ПРИЕМНЫЙ МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01Q13/02 H01Q25/02 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использовано в качестве приемного облучателя антенн, преимущественно крупногабаритных фазированных антенных решеток (ФАР) с оптическим возбуждением для моноимпульсных радиолокационных станций (РЛС).

В моноимпульсных РЛС распространение получили четырехрупорные приемные облучатели, формирующие двухлепестковую диаграмму направленности (ДН) антенны, необходимую для сопровождения пеленгуемого объекта по угловым координатам. Недостаток таких облучателей заключается в следующем. Если размеры раскрыва облучателя выбраны из соображений получения максимального усиления антенны с заданным раскрывом в суммарном луче, то диаграммы направленности облучателя при формировании разностных лучей получаются вдвое шире угловых размеров раскрыва антенны. Вследствие этого, у краев раскрыва антенны образуются пики разностного облучения и около половины энергии уходит в пространство, минуя раскрыв ("утечка" энергии из антенной системы). В результате разностные ДН имеют низкое усиление и высокие боковые лепестки. Для устранения этого недостатка увеличивают приблизительно вдвое соответствующие размеры раскрывов облучателей, формирующих разностные ДН. Однако для получения оптимальной суммарной ДН размеры раскрыва облучателя должны быть первоначальными. Таким образом, размеры рупоров облучателя и их запитка должны быть различными для трех ДН (для получения суммарного сигнала, разностного сигнала по азимуту и разностного сигнала по углу места), а для получения оптимальных характеристик всех трех ДН (трех каналов) должны быть разработаны специальные устройства, возбуждающие эти каналы. Все это приводит к существенному усложнению конструкции облучателя, как это имеет место, например, в двенадцатирупорном [1] или n-рупорном [2] облучателях.

Известен суммарно-разностный облучатель для моноимпульсной антенны, содержащий пирамидальный рупор, разделенный пополам в плоскости Е перегородкой, и суммарно-разностный узел возбуждения с суммарным, разностным Е, разностным Н и разность - разностным каналами. Пирамидальный рупор имеет различную длину в плоскостях Е и Н и снабжен настроечным элементом в виде двух шаровых сегментов, установленных один над другим на перегородке с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси, причем перегородка выступает за продольный габарит рупора и имеет симметричную относительно своей продольной оси форму со ступенчатым уменьшением ширины от начала к концу выступающей части. Суммарно-разностный узел возбуждения выполнен из четырех прямых примыкающих друг к другу одинаково ориентированных прямоугольных волноводов одинакового сечения, каждый из которых имеет общую широкую стенку с одним из соседних волноводов, имеющую две симметрично расположенные относительно продольной оси волновода продольные щели, а также общую узкую стенку с другим соседним волноводом, имеющую продольную щель с настроечным винтом, установленным над ее центром со стороны широких стенок. В выходные каналы, являющиеся продолжением суммарного и разность - разностного каналов, установлены 90° фазосдвигающие секции, выполненные в виде диэлектрических вкладышей, частично или полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а в выходной канал, являющийся продолжением разностного Е канала, установлена 180° фазосдвигающая секция в виде вкладыша, имеющего поперечное сечение, совпадающее с волноводом, при этом в центре вкладыша в плоскости Е прорезана сквозная продольная щель, полностью заполненная диэлектриком с диэлектрической проницаемостью, превосходящей диэлектрическую проницаемость вкладышей, а оба конца вкладышей выполнены ступенчатыми [3].

Недостаток этого суммарно-разностного облучателя для моноимпульсной антенны заключается в следующем. Поскольку излучающий раскрыв имеет одинаковые размеры для суммарного и разностных каналов, то невозможно оптимизировать их одновременно. Так, если размеры раскрыва рупора выбрать из соображений максимального усиления в суммарном канале, то в разностных каналах будут большие потери энергии на перелив и низкие усиление и крутизна пеленгационной характеристики. Если же оптимизировать разностные каналы, то низкое усиление будет в суммарном канале.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является оптимизированный моноимпульсный облучатель, содержащий основной пирамидальный рупор и два боковых пирамидальных рупора, соединенных со стороны раскрывов по широкой стенке с широкими стенками основного рупора; первую схему возбуждения в виде прямоугольного волновода, один конец которого с увеличенным в Н-плоскости размером и к которому подключен тройник с выходом разностного Н-канала соединен с горловиной основного пирамидального рупора, а другой конец после сужения является выходом суммарного канала; вторую схему возбуждения с выходом разностного Е-канала, выполненную в виде волноводного тройника, входы которого соединены с прямоугольными волноводами боковых пирамидальных рупоров, или отрезка прямоугольного волновода, связанного с прямоугольными волноводами боковых пирамидальных рупоров при помощи щелей. В режиме приема поле вблизи раскрыва можно разложить на четную и нечетную составляющие. Четная составляющая возбуждает в раскрыве основного (центрального) рупора волну Н₁₀, которая через систему возбуждения попадает в суммарный канал. Нечетная составляющая в Н-плоскости возбуждает волну Н₂₀, которая через двойной тройник попадает на выход разностного канала ΔН. В Е-плоскости разностный канал формируется с помощью двух боковых рупоров. Нечетная составляющая в Е-плоскости возбуждает их в противофазе и через волноводный тройник поля из боковых рупоров поступают в разностный канал ΔЕ. При этом основной рупор не принимает участия в формировании разностного канала ΔЕ [4].

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного моноимпульсного облучателя (прототипа), заключаются в следующем. В Н-плоскости суммарные и разностные сигналы формируются одним основным раскрывом, поэтому, как и в предыдущем облучателе, их нельзя оптимизировать по отдельности. В Е-плоскости разностный канал формируется двумя боковыми рупорами, разнесенными на достаточно большое расстояние. Такая схема приводит к большим потерям энергии за счет высокого уровня боковых лепестков. Кроме того, расстояние между боковыми рупорами определяется размером основного рупора, поэтому его нельзя оптимизировать с точки зрения формирования разностного канала ΔЕ, вследствие чего уменьшается крутизна пеленгационной характеристики и увеличивается уровень боковых лепестков.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей изобретения является разработка и создание моноимпульсного облучателя для зеркальных и линзовых антенн, обладающего возможностью раздельной оптимизации каждого из каналов - суммарного, разностного Н-канала и разностного Е-канала. Технический результат выражается в достижении оптимальных усиления и уровня боковых лепестков по суммарному каналу, крутизны пеленгационной характеристики и уровня боковых лепестков по разностным каналам.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном моноимпульсном облучателе, содержащем основной пирамидальный рупор, два боковых пирамидальных рупора, соединенных со стороны раскрывов по широкой стенке с широкими стенками основного рупора, схему возбуждения с суммарным, разностным Е- и разностным Н-каналами, согласно изобретению основной пирамидальный рупор разделен пополам в плоскости Е проводящей перегородкой и дополнительно снабжен нижним и верхним пирамидальными рупорами, соединенными со стороны раскрывов по широкой стенке со стенками основного пирамидального рупора; прямоугольная часть проводящей перегородки выполнена выступающей наружу на расстояние (0,5-1,0)λ от плоскости раскрыва основного пирамидального рупора, где λ - длина волны в свободном пространстве; схема возбуждения выполнена в виде сдвоенного прямоугольного волновода с увеличенным в Н-плоскости размером для прохождения волны Н₂₀, к которому подключены волноводный тройник с выходом разностного Н-канала и свернутый двойной волноводный тройник с выходом суммарного канала и выходом разностного Е-канала; нижний и верхний пирамидальные рупоры, боковые пирамидальные рупоры попарно соединены между собой отрезками прямоугольных волноводов, соединенных с волноводными тройниками, при этом плечо волноводного тройника, суммирующего сигналы нижнего и верхнего пирамидальных рупоров, соединено с выходом разностного Е-канала, а плечо тройника, суммирующего сигналы боковых пирамидальных рупоров, подключено к выходу разностного Н-канала через неравномерный делитель мощности.

В качестве боковых пирамидальных рупоров использованы Е-плоскостные рупоры, а в качестве нижнего и верхнего пирамидальных рупоров использованы Н-плоскостные рупоры.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1а - конструкция приемного моноимпульсного облучателя, вид сбоку, фиг.1б - то же, вид сверху; фиг.2 - функциональная схема приемного моноимпульсного облучателя; фиг.3а - раскрыв приемного моноимпульсного облучателя, фиг.3б - распределение поля в Е-плоскости раскрыва, фиг.3в - распределение поля в Н-плоскости раскрыва.

Приемный моноимпульсный облучатель (фиг.1, 3а) содержит основной пирамидальный рупор 1, разделенный в Е-плоскости на две равные секции 1а и 1б проводящей перегородкой 2, прямоугольная часть которой выступает наружу на расстояние (0,5-1,0)λ от плоскости раскрыва рупора; верхний 3а и нижний 3б Н-плоскостные рупоры, соединенные по широким кромкам с кромками основного пирамидального рупора 1; первый 4а и второй 4б боковые Е-плоскостные рупоры, соединенные по широким кромкам с кромками основного пирамидального рупора 1. Схема возбуждения содержит прямоугольный волновод 5, один конец которого подсоединен к горловине центрального пирамидального рупора 1, а другой конец - к свернутому двойному волноводному тройнику 6. Прямоугольный волновод 5 имеет увеличенный в Н-плоскости размер для обеспечения распространения волны Н₂₀ и к нему подключен волноводный Е-тройник 7 с выходом Н-канала "ΔН" составляющей разностного канала в Н-плоскости. Свернутый двойной волноводный тройник 6 имеет выход "∑" суммарного канала и выход Е-канала "ΔЕ" составляющей разностного канала в Е-плоскости.

Верхний 3а и нижний 3б Н-плоскостные рупоры объединены при помощи соединительных отрезков прямоугольных волноводов и двойных волноводных тройников, делящих подводимую мощность в отношении 1:1 (не показано), и плечо волноводного тройника, суммирующего сигналы этих рупоров, соединено с выходом "ΔЕ" свернутого двойного тройника 6. Первый 4а (левый) и второй 4б (правый) боковые Е-плоскостные рупоры объединены при помощи соединительных отрезков прямоугольных волноводов и двойных волноводных тройников (не показано) и плечо волноводного тройника, суммирующего сигналы этих рупоров, соединено с выходом "ΔН" Е-тройника 7 с помощью неравномерного делителя мощности 8 (фиг.2), делящего подводимые сигналы в отношении 1:n, где n - 2, 3, 4, .... Конкретное соотношение выбирается из условия получения уровня боковых лепестков ДН в наклонной плоскости, не превышающего определенной величины, т.к. варьированием размеров боковых рупоров 4а, 4б в Н-плоскости при использовании двойных волноводных тройников с коэффициентом деления 1:1 не удается нужным образом оптимизировать разностную ДН.

Размеры облучателя, геометрия пирамидальных рупоров определяются по известным правилам, например, апертурным методом [5], с учетом конфигурации и размеров облучаемой зеркальной или линзовой антенны, исходя из условия получения максимального апертурного КИП и расчетной величины уровня боковых лепестков ДН облучателя в Е-плоскости. Независимо выбирая размеры раскрывов секций 1а, 1б основного пирамидального рупора и боковых 3а, 3б, 4а, 4б пирамидальных рупоров, можно раздельно оптимизировать параметры как суммарного, так и разностных каналов антенны. Выступающая за раскрыв облучателя прямоугольная часть проводящей (металлической) перегородки 2, являясь продолжением общей стенки секций 1а и 1б основного пирамидального рупора 1, предназначена для согласования облучателя со свободным пространством по разностному каналу в Е-плоскости.

Приемный моноимпульсный облучатель работает следующим образом (фиг.2). Суммарную и разностную ДН формирует двухсекционный (1а, 1б) основной пирамидальный рупор 1, а верхний 3а и нижний 3б Н-плоскостные рупоры и первый 4а (левый) и второй 4б (правый) боковые Е-плоскостные рупоры формируют дополнительные сигналы по разносным Е- и Н-каналам, соответственно. Сигнал в суммарном канале облучателя образуется при возбуждении в верхней 1а и нижней 1б секциях основного пирамидального рупора 1 синфазных волн Н₁₀ (фиг.3б, 3в - сплошная линия). Сигнал в разностном канале в Е-плоскости образуется в результате сложения сигнала, полученного при возбуждении синфазных волн Н₁₀ в верхней 1а и нижней 1б секциях центрального пирамидального рупора 1, с сигналом от возбужденных в противофазе верхнего 3а и нижнего 3б Н-плоскостных рупоров в Е-плоскости облучателя (фиг.3б - пунктирная линия). Сигнал в разностном канале в Н-плоскости образуется в результате сложения сигнала, полученного при возбуждении синфазных волн Н₂₀ в верхней 1а и нижней 1б секциях основного пирамидального рупора 1, с сигналом от возбужденных в противофазе первого 4а (левого) и второго 4б (правого) боковых Е-плоскостных рупоров в Н-плоскости облучателя (фиг.3в - штрихпунктирная линия.

Использование изобретения позволяет получить высокое усиление в суммарном канале, большие крутизны пеленгационных характеристик в разностных каналах при заданном уровне боковых лепестков ΔН моноимпульсного приемного облучателя.

Источники информации

1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., "Советское радио, 1970, стр.73-79.

2. SU 1117741, Н 01 Q 13/00, 1984.

3. RU 2109377, Н 01 Q 25/02, 1998.

4. FR 2219533, Н 01 Q 13/06, 1974.

5. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч. Ч.1. М., "Связь", 1977, стр.240-353.

Изобретение может быть использовано в качестве приемного облучателя антенн, преимущественно крупногабаритных фазированных антенных решеток с оптическим возбуждением для моноимпульсных радиолокационных станций. Технический результат - оптимизация усиления и уровня боковых лепестков по суммарному каналу, крутизны пеленгационной характеристики и уровня боковых лепестков по разностным каналам. Сущность изобретения состоит в том, что приемный моноимпульсный облучатель содержит основной пирамидальный рупор, два боковых, нижний и верхний пирамидальные рупоры, соединенные широкими кромками с кромками раскрыва основного рупора, схему возбуждения с суммарным, разностным Е- и разностным Н-каналами. Основной пирамидальный рупор разделен пополам в плоскости Е проводящей перегородкой, прямоугольная часть которой выполнена выступающей наружу на расстояние (0,5-1,0)λ от плоскости раскрыва основного пирамидального рупора, где λ - длина волны в свободном пространстве. Нижний и верхний пирамидальные рупоры, боковые пирамидальные рупоры попарно соединены между собой отрезками прямоугольных волноводов, соединенных с волноводными тройниками, при этом плечо волноводного тройника, суммирующего сигналы нижнего и верхнего пирамидальных рупоров, соединено с выходом разностного Е-канала, а плечо тройника, суммирующего сигналы боковых пирамидальных рупоров, подключено к выходу разностного Н-канала через неравномерный делитель мощности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Приемный моноимпульсный облучатель, содержащий основной пирамидальный рупор, два боковых пирамидальных рупора, соединенных широкими кромками с кромками раскрыва основного рупора, схему возбуждения с суммарным, разностным Е- и разностным Н-каналами, отличающийся тем, что основной пирамидальный рупор разделен пополам в плоскости Е проводящей перегородкой и дополнительно снабжен нижним и верхним пирамидальными рупорами, соединенными со стороны раскрывов по широкой стенке со стенками основного пирамидального рупора; прямоугольная часть проводящей перегородки выполнена выступающей наружу на расстояние (0,5-1,0)λ от плоскости раскрыва основного пирамидального рупора, где λ - длина волны в свободном пространстве; схема возбуждения выполнена в виде сдвоенного прямоугольного волновода с увеличенным в Н-плоскости размером для прохождения волны Н₂₀, к которому подключены волноводный тройник с выходом разностного Н-канала и свернутый двойной волноводный тройник с выходом суммарного канала и выходом разностного Е-канала; нижний и верхний пирамидальные рупоры, боковые пирамидальные рупоры попарно соединены между собой отрезками прямоугольных волноводов, соединенных с волноводными тройниками, при этом плечо волноводного тройника, суммирующего сигналы нижнего и верхнего пирамидальных рупоров, соединено с выходом разностного Е-канала, а плечо тройника, суммирующего сигналы боковых пирамидальных рупоров, подключено к выходу разностного Н-канала через неравномерный делитель мощности.2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве боковых пирамидальных рупоров использованы Е-плоскостные рупоры, а в качестве нижнего и верхнего пирамидальных рупоров использованы Н-плоскостные рупоры.