АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2007 года по МПК H01Q21/29 

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

Известна антенная система с фазированной антенной решеткой и центральным возбуждением, содержащая систему излучения, соединенную с блоком фазовращателей, СВЧ-сумматор и волноводный распределитель, выполненный из направленных ответвителей и магистральных волноводов ["Фазированная антенная решетка с центральным возбуждением", авт. Белошапкин Е.Н., Кожухов Ю.А. и др., пат. RU 02070759 C1]. Недостатками этого технического решения являются малая рабочая полоса частот, высокий уровень боковых лепестков разностной диаграммы направленности и большой продольный размер.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является антенная система, содержащая двухмерную моноимпульсную фазированную антенную решетку, установленную на поворотном устройстве, причем ее волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей первого типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, объединенные общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей первого типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв, и четыре линейных распределителя второго типа расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа и запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа ["Антенная система", авт. Алексеев О.С., Винярская Н.А., Митин В.А., Позднякова Р.Д., Синани А.И., Ястребов Б.П., пат. RU 2256263 С1, H01Q 3/28].

Недостатком этого технического решения являются недостаточно устойчивые амплитудно-фазовые характеристики в диапазоне частот, большой уровень лепестков разностной диаграммы направленности и большой продольный размер.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что антенная система состоит из двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом, установленной на поворотном устройстве и выполненной из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, и волноводного распределителя, состоящего из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих раскрыв двухмерной моноимпульсной ФАР, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ-сумматора.

Новыми признаками заявляемого технического решения является то, что М линейных распределителей первого типа и основные делители линейного распределителя второго типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65÷80° каналами таким образом, что волноводные выходы направленных ответвителей линейных распределителей первого типа и основных делителей линейных распределителей второго типа из разных половин раскрыва, соответственно левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру с периодом d_H≤0.63λ в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d_E≤0.49λ в плоскости линейного распределителя второго типа, а в плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, установлены волноводные уголки, например "Волноводный уголок", авт. Митин В.А., Позднякова Р.Д., Ястребов Б.П., пат. на изобр. №2171522, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода, при этом к каждому из плеч волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора, в свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя, вход которого при этом преобразуется в разностный вход антенной системы для плоскости расположения линейного распределителя второго типа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности амплитудно-фазовых характеристик за счет применения в линейных распределителях первого типа волноводных направленных ответвителей с каналами, пересекающимися под углом 65÷80°, обладающих более стабильными характеристиками по сравнению с ответвителями с пересекающимися под углом 90° каналами, уменьшение продольного размера антенной системы за счет применения в линейных распределителях первого и второго типов вышеуказанных направленных ответвителей, а также применения в выходных каналах основных делителей линейных распределителей второго типа волноводных уголков, обеспечивающих выполнение трех функциональных задач (поворот в Е и Н плоскостях волновода и трансформацию сечений) в габаритном объеме, характерном для одного элемента. Помимо этого, за счет встраивания в линейный распределитель второго типа дополнительных делителей, сумматора и направленного ответвителя с фазосдвигающими секциями уменьшен уровень боковых лепестков разностной диаграммы направленности в плоскости расположения линейного распределителя второго типа, а как следствие уменьшения продольного размера антенной системы достигнуто приближение плоскости раскрыва ФАР к оси вращения и, соответственно, как увеличение площади апертуры ФАР, так и уменьшение плеча выноса масс (снижение требований к поворотному устройству), а также увеличение сектора механического доворота до ±60°.

На фиг.1 приведено схематическое изображение антенной системы (а - прототип; б - предлагаемый вариант)

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

На фиг.3 приведено распределение уровня сигнала в линейных распределителях первого типа в широкой полосе частот.

На фиг.4 приведена разностная ДН в плоскости линейного распределителя второго типа.

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 выполнена из линеек излучателей 3, линеек фазовращателей 4, волноводного распределителя, состоящего из М линейных распределителей первого типа 5 и четырех линейных распределителей второго типа, каждый из которых выполнен из двух делителей - основного 7 и вспомогательного 9, волноводных уголков 6, фазосдвигающих секций 8, согласованных нагрузок 15, а также основного СВЧ-сумматора 10, дополнительного СВЧ-сумматора 13, фазосдвигающих секций 11 и 12, направленного ответвителя 14. Линейки излучателей 3 соединены с линейками фазовращателей 4, которые, в свою очередь, соединены с выходными волноводами линейных распределителей первого типа 5. Волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа 5, каждый из которых представляет собой ряд волноводных направленных ответвителей, объединенных магистральными волноводами, и четырех линейных распределителей второго типа, каждый из которых состоит из основного 7 и дополнительного 9 делителей. Каждый из волноводных выходов направленных ответвителей основных делителей 7, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, соединен через волноводный уголок 6 с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа 5. В свою очередь, каждый из волноводных выходов направленных ответвителей основных делителей 7, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, соединены через фазосдвигающие секции 8 с соответствующими волноводными выходами направленных ответвителей дополнительных делителей 9. К волноводным выходам направленных ответвителей дополнительных делителей, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, а также к окончаниям магистральных волноводов основных и дополнительных делителей присоединены согласованные нагрузки 15. Входы магистральных волноводов основных 7 и дополнительных 9 делителей соединены с выходами, соответственно основного 10 и дополнительного 13 СВЧ-сумматоров, при этом суммарно-разностные диаграммы направленности антенной системы формируются по входам основного СВЧ-сумматора (суммарная, разностная в плоскости расположения линейных распределителей первого типа и разность-разностная), а разностная диаграмма в плоскости расположения линейного распределителя второго типа формируется по входу направленного ответвителя 14, выходы которого соединены через фазосдигающие секции 11 и 12 с соответствующими входами основного 10 и дополнительного 13 СВЧ-сумматоров.

Предлагаемая антенная система работает следующим образом.

При подаче СВЧ-сигнала от передатчика на суммарный вход ("В×Σ") основного СВЧ-сумматора 10 происходит распределение его через сумматор и основные делители 7 линейных распределителей второго типа по линейным распределителям первого типа 5, которые, в свою очередь, через линейки фазовращателей 4, формирующих заданные фазовые характеристики в каждом канале, запитывают линейки излучателей 3, создавая в раскрыве АС заданные амплитудно-фазовые распределения и формируя соответственно заданную диаграмму направленности при работе "на передачу".

При работе "на прием", при поступлении сигнала с направления, точно соответствующего максимуму излученного сигнала, происходит суммирование парциальных сигналов от раскрыва в линейных распределителях первого типа 5 и далее только в основных делителях 7 линейных распределителей второго типа, а затем только в основном СВЧ-сумматоре 10. При поступлении сигнала на раскрыв с направления, не соответствующего направлению максимума излученного сигнала, происходит разделение парциальных сигналов от раскрыва на две части. Одна часть этих сигналов суммируется аналогично варианту для точного соответствия направления принятого сигнала направлению излученного. Другая часть от этих сигналов, определяемая не полным соответствием фазовых соотношений для сложения парциальных сигналов от раскрыва ФАР только в основных делителях 7 линейных распределителей второго типа, проходит далее через фазосдвигающие секции 8 в дополнительные делители 9 линейных распределителей второго типа и, суммируясь в них, поступает в дополнительный СВЧ-сумматор 13. Далее сигналы от входа 1 (Δ1) основного СВЧ-сумматора и входа дополнительного СВЧ-сумматора, по которым формируется разностная диаграмма направленности в плоскости расположения линейного распределителя второго типа, через фазосдвигающие секции 11 и 12 поступают на выходы 1 и 2 направленного ответвителя 14, при этом амплитудные и фазовые соотношения сигналов в основных 7 и дополнительных 9 делителях линейных распределителей второго типа, а также в направленном ответвителе 14, выбраны таким образом, что на входе направленного ответвителя 14 формируются сигналы, соответствующие разностной диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков (это соответствует коррекции формы амплитудного распределения при работе с этим разностным каналом без искажения заданной формы амплитудного распределения при работе по суммарному каналу).

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключаются в повышении стабильности амплитудно-фазовых характеристик волноводного распределителя, улучшении разностной диаграммы направленности в плоскости расположения линейного распределителя второго типа, уменьшении продольного размера антенной системы и соответственно приближении плоскости раскрыва ФАР к оси вращения, а вследствие этого увеличена площадь апертуры ФАР на 20%, уменьшено плечо выноса масс (снижение требований к поворотному устройству), увеличен сектор механического доворота до ±60°.

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) улучшена амплитудно-фазовая стабильность антенной системы в диапазоне частот f_cp±4,3% за счет использования в линейных распределителях первого типа направленных ответвителей с амплитудно-фазовыми характеристиками с малой частотной зависимостью;

2) предлагаемое устройство позволяет уменьшить продольный размер антенной системы на 20% и соответственно увеличить площадь апертуры на 20% и до ±60° угол механического доворота;

3) понижен уровень боковых лепестков разностной диаграммы направленности на 10÷15 дБ в плоскости расположения линейного распределителя второго типа.

Изобретение относится к средствам связи и может использоваться в радиолокационной технике. Техническим результатом является повышение стабильности амлитудно-фазовых характеристик, уменьшение продольного размера антенной системы, уменьшение уровня боковых лепестков разностной диаграммы направленности в плоскости расположения линейного распределителя второго типа. Сущность изобретения состоит в том, что в антенной системе, содержащей моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, причем волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ-сумматора, а каждый из волноводных выходов направленных ответвителей этих распределителей соединен с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа, каждый из четырех линейных распределителей второго типа выполнен из двух делителей - основного и дополнительного. Основные делители линейного распределителя второго типа и все линейные распределители первого типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65-80° каналами таким образом, что волноводные выходы направленных ответвителей основных делителей линейных распределителей второго типа и линейных распределителей первого типа из разных половин раскрыва, соответственно левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру в обеих плоскостях с периодом d_H≤0.63λ в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d_E≤0.49λ в плоскости линейного распределителя второго типа. В плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, установлены волноводные уголки, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода. К каждому из плеч основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора. В свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя, на входе которого формируются разностные характеристики, соответствующие диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков. 4 ил.

Антенная система, содержащая моноимпульсную фазированную антенную решетку с электронным управлением лучом, установленную на поворотном устройстве, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, причем волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ-сумматора, а каждый из волноводных выходов направленных ответвителей этих распределителей соединен с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа, отличающаяся тем, что каждый из четырех линейных распределителей второго типа выполнен из двух делителей - основного и дополнительного, при этом основные делители линейного распределителя второго типа и все линейные распределители первого типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65-80° каналами таким образом, что волноводные выходы направленных ответвителей основных делителей линейных распределителей второго типа и линейных распределителей первого типа из разных половин раскрыва, соответственно, левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру в обеих плоскостях с периодом d_H≤0,63λ, в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d_E≤0,49λ в плоскости линейного распределителя второго типа, при этом в плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ энергия, установлены волноводные уголки, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода, а к каждому из плеч основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора, в свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя, на входе которого формируются разностные характеристики, соответствующие диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков.