МОНОИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2015 года по МПК H01Q25/02 

Изобретение относится к элементам антенно-фидерного тракта, предназначенным для использования в качестве облучателей в моноимпульсных антеннах, в том числе в фазированных антенных решетках на основе двухмодовых ферритовых фазовращателей.

При построении моноимпульсной антенны стремятся получить максимум коэффициента усиления суммарной диаграммы направленности, максимум отношения усиления разностной и суммарной диаграмм направленности, минимум бокового излучения суммарной и разностной диаграмм. При этом для получения максимально эффекта необходимо формировать разностную диаграмму направленности системой облучателей с большим раскрывом, чем при формировании суммарной диаграммы направленности. В этом случае боковое излучение разностной диаграммы направленности будет уменьшено вследствие снижения амплитуды на краях апертуры, а коэффициент усиления будет больше вследствие больших размеров апертуры, участвующей в формировании диаграмм. Этим требованиям в большей степени соответствует двенадцатирупорный облучатель. Кроме того, в случае применения данного облучателя в антеннах с однозеркальной схемой не лишним будет и уменьшение осевых размеров антенны, что приводит к необходимости формирования широкоугольной диаграммы направленности моноимпульсного облучателя. Обособленно стоят моноимпульсные облучатели, способные работать на круговой поляризации излучаемого и принимаемого сигналов с возможностью их поляризационной развязки (круговая правая и круговая левая поляризации). Эти требования дополнительно усложняют конструкцию моноимпульсных облучателей.

Известен моноимпульсный облучатель, работающий на волнах, поляризованных по кругу. Данный облучатель содержит суммарно-разностную схему деления (СРСД), двенадцать поляризаторов, выполненных в виде единого узла, и 12 излучателей, также выполненных в виде единого узла (патент РФ №2380804, H01Q 25/02, 2008 г.).

Недостатками данного облучателя являются:

- большие поперечные размеры, что усложняет его применение в качестве облучателя в однозеркальной антенной системе;

- сложность изготовления, связанная с необходимостью совместной обработки большого количества плоскостей;

- негерметизированный раскрыв;

- неизбежные потери в приемном фидерном тракте, что сказывается на снижении отношения сигнал/шум;

- большие потери в передающем фидерном тракте при применении облучателя в однозеркальных антенных системах;

- невозможность получения широкоугольной диаграммы направленности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является моноимпульсная система, содержащая приемную и передающую СРСД, при этом приемная СРСД имеет двенадцать входов и три выхода, а передающая - четыре входа и один выход, двенадцать селекторов поляризации, объединенных в узел селекторов поляризации, и двенадцать излучателей, объединенных в узел излучателей (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общей редакцией К.Н. Трофимова. Том 4. Радиолокационные станции и системы. Под ред. М.М. Вейсбейна М., «Сов. радио», 1978, стр.25).

Недостатками данной конструкции являются:

- неизбежные потери в приемном фидерном тракте, что сказывается на снижении отношения сигнал/шум;

- большие потери в передающем фидерном тракте при применении облучателя в однозеркальных антенных системах;

- отсутствие селектора поляризации.

Перед авторами стояла задача создания моноимпульсной системы, способной работать в качестве облучателя для однозеркальной антенной системы на двух ортогональных круговых поляризациях и при этом имеющей минимальные потери как излучаемого, так и принимаемого сигнала.

Техническим результатом заявляемой моноимпульсной системы является ее оптимизация для применения в качестве облучателя однозеркальной антенной системы с дополнительным улучшением ее конструкции и технических характеристик.

Задача решена за счет того, что в моноимпульсную систему, содержащую приемную и передающую СРСД, причем приемная СРСД имеет двенадцать входов и три выхода, а передающая СРСД имеет четыре входа и один выход, двенадцать селекторов поляризации, объединенных в узел селекторов поляризации, и двенадцать излучателей, объединенных в узел излучателей, при этом излучатели подключены к выходам селекторов поляризации, один из входов каждого селектора поляризации подключен к соответствующему входу приемной СРСД, вторые входы четырех селекторов поляризации подключены ко входам ко входам передающей СРСД, а ко вторым входам оставшихся селекторов поляризации подключены согласованные нагрузки, дополнительно введены три малошумящих усилителя, причем входы каждого из них подключены к соответствующим выходам приемной СРСД, а их выходы являются приемными выходами моноимпульсной системы, при этом селекторы поляризации выполнены на основе поляризатора с перегородкой.

Поляризатор с перегородкой выполнен на основе гребенчатого волновода.

Вход и выход малошумящего усилителя размещены в одной плоскости, а поляризации сигнала в них ортогональны.

Центры излучателей расположены на расстоянии не более половины длины волны.

В моноимпульсной системе предусмотрены два преобразователя типа волны, один из которых преобразует волну прямоугольного волновода Н10 в волну круглого волновода Н01, а второй - волну круглого волновода Н01 в волну прямоугольного волновода Н10, и отрезок круглого волновода, причем вход первого преобразователя типа волны подключен к выходу передающей СРСД, а вход второго преобразователя типа волны является выходом моноимпульсной системы, при этом круглый волновод установлен между выходами преобразователей типа волны.

Узел излучателей выполнен на основе диэлектрических антенн.

В моноимпульсной системе предусмотрены элементы герметизации.

Моноимпульсная система выполнена в виде осевой структуры на основе плит, расположенных перпендикулярно оси, в которых выполнены пазы и отверстия, реализующиеся при объединении плит между собой в совокупность элементов приемной и передающей СРСД, узла селекторов поляризации и узла излучателей.

Приемные выходы моноимпульсной системы выполнены в виде единого узла.

Заявляемая моноимпульсная система обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.

Заявляемая моноимпульсная система, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.

Сущность предлагаемого решения поясняется с помощью чертежей, где

- на фиг.1 представлена схема моноимпульсной системы;

- на фиг.2 - схема расположения и порядковые номера излучателей (селекторов поляризации) моноимпульсной системы;

- на фиг.3 - конструкция селектора поляризации с перегородкой на гребенчатом волноводе;

- на фиг.4 - расположение входа и выхода малошумящего усилителя;

- на фиг.5 - конструкция моноимпульсной системы без элементов герметизации (схематично).

Моноимпульсная система состоит из приемной 1 СРСД, передающей 2 СРСД, узла 3 селекторов поляризации, узла 4 излучателей, трех малошумящих усилителей 5. Элементы приемной 1 СРСД, передающей 2 СРСД, узла 3 селекторов поляризации и узла 4 излучателей образованы за счет объединения плит, в которых выполнены пазы и отверстия, между собой. Каждый из селекторов поляризации WP1…WP12 имеет два входа и один выход, причем один из входов селекторов поляризации WP1…WP12 подключен к соответствующему входу приемной 1 СРСД, вторые входы селекторов поляризации WP1…WP4 подключены к соответствующим входам передающей 2 СРСД, а ко вторым входам селекторов поляризации WP5…WP12 подключены согласованные нагрузки 6. К каждому из выходов селекторов поляризации WP1…WP12 подключены соответственно излучатели WA1…WA12. К каждому из трех выходов приемной 1 СРСД подключен вход соответствующего малошумящего усилителя 5, а выходы малошумящих усилителей 5 являются приемными выходами моноимпульсной системы. В частном случае к выходу передающей 2 СРСД подключен вход первого преобразователя 7 типа волны (ПТВ), выход которого соединен с отрезком 8 круглого волновода. Ко второму концу отрезка 8 круглого волновода подключен выход второго 9 ПТВ, вход которого является передающим выходом моноимпульсной системы.

Устройство работает следующим образом.

В режиме передачи линейно-поляризованная волна типа Н10 поступает на выход передающей 2 СРСД, где делится на 4 равные части и поступает на входы селекторов поляризации WP1…WP4, подключенные к соответствующим входам передающей 2 СРСД, в которых преобразуется в волны, поляризованные по кругу, и попадает на входы излучателей WA1…WA4, возбуждаемых синфазно и равноамплитудно.

В режиме приема электромагнитные волны принимаются излучателями WA1…WA12 и поступают на выходы соответствующих селекторов поляризации WP1…WP12, в которых происходит преобразование электромагнитных волн, поляризованных по кругу, в линейно-поляризованные волны. Далее линейно-поляризованные волны через входы селекторов поляризации WP1…WP12, подключенные к приемной 1 СРСД, попадают в приемную 1 СРСД, где происходит их синфазно-противофазное сложение с формированием сигнала на трех выходах приемной 1 СРСД. Далее электромагнитные волны поступают на входы малошумящих усилителей 5, в которых происходит увеличение их амплитуд, после чего они поступают на приемные выходы моноимпульсной системы.

Для обеспечения малых поперечных габаритов облучающей системы применен селектор поляризации, выполненный на основе поляризатора с перегородкой, состоящих из двух гребенчатых волноводов 10, являющихся входами селектора поляризации и перегородки 11, разделяющей гребенчатые волноводы 10, при этом входы селектора поляризации параллельны друг другу, расположены противоположно выходу вдоль продольной оси селектора поляризации.

Для увеличения углов облучения моноимпульсной системы и, как следствие, уменьшения фокусного расстояния при засветке основного зеркала, что в свою очередь приводит к уменьшению габаритных размеров отражательной антенной системы в целом, шаг расположения излучателей выбран менее половины длины волны. Для обеспечения вышесказанного применен селектор поляризации с перегородкой 10, выполненный на основе гребенчатого волновода, что позволило сократить его поперечные размеры, а также в качестве излучателей применены диэлектрические антенны с широкой диаграммой направленности.

Для уменьшения продольных размеров моноимпульсной системы входы и выходы малошумящих усилителей 5 находятся в одной плоскости. Для обеспечения электромагнитной развязки сигнала, поступающего на входы малошумящих усилителей 5 и сигналов, выходящих из них, поляризации сигнала в них ортогональны, что достигается поворотом осей волновода, являющегося входом малошумящего усилителя 5, относительно осей волновода, являющегося выходом малошумящего усилителя 5, на 90^° в плоскости их расположения.

В случае большой протяженности волноводного тракта передающего канала, для уменьшения погонных потерь, в состав облучающей системы введены два ПТВ и отрезок круглого волновода. В этом случае при работе устройства на передачу электромагнитная волна поступает на вход второго 9 ПТВ, в котором волна прямоугольного волновода типа Н10 преобразуется в волну круглого волновода типа Н01, проходит через отрезок 8 круглого волновода и поступает на выход первого 7 ПТВ, в котором происходит обратное преобразование волны типа Н01 в волну типа Н10. Далее преобразованная волна поступает на выход передающей 2 СРСД. Преимуществом данной схемы являются малые погонные потери сигнала, что позволяет увеличить излучаемую мощность антенной системы без увеличения мощности передающего устройства.

В случае использования данной моноимпульсной системы в качестве облучателя однозеркальной антенной системы, она помещена в герметичный кожух, исключающий воздействие атмосферных условий на волноводные узлы моноимпульсной системы.

Применение конструкции моноимпульсной системы, состоящей из соосно расположенных плит, в которых выполнены пазы и отверстия, преобразующиеся в систему волноводных элементов, позволило достичь высокой степени интеграции волноводных элементов и уменьшить общие габаритные размеры моноимпульсной системы.

Приемные выходы моноимпульсной системы сгруппированы в единый узел, что позволяет, в случае ее применения в качестве облучателя в отражательной антенной системе, минимизировать область затенения магистральными волноводами, соединяющими приемную систему с моноимпульсной системой раскрыва антенной системы.

Таким образом, по сравнению с имеющимся аналогами, в том числе с прототипом, применение данной моноимпульсной системы в качестве облучателя однозеркальных антенн стало возможным благодаря:

• применению высокой степени интеграции волноводных каналов приемной СРСД 1, передающей СРСД 2, узла поляризаторов 3 и узла излучателей 4, что позволило получить блок малого диаметра (меньше 8*λ);

• наличию в составе моноимпульсной системы малошумящих усилителей 5,что позволило уменьшить коэффициент шума приемного тракта (до 50%);

• наличию в составе моноимпульсной системы отрезка круглого волновода 8 и двух ПТВ 7 и 9, что позволило уменьшить потери передающего тракта (до 20%).

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация заявляемой моноимпульсной системы, изготовлен опытный образец, работающий в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн, испытания которого подтвердили преимущества, по сравнению с известными устройствами, в том числе с прототипом, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

Изобретение относится к элементам антенно-фидерного тракта, предназначенным для использования в качестве облучателей в моноимпульсных антеннах, в том числе в фазированных антенных решетках на основе двухмодовых ферритовых фазовращателей. Техническим результатом заявляемой моноимпульсной системы является уменьшение общих габаритных размеров моноимпульсной системы для применения ее в качестве облучателя однозеркальной антенной системы с дополнительным уменьшением шумов и потерь сигнала в волноводных трактах. Моноимпульсная система содержит приемную 1 и передающую 2 суммарно-разностные схемы деления (СРСД), двенадцать селекторов поляризации с перегородками, объединенных в узел 3 селекторов поляризации, двенадцать излучателей, объединенных в узел 4 излучателей, и три малошумящих усилителей 5, а также соответствующие связи между вышеуказанными частями моноимпульсной системы. В дополнительных пунктах формулы представлено конкретное выполнение моноимпульсной системы, ее частей и связей между частями моноимпульсной системы. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Моноимпульсная система, содержащая приемную и передающую суммарно-разностные схемы деления (СРСД), причем приемная СРСД имеет двенадцать входов и три выхода, а передающая СРСД имеет четыре входа и один выход, двенадцать селекторов поляризации, объединенных в узел селекторов поляризации, и двенадцать излучателей, объединенных в узел излучателей, при этом излучатели подключены к выходам селекторов поляризации, один из входов каждого селектора поляризации подключен к соответствующему входу приемной СРСД, вторые входы четырех селекторов поляризации подключены ко входам передающей СРСД, а ко вторым входам оставшихся селекторов поляризации подключены согласованные нагрузки, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены три малошумящих усилителя, причем входы каждого из них подключены к соответствующим выходам приемной СРСД, а их выходы являются приемными выходами моноимпульсной системы, при этом селекторы поляризации выполнены на основе поляризатора с перегородкой.

2. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что поляризатор с перегородкой выполнен на основе гребенчатого волновода.

3. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что вход и выход каждого из малошумящих усилителей размещены в одной плоскости, а поляризации сигнала в них ортогональны.

4. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что центры излучателей расположены на расстоянии не более половины длины волны.

5. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены два преобразователя типа волны, один из которых преобразует волну прямоугольного волновода H10 в волну круглого волновода H01, а второй - волну круглого волновода Н01 в волну прямоугольного волновода H10, и отрезок круглого волновода, причем вход первого преобразователя типа волны подключен к выходу передающей СРСД, а вход второго преобразователя типа волны является выходом моноимпульсной системы, при этом круглый волновод установлен между выходами преобразователей типа волны.

6. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что узел излучателей выполнен на основе диэлектрических антенн.

7. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней предусмотрены элементы герметизации.

8. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде осевой структуры на основе плит, расположенных перпендикулярно оси, в которых выполнены пазы и отверстия, реализующиеся при объединении плит между собой в совокупность элементов приемной и передающей СРСД, узла селекторов поляризации и узла излучателей.

9. Моноимпульсная система по п. 1, отличающаяся тем, что ее приемные выходы выполнены в виде единого узла.