АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01Q21/06 

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (далее СВЧ), а именно к конструкции антенных решеток с частотным сканированием, использующихся в радиолокации, например в обзорных трассовых радиолокаторах, и предназначенных для обзора воздушного, надводного и наземного пространства.

Широко известные и применяемые в радиолокации антенны с частотным сканированием представляют собой плоскую решетку из волноводно-щелевых линейных излучателей (далее линейки), соединенных с делителем мощности, содержащим замедляющую структуру в виде змейкового волноводной, свернутой в Е-плоскости, и элементы связи с линейками. Описание конструкции и принципа работы таких антенн содержится во многих источниках, в частности в «Сканирующие антенные системы СВЧ», т.3, под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, изд. «Советское радио», М., 1971 г. и «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.И.Воскресенского, изд. «Советское радио», М., 1972 г. Кроме того, аналогами предлагаемого изобретения являются антенны частотного сканирования РЛС AN/SPS-48 фирмы ITT Gilfillan, США («Зарубежное военное обозрение» №5, 1980 г., «Aviation Wee» №24, 1984 г., ТИЭИР т.73, №2) и антенны, используемые в трехкоординатных РЛС (патенты №RU 35688, RU 2254593, RU 51754, SU 1597986 и GB 2051486). Существенным недостатком известных антенн является то, что коэффициент стоячей волны по напряжению (далее КСВН) на входе делителя мощности на частоте нормали (частота сигнала, соответствующая формированию диаграммы направленности с максимумом в направлении нормали к продольной оси линии змейкового волновода делителя мощности) резко возрастает в результате синфазного сложения большого числа отражений от изгибов змейкового волновода делителя мощности и ответвителей (элементов связи делителя мощности с линейками). Это явление в литературе принято именовать «эффектом нормали» (см. «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д.И.Воскресенского, изд. «Советское радио», М., 1972 г, стр.41, 42). Согласование на входе делителя мощности на частоте нормали ухудшается, и, следовательно, ухудшаются эксплуатационные характеристики не только антенного устройства, но и радиолокатора в целом.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения может быть принята антенна частотного сканирования по патенту № RU 2284079, выполненная в виде плоской решетки волноводно-щелевых линейных излучателей, соединенных через элементы связи с делителем мощности. Делитель мощности выполнен в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости. Длина линии змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи делителя мощности выбирается из условия обеспечения заданного сектора сканирования луча в плоскости, перпендикулярной к горизонтально расположенным линейкам. Элементы связи делителя мощности с линейками разделены на две группы - четные и нечетные. Разделение элементов связи делителя мощности на две группы осуществляется разнесением в пространстве продольных осей делителя мощности, содержащих четные и нечетные элементы связи, относительно друг друга на расстояние, равное целому нечетному числу четвертей длины волны в волноводе делителя мощности на частоте нормали. Данное техническое решение наравне с достоинствами также обладает и значительными недостатками. Конструкция прототипа содержит делитель мощности с одним 180-градусным изгибом на промежутке между соседними элементами связи (см. Фиг.2 к патенту № RU 2284079). Такая конструкция делителя мощности обладает большими габаритами и увеличивает общий вес антенны из-за большой массы металла в промежутках между изгибами волновода. Кроме того, недостатком прототипа с линейками, выполненными на волноводах с прямоугольным сечением, является то, что при неравенстве размеров широких стенок волноводов линеек и волновода делителя мощности достижение согласования фаз четных и нечетных выходов делителя мощности затруднено и, возможно, только за счет искривления линеек, что существенным образом осложняет конструкцию антенны и технологию ее изготовления.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание антенного устройства с частотным сканированием (далее антенны), работающего в заданном диапазоне частот и обладающего наименьшим уровнем боковых лепестков при заданной ширине главного лепестка диаграммы направленности.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации заявленного изобретения, являются, в частности, низкий уровень боковых лепестков (от минус 40 до минус 30 дБ); уменьшение КСВН на входе делителя мощности на частоте нормали; улучшение согласования; увеличение коэффициента усиления; увеличение коэффициента направленного действия; увеличение коэффициента использования поверхности антенного полотна; простота и технологичность изготовления и обслуживания антенны; уменьшение массогабаритных характеристик антенны.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в нижеперечисленных признаках, влияющих на достижение заявленных технических результатов при реализации данного технического решения. Антенное устройство с частотным сканированием содержит делитель мощности и плоскую решетку волноводно-щелевых линейных излучателей (линеек), каждый из которых представляет собой прямоугольный волновод, в узкой стенке которого выполнены попеременно наклонные щели. Делитель мощности выполнен в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и расположен в плоскости, параллельной плоскости, содержащей линейки. Каждый выход делителя мощности соединен через элемент связи с входным участком соответствующей линейки. Линия змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи имеет два 180-градусных изгиба, а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности. Элементы связи делителя мощности разделены на две группы таким образом, что продольная ось делителя мощности, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно продольной оси делителя мощности, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в волноводе делителя мощности. Разница длин четных и нечетных линеек равна величине, на которую смещены продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи. При этом центры всех щелей с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в линейку) каждой линейки расположены на одной вертикальной оси. Направление наклона щелей четных линеек выполнено зеркально по отношению к направлению наклона щелей нечетных линеек. Во входной участок каждой линейки, имеющей большую длину, вводится фазирующая секция, обеспечивающая такое изменение размера широкой стенки линейки, чтобы в пределах длины фазирующей секции осуществлялся фазовый сдвиг, требуемый для согласования фаз четных и нечетных выходов делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона частот антенны, при этом длина фазирующей секции выбирается равной половине длины волны в волноводе линейки с размером широкой стенки, измененным с учетом введения в него фазирующей секции.

На Фиг.1 представлена схема построения антенного устройства с частотным сканированием.

На Фиг.2 представлена конструкция антенного устройства с частотным сканированием (вид спереди).

На Фиг.3 А-А представлен фронтальный разрез нечетной линейки, подключенной через элемент связи к делителю мощности, а на Фиг.3 Б-Б - фронтальный разрез четной линейки, содержащей фазирующую секцию и подключенной через элемент связи к делителю мощности.

Как показано на Фиг.1, 2, антенное устройство с частотным сканированием содержит делитель мощности 1 и плоскую волноводно-щелевую антенную решетку из горизонтально расположенных линеек, разделенных на две группы: четные линейки 2 и нечетные линейки 3. Каждая линейка 2, 3 представляет собой прямоугольный волновод, в узкой стенке которого выполнены попеременно наклонные щели 5.

Делитель мощности 1 обеспечивает сканирование луча в вертикальной плоскости и содержит замедляющую структуру в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и элементы связи 4. Продольная ось а делителя мощности 1, содержащая элементы связи 4 со всеми четными линейками 2, смещена в пространстве относительно продольной оси b делителя мощности 1, содержащей элементы связи 4 со всеми нечетными линейками 3, на расстояние Δ, равное целому нечетному числу четвертей длины волны в волноводе делителя мощности на частоте нормали. Смещение продольных осей а и b делителя мощности 1 на расстояние Δ обеспечивает согласование, то есть низкий уровень КСВН на входе 6 делителя мощности 1 на частоте нормали и взаимную компенсацию отражений, приходящих на вход 6 делителя мощности через элементы связи 4 от четных линеек 2 и нечетных линеек 3 и оказывающихся в противофазе по отношению друг к другу.

Змейковый волновод делителя мощности 1 содержит 180-градусные изгибы, прямолинейные участки с элементами связи 4 и прямолинейные участки без элементов связи 4 (холостые каналы). При этом прямолинейные участки делителя мощности 1, содержащие элементы связи 4 и холостые каналы в волноводе делителя мощности 1, располагаются через один. На промежутке между соседними элементами связи 4 волновод делителя мощности 1 содержит два 180-градусных изгиба, а длина линии змейкового волновода делителя мощности 1 на этом промежутке выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности 1 на частоте нормали. На конце делителя мощности 1 установлена согласованная нагрузка 7.

Волноводно-щелевая антенная решетка антенного устройства с частотным сканированием, содержащая линейки 2 и 3, формирует диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Каждая линейка 2, 3 выполнена на основе прямоугольного волновода сечением c×d, в одной из узких стенок d которого прорезаны попеременно наклонные щели 5, количество которых в четных и нечетных линейках является одинаковым (Фиг.1-3). Четные линейки 2 и нечетные линейки 3 имеют разную длину. Указанная разница длин четных и нечетных линеек равна величине Δ, на которую смещены продольные оси а и b делителя мощности 1, содержащие четные и нечетные элементы связи 4. При этом центры всех щелей 5 с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в линейку) каждой линейки 2, 3 расположены на одной вертикальной оси. Количество вертикальных осей, на которых расположены центры щелей, равно количеству щелей в каждой линейке 2, 3. Связь наклонной щели 5 с полем внутри волновода линейки 2, 3 характеризуется величиной нормированной проводимости, равной отношению излученной щелью мощности к мощности, прошедшей за эту щель:

где

g - нормированная проводимость щели;

Р_изл - мощность, излученная щелью;

Р_под - мощность, подведенная к сечению со щелью;

Р_прош - мощность, прошедшая за щель.

Для получения линейного фазового распределения наклон щелей 5 чередуется, при этом направление наклона щелей четных линеек 2 выполнен зеркально по отношению к направлению наклону щелей нечетных линеек 3. Настройка в резонанс на максимуме связи в заданном рабочем диапазоне частот регулируется глубиной врезания щели 5 в широкие стенки с волновода линеек 2, 3. Расстояние между щелями выбирается из условия недопущения появления побочных главных максимумов при качании луча в рабочем диапазоне частот и недопущения проявления эффекта нормали в линейках. Таким образом, шаг щелей примерно равен половине длины волны в волноводе линеек 2, 3. Для герметизации щелей на каждую из линеек устанавливается накладка из фторопласта.

Вход каждой из линеек 2, 3 выполнен в виде волноводного Н-плоскостного 90-градусного уголка с 45-градусным скосом, предназначенного для подключения к соответствующему выходу делителя мощности через элемент связи 4. На конце каждой линейки 2 и 3 установлена согласованная нагрузка 8.

Для обеспечения необходимого сектора сканирования и положения его относительно нормали к антенному устройству с частотным сканированием размер широкой стенки k волновода делителя мощности 1 выполнен меньше, чем размер широкой стенки с волновода линеек 2, 3 (Фиг.3 А-А, Б-Б). Размер узкой стенки m волновода делителя мощности 1 на прямолинейном участке с элементами связи 4 совпадает с размером узкой стенки d волновода линеек 2 и 3 (Фиг.2). Размер узкой стенки n волновода делителя мощности 1 на прямолинейном участке без элементов связи 4 выполнен меньше размера d и меньше размера m. По причине неравенства размеров широких стенок k и с на входных участках линеек 2 образуется ступенчатая фазовая ошибка, приводящая к увеличению уровня боковых лепестков и, как следствие, к ухудшению диаграммы направленности.

Компенсирование указанной фазовой ошибки реализуется за счет введения во входной участок каждой линейки 2 фазирующей секции 9, корректирующей фазу, то есть увеличивающей или уменьшающей электрическую длину входного участка линейки 2 на величину, равную возникшей фазовой ошибки (Фиг.1, Фиг.3 Б-Б). Фазирующая секция представляет собой устройство, благодаря применению которого реализуется конструктивное изменение размера широкой стенки с линейки 2 до размера широкой стенки с_ФС линейки 2 (Фиг.3 Б-Б). Условиями расчета размеров фазирующей секции 9 является то, что размер широкой стенки с_ФС волновода линейки 2 должен быть таким, чтобы обеспечивался фазовый сдвиг, требуемый для согласования фаз четных и нечетных выходов делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона частот антенны. Длина L_ФС фазирующей секции 9 выбирается равной половине длины волны в волноводе линейки 2 с размером широкой стенки с_ФС на средней частоте рабочего диапазона частот антенн.

Требуемая ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях в заданном рабочем диапазоне частот зависит от размера антенного полотна и коэффициента его использования. Исходя из технологических причин и условий транспортировки и хранения, каждая линейка 2, 3 собирается из нескольких отрезков волновода, соединенных волноводными фланцами 10, каждый из которых размещается вместо одной из щелей 5 (Фиг.2, 3). При этом во избежание недопустимого роста уровня боковых лепестков фланцы 10 на антенном полотне размещаются столбцами в области спада амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву антенны, то есть по краям антенного полотна, что снижает их влияние на диаграмму направленности.

Предлагаемая конструкция антенного устройства с частотным сканированием была проверена экспериментально. Антенное устройство работает в диапазоне частот 2710-2850 МГц. Размер антенного полотна составил 4×7 м. Антенная решетка состоит из 54 волноводно-щелевых линеек, каждая из которых выполнена на основе прямоугольного волновода сечением 72×34 мм, в одной из узких стенок которого прорезано 87 попеременно наклонных щелей с шагом, равным 73 мм. При этом каждая линейка собрана из трех отрезков волновода, длина среднего из которых равна 5 м, и соединенных двумя волноводными фланцами. Волноводные фланцы расположены столбцами вместо 10 и 77 щели каждой линейки, следовательно, каждая линейка содержит 85 излучающих щелей. Продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи, смещены относительно друг друга на ¼ длины волны в волноводе делителя мощности на частоте нормали. Длина линии змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи выполнена равной 2,5 длины волны на частоте нормали. Размер широкой стенки k волновода делителя мощности составил 62,4 мм, размер узкой стенки m волновода делителя мощности на прямолинейном участке с элементами связи - 34 мм, а размер узкой стенки n холостого канала - 24 мм. Фазирующая секция, представляющая собой металлическую пластину, установленную во входной участок на узкой стенке d волновода каждой четной линейки, имеет длину, равную 93 мм. Уровень боковых лепестков составил минус 34 дБ, КСВН на входе делителя мощности в рабочем диапазоне частот имеет величину не более 1,5.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в обзорных трассовых радиолокаторах. Технический результат заключается в обеспечении низкого уровня боковых лепестков; в уменьшении КСВН на входе делителя мощности (ДМ) на частоте нормали; в увеличении коэффициента усиления, коэффициента направленного действия, коэффициента использования поверхности антенного полотна. Сущность изобретения состоит в том, что в антенном устройстве, содержащем ДМ и решетку волноводно-щелевых линейных излучателей (линеек), ДМ расположен в плоскости, параллельной плоскости, содержащей линейки, выполнен в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и содержит элементы связи с линейками. Продольные оси ДМ, содержащие четные и нечетные элементы связи с линейками, смещены относительно друг друга на целое нечетное число четвертей длины волны в волноводе ДМ. Линия волновода ДМ на промежутке между соседними элементами связи имеет два 180-градусных изгиба, а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе ДМ. Четные и нечетные линейки имеют разную длину. Во входной участок каждой линейки, имеющей большую длину, вводится полуволновая фазирующая секция, обеспечивающая фазовый сдвиг, требуемый для согласования четных и нечетных выходов ДМ, за счет изменения размера широкой стенки волновода линейки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенное устройство с частотным сканированием, содержащее делитель мощности и плоскую решетку волноводно-щелевых линейных излучателей, каждый из которых представляет собой прямоугольный волновод, в узкой стенке которого выполнены попеременно наклонные щели, а делитель мощности выполнен в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и расположен в плоскости, параллельной плоскости, содержащей волноводно-щелевые линейные излучатели, каждый выход делителя мощности соединен через элемент связи с входным участком соответствующего волноводно-щелевого линейного излучателя, при этом элементы связи делителя мощности разделены на две группы таким образом, что продольная ось делителя мощности, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно продольной оси делителя мощности, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в волноводе делителя мощности, отличающееся тем, что линия змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи имеет два 180-градусных изгиба, а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности; разница длин четных и нечетных волноводно-щелевых линейных излучателей равна величине, на которую смещены продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи, при этом центры всех щелей с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в волноводно-щелевой линейный излучатель) каждого волноводно-щелевого линейного излучателя расположены на одной вертикальной оси, направление наклона щелей четных волноводно-щелевых линейных излучателей выполнено зеркально по отношению к направлению наклона щелей нечетных волноводно-щелевых линейных излучателей; во входной участок каждого волноводно-щелевого линейного излучателя, имеющего большую длину, вводится фазирующая секция, обеспечивающая такое изменение размера широкой стенки волновода волноводно-щелевого линейного излучателя, чтобы в пределах длины фазирующей секции осуществлялся фазовый сдвиг, требуемый для согласования фаз четных и нечетных выходов делителя на средней частоте рабочего диапазона частот антенного устройства с частотным сканированием, при этом длина фазирующей секции выбирается равной половине длины волны в волноводе волноводно-щелевого линейного излучателя с размером широкой стенки, измененным с учетом введения в него фазирующей секции.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волноводно-щелевые линейные излучатели состоят из нескольких частей, соединенных волноводными фланцами, которые размещаются вместо щелей с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в волноводно-щелевой линейный излучатель) каждого волноводно-щелевого линейного излучателя в области спада амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву антенного устройства с частотным сканированием.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на каждый волноводно-щелевой линейный излучатель установлена герметизирующая накладка из материала, обладающего гидрофобными свойствами например фторопласта.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход каждого волноводно-щелевого линейного излучателя, предназначенного для подключения к соответствующему выходу делителя мощности, выполнен в виде Н-плоскостного 90-градусного уголка с 45-градусным скосом.