ЗЕРКАЛЬНО-РУПОРНАЯ АНТЕННА Российский патент 2014 года по МПК H01Q19/06 H01Q13/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны радиолокационной или связной системы.

Зеркальные антенны широко используются в различных радиотехнических системах. К числу их достоинств относятся простота конструкции, высокий коэффициент полезного действия (КПД), возможность реализации высокого коэффициента усиления (КУ), а также возможности реализации диаграмм направленности (ДН) специальной формы. Это ДН косекансной формы, веерные ДН, а также суммарно разностные ДН, которые находят широкое применение в радиолокационных системах.

Известны зеркальные антенны на основе зеркала, имеющего форму параболоида вращения и облучателя, расположенного в окрестности фокуса параболоида (Патент США №D409622, 1999, Parabolic antenna, Shigemi Inoue). Облучатель в передающем режиме работы антенны формирует в раскрыве зеркала амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля, необходимое для создания ДН нужной формы. ДН облучателя должна быть выбрана таким образом, чтобы энергия не «переливалась» за края зеркала, а амплитудное распределение имело бы заданную форму. Требование подавления излучения за пределы зеркала минимизирует потери мощности и повышает КПД антенны в целом. Форма амплитудного распределения определяет такой важный показатель качества (ПК) антенны, как уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН.

Важный класс зеркальных антенн составляют антенны с веерной ДН. Они широко применяются в радиолокационных системах обзорного типа. Такие ДН имеют главный луч с существенно разной шириной в двух ортогональных плоскостях. В антеннах линейной поляризации эти плоскости часто называют плоскостями векторов электрического и магнитного полей, или плоскостями векторов Е и Н. Для реализации веерной ДН зеркало антенны должно иметь неодинаковую ширину в двух плоскостях, и, следовательно, облучатель также должен иметь ДН с существенно разной шириной в указанных плоскостях для оптимального облучения поверхности зеркала. Наибольшую сложность представляет создание облучателя с узкой ДН, так как для этого его излучающая апертура должна иметь большие электрические размеры.

Чаще всего в качестве облучателя зеркальной антенны используют рупора с небольшими углами раскрыва. Если излучающая апертура такого рупора увеличивается, то неизбежно увеличивается и его длина. В результате использование такого рупора в зеркальной антенне становится неэффективным, так как он сильно затеняет зеркало, что приводит к снижению КУ и повышению УБЛ.

Дополнительные сложности возникают при создании зеркальных антенн с суммарно-разностными ДН. Такие ДН также широко используются в радиолокации для повышения точности пеленгации цели. В антеннах с веерной ДН разностная ДН используется в плоскости, в которой ширина главного луча большая. В этой плоскости размеры облучателя также велики. Создание разностной ДН достигается путем применения двух и более близко расположенных облучателей (Патент США №7834803). Размещение двух облучателей с большими электрическими размерами дополнительно увеличивает их негативное влияние на ДН зеркальной антенны.

Известна зеркальная антенна, в которой используется зеркало, имеющее форму параболического цилиндра (Патент США №2589433). Зеркало размещается между двумя параллельными металлическими пластинами. В окрестности фокуса располагается облучатель. Таким образом, облучатель излучает энергию не в свободное пространство, а в область между двумя металлическими пластинами. Отражаясь от поверхности зеркала, цилиндрическая электромагнитная волна, создаваемая облучателем, преобразуется в плоскую волну. Параллельные металлические пластины выполняют функцию плоского волновода, вдоль которого происходит распространение волны. На его краю происходит излучение в свободное пространство. При этом обрыв плоского волновода играет роль излучателя зеркальной антенны. В антенне данного типа зеркало формирует ДН только в одной плоскости, в которой главный луч имеет меньшую ширину. В ортогональной плоскости, в которой главный луч шире, ДН формируется излучателем. Таким образом, облучатель облучает зеркало с большими электрическими размерами. Поэтому он должен иметь широкую ДН и малые размеры.

Недостатком данной антенны является то, что в ней имеется затенение зеркала облучателем. Размеры облучателя в рассматриваемом случае существенно меньше размеров облучателя антенны с зеркалом в виде параболоида вращения, однако площадь зеркала в виде параболического цилиндра также существенно меньше. Поэтому отношение площадей облучателя и зеркала, определяющее степень затенения, остается на высоком уровне, который приводит к росту УБЛ и снижению КУ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой зеркально-рупорной антенне является антенна (С.Е.Банков. Проектирование и экспериментальное исследование решетки щелевых излучателей. // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №6, с.701-706), содержащая планарное зеркало, облучатель и излучатель, причем планарное зеркало выполнено в виде верхней, нижней и средней металлических пластин, которые установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла, установлен между нижней и верхней пластинами и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям металлических пластин, средняя металлическая пластина установлена между верхней и нижней металлическими пластинами и имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину, облучатель установлен между нижней и средней металлическими пластинами. Облучатель выполнен в виде плоского рупора, а излучатель - в виде плоской щелевой решетки, возбуждаемой планарным зеркалом.

К числу недостатков такой антенны можно отнести:

- узкую полосу рабочих частот, которая обусловлена зависимостью положения главного луча ДН от частоты, возникающей вследствие явления частотного сканирования, присущего решеткам с последовательным возбуждением;

- высокий УБЛ в плоскости вектора Н определяется амплитудным распределением рупорной волны и не может быть уменьшен ниже уровня -(18-20) дБ, который недостаточен для многих практических приложений;

- невозможность создания веерной ДН с большим отношением ширин главного луча в двух плоскостях из-за снижения ее эффективности в этом случае.

Предлагаемое изобретение нацелено на получение технического результата, выражающегося в расширении полосы рабочих частот, в уменьшении УБЛ ДН, формировании ДН веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях, а также создании суммарно-разностных ДН в двух ортогональных плоскостях. Получаемый технический результат выражается в повышении КПД и повышении разрешающей способности зеркально-рупорной антенны.

Предлагаемая зеркально-рупорная антенна, содержащая планарное зеркало, облучатель и излучатель, причем планарное зеркало выполнено в виде верхней, нижней и средней металлических пластин, которые установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла и установлен между нижней и верхней пластинами, и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям указанных пластин, средняя пластина установлена между верхней и нижней пластиной и имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину, облучатель установлен между нижней и средней пластинами. Особенностью предлагаемого изобретения является решение следующих задач:

- расширение полосы рабочих частот;

- уменьшение УБЛ ДН;

- формирование ДН веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях;

- создание суммарно-разностных ДН в двух ортогональных плоскостях.

Эти задачи решаются за счет того, что с целью уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности и формирования диаграммы направленности веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях облучатель выполнен в виде, по крайней мере, одного возбудителя и стенки, выполненной из металла и установленной между нижней и средней пластинами перпендикулярно им, стенка установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, верхняя и средняя пластины выполнены с прямолинейными кромками, перпендикулярными плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра и расположенными на расстоянии от вершины направляющей параболического цилиндра, превышающем его фокусное расстояние, излучатель выполнен в виде двух прямоугольных пластин, выполненных из металла, кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней и средней пластин, причем плоскости прямоугольных пластин имеют линию пересечения, расположенную между верхней и средней пластинами.

Возможны дополнительные варианты выполнения зеркально-рупорной антенны. В дополнительном варианте с целью улучшения ее согласования возбудитель выполнен в виде штыря, который выполнен из металла и установлен между нижней и средней пластинами перпендикулярно им без гальванического контакта с указанными пластинами и отрезка линии передачи, в зазор между средней пластиной и возбудителем включен сосредоточенный конденсатор, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником со штырем через отверстие в нижней пластине, и внешний конец, образующий выход антенны, экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт с нижней пластиной.

В дополнительном варианте, обеспечивающем повышение удобства монтажа антенны, облучатель выполнен с одним возбудителем в виде двух лент и отрезка линии передачи, ленты выполнены из металла и имеют гальванический контакт друг с другом, их оси расположены под прямым углом друг к другу, причем ось одной ленты расположена параллельно стенке и перпендикулярно пластинам и соединена с верхней пластиной через конденсатор, а ось другой ленты перпендикулярна стенке и не имеет с ней гальванического контакта, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником с лентой, ось которой перпендикулярна стенке, через отверстие в указанной стенке, и внешний конец, образующий выход антенны, а экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт со стенкой.

В дополнительном варианте с целью расширения функциональных возможностей облучатель выполнен с двумя возбудителями, причем эти возбудители расположены симметрично относительно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, а внешние концы отрезков линий передачи возбудителей образуют два выхода антенны.

В дополнительном варианте с целью уменьшения боковых лепестков в плоскости вектора магнитного поля в облучатель введен синфазный делитель мощности на две равные части, боковые плечи которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.

В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора электрического поля в остронаправленную антенну введены гибридное соединение и дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, причем суммарно-разностные выходы гибридного соединения соединены с центральными входами синфазных делителей мощности на две равные части основного и дополнительного облучателей.

В дополнительном варианте с целью уменьшения уровня боковых лепестков в плоскости вектора электрического поля в основной и дополнительный излучатели симметрично относительно плоскости симметрии, параллельной пластинам планарного зеркала, введены соответственно первая и вторая дополнительные прямоугольные пластины, две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины расположены параллельно прямолинейным кромкам средней и верхней пластин, причем одна из указанных кромок расположена между средней и верхней пластинами, а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин, не имеющих соединения со средней и верхней пластинами.

В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора магнитного поля в нее введено гибридное соединение, суммарно-разностные выходы которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.

В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности одновременно в плоскости векторов электрического и магнитного полей в остронаправленную антенну введены дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, также в остронаправленную антенну введена диаграммообразующая схема, которая имеет четыре суммарно-разностных выхода и не менее трех входов, суммарно-разностные выходы соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей облучателя и дополнительного облучателя.

На фиг.1-3 показан один из возможных вариантов выполнения зеркально-рупорной антенны. На фиг.1 представлен общий вид зеркально-рупорной антенны в двух проекциях. Зеркально-рупорная антенна содержит облучатель (1), планарное зеркало (2) и излучатель (3). На фиг.2 - разрез А-А′ зеркально-рупорной антенны, а на фиг.3 -разрез В-В′. Из фиг.2, 3 видно, что планарное зеркало (2) выполнено в виде верхней пластины (4), нижней пластины (6) и средней пластины (5), которые выполнены из металла и установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра (7), который выполнен из металла, установлен между нижней пластиной (4) и верхней пластиной (6) и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям пластин (4, 5 и 6), средняя пластина (5) установлена между верхней пластиной (4) и нижней пластиной (6). Облучатель (1) выполнен в виде возбудителя (8) и стенки (9), выполненной из металла и установленной между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) перпендикулярно им, стенка (9) установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра (7). Излучатель (3) выполнен в виде двух прямоугольных пластин (10) и (11), кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней пластины (6) и средней пластины (5), причем плоскости прямоугольных пластин (10), (11) имеют линию пересечения, расположенную между верхней пластиной (6) и средней пластиной (5). Средняя пластина (6) имеет кромку (12), расположенную между параболическим цилиндром (7) и его фокусом F, причем зазор (13) между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) имеет постоянную ширину.

Рассмотрим функционирование зеркально-рупорной антенны. Поскольку антенна является взаимным устройством, то ее можно эквивалентным образом анализировать в передающем и приемном режимах. Рассмотрим функционирование антенны в передающем режиме.

В этом случае сигнал от внешнего источника подается на вход облучателя (1), который содержит возбудитель (8) и стенку (9). Вместе они образуют антенну, которая излучает электромагнитную энергию в пространство между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5). Структура, образованная двумя параллельными пластинами из металла, в технике СВЧ получила название плоского волновода (ПВ). Если высота ПВ h меньше половины длины волны в заполняющей его среде, то в нем распространяется одна волна, имеющая единственную компоненту электрического поля, перпендикулярную пластинам, образующим ПВ. Эта волна получила название Т-волны. Ее постоянная распространения γ равна , где k - волновое число свободного пространства, a ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды внутри ПВ. В нашем случае она равна единице. Т-волна может распространяться в любом направлении в плоскости ПВ. Поэтому возбудитель (8) возбуждает внутри ПВ спектр Т-волн, формирующих поле внутри волновода. Это поле, имеющее характер цилиндрической волны, можно описать по аналогии с излучением в свободное пространство с помощью ДН D(θ), которая является функцией угла θ (см. фиг.4).

ДН возбудителя (8) зависит от расстояния до металлической стенки (9). Приближенно ее можно описать ДН линейного источника, расположенного вблизи металлического экрана [1]

Фазовый центр ДН лежит в начале координат, которое расположено на поверхности металлической стенки (7).

Излучение в области |θ|>π/2 отсутствует, так как проникновению его в эту область препятствует стенка (7). Таким образом, вся энергия, излученная возбудителем, распространяется вдоль ПВ в направлении кромки (12) средней пластины (5). Зазор (13) между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) имеет постоянную величину вблизи любой точки на направляющей параболического цилиндра (7). Зазор (13) играет роль элемента связи, который обеспечивает передачу энергии из области между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) в область между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6). Указанная область также является ПВ, который расположен над ПВ, образованным нижней пластиной (4) и средней пластиной (5). Назовем указанные ПВ верхним и нижним.

Ширина зазора (12) выбирается таким образом, чтобы коэффициент отражения в нижний ПВ был бы минимальным. В работе [2] показано, что правильный выбор зазора (12) обеспечивает хорошее согласование элемента связи.

Цилиндрическую волну, созданную возбудителем (8) на достаточно большом расстоянии от начала координат, можно представить в приближении геометрической оптики в виде системы лучей, исходящих из фазового центра ДН, расположенного в начале координат. Падение одного из таких лучей на кромку (12) показано на фиг.5. Поскольку зазор между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) не меняется вдоль кромки, то кромка (12) имеет форму, близкую к параболе. Поэтому луч падает на нее под некоторым углом φ между лучом и нормалью к кромке . Величина угла падения зависит от угла θ: φ=φ(θ). В указанной выше работе показано, что выбор зазора (12) обеспечивает коэффициент отражения R в нижний ПВ для всех углов падения на уровне, меньшем -20 дБ в широкой полосе частот. На фиг.6 показана частотная зависимость модуля коэффициента отражения R, полученная для ПВ высотой 5 мм при ширине зазора 3 мм. Кривая 1 соответствует нормальному падению волны, а кривая 2 - падению под углом 30°.

Передача энергии в верхний ПВ из нижнего характеризуется для каждого луча коэффициентом передачи T, который в силу закона сохранения энергии по модулю близок к единице. Его фаза слабо зависит от угла падения φ. Поэтому фазовое распределение поля в верхнем ПВ определяется главным образом формой кромки (12), а также расположением фокуса F параболического цилиндра (7) относительно фазового центра ДН возбудителя (8). В оптимальном варианте они должны совпадать.

Таким образом, видно, что кромка (12) вместе с параболическим цилиндром (7) преобразуют волны ПВ точно также как параболическое зеркало, расположенное в свободном пространстве, преобразует плоские волны. Единственное отличие состоит в том, что одновременно с отражением волн ПВ происходит их передача из нижнего ПВ в верхний. Известно [1], что параболическое зеркало преобразует расходящуюся волну источника в плоскую волну. В рассматриваемом случае происходит преобразование цилиндрической волны в нижнем ПВ, созданной возбудителем (8), в плоскую волну верхнего ПВ, которая бежит по направлению к излучателю (3) (см. фиг.1), то есть вдоль оси 0у.

Фаза поля в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то есть вдоль оси 0х постоянна. Амплитудное распределение U(x) вдоль этой оси известно [1]

Из соотношения (2) видно, что на краях параболического цилиндра (7) при m=x_m=2F амплитудное распределение обращается в нуль, так как в этих точках обращается в нуль ДН (1).

Волна в верхнем ПВ попадает в излучатель (3), который выполнен в виде двух прямоугольных пластин (10) и (11), которые соединены со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6). Таким образом, прямоугольные пластины образуют плоский рупор, соединенный с верхним ПВ и возбуждаемый волной, сформированной в этом ПВ. Линия пересечения прямоугольных пластин (10) и (11) должна находиться между верхней пластиной (5) и средней пластиной (6), чтобы рупор расширялся при удалении от ПВ.

Волна ПВ преобразуется в волну плоского рупора. При этом АФР вдоль оси 0x остается неизменным. Меняется только АФР поля V(z) вдоль оси 0z. Оно совпадает с распределением поля рупорной волны. На фиг.7 показан излучатель (3) с симметричным расположением прямоугольной пластины (9) и прямоугольной пластины (10). Для него АФР поля V(z) в выходной плоскости С-С′ плоского рупора, которая расположена на расстоянии Z от линии пересечения прямоугольных пластин (10) и (11), имеет следующий вид:

где 2z_{m -} размер выходного сечения плоского рупора. Из соотношения (3) видно, что фазовое распределение описывается квадратичным законом, типичным для рупорных волн. Амплитудное распределение близко к равномерному при условии z_m<<L, что обычно выполняется.

Из соотношений (2) и (3) видно, что АФР в вертикальной и горизонтальной плоскостях формируются независимо друг от друга. В горизонтальной плоскости оно создается планарным зеркалом (2) и облучателем (1), а в вертикальной плоскости - излучателем (3). Такой способ формирования АФР позволяет создавать веерные ДН с произвольным отношением ширин главного луча в разных плоскостях. Приближенно отношение ширины главного луча в горизонтальной плоскости (плоскость вектора H) Δθ_h к ширине луча в вертикальной плоскости Δθ_ν (плоскость вектора E) определяется отношением размеров выходной плоскости излучателя (3)

Все элементы зеркально-рупорной антенны, формирующие наиболее критичное к изменениям частоты фазовое распределение, являются частотно-независимыми устройствами. Поэтому направление главного луча ее ДН постоянно и не меняется с частотой. Оно всегда ориентировано вдоль оси 0у. Благодаря этому достигается расширение рабочего диапазона зеркально-рупорной антенны.

ДН зеркально-рупорной антенны D_a в горизонтальной плоскости зависит от расстояния между возбудителем (8) и стенкой (7) d. На фиг.8 показана расчетная ДН в горизонтальной плоскости. Кривая получена при F=500, x_m=1000, d=10. Все размеры даны в миллиметрах. Частота равна 1.3 ГГц. Видно, что УБЛ достигает приемлемого для многих практических задач значения -25 дБ. Таким образом, достигается уменьшение УБЛ зеркально-рупорной антенны.

Фрагмент первого дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.9. В нем возбудитель (8) выполнен в виде штыря (14), выполненного из металла и установленного между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) перпендикулярно им без гальванического контакта с указанными пластинами и отрезка (16) линии передачи, в зазор между средней пластиной (5) и штырем (14) включен сосредоточенный конденсатор (15), отрезок (16) линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником со штырем (14) через отверстие в нижней пластине (4), и внешний конец, образующий выход антенны, экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт с нижней пластиной (4).

В данном дополнительном варианте выполнения зеркально-рупорной антенны достигается улучшение ее согласования. Штырь (14) имеет реактивное индуктивное сопротивление, которое включено последовательно с активным сопротивлением. Идеальное согласование такой нагрузки с отрезком (16) линии передачи невозможно из-за наличия реактивной составляющей входного импеданса. Для ее компенсации в зазор между штырем (14) и средней пластиной (5) включен сосредоточенный конденсатор (15). Он может быть выполнен в виде навесного схемного элемента или в виде металлической платы, которая вместе со средней пластиной (5) формирует плоский конденсатор. В зависимости от частотного диапазона и геометрических размеров штыря (14) необходимость применения дополнительных емкостных элементов может быть исключена, так как приемлемая емкость будет возникать между плоской вершиной штыря (14) и средней пластиной (5).

Фрагмент второго дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.10. В нем облучатель (1) выполнен с одним возбудителем (8) в виде двух лент (17) и (18) из металла и отрезка линии передачи (16), ленты (17) и (18) имеют гальванический контакт друг с другом, их оси расположены под прямым углом друг к другу, причем ось одной ленты (17) расположена параллельно стенке (9) и перпендикулярно нижней пластине (4) и средней пластине (5) и соединена со средней пластиной (5) через конденсатор (15), а ось другой ленты (18) перпендикулярна стенке (9) и не имеет с ней гальванического контакта, отрезок (16) линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником с лентой (18), ось которой перпендикулярна стенке (9), через отверстие в указанной стенке, и внешний конец, образующий выход антенны, а экран отрезка (16) линии передачи имеет гальванический контакт со стенкой (9).

Достоинством данного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны является удобство монтажа возбудителя, обусловленное ориентацией оси отрезка (16) линии передачи параллельно плоскости антенны. Чаще всего отрезок (16) линии передачи выполняется в виде коаксиального разъема, который устанавливается на внешней поверхности зеркально-рупорной антенны. При этом антенна соединяется с внешними устройствами с помощью коаксиального кабеля, который имеет резьбовое соединение с указанным разъемом. Присоединение коаксиального кабеля к разъему, установленному на стенке (9), во многих случаях более удобно, чем присоединение к разъему, установленному на нижней пластине (4).

Например, при создании антенн с суммарно-разностной ДН необходимо использовать две зеркально-рупорные антенны, расположенные параллельно друг другу. При установке разъема на нижней пластине (4) выходы двух зеркально-рупорных антенн оказываются друг напротив друга на малом расстоянии, как показано на фиг.11а. Присоединение к ним кабелей или других устройств затруднительно, а часто вообще невозможно из-за отсутствия необходимого пространства. При установке разъема на стенке (9) (см. фиг.11б) их соединение с внешними устройствами облегчается.

Третий дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны без излучателя (3) показан на фиг.12. В нем с целью расширения функциональных возможностей облучатель (1) выполнен с двумя возбудителями (19) и (20), причем эти возбудители (19) и (20) расположены симметрично относительно плоскости (21) симметрии направляющей параболического цилиндра (7), а внешние концы отрезков линий передачи возбудителей (19) и (20) образуют два выхода (22), (23) антенны.

Расширение функциональных возможностей зеркально-рупорной антенны по третьему дополнительному варианту связано с увеличением числа ее входов, которое позволяет путем соединения указанных входов (22), (23) с внешними схемами изменять заданным образом ДН антенны.

Четвертый дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.13. В нем в третий дополнительный вариант зеркально-рупорной антенны введен синфазный делитель (24) мощности на две равные части, боковые плечи которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей (19) и (20), которые образуют выходы (22) и (23). В четвертом дополнительном варианте выполнения зеркально-рупорной антенны достигается уменьшение УБЛ ДН антенны в плоскости вектора H или в горизонтальной плоскости.

В рассматриваемом варианте выполнения зеркально-рупорной антенны облучатель (1) образуется двумя возбудителями (19) и (20). При подаче сигнала на центральный вход (25) синфазного делителя (24) мощности на его боковых выходах, соединенных со входами (22) и (23) появляются сигналы, имеющие одинаковую фазу и одинаковую амплитуду. Поэтому возбудители (19) и (20) возбуждают нижний ПВ синфазно. Результирующую ДН поля излучения в нижнем ПВ можно записать следующим образом:

где 2а - расстояние между возбудителями (19) и (20), а d - расстояние от ленты (17) до стенки (9) при выполнении возбудителей (19) и (20) в соответствии со вторым дополнительным вариантом зеркально-рупорной антенны (см. фиг.10).

Выражение U(x), описывающее амплитудное распределение поля вдоль оси 0х отличается от соотношения (2) только тем, что теперь функция D(θ) дается формулой (5). На фиг.14 показаны расчетные ДН зеркально-рупорной антенны в плоскости вектора H. Кривые 26-28 получены для F=500, x_m=1000, d=30, a=25, 30, 35, f=1.3 ГГц. Видно, что применение двух возбудителей (19), (20) и синфазного делителя (24) мощности позволяет существенно уменьшить УБЛ ДН зеркально-рупорной антенны по сравнению со случаем, когда облучатель (1) содержит один возбудитель (8) (см. фиг.8). УБЛ уменьшается почти на 10 дБ.

Пятый дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.15. В нем с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора электрического поля в зеркально-рупорную антенну, выполненную в соответствии со вторым дополнительным вариантом, введены гибридное соединение (32), дополнительный облучатель (29), дополнительное планарное зеркало (30) и дополнительный излучатель (31), идентичные планарному зеркалу (2), облучателю (1) и излучателю (3) и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии (35), которая параллельна металлическим пластинам планарного зеркала (2), причем суммарно-разностные выходы (33) и (34) гибридного соединения (32) соединены с выходами (1) и (31) облучателей, а свободные входы (36) и (37) гибридного соединения (32) образуют входы зеркально-рупорной антенны.

При подаче сигнала на свободные входы (36) и (37) гибридного соединения (32) на его суммарно-разностных выходах (33), (34) возникают сигналы одинаковой амплитуды, но с разными фазовыми соотношениями. Пусть при подаче сигнала на свободный вход (36) на суммарно-разностных выходах (33), (34) формируются синфазные сигналы, а при подаче сигнала на свободный вход (37) на суммарно-разностных выходах (33), (34) формируются противофазные сигналы. Тогда при возбуждении зеркально-рупорной антенны со стороны свободного входа (36) излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) формируют в свободном пространстве поля излучения с ДН соответственно F_{1, 2}. Указанные ДН идентичны в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости они отличаются только множителями

где b - расстояние между излучателем (3) и дополнительным излучателем (31), F₀(θ) - ДН уединенного излучателя (3). Общая ДН всей зеркально-рупорной антенны F_s(θ) равна сумме ДН F_{1, 2}

Аналогично при подаче сигнала на свободный вход (37) излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) формируют в свободном пространстве поля излучения с ДН F_{1, 2}, отличающимися от ДН (6) знаками:

В этом режиме общая ДН зеркально-рупорной антенны F_d(θ) записывается следующим образом:

ДН F_s(θ) называется суммарной, а F_d(θ) - разностной ДН зеркально-рупорной антенны.

На фиг.16 кривые (38) и (39) показывают типичные суммарную и разностную ДН зеркально-рупорной антенны, выполненной по пятому дополнительному варианту. Разностная ДН имеет нуль в направлении θ=0. В этом же направлении она имеет максимальную крутизну, что эффективно используется для повышения точности пеленгации цели в радиолокационных системах.

Шестой дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.17. В нем с целью уменьшения УБЛ в плоскости вектора электрического поля в основной излучатель (1) и дополнительный излучатель (31) зеркально-рупорной антенны, выполненной по пятому варианту, симметрично относительно плоскости (35) симметрии, параллельной металлическим пластинам планарного зеркала (2), введены соответственно первая дополнительная прямоугольная пластина (40) и вторая дополнительная прямоугольная металлическая пластина (41), две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40) расположены параллельно прямолинейным кромкам средней пластины (5) и верхней пластины (6), причем одна из указанных кромок расположена между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6), а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин (10) и (11), не имеющих соединения со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6).

Зеркально-рупорная антенна по шестому дополнительному варианту функционирует следующим образом. При подаче сигнала на свободный вход (36) гибридного соединения (32) облучатель (1) и дополнительный облучатель (29) возбуждаются синфазно. Благодаря этому в планарном зеркале (2) и дополнительном планарном зеркале (30) возникают синфазные волны, возбуждающие излучатель (3) и дополнительный излучатель (31). В результате зеркально-рупорная антенна формирует в вертикальной плоскости суммарную ДН.

В зеркально-рупорной антенне по пятому дополнительному варианту распределение поля в выходной плоскости излучателя (3) и дополнительного излучателя (31) совпадает с полем рупорной волны в плоскости вектора E. Это поле имеет амплитудное распределение, близкое к равномерному. Такому амплитудному распределению соответствует УБЛ, который для ДН с шириной, меньшей 30°, достигает уровня -13 дБ. Такой УБЛ неприемлем для многих радиолокационных приложений.

В зеркально-рупорной антенне по шестому дополнительному варианту УБЛ снижается с помощью первой дополнительной прямоугольной пластины (40) и второй дополнительной прямоугольной пластины (41). В силу симметрии зеркально-рупорной антенны относительно плоскости (35) нам достаточно рассмотреть амплитудное распределение поля в выходной плоскости излучателя (3), которое изменяется с помощью первой дополнительной прямоугольной пластины (40).

В зеркально-рупорной антенне по шестому дополнительному варианту излучатель (3) представляет собой сдвоенный плоский рупор. Один из рупоров образуется прямоугольной пластиной (10) и первой дополнительной прямоугольной пластиной (40), а другой рупор образован первой дополнительной прямоугольной пластиной (40) и прямоугольной пластиной (11). В каждом из плоских рупоров амплитудное распределение является равномерным, однако интенсивность поля отличается. Она зависит от расстояний h_{1, 2} от кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40), расположенной между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6), до средней пластины (5) и верхней пластины (6), а также от расстояний b_{1, 2} от другой кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40), параллельной указанной кромке первой дополнительной прямоугольной пластины (40) до кромок прямоугольных пластин (10) и (11), не имеющих соединения со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6).

При возбуждении излучателя (3) планарным зеркалом (2) мощность делится между первым и вторым плоскими рупорами с размерами h₁, b₁ и h₂, b₂ соответственно в отношении h₁/h₂

где P_{1, 2} - мощности, поступившие в первый и второй рупора. В выходной плоскости излучателя (3) мощности P_{1, 2} приближенно выражаются через напряженности электрических полей E_{1, 2} следующим образом:

где W₀=120π - волновое сопротивление свободного пространства.

Из соотношений (10) и (11) получаем отношение напряженностей поля в выходной плоскости

Из выражения (12) видно, что выбирая, например, b₁=b₂ и h₂>h₁,

можно сконцентрировать поле во втором плоском рупоре (Е₂>E₁). В этом случае в выходной плоскости излучателя (3) и дополнительного излучателя (31) формируется амплитудное распределение поля, спадающее к краям. Известно [1], что такому амплитудному распределению соответствует ДН с уменьшенным УБЛ.

На фиг.18 показаны расчетные ДН, полученные для частоты f=1.3 ГГц и b₁=b₂=50 мм, длина плоского рупора равна 200 мм. Кривые (42)-(44) соответствуют отношению E₁/E₁=1, 0.7, 0.5. Из фиг.18 видно, что уменьшение отношения амплитуд полей в выходной плоскости облучателя (3) и дополнительного облучателя (31) позволяет существенно снизить уровень первого бокового лепестка и довести его до значения -30 дБ, которое приемлемо для большинства радиолокационных применений.

Фрагмент седьмого дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.19. В нем с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора магнитного поля в зеркально-рупорную антенну, выполненную по третьему дополнительному варианту, введено гибридное соединение (32), суммарно-разностные выходы (33), (34) которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей (19), (20). Свободные выходы (36) и (37) гибридного соединения (32) образуют выходы зеркально-рупорной антенны.

Зеркально-рупорная антенна по седьмому варианту функционирует следующим образом. Пусть сигнал поступает на свободный вход (36) гибридного соединения (32). В этом случае на суммарно-разностных выходах (33) и (34) формируются синфазные сигналы, которые поступают на возбудители (19) и (20). При подаче сигнала на свободный вход (37) на суммарно-разностных выходах (33) и (34) формируются противофазные сигналы, которые также поступают на возбудители (19) и (20). Поскольку зеркально-рупорная антенна является линейным устройством, то ее возбуждение можно рассматривать отдельно возбудителем (19), а затем возбудителем (20). Суммарное поле, созданное обоими возбудителями (19), (20) будет суммой полей, сформированных каждым из них.

Рассмотрим возбуждение зеркально-рупорной антенны возбудителем (19), который расположен при x>0 (см. фиг.4). Анализ возбуждения зеркально-рупорной антенны в этом случае отличается от представленного выше при описании зеркально-рупорной антенны по основному варианту только тем, что возбудитель (19) смещен относительно плоскости симметрии (21) параболического цилиндра (7) на расстояние a. Если это смещение мало по сравнению с фокусным расстоянием F, то амплитудное распределение на выходе планарного зеркала (2) по-прежнему описывается функцией (2). Фазовое распределение Ф(x) приближенно можно представить следующим образом:

АФР по координате x, задаваемое формулами (2) и (14), остается неизменным вплоть до выходной плоскости излучателя (3). Появление линейно изменяющейся фазы приводит к повороту ДН зеркально-рупорной антенны в горизонтальной плоскости на угол α.

Аналогично при возбуждении зеркально-рупорной антенны возбудителем (20), смещенным относительно плоскости симметрии на расстояние - a, поле излучения имеет в горизонтальной плоскости ДН, повернутую на угол - α.

Теперь мы можем записать соотношение для суммарной и разностной ДН, которые создаются при одновременном возбуждении зеркально-рупорной антенны возбудителями (19) и (20), на которые подаются синфазные и противофазные сигналы

,

где, как и раньше, F_s(θ) - суммарная, F_d(θ) - разностная ДН, а F₀(θ) - ДН при размещении возбудителя в плоскости симметрии (21). Из формул (15) видно, что разностная ДН имеет нуль при θ=0, а суммарная ДН достигает в этой точке максимума.

Таким образом, мы показали, что при возбуждении зеркально-рупорной антенны со стороны свободного входа (36) в свободном пространстве формируется суммарная ДН, а при ее возбуждении со стороны свободного входа (37) - разностная ДН.

На фиг.20 представлена зеркально-рупорная антенна, выполненная по восьмому дополнительному варианту. В ней в зеркально-рупорную антенну по третьему варианту с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности одновременно в плоскостях векторов электрического и магнитного полей введены дополнительное планарное зеркало (30), дополнительный облучатель (29) и дополнительный излучатель (31), идентичные планарному зеркалу (2), облучателю (1) и излучателю (3), и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии (35), которая параллельна металлическим пластинам планарного зеркала (2), также в остронаправленную антенну введена диаграммообразующая схема (45), которая имеет четыре суммарно-разностных выхода (46)-(49) и не менее трех входов (50)-(53), суммарно-разностные выходы (46)-(49) соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей облучателя (1) и дополнительного облучателя (31).

Диаграммообразующая схема (45) относится к классу диаграммообразующих схем моноимпульсных антенн и функционирует по алгоритму, который описывается ее матрицей рассеяния S

, , .

Индекс i соответствует волнам, падающим на свободные выходы (50)-(53), а индекс r - волнам, бегущим от суммарно-разностных выходов (46)-(49), то есть волнам, отраженным от них, в соответствии с терминологией, принятой в технике СВЧ. Каждый столбец матрицы рассеяния S описывает сигналы на суммарно-разностных выходах (46)-(49) при возбуждении одного из свободных выходов (50)-(53) сигналом единичной амплитуды.

Из соотношений (16) видно, что при подаче сигнала на свободный выход (46) все сигналы, поступающие на возбудители облучателя (1) и дополнительного облучателя (31), синфазны. В этом случае, как было показано выше при анализе функционирования зеркально-рупорных антенн, выполненных по пятому и седьмому дополнительным вариантам, излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) создают в пространстве излучение, которое имеет суммарную ДН как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

При подаче сигнала на свободный вход (47) в соответствии с формулами (16) оба входа облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются синфазно, но при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) имеется разность фаз, равная 180°. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая в горизонтальной плоскости является суммарной, а в вертикальной плоскости разностной.

При подаче сигнала на свободный вход (48) в соответствии с формулами (16) входы облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются противофазно, но при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) не имеется разности фаз. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая в горизонтальной плоскости является разностной, а в вертикальной плоскости суммарной.

Наконец, при подаче сигнала на свободный вход (49) в соответствии с формулами (16) оба входа облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются противофазно, а при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) имеется разность фаз, равная 180°. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая и в горизонтальной, и вертикальной плоскостях является разностной.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно, в технике антенн, например в качестве приемо-передающей антенны радиолокатора;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;

- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить ДН с низким УБЛ в двух главных плоскостях, создать главный луч ДН с большим отношением ширин в двух главных плоскостях, создать ДН суммарно-разностного типа в двух основных плоскостях.

Использованные источники информации

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988.

2. С.Е.Банков. Проектирование и экспериментальное исследование решетки щелевых излучателей. // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №6, с.701-706.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - повышение КПД и разрешающей способности зеркально-рупорной антенны. Зеркально-рупорная антенна содержит планарное зеркало, выполненное в виде верхней, нижней и средней металлических пластин, установленных параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла и установлен между нижней и верхней пластинами и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям указанных пластин, средняя пластина имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину; облучатель, установленный между нижней и средней пластинами и выполненный в виде, по крайней мере, одного возбудителя и стенки, выполненной из металла и установленной между нижней и средней пластинами перпендикулярно им, стенка установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, верхняя и средняя пластины выполнены с прямолинейными кромками, перпендикулярными плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра и расположенными на расстоянии от вершины направляющей параболического цилиндра, превышающем его фокусное расстояние; излучатель, выполненный в виде двух прямоугольных металлических пластин, кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней и средней пластин, причем плоскости прямоугольных пластин имеют линию пересечения, расположенную между верхней и средней пластинами. 9 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Зеркально-рупорная антенна, содержащая планарное зеркало, облучатель и излучатель, причем планарное зеркало выполнено в виде верхней, нижней и средней пластин, которые выполнены из металла и установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла и установлен между нижней и верхней пластинами и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям указанных пластин, средняя пластина установлена между верхней и нижней пластинами и имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину, облучатель установлен между нижней и средней пластинами, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде, по крайней мере, одного возбудителя и стенки, выполненной из металла и установленной между нижней и средней пластинами перпендикулярно им, стенка установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, верхняя и средняя пластины выполнены с прямолинейными кромками, перпендикулярными плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра и расположенными на расстоянии от вершины направляющей параболического цилиндра, превышающем его фокусное расстояние, излучатель выполнен в виде двух прямоугольных пластин, выполненных из металла, кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней и средней пластин, причем плоскости прямоугольных пластин имеют линию пересечения, расположенную между верхней и средней пластинами.

2. Зеркально-рупорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что в зазор между средней пластиной и возбудителем включен сосредоточенный конденсатор, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником со штырем через отверстие в нижней пластине, и внешний конец, образующий выход антенны, экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт с нижней пластиной.

3. Зеркально-рупорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что облучатель выполнен с одним возбудителем в виде двух лент и отрезка линии передачи, ленты выполнены из металла и имеют гальванический контакт друг с другом, их оси расположены под прямым углом друг к другу, причем ось одной ленты расположена параллельно стенке и перпендикулярно пластинам и соединена с верхней пластиной через конденсатор, а ось другой ленты перпендикулярна стенке и не имеет с ней гальванического контакта, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником с лентой, ось которой перпендикулярна стенке, через отверстие в указанной стенке, и внешний конец, образующий выход антенны, а экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт со стенкой.

4. Зеркально-рупорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что облучатель выполнен с двумя возбудителями, причем эти возбудители расположены симметрично относительно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, а внешние концы отрезков линий передачи возбудителей образуют два выхода антенны.

5. Зеркально-рупорная антенна по п.1 или 4, отличающаяся тем, что в облучатель введен синфазный делитель мощности на две равные части, боковые плечи которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.

6. Зеркально-рупорная антенна по п.1 или 3, отличающаяся тем, что в остронаправленную антенну введены гибридное соединение и дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, причем суммарно-разностные выходы гибридного соединения соединены с центральными входами синфазных делителей мощности на две равные части основного и дополнительного облучателей.

7. Зеркально-рупорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что в основной и дополнительный излучатели симметрично относительно плоскости симметрии, параллельной пластинам планарного зеркала, введены соответственно первая и вторая дополнительные прямоугольные пластины, две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины расположены параллельно прямолинейным кромкам средней и верхней пластин, причем одна из указанных кромок расположена между средней и верхней пластинами, а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин, не имеющих соединения со средней и верхней пластинами.

8. Зеркально-рупорная антенна по п.6, отличающаяся тем, что в основной и дополнительный излучатели симметрично относительно плоскости симметрии, параллельной пластинам планарного зеркала, введены соответственно первая и вторая дополнительные прямоугольные пластины, две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины расположены параллельно прямолинейным кромкам средней и верхней пластин, причем одна из указанных кромок расположена между средней и верхней пластинами, а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин, не имеющих соединения со средней и верхней пластинами.

9. Зеркально-рупорная антенна по п.1 или 4, отличающаяся тем, что в нее введено гибридное соединение, суммарно-разностные выходы которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.

10. Зеркально-рупорная антенна по п.1 или 4, отличающаяся тем, что в остронаправленную антенну введены дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, также в остронаправленную антенну введена диаграммообразующая схема, которая имеет четыре суммарно-разностных выхода и не менее трех входов, суммарно-разностные выходы соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей облучателя и дополнительного облучателя.