ЛИНЕЙНАЯ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2010 года по МПК H01Q13/10 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике, в частности к волноводно-щелевым антеннам, и может быть использовано как самостоятельно, так и в составе фазированной антенной решетки (ФАР) с механическим сканированием в двух плоскостях или электронным сканированием в Е-плоскости и механическим сканированием в Н-плоскости.

Известна широкополосная нерезонансная волноводно-щелевая антенна (SE № 449540, МКИ H01Q 13/22, 1987), состоящая из двух отрезков прямоугольных волноводов с продольными щелями на широких стенках и одного, запитывающего их Т-образного тройника в Е-плоскости. Шаг щелей в одном отрезке волновода d₁>λ_в/2, где λ_в - длина волны в волноводе, а в другом отрезке волновода d₂<λ_в/2.

Известна волноводно-щелевая антенна (SU № 1075342, опубл. 23.02.1984 г.), содержащая отрезок прямоугольного волновода, фидерную линию, подключенную к его центру, поглощающие нагрузки на обоих концах, продольные щели на широкой стенке, выполненные по разные стороны от ее середины на расстоянии друг от друга λ_в(1+1/2N) с одной стороны и λ_в(1-1/2N) с другой, где N - количество щелей каждой из половин щелевой линейки.

Недостатками этих волноводно-щелевых антенн являются нестабильность амплитудно-фазового распределения в широком диапазоне частот и ограниченный сектор однолучевого сканирования в Е-плоскости, определяемые шагом щелей в этой плоскости и ограниченным размером широкой стенки волновода a>λ₀/2, при использовании этой антенны в составе ФАР с электронным сканированием в Е-плоскости.

Известна волноводно-щелевая антенная решетка (RU № 2206157, опубл. 10.06.2003 г.), состоящая из двух, вложенных одна в другую, подрешеток, каждая из которых содержит отрезки волноводов с излучающими щелями, наклоненными под углом 45° к осям волноводов, имеющих П-образный профиль поперечного сечения, при этом щели в соседних волноводах взаимно ортогональны и попарно одинаковы.

Недостатком приведенного технического решения является то, что излучающий элемент формируют две щели в соседних волноводах, а в результате шаг излучателей в плоскости Е близок к λо, что является серьезным ограничением при электронном сканировании в этой плоскости.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является волноводно-щелевая нерезонансная антенна (см. «Проектирование фазированных антенных решеток». Сбор. под ред. Д.И.Воскресенского. изд. «Радиотехника», г.Москва, 2003 г., стр.140), содержащая n продольных излучающих щелей, имеющих длину ln и расположенных на широкой стенке волновода через одну по обе стороны от ее средней линии с шагом d λ_в/2, на расстоянии x_n от нее, где n - номер щели. Более точные размеры щелей ln и их координаты x_n выбираются, исходя из требуемых значений нормированной активной проводимости G_n и равенства нулю ее реактивной составляющей, что соответствует резонансным щелям, имеющим длину несколько меньше λ₀/2 и не вносящим скачка фазы Δφ в магистральном волноводе.

Недостатками этого известного технического решения являются большие поперечные размеры, определяемые размером широкой стенки волновода a>λ₀/2, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, что ограничивает возможность использования его в составе ВЩАР с электронным сканированием в плоскости Е, также ограничение рабочего диапазона частот, обусловленное изменением амплитудно-фазового распределения в апертуре антенны и связанным с ним снижением коэффициента усиления или изменением наклона диаграммы направленности при изменении частоты.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что линейная волноводно-щелевая антенная решетка бегущей волны состоит из отрезка волновода с продольными щелями, выполненными в его широкой стенке и расположенными по разные стороны от ее осевой линии.

Новыми признаками заявляемой линейной волноводно-щелевой антенной решетки бегущей волны являются выполнение отрезка прямоугольного волновода П-образного сечения с размерами образующих наружного контура по широкой стенке a₁=(0,45±0,05)λ₀ и узкой стенке b₁=(0,26±0,05)λ₀ и образующих внутреннего контура с размерами по широкой стенке а₂=(0,27±0,05)λ₀ и узкой стенке b₂=(0,15±0,05)λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, причем на широкой стенке с излучающими щелями выполнены металлические ребра, являющиеся продолжением узких стенок наружного контура высотой ≥λ₀/2, а длины излучающих щелей превышают λ₀/2, при этом их размеры и смещение относительно оси отрезка П-образного волновода выбраны исходя из требуемого уровня излучаемого сигнала каждой щели и соответствуют условию минимального изменения уровня излучаемого сигнала каждой щелью в заданном диапазоне частот.

Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение размера сечения волновода в плоскости Е при сохранении других основных характеристик этого волновода - постоянной распространения и характеристик продольных излучающих щелей, расположенных на широкой стенке a₁ в зоне над П-образным выступом, размером a₂, образованным внутренним контуром П-образного волновода. При таких размерах, образующих внешнего и внутреннего контуров П-образного волновода и соответствующих размерах и расположении излучающих щелей обеспечивается весь спектр характерных для систем с высокой энергетической эффективностью уровней излучаемого сигнала, при этом в составе двухмерной ВЩАР существенно (≈ в 1,4 раза) уменьшается размер элементарной ячейки волновода Флоке - элементарного пространственного волновода (см. «Сканирующие антенные системы СВЧ», т.II, Р.С.Хансен, изд. «Советское радио», 1966 г., стр.312) в плоскости Е, определяемого в случае применения предлагаемого П-образного волновода размером а₁ (расстояние между ребрами). В этом случае в волноводе Флоке удается довести пакет волн практически до одного основного типа - волны Н₁₀. При использовании же ряда таких линейных ВЩАР в составе двухмерной ВЩАР с электронным сканированием в Е-плоскости удается расширить сектор однолучевого сканирования.

На фиг.1 приведен схематический чертеж линейной волноводно-щелевой антенной решетки бегущей волны.

На фиг.2, а представлены зависимости переходного затухания L_п (L_п=-101gP_отв/P_вх), где P_вх - мощность сигнала на входе П-образного волновода, P_отв - мощность, излучаемая щелью, и фазы коэффициента прохождения Δφ₁₂ одиночной излучающей продольной щели, расположенной на широкой стенке П-образного волновода и нагуженной на волновод Флоке, от длины этой щели 1 при фиксированном ее смещении «x» относительно оси волновода.

На фиг.2, б приведены аналогичные зависимости для эквивалентного прямоугольного волновода (одинаковые постоянные распространения с выбранным П-образным волноводом) с излучаемой продольной щелью, нагруженной на тот же волновод Флоке, с размерами сечения, равными расстоянию между узкими стенками П-образного волновода и шагу расположения щелей в ВЩАР.

Линейная волноводно-щелевая антенная решетка бегущей волны содержит П-образный волновод 1 с продольными щелями 2 в широкой стенке наружного контура, согласованную нагрузку 3 в конце волновода и металлические ребра 4 в зоне излучающих щелей, являющиеся продолжением узких стенок наружного контура и выступающие над широкой стенкой с излучающими щелями на высоту, равную λ₀/2 или более.

Предлагаемая линейная волноводно-щелевая решетка бегущей волны (ВЩАР) работает следующим образом.

Энергия электромагнитного поля, поступающая в отрезок П-образного волновода 1 с размерами образующих наружного контура a₁=0,45λ₀ и b₁=0,26λ₀ и образующих внутреннего контура с соответствующими размерами a₂=0,27λ₀ и b₂=0,14λ₀ последовательно возбуждает n продольных щелей 2 шириной t=0,06λ₀ и длиной l_n. При этом размеры щелей отличаются от λ₀/2 и меняются от размера l_1.=0,503λ₀ в начале линейки ВЩАР до размера l_n=0,55λ₀ в конце с одновременным изменением x_n (смещение оси щели относительно оси волновода) от 0,015λ₀ до 0,12λ₀. Остаток электромагнитной энергии в П-образном волноводе после возбуждения всех щелей рассеивается в согласованной нагрузке 3.

Закон изменения параметров l_n и x_n при изменении номера щели n определяется заданным амплитудным распределением, при этом щели располагаются по стенке a₁, с шагом d=0,444λ_в поочередно (через одну) по обе стороны от оси волновода. Металлические ребра 4 уменьшают искажения электромагнитного поля, обусловленные краевыми эффектами в линейной ВЩАР.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет уменьшить размер линейной ВЩАР в плоскости Е и сократить пакет возбуждаемых в волноводах Флоке каждой излучающей щелью линейной ВЩАР волн высших типов и довести его практически до одного основного типа - волна Н₁₀. При использовании предлагаемой ВЩАР в составе двумерной фазированной антенной решетки (ФАР) это техническое решение позволяет расширить сектор однолучевого сканирования в Е-плоскости до ±80 градусов.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к волноводно-щелевым антеннам, и может быть использовано как самостоятельно, так и в составе фазированной антенной решетки (ФАР) с механическим сканированием в двух плоскостях или электронным сканированием в Е-плоскости и механическим сканированием в Н-плоскости. Техническим результатом является уменьшение размера волновода в плоскости Е. Устройство состоит из отрезка волновода с продольными щелями, выполненными в его широкой стенке и расположенными по разные стороны от ее осевой линии. Технический результат достигается за счет того, что отрезок прямоугольного волновода выполнен П-образного сечения с размерами образующих наружного контура по широкой стенке a₁=(0,45±0,05)λ₀ и по узкой стенке b₁=(0.26±0.05)λ₀ и образующих внутреннего контура с размерами широкой стенки а₂=(0.27±0.05)λ₀ и узкой стенки b₂=(0.15±0.05)λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве. На широкой стенке с излучающими щелями выполнены металлические ребра, являющиеся продолжением узких стенок наружного контура высотой λ₀/2 или более, а длины излучающих щелей превышают λ₀/2. При этом их размеры и смещение относительно оси П-образного волновода выбраны, исходя из требуемого уровня излучаемого сигнала каждой щели, и соответствуют условию минимального изменения уровня излучаемого сигнала каждой щелью в заданном диапазоне частот. 2 ил.

Линейная волноводно-щелевая антенная решетка бегущей волны, состоящая из отрезка прямоугольного волновода с продольными щелями, выполненными в его широкой стенке и расположенными по разные стороны от ее осевой линии, отличающаяся тем, что отрезок прямоугольного волновода выполнен П-образного сечения с размерами образующих наружного контура по широкой стенке a₁=(0,45±0,05)λ₀ и по узкой стенке b₁=(0,26±0,05)λ₀ и образующих внутреннего контура с размерами широкой стенки а₂=(0,27±0,05)λ₀ и узкой стенки b₂=(0,15±0,05)λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, причем на широкой стенке с излучающими щелями выполнены металлические ребра, являющиеся продолжением узких стенок наружного контура высотой λ₀/2 или более, а длины излучающих щелей превышают λ₀/2, при этом их размеры и смещение относительно оси П-образного волновода выбраны, исходя из требуемого уровня излучаемого сигнала каждой щели, и соответствуют условию минимального изменения уровня излучаемого сигнала каждой щелью в заданном диапазоне частот.