АНТЕННА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01Q21/06 

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиолокационных антеннах частотного сканирования.

Широко известные и применяемые в радиолокации антенны частотного сканирования представляют собой плоскую решетку из линейных излучателей, соединенных с делителем мощности в виде линии передачи СВЧ синусоидальной («змейковой» или серпантинной) конфигурации. Описание принципа устройства и действия такой антенны приводится во многих литературных источниках, в частности в «Сканирующие антенные системы СВЧ» т.3, перевод под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, изд. «Советское радио», М., 1971 г.

Существенными недостатками известных антенн является то, что на частоте сигнала, соответствующей формированию диаграммы направленности с максимумом в направлении нормали к продольной оси синусоидальной линии (далее частота нормали), коэффициент стоячей волны по напряжению (далее КСВН) на входе синусоидальной линии делителя мощности резко возрастает в результате синфазного сложения большого количества даже малых по величине отражений от ответвителей - элементов связи делителя мощности с линейными излучателями. Это явление в литературе имеет название «эффект нормали».

В качестве прототипа предлагаемого изобретения, в части принципа действия, может быть принята антенна частотного сканирования РЛС AN/SPS-48 фирмы ITT Gilfillan, США («Зарубежное военное обозрение», 1980 г., №5; «Aviation Wee, 1984, 121, №24; ТИЭИР, т.73, №2), представляющая собой плоскую решетку из 76 волноводно-щелевых горизонтальных линейных излучателей (линеек), соединенных с вертикальной синусоидальной (серпантинной) линией делителя мощности. КСВН на входе этой антенны на частоте нормали составляет 3,5, что приводит к ухудшению характеристик антенны и РЛС в целом на этой частоте. Однако эта антенна не может быть принята за прототип предлагаемого изобретения в части конструкции, так как характерное для нее расположение линейных излучателей и синусоидальной линии делителя мощности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях не позволяет реализовать предлагаемую в изобретении идею.

В качестве прототипа в отношении конструкции данного изобретения может быть принята антенна частотного сканирования с указанным выше принципом действия, в которой, с целью обеспечения компактности конструкции, синусоидальная линия делителя мощности располагается в плоскости, параллельной плоскости, содержащей линейные излучатели, а связь линейных излучателей с ответвителями делителя мощности осуществляется отрезками линии, перпендикулярными обеим вышеназванным плоскостям.

Такую конструкцию имеют, в частности, корабельные трехкоординатные радиолокационные станции, разработанные и изготавливаемые ФГУП «ГМЗ «Салют» (п.1 формулы патента на полезную модель РФ №35688). В этих антеннах все ответвители расположены на одной продольной оси делителя мощности, являющейся осью его симметрии, при этом расстояние между всеми соседними ответвителями одинаково, набег фаз на каждый период делителя мощности одинаков; на частоте нормали все линейные излучатели синфазны (при необходимости - с инверсией фазы на них на 180 градусов), но и отражения, приходящие от ответвителей на вход делителя мощности - синфазны (Фиг.1). Это приводит к ухудшению согласования на входе делителя мощности на частоте, соответствующей формированию луча по нормали к этой оси, когда указанные расстояния между ответвителями по линии питания оказываются кратными целому числу полуволн в линии.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала технических средств проектирования антенны частотного сканирования с одновременным улучшением его эксплуатационных характеристик. Техническими результатами при реализации предлагаемого изобретения являются, в частности, обеспечение компактности конструкции, улучшение согласования, то есть уменьшение КСВН на входе антенны на частоте «нормали», улучшение эксплуатационных характеристик антенны и РЛС в целом.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что для улучшения согласования (уменьшения КСВН) на входе антенны частотного сканирования на частоте нормали элементы связи (ответвители) делителя мощности с линейками разделены на две группы таким образом, что продольная ось, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно оси, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в синусоидальной линии делителя мощности, а возникающая при этом несогласованность фаз компенсируется соответствующей разницей длин входного участка четных и нечетных линейных излучателей.

На Фиг.2 приведена схема построения антенны частотного сканирования. Антенна частотного сканирования состоит из делителя мощности 1 в виде линии передачи СВЧ синусоидальной (змейковой или серпантинной) конфигурации и излучающего полотна из линейных излучателей 2, каждый из которых связан с делителем мощности 1 через элементы связи - ответвители 3, 4, 5, 6, которые могут быть как направленными, так и ненаправленными. Количество ответвителей и величина их связи с делителем мощности обеспечивают амплитудное распределение энергии СВЧ между линейными излучателями 2, необходимое для формирования в плоскости частотного сканирования диаграммы направленности с заданными параметрами, а длина участков линии между соседними ответвителями обеспечивает фазовое распределение между линейными излучателями, необходимое для осуществления качания луча антенны частотного сканирования в заданном секторе углов при изменении частоты сигнала в заданном диапазоне частот.

Для обеспечения хорошего согласования (низкого уровня КСВН) на входе антенны частотного сканирования при формировании диаграммы направленности с максимумом в направлении нормали к оси делителя мощности 1 все ответвители разделены на две группы (четные и нечетные) таким образом, что сечение, содержащее все четные ответвители, отстоит от сечения, содержащего все нечетные ответвители, на расстояние А, равное целому нечетному числу четвертей длины волны в линии делителя мощности, на частоте сигнала, соответствующей формированию луча в направлении нормали к оси делителя мощности. Благодаря смещению оси, содержащей четные ответвители, относительно оси, содержащей нечетные ответвители, на величину:

Δ=(2n+1)Λ_N/4,

где n=0,1,2 и так далее, a Λ_n - длина волны в канале делителя мощности на частоте, соответствующей формированию луча в направлении нормали к продольной оси делителя мощности, - происходит практически полная взаимная компенсация приходящих на вход антенны и оказывающихся в противофазе по отношению друг к другу отражений от четных и нечетных ответвителей. Образующаяся при этом несогласованность фаз четных ответвителей относительно нечетных компенсируется соответствующей разницей длин входного участка четных и нечетных линеек 2 при условии одинаковой конструкции элементов их подключения к ответвителям. В случае отличия фазовой скорости распространения волны в каналах делителя мощности 1 и линейных излучателей 2 компенсация отражений и коррекция фазового распределения достигается за счет соответствующей коррекции величины Δ.

Предлагаемая схема построения была проверена экспериментально на антенне, содержащей 68 линейных излучателей. Расстояние между продольными осями делителя мощности, содержащими четные и нечетные ответвители, составляло 5/4 Λ_N. Синусоидальная линия делителя мощности и линейки имеют сечение волноводного канала 28,5×12,6 мм.

КСВН на входе антенны во всем рабочем диапазоне частот не превысил 1,8, причем на частоте нормали КСВН равен 1,3.

Кроме этого, экспериментально проверен делитель мощности с таким же сечением канала, предназначенный для питания антенны из 94 линейных излучателей. Разнос осей, содержащих четные и нечетные ответвители, как и в предыдущем случае, составляет 5/4 Λ_N. При установке на выходы ответвителей делителя мощности согласованных нагрузок КСВН на его входе во всем рабочем диапазоне частот, в том числе на частоте нормали, не превысил 1,2.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в радиолокационных антеннах частотного сканирования. Техническим результатом является обеспечение компактности конструкции, улучшение согласования, улучшение эксплуатационных характеристик антенны частотного сканирования и РЛС в целом. Антенна выполнена в виде плоской решетки линейных излучателей, соединенных с делителем мощности в виде линии синусоидальной конфигурации. На входе антенны на частоте нормали элементы связи делителя мощности с линейными излучателями разделены на две группы таким образом, что продольная ось, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно оси, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в синусоидальной линии делителя мощности. Возникающая при этом несогласованность фаз компенсируется соответствующей разницей длин входного участка четных и нечетных линейных излучателей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Антенна частотного сканирования, выполненная в виде плоской решетки линейных излучателей, соединенных с делителем мощности в виде линии синусоидальной конфигурации, расположенной в плоскости, параллельной плоскости, содержащей линейные излучатели, отличающаяся тем, что элементы связи делителя мощности с линейными излучателями разделены на две группы таким образом, что продольная ось делителя мощности, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно оси, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в синусоидальной линии.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разница длин входного участка четных и нечетных линейных излучателей выбирается из условия согласования фаз четных выходов делителя мощности относительно нечетных.