МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2007 года по МПК H01Q19/15 

Изобретение относится к радиотехнике, к области антенн и может быть использовано в системах связи и обнаружения для дискретного или одновременного обзора заданного пространственного сектора по углу места.

Известны антенные системы [1, 2], которые могут быть использованы для формирования веерных диаграмм направленности.

Антенная система [1] содержит отражатель в виде симметричной вырезки из вертикального параболического цилиндра и однолучевой облучатель, выполненный в виде пирамидального рупора, фазовый центр излучения которого расположен на фокальной линии отражателя, а плоскость раскрыва облучателя расположена наклонно к фокальной линии, чем обеспечивается вынос облучателя из основного потока энергии, отраженной от отражателя, и формирование неискаженной диаграммы направленности (ДН). При формировании вертикального пучка парциальных ДН используется линейный рупор, возбуждаемый многолучевой антенной, при этом фазовая линия излучения рупора должна быть совмещена с фокальной линией отражателя. При таком расположении за счет рассеяния электромагнитной волны, отраженной от отражателя, на облучателе и элементах его крепления ухудшается согласование антенны и возрастает уровень боковых лепестков ДН. Кроме того, для ориентации пучка ДН над линией горизонта необходим поворот всей системы, что приводит к усложнению конструкции фидерного тракта антенны.

Обеспечение выноса облучателя из потока энергии, отраженной от отражателя, за счет наклона облучателя (наклона фазовой линии излучения относительно фокальной линии отражателя) приводит к искажениям парциальных фазовых распределений поля в раскрыве отражателя и, в результате, к искажению формы каждой парциальной ДН, проявляющуюся в отсутствии горизонтальной плоскости симметрии, изменению уровня их пересечения, росту боковых лепестков.

Антенная система [2] является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой и принята в качестве прототипа.

Прототип состоит из отражателя в виде несимметричной вырезки из горизонтального параболического цилиндра и облучателя в виде линейного рупора, возбуждаемого антенной типа "пилбокс", фазовая линия излучения которого совмещена с действительной фокальной линией отражателя. В прототип также входит второй облучатель, поляризация излучения которого ортогональна поляризации излучения первого облучателя, а его фазовая линия расположена на мнимой фокальной линии отражателя. Обдуватели разделены селективной по поляризации поверхностью.

Недостатком прототипа является высокий уровень боковых лепестков в плоскости направляющей отражателя, как ближних, так и дальних в области границы "свет-тень", обусловленных несимметричной формой отражателя. Кроме того, прототип формирует веерные диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Для формирования веерных ДН в вертикальной плоскости необходимо повернуть всю систему на 90°, что приведет к усложнению конструкции за счет необходимости введения элементов фидерного тракта облучателя, дополнительных узлов крепления отражателя и облучателей при наличии общего основания и дополнительных конструктивных элементов для балансировки системы.

Целью изобретения является формирование вертикального пучка веерных, неискаженных диаграмм направленности при простой конструкции.

Для достижения поставленной цели в многолучевой антенной системе, состоящей из параболоцилиндрического отражателя и многолучевого облучателя, содержащего многолучевую антенну, формирующую линейный пучок парциальных диаграмм направленности, и линейный рупор, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линий отражателя, отражатель выполнен в виде вырезки из вертикального параболического цилиндра, плоскость раскрыва многолучевой антенны расположена под углом α>θ_н к фокальной линии отражателя, при этом нижняя кромка раскрыва многолучевой антенны совмещена с нижней кромкой горловины линейного рупора, а боковые и верхняя кромки раскрыва многолучевой антенны соединены плоскими металлическими пластинами с соответствующими кромками горловины линейного рупора, вертикальный размер b которой выбирают из соотношения

где а - вертикальный размер раскрыва многолучевой антенны;

θ_н, θ_в - соответственно углы между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумами крайних в направлении на нижнюю и верхнюю кромку отражателя парциальных диаграмм направленности многолучевой антенны.

Авторам и заявителю не известны технические решения со сходной совокупностью признаков, позволяющие формировать неискаженные веерные парциальные диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена предлагаемая многолучевая антенная система; фиг.2 - конструкция многолучевого облучателя; фиг.3 - конструкция линейного рупора с металлическими пластинами; фиг.4 - экспериментальная картографическая проекция одной из парциальных диаграмм направленности заявляемой антенны; фиг.5 - то же для прототипа.

Многолучевая антенная система (фиг.1) состоит из отражателя 1, выполненного в виде симметричной вырезки из вертикального параболического цилиндра, закрепленного на основании 2 коробчатой конструкции с помощью поворотного механизма 3 для складывания системы в транспортное положение. На противоположной стороне основания 2 закреплен с помощью кронштейна 4 многолучевой облучатель 5, состоящий из многолучевой антенны 6 и линейного рупора 7, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линией отражателя 1. Многолучевой облучатель 5 с помощью фидерных линий 8 подключен к источникам (или приемникам) 9 электромагнитной энергии.

Многолучевая антенна 6 предназначена для формирования линейного пучка парциальных диаграмм направленности и выполнена, например, линзовой (фиг.2). В этом случае она состоит из апланатической плосковыпуклой цилиндрической линзы 10 и первичных облучателей 11, например, волноводно-рупорных, закрепленных в корпусе 12 таким образом, что их фазовые центры излучения совмещены с фокальной линией линзы 10. Количество первичных облучателей 11 равно числу парциальных диаграмм направленности. Расчет параметров облучателей 11 и линзы 10 известен [3, 4].

Плоскость раскрыва многолучевой антенны 6 в плоскости образующей отражателя составляет с фокальной линией отражателя 1 угол α>θ_н, где θ_н - угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны 6 и максимумом крайней в направлении на нижнюю кромку отражателя 1 парциальной диаграммы направленности. Для случая линзовой антенны угол α - угол между плоской преломляющей поверхностью линзы 10 и фокальной линией отражателя 1, θ_н - центральный угол сектора, ограниченного оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром излучения крайнего верхнего первичного облучателя 11. Наклоном плоскости раскрыва многолучевой антенны на угол α>θ_н обеспечивается вынос облучателя 5 из потока энергии, отраженной от отражателя 1, при возбуждении крайнего верхнего первичного облучателя 11.

Боковые 13, 14 и верхняя 15 кромки раскрыва многолучевой антенны 6 соединены плоскими металлическими пластинами 16, 17, 18 (фиг.3) с соответствующими кромками 19, 20, 21 горловины линейного рупора 7, нижняя кромка 22 раскрыва многолучевой антенны 6 совмещена с нижней кромкой 22 горловины линейного рупора 7. При этом вертикальный размер в горловины линейного рупора 7 выбирают из соотношения

где а - вертикальный линейный размер раскрыва многолучевой антенны 6;

θв - угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумом крайней в направлении на верхнюю кромку отражателя парциальной диаграммы направленности (для линзовой антенны θв - центральный угол сектора, ограниченный оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром излучения крайнего нижнего первичного облучателя 11). Как видно из приведенного соотношения b>a, что позволяет исключить искажения парциальных амплитудно-фазовых распределений поля в раскрыве линейного рупора 7. Из этого же соотношения следует, что при b=∞, т.е. значение угла α ограничено конструктивными возможностями выполнения рупора с вертикальным размером b.

Проектирование отражателя 1 в плоскости направляющей и линейного рупора 7 известно [5].

Предлагаемая многолучевая антенная система работает следующим образом.

Электромагнитная энергия через фидерные линии 8 от источников 9 поступает в каналы первичных облучателей 11, излучается во внутренний объем корпуса 12 и в форме цилиндрических электромагнитных волн падает на плоскую поверхность линзы 10. После преломления на плоской и выпуклой поверхностях линзы 10 цилиндрические электромагнитные волны преобразуются в плоские, причем наклон каждой парциальной плоской волны относительно нормали к раскрыву линзы 10 равен углу между оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром соответствующего первичного облучателя 11. Эти волны распространяются в направлении раскрыва линейного рупора 7. Выбором вертикального размера рупора, равным b, и наличием металлических пластин 16, 17, 18, соединяющих раскрыв антенны 6 с горловиной рупора 7, обеспечивается излучение в направлении отражателя 1 парциальных волн с неискаженными амплитудно-фазовыми фронтами. Т.к. фазовая линия излучения рупора 7 совмещена с фокальной линией отражателя 1, то цилиндрические волны, падающие на отражатель 1, после отражения преобразуются в плоские и, следовательно, в дальней зоне антенны формируются неискаженные веерные парциальные ДН, т.е. каждая ДН имеет вертикальную и горизонтальную плоскости симметрии. При этом наклон плоскости раскрыва антенны 6 на угол α>θ_н обеспечивает дополнительный линейный фазовый сдвиг в вертикальной плоскости одновременно для всех парциальных диаграмм и, следовательно, вынос облучателя 5 из потока энергии, отраженной от отражателя 1.

На предприятии изготовлен опытный образец предлагаемой антенны.

Антенна при простой конструкции формирует неискаженные веерные в вертикальной плоскости ДК (фиг.4). Прототип формирует диаграммы направленности в горизонтальной плоскости; формирование ДН в вертикальной плоскости может быть осуществлено при повороте всей системы на 90°, т.е. при более сложной конструкции, чем у заявляемой антенной системы. Кроме того, уровень бокового излучения в предлагаемой антенне на 12-15 дБ ниже, чем в прототипе за счет использования отражателя в виде симметричной вырезки из параболического цилиндра. Вынос же облучателя в прототипе из потока энергии, отражаемой от отражателя, за счет наклона облучателя к фокальной линии приводит к искажению формы парциальных ДН (фиг.5) и росту бокового излучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кюн Р. Микроволновые антенны. М.: Судостроение, 1967, с.324-325, рис.7.15.

2. Патент США №3810185 от 07.05.74, МКИ H 01 Q 19/00, НКИ: 343/756

3. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Сов.радио, 1974, с.72-74

4. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского М.: Сов.радио, 1972, с.154-156.

5. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Часть 1. М.: "Связь" 1977 г., с.311-312, 371-376.

Изобретение может быть использовано в системах связи и обнаружения для дискретного или одновременного обзора заданного пространственного сектора по углу места. Технический результат заключается в формировании веерных диаграмм направленности в вертикальной плоскости при уменьшении искажений и упрощении конструкции. Сущность изобретения состоит в том, что в многолучевой антенной системе, содержащей зеркало и многолучевой облучатель, выполненный в виде многолучевой антенны и рупора, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линией зеркала, зеркало выполнено в виде вырезки из вертикального параболического цилиндра. Плоскость раскрыва многолучевой антенны размещена к фокальной линии параболического цилиндра под углом, большим, чем угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумом крайней в направлении на нижнюю кромку зеркала парциальной диаграммы направленности многолучевой антенны. Нижняя кромка горловины линейного рупора совмещена с нижней кромкой раскрыва многолучевой антенны, а боковые и верхняя кромки раскрыва многолучевой антенны совмещены с соответствующими кромками горловины линейного рупора посредством металлических пластин. Размер боковой кромки горловины линейного рупора выбран из приведенного соотношения. 5 ил.

Многолучевая антенная система, содержащая зеркало и многолучевой облучатель, выполненный в виде многолучевой антенны и линейного рупора, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линией зеркала, отличающаяся тем, что, с целью формирования веерных диаграмм направленности в вертикальной плоскости при уменьшении искажений и упрощении конструкции, зеркало выполнено в виде вырезки из вертикального параболического цилиндра, плоскость раскрыва многолучевой антенны размещена под углом α>θ_н к фокальной линии параболического цилиндра, где θ_н - угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумом крайней в направлении на нижнюю кромку зеркала парциальной диаграммы направленности многолучевой антенны, нижняя кромка горловины линейного рупора совмещена с нижней кромкой раскрыва многолучевой антенны, а боковые и верхняя кромки раскрыва многолучевой антенны соединены с соответствующими кромками горловины линейного рупора посредством введенных металлических пластин, причем размер боковой кромки горловины линейного рупора выбран из соотношения:

где а - размер боковой кромки раскрыва многолучевой антенны;

θ_в - угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумом крайней парциальной диаграммы направленности многолучевой антенны в направлении на верхнюю кромку зеркала.