. Введение герметизации в приведенном варианте фазированной антенной решетки (ФАР) проблематично, а если и возможно, то приводит к очень существенному усложнению конструкции. Кроме того, приведенный вариант ФАР имеет достаточно большие продольные размеры (~0,5 диаметра ФАР).

Известны волноводно-щелевые антенные решетки, устанавливаемые на поворотном устройстве. Они просты конструктивно и легки, но имеют малую рабочую полосу частот (2Δf≤2-3%), малую скорость сканирования, не обеспечивают многоцелевых режимов работы, свойственных фазированным антенным решеткам с электронным управлением лучом [“Плоская эллиптическая нерезонансная антенная решетка для самолетного радиолокатора”, Аbid Hussain V.A.IETE Techn. Rev., 1999, 16, №2; “Особенности современных щелевых антенн” (обзор), “Зарубежная радиоэлектроника”, 1976, №6, стр.120-138].

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазированная антенная решетка с центральным возбуждением, содержащая линейные излучатели, соединенные с управляемыми фазовращателями, СВЧ-сумматор и волноводный распределитель, выполненный из направленных ответвителей и магистральных волноводов. В этой фазированной антенной решетке система распределения энергии по раскрыву ФАР состоит из волноводного суммарно-разностного моста и многоканального волноводного распределителя мощности, выходы которого соединены с входами управляемых фазовращателей через направленные ответвители, каждый из которых выполнен из двух волноводов, имеющих общий участок широкой и узкой стенок с элементами связи в виде двух щелей (отверстий связи) ["Фазированная антенная решетка с центральными возбуждением", авт. Белошапкин Е.И., Кожухов Ю.А. RU 02070759].

Недостатками этого технического решения являются невысокий КПД и малая рабочая полоса частот, обусловленные большим переходным ослаблением и большой частотной зависимостью характеристик волноводных направленных ответвителей с областью связи в виде двух щелей в общем участке волноводных стенок (широкая стенка магистрального и узкая стенка ответвленного волноводов).

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что антенная система состоит из двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом, выполненной из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, состоящего из направленных ответвителей и магистральных волноводов и СВЧ-сумматора.

Новыми признаками заявляемого технического решения является то, что двухмерная моноимпульсная фазированная антенная решетка с электронным управлением лучом установлена на поворотном устройстве, а ее волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей первого типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, у которых волноводные каналы примыкают друг к другу широкими стенками и объединены общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей первого типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. Распределители второго типа расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа, запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа, причем линейные распределители первого типа ориентированы таким образом, что формируют на волноводных выходах своих направленных ответвителей электромагнитные волны Н₁₀ с ориентацией вектора Е параллельно плоскости, в которой поворотное устройство осуществляет поворот двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. Линейные распределители второго типа выполнены на направленных ответвителях с продольным расположением волноводных каналов и общей широкой стенкой, причем в зоне предпоследних волноводных выходов линейных распределителей второго типа высота магистрального волновода понижена до высоты волноводных выходов линейных распределителей второго типа, а последние волноводные выходы линейных распределителей второго типа сформированы поворотом магистрального волновода на 90° в Е плоскости. Сумматор и четыре линейных распределителя второго типа загерметизированы по выходам линейных распределителей, при этом каждый из входов этих распределителей соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора. В случае необходимости поворота плоскости поляризации на каждом из волноводных распределителей первого типа установлены 90° скрутки, состоящие из отрезков Н-образного волновода с щелевыми диафрагмами на входе и выходе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение рабочей полосы частот, увеличение КПД, за счет использования в волноводных распределителях направленных ответвителей, имеющих общие широкие стенки, и, соответственно, меньшие переходные ослабления и частотную зависимость. За счет размещения распределителей второго типа в плоскости, в которой осуществляется доворот ФАР поворотным устройством, достигнуто приближение плоскости раскрыва ФАР к оси вращения и, соответственно, как увеличение площади апертуры ФАР, так и уменьшение плеча выноса масс (снижение требований к приводу), а также увеличение в этой плоскости сектора сканирования до 170°.

На фиг.1 изображен пример расположения антенной системы на борту носителя.

На фиг.2 изображена функциональная схема двухмерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом с горизонтальной поляризацией.

На фиг.3 изображена функциональная схема двухмерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом с вертикальной поляризацией.

На фиг.4 изображена конструкция элемента линейки скруток.

Антенная система состоит из двухмерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом 1, установленной на поворотном устройстве 2. Двухмерная фазированная антенная решетка с электронным управлением лучом 1 выполнена из линеек излучателей 3, линеек фазовращателей 4, линеек скруток 5 волноводного распределителя, состоящего из линейных распределителей первого типа 6, выполненных из направленных ответвителей со связью по широким стенкам 7, например, на пересекающихся волноводах, линейных распределителей второго типа 8, состоящих из направленных ответвителей 9 с продольным расположением волноводных каналов и общей широкой стенкой, магистральных волноводов 10, СВЧ-сумматора 11.

Линейки излучателей 3 соединены с линейками фазовращателей 4, а они, в свою очередь, соединены с выходными волноводными каналами линейных распределителей первого типа. Волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа 6, каждый из которых выполнен из волноводных направленных ответвителей 7, объединенных общими магистральными волноводами 10, и четырех линейных 8 распределителей второго типа, при этом М линейных распределителей первого типа 6 сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. Четыре линейных распределителя второго типа 8 соединены каждым своим магистральным волноводом 10 с соответствующим выходом СВЧ-сумматора 11, расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа 6 и запитывают каждым из своих волноводных выходов, на которых установлены герметизаторы, магистральные волноводы 10 линейных распределителей первого типа 6. Линейные распределители первого типа 6 ориентированы таким образом, что формируют на волноводных выходах своих направленных ответвителей электромагнитные волны Н₁₀ с ориентацией вектора Е параллельно плоскости, в которой поворотное устройство осуществляет поворот двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. При необходимости иметь на волноводных выходах антенной системы электромагнитные волны Н₁₀ с ориентацией вектора Е ортогонально плоскости, в которой поворотное устройство осуществляет поворот двухмерной моноимпульсной ФАР, на каждом из волноводных выходов распределителей первого типа должны быть установлены 90° скрутки 5. Линейные распределители второго типа 8 выполнены на направленных ответвителях 9 с общей широкой стенкой и продольным расположением волноводных каналов, объединенных общими магистральными волноводами 10, причем в зоне предпоследних волноводных выходов линейных распределителей второго типа 8 высота магистрального волновода понижена до высоты волноводных выходов линейных распределителей второго типа 8, а последние волноводные выходы линейных распределителей второго типа 8 сформированы поворотом магистрального волновода на 90° в Е плоскости.

Каждый элемент линейки скруток 5 состоит из отрезка Н-образного волновода 12 с щелевыми диафрагмами 13 на входе и выходе.

Предлагаемая антенная система работает следующим образом.

СВЧ-сигнал поступает на вход волноводной распределительной системы, которая формирует заданное амплитудное распределение и обеспечивает формирование суммарно-разностных характеристик, причем часть волноводно-распределительной системы (сумматор и распределители второго типа) загерметизирована и находится под повышенным давлением, обеспечивая возможность работы с сигналами большой мощности. На каждом выходе направленного ответвителя в распределителях первого типа 6 электромагнитные волны Н₁₀ имеют амплитуду, определяемую переходным ослаблением волноводно-распределительной системы от входа ∑ сумматора 11 до определенного выхода в распределителе первого типа 6 и ориентацию вектора Е параллельно плоскости, в которой осуществляется доворот поворотным устройством, претерпевают, при необходимости, поворот плоскости поляризации на 90° за счет скрутки 5, обеспечивая тем самым необходимую поляризацию сигнала в излучающем раскрыве ФАР. Такое расположение распределителей первого 6 и второго 8 типов относительно плоскости, в которой осуществляется доворот поворотным устройством, обеспечивает возможность увеличения размеров излучающего раскрыва ФАР при неизменных углах доворота. После волноводной распределительной системы сигналы по каждому из выходных волноводных каналов поступают в фазовращатели, а после них в излучающий раскрыв двухмерной моноимпульсной ФАР.

В двухмерной моноимпульсной ФАР с треугольной структурой расположения излучателей в раскрыве неравенство расстояний между излучателями в Е и Н плоскостях, например для двухмерной моноимпульсной ФАР, у которых расстояние между излучателями в Е плоскости меньше расстояния между излучателями в Н плоскости, размещение распределителя второго типа 8 в плоскости Н (перпендикулярно вектору Е электромагнитного поля в раскрыве) позволяет, в отличие от распределителей первого типа 6, использовать направленные ответвители 9 с продольным расположением волноводных каналов и характеристиками переходного ослабления, близкими к частотонезависимым, а в результате улучшить в целом частотные характеристики ФАР. Кроме того, за счет использования таких направленных ответвителей в основной части линейного распределителя, а для предпоследних каналов - направленных ответвителей с пониженным сечением магистрального волновода, стабилизирована величина сигнала в магистральных волноводах в конце распределителей второго типа. В результате этот сигнал использован в полной мере для запитки распределителей первого типа. Такое решение дает возможность отказаться от оконечной нагрузки в конце магистрального волновода распределителя второго типа и соответственно увеличить КПД и сократить размеры антенной системы.

Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении электрических характеристик - расширении рабочего диапазона частот, повышении КПД и увеличении электропрочности, а также в улучшении характеристик антенной системы за счет увеличения площади излучающего раскрыва ФАР и увеличении сектора сканирования (при фиксированных значениях угла доворота и размерах конического обтекателя, при установке ее на бортовом носителе).

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец антенной системы. Испытания подтвердили возможность достижения заявленного технического эффекта. В предлагаемой антенной системе:

1. Предлагаемая антенная система позволила увеличить площадь апертуры на 30% и до 170° угол обзора в одной из плоскостей.

2. Улучшена амплитудная стабильность антенной системы в диапазоне частот за счет использования в распределителях второго типа направленных ответвителей с переходным ослаблением, не зависящим от частоты в диапазоне частот f₀±4%.

3. Увеличен КПД на 2% за счет применения в распределителях второго типа направленных ответвителей с продольным расположением волноводных каналов, реализующих предельно малые переходные ослабления при малой частотной зависимости, что позволило отказаться от оконечных нагрузок.

Изобретение относится к средствам связи и может использоваться в радиолокационной технике для определения координат цели с помощью моноимпульсного метода пеленгации. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот, увеличение КПД за счет использования в волноводных распределителях направленных ответвителей, имеющих общие широкие стенки, и, соответственно, большие связи и меньшую частотную зависимость. За счет размещения распределителей второго типа в плоскости, в которой осуществляется доворот ФАР поворотным устройством, достигнуто приближение плоскости раскрыва ФАР к оси вращения и, соответственно, как увеличение площади апертуры ФАР, так и уменьшение плеча выноса масс (снижение требований к приводу), а также увеличение в этой плоскости сектора сканирования до 170°. Сущность изобретения состоит в том, что антенная система состоит из двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом, которая установлена на поворотном устройстве и выполнена из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, состоящего из направленных ответвителей и магистральных волноводов и СВЧ-сумматора. Волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей первого типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, у которых волноводные каналы примыкают друг к другу широкими стенками и объединены общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей первого типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. Распределители второго типа расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа, запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа, причем линейные распределители первого типа ориентированы таким образом, что формируют на волноводных выходах своих направленных ответвителей электромагнитные волны Н₁₀ с ориентацией вектора Е параллельно плоскости, в которой поворотное устройство осуществляет поворот двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки. Линейные распределители второго типа выполнены на направленных ответвителях с продольным расположением волноводных каналов и общей широкой стенкой, причем в зоне предпоследних волноводных выходов линейных распределителей второго типа высота магистрального волновода понижена до высоты волноводных выходов линейных распределителей второго типа, а последние волноводные выходы линейных распределителей второго типа сформированы поворотом магистрального волновода на 90° в Е плоскости. Сумматор и четыре линейных распределителя второго типа загерметизированы по выходам линейных распределителей, при этом каждый из входов этих распределителей соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора. В случае необходимости поворота плоскости поляризации на каждом из волноводных распределителей первого типа установлены 90° скрутки, состоящие из отрезков Н-образного волновода с щелевыми диафрагмами на входе и выходе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Антенная система, содержащая двухмерную моноимпульсную фазированную антенную решетку с электронным управлением лучом, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, отличающаяся тем, что двухмерная моноимпульсная фазированная антенная решетка с электронным управлением лучом установлена на поворотном устройстве, а ее волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей первого типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, у которых волноводные каналы примыкают друг к другу широкими стенками и объединены общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей первого типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, а четыре линейных распределителя второго типа, каждый из которых соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора и расположен ортогонально М линейным распределителям первого типа, запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа, причем линейные распределители первого типа ориентированы таким образом, что формируют на волноводных выходах своих направленных ответвителей электромагнитные волны Н₁₀ с ориентацией вектора Е параллельно плоскости, в которой поворотное устройство осуществляет поворот двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, при этом линейные распределители второго типа выполнены на направленных ответвителях с продольным расположением волноводных каналов и общей широкой стенкой, причем в зоне предпоследних волноводных выходов линейных распределителей второго типа высота магистрального волновода понижена до высоты волноводных выходов линейных распределителей второго типа, а последние волноводные выходы линейных распределителей второго типа сформированы поворотом магистрального волновода на 90° в Е плоскости.2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что на каждом из волноводных распределителей первого типа установлены 90° скрутки, состоящие из отрезков Н-образного волновода с щелевыми диафрагмами на входе и выходе.3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что сумматор и четыре линейных распределителя второго типа загерметизированы по выходам линейных распределителей.