МОНОИМПУЛЬСНАЯ ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК H01Q25/02 

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может применяться в радиолокационных системах (РЛС) с частотно-сканирующими антенными решетками, использующих моноимпульсный метод пеленгации для повышения точности измерения угловых координат воздушных объектов.

Из предшествующего уровня техники известна схема последовательного типа для реализации частотно-сканирующей моноимпульсной антенной решетки, которая является близким аналогом заявляемого устройства (см. [1], стр. 19-12, рис. 19-9. (1. Johnson R.C., Jasik Н. Antenna Engineering Handbook. 3d Edition. New York: McGrow-Hill Book Company. 1993.)). Особенностью данного варианта является то, что для суммарно-разностного диаграммообразования с частотным сканированием в схеме использованы две линии задержки - короткая и длинная, которые представляют собой многоканальные делители мощности бегущей волны (с элементами связи в виде ответвителей) и запитаны от гибридного моста. Эти два делителя мощности формируют в плоскости сканирования амплитудное распределение, которое необходимо для достижения требуемого уровня боковых лепестков (УБЛ) суммарной диаграммы направленности (ДН).

Особенность этой схемы состоит в том, что последний элемент, включенный в более короткую линии задержки перед нагрузкой, находится в центре решетки и поэтому для необходимого распределения в плоскости апертуры требуется значительная мощность возбуждения этого элемента. С учетом коэффициента связи, который может быть реализован между линией питания и излучающими элементами, для обеспечения допустимого уровня фазовых ошибок и согласования нагрузки линии необходимо создать в самой линии около последнего элемента связи сравнительно большую мощность. Недостатком данного технического решения является то, что эта мощность затем должна рассеиваться в поглощающей нагрузке более короткой линии, что в свою очередь приводит к снижению коэффициента усиления антенны.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является моноимпульсная антенная с частотным сканированием, патент RU 2490760 C1, H01Q 3/00, 20.08.2013 [2] (2. Патент №2490760 C1 (RU), МПК H01Q 3/00. Моноимпульсная антенна с частотным сканированием / Н.Д. Бородин, М.В. Исаков; заявитель и патентообладатель ОАО «НЛП «Салют». - №2012111088/08; заявл. 23.03.2012; опубл. 20.08.2013. Бюл. №23), которая состоит из двух делителей мощности бегущей волны, выполненных в виде волноводных линий задержки (короткой и длинной), запитанных от делителя на два (двойного Т-моста), окон связей и волноводно-щелевых излучателей. При этом каждое окно связи короткой замедляющей системы увеличивается в размере последовательно с первого нижнего окна связи до последнего на 1-2%, а на длинной замедляющей системе все окна связи имеют одинаковый размер, равный размеру окна связи, расположенного в середине короткой замедляющей системы. Оконечные нагрузки в короткой и длинной линиях задержки отсутствуют. Поэтому за счет исключения траты подводимой СВЧ мощности в нагрузках линий задержки предполагается некоторый выигрыш по КПД и трудоемкости.

Недостатками этого технического решения являются:

1. Невозможность достижения в плоскости сканирования низкого УБЛ ДН суммарного канала, а также обеспечения равенства уровней сигналов в максимумах и большой глубины нуля ДН разностного канала, что снижает точность определения угловой координаты моноимпульсным методом, из-за:

- наличия фазовой ошибки, которая обусловлена неидентичностью фазо-частотных характеристик короткой линии задержки, нагруженной через ответвители на излучающие элементы и ненагруженного входного участка длинной линии задержки;

- неравноамплитудной запитки с помощью двойного Т-моста с коэффициентом деления 3 дБ двух половин схемы по причине дополнительных потерь, которые возникают на входном участке длинной линии задержки;

- отсутствия коррекции длин волноводных петель короткой и длинной линий задержки для компенсации зависимости фазы ответвителей мощности от величины переходного ослабления;

- наличия фазовой ошибки на крайних выходах короткой и длинной линий задержки вследствие исключения из их состава оконечных нагрузок;

- построения системы распределения мощности на ненаправленных ответвителях, амплитудно-фазовое распределение на выходах которой деформируется при конечном уровне согласования нагруженных на нее излучателей;

2. Конструктивно-технологическая сложность изготовления волноводной суммарно-разностной системы распределения мощности антенной решетки, состоящей из 3-х отдельно изготавливаемых элементов (короткой линии задержки, длинной линии задержки и двойного Т-моста), предлагаемая конструктивная компоновка которых значительно увеличивает размер антенны в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании низкопрофильной технологичной конструкции моноимпульсной волноводной антенной решетки с частотным сканированием, которая имеет во всем диапазоне частот, обеспечивающем сектор сканирования не менее 45°:

- низкий УБЛ ДН суммарного канала (не более минус 30 дБ);

- большую глубину нуля ДН разностного канала (не более минус 30 дБ);

- равенство уровней сигналов в максимумах ДН разностного канала (с точностью не хуже 0,5 дБ).

Поставленная задача решена за счет того, что в моноимпульсной волноводной антенной решетке с частотным сканированием, состоящей из N-канальной суммарно-разностной волноводной диаграммообразующей схемы (ДОС) последовательного типа и N линейных антенных решеток (АР) излучателей, запитка излучателей производится через Т-щелевые направленные ответвители (НО), которые включены между изогнутыми волноводными участками специальной конфигурации (петлями), соединенными последовательно и образующими свернутые в Е-плоскости синусоидальные линии задержки (короткую и длинную). Короткая и длинная линии задержки содержат (N-2) НО - по (N/2-1) НО в каждой линии. Переходные ослабления НО реализуются в диапазоне от минус 40 дБ до минус 3 дБ и определяются исходя из условий формирования на выходах ДОС амплитудного распределения в плоскости сканирования, обеспечивающего низкий уровень боковых лепестков. Длина каждой из волноводных петель линий задержки, расположенных между НО, выбрана с учетом зависимости фазы НО от величины переходного ослабления. Короткая и длинная линии задержки ДОС, запитаны от волноводного мостового устройства с регулируемым коэффициентом деления, через двухканальный волноводный фазовращатель, излучатели (N/2-1) и N/2, расположенные в середине антенны, а также крайние излучатели (N-1) и N запитаны, соответственно, от НО (N/2-1) и (N-2) короткой и длинной линий задержки через выходные двухканальные волноводные фазовращатели. Волноводное мостовое устройство выполнено на основе двух НО с переходным ослаблением 3 дБ и, включенного между ними двухканального волноводного фазовращателя, обеспечивающего постоянную разность фаз величиной 90° между сопрягаемыми выходами НО во всем рабочем диапазоне частот. Один из каналов фазовращателя волноводного мостового устройства разомкнут и конструктивно выведен наружу в виде двух выходов, сопряженных с регулируемой по длине волноводной перемычкой (поворотом волноводного канала в Е-плоскости на 180°). Входной волноводный участок длинной линии задержки разомкнут по аналогии с волноводным каналом фазовращателя и также замыкается с помощью регулируемой по длине волноводной перемычки.

Отличительной особенностью антенной решетки, определяющей ее технологичность и низкопрофильность, является то, что в составе ДОС применены Т-щелевые НО, которые по сравнению с другими известными типами НО позволяют конструктивно реализовать ДОС на базе 2-х алюминиевых плит, в которых на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) соответствующим образом профрезерована волноводная топология - профиль волновода короткой и длинной линий задержки и вторичных линий НО, окна связи НО, двухканальные волноводные фазовращатели и вспомогательные элементы волноводной топологии: Н- и Е-плоскостные волноводные уголки, ступенчатые переходы. Стыковка плит производится вдоль плоскости, являющейся плоскостью симметрии внутренних волноводных каналов и проходящей через их широкую стенку. После сборки двух плит образуется волноводная топология ДОС, состыкованная по линии нулевых токов.

Достигаемый технический результат при реализации предлагаемого изобретения заключается в: обеспечении низкого УБЛ ДН суммарного канала в плоскости частотного сканирования; повышении точности определения угловой координаты в плоскости частотного сканирования за счет достижения необходимой глубины нуля и минимального различия уровней сигналов в максимумах ДН разностного канала во всем рабочем диапазоне частот; технологичности изготовления и низкопрофильности конструкции антенны.

Заявляемая моноимпульсная волноводная антенная решетка 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 волноводная антенная решетка, по мнению заявителя 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 изобретения поясняется при помощи чертежей, где:

на фиг. 1 представлена структурная схема моноимпульсной волноводной антенной решетки с частотным сканированием;

на фиг. 2 - конфигурация волноводной топологии ДОС и ее составных частей;

на фиг. 3 - конструкция волноводной ДОС;

на фиг. 4 - фрагмент конструкции моноимпульсной волноводной антенной решетки.

Моноимпульсная волноводная антенная решетка (фиг. 1, фиг. 4) состоит из N волноводных линейных АР излучателей (1, 2, 3…N), образующих, поверхность раскрыва, которые установлены с постоянным шагом и запитаны с помощью N-канальной суммарно-разностной ДОС (4), представляющей собой волноводную распределительную систему, которая предназначена для формирования требуемых амплитудного и фазового распределений на входах излучателей. ДОС (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) состоит из двух N/2-канальных волноводных делителей мощности (ДМ) бегущей волны (5) и (6), каждый из которых построен на основе (N/2-1) НО (7), включенных между изогнутыми волноводными участками специальной конфигурации (петлями) (8), соединенными последовательно и образующими свернутую в Е-плоскости синусоидальную линию задержки, формирующую необходимый для реализации частотного сканирования фазовый фронт на входах излучателей. При этом с целью устранения «эффекта нормали» четные НО включены в линии задержки ДМ (5) и (6) со смещением на четверть длины волны на частоте нормали относительно нечетных НО. К балансным плечам НО подключены волноводные поглощающие нагрузки (9). Делитель мощности (6) имеет длинную линию задержки, которая создает дополнительный фазовый набег на излучателях с N/2 по N для обеспечения равномерного нарастания фазового фронта в раскрыве антенной решетки. Волноводное мостовое устройство (10), состоящее из 2-х 3-децибельных НО (11) и включенного между ними перестраиваемого фазовращателя (12), запитывает в требуемом амплитудном соотношении делители (5) и (6): синфазно при подаче сигнала на суммарный вход (∑) или в противофазе при подаче сигнала на разностный вход (Δ). В волноводном мостовом устройстве реализована возможность перестройки коэффициента деления. Это вызвано тем, что для получения требуемой глубины нуля ДН разностного канала необходима балансировка амплитуд сигналов, подаваемых на короткую и длинную линии задержки, с точностью не хуже ±0,1 дБ. Поэтому один из каналов фазовращателя волноводного мостового устройства конструктивно выведен наружу и подключен к внешней волноводной перемычке (13), которая при изменении длины, достигаемом за счет фрезеровки ее волноводного фланца на станке с ЧПУ, позволяет получить необходимое соотношение амплитуд сигналов на входах короткой и длинной линий задержки с заданной точностью во всем рабочем диапазоне частот. Принцип работы фазовращателя (12) пояснен ниже.

Одним из ключевых факторов, влияющих на качество ДН антенны, является фазовая поправка, возникающая в окнах связи направленных ответвителей ДОС, имеющих различные коэффициенты связи с питающей линией. Для формирования в вертикальной плоскости спадающего амплитудного распределения требуется реализация переходных ослаблений направленных ответвителей в диапазоне от минус 27 дБ до минус 3 дБ. Соответственно, фазовая поправка, возникающая в окнах связи НО при реализации необходимых переходных ослаблений, составит ориентировочно от 0° до 45°, как для проходящей, так и для ответвленной волн, что в свою очередь, при последовательной схеме питания НО, приведет к нелинейному нарастанию фазовой ошибки в делителях (5) и (6) до нескольких сотен градусов. Поэтому для получения низкого УБЛ ДН суммарного канала в плоскости частотного сканирования выбор длин регулярных участков волноводных петель короткой и длинной линий задержки произведен с учетом зависимости фазы НО от величины переходного ослабления в соответствии с формулой (1).

где Sc_n - длина волноводной петли линии задержки, скорректированная с учетом фазовой поправки НО, S - теоретическая длина петли, Δϕ_n=ϕ_n-ϕl_n - разность фаз между фазовым распределением ϕ_n на выходах ДОС с учетом поправки, вносимой НО и требуемым линейным фазовым распределением ϕl_n на частоте нормали, λ - длина волны на частоте нормали, а - размер широкой стенки линии задержки ДОС, n=1, 2…N-1. После коррекции длин петель (8) их конфигурация в волноводной топологии соответствует огибающим 14 и 15, фиг. 1.

Ввиду проблематичности реализации переходных ослаблений НО величиной более минус 3 дБ для минимизации потерь мощности в ДОС делители (5) и (6), выполнены по схеме с полным выводом мощности от НО (N/2-1) и (N-2) на излучатели (N/2-1), N/2 и (N-1), N, соответственно. Добор фазовой поправки для выходов N/2 и N ДОС, которая обусловлена изменением фазы ответвляемой волны в НО и составляет около +90°, осуществляется на последней петле линии задержки каждого из делителей мощности. Для устранения частотной неравномерности фазы на выходах N/2 и N в схеме ДОС применены двухканальные волноводные фазовращатели (16) и (17), обеспечивающие постоянство разности фаз проходящей и ответвленной волн в НО между выходами (N/2-1), N/2 и (N-1), N в рабочем диапазоне частот.

Принцип работы фазовращателей (12), (16) и (17) основан на том факте, что два прямоугольных волновода с сечениями каналов а1×b и а₂×b и длинами L₁ и L₂, соответственно, могут обеспечить постоянство разности фаз Δϕ в диапазоне длин волн от ƒ_н до ƒ_в. Тогда, принимая известными значения a₁, a₂, b, ƒ_н, ƒ_в и Δϕ величины L₁ и L₂ могут быть определены исходя из следующих соотношений:

где Λ_н1, Λ_в1, Λ_н2, Λ_в2 - длина волны в волноводе с соответствующим поперечным сечением a₁×b (a₂×b) для нижней (ƒ_н) и верхней (ƒ_в) частот рабочего диапазона. Очевидно, что в соответствии с выражениями (2) и (3) длина фазовращателя будет определяться соотношением размеров широких стенок волноводных каналов а₁ и а₂. При этом, исходя из соображений упрощения реализации топологии ДОС значение а₁ целесообразно выбрать равным величине широкой стенки волноводной замедляющей системы. Для обеспечения согласования канала фазовращателя, имеющего сечение a₂×b, с подводящими волноводными линиями с сечением a₁×b конструкции имеются согласующие четвертьволновые трансформаторы.

По причине наличия частотной зависимости фазовой поправки, вносимой НО входной участок длинной линии задержки, создающий дополнительный фазовый набег на элементах с N/2 по N не может обеспечить равномерность нарастания фазового фронта на выходах ДОС во всей полосе частот рабочего диапазона. Для устранения этого существенного недостатка, приводящего к росту УБЛ суммарной ДН и неприемлемому искажению формы разностной ДН при сканировании в заданном секторе на выходах мостового устройства (10) установлен двухканальный волноводный фазовращатель (18), принцип работы которого аналогичен фазовращателям (12), (16) и (17), примененных на выходах НО (N/2-1) и НО (N-2). Для устранения скачка фазового фронта между половинами излучающего раскрыва, связанным с неидентичностью фазовых характеристик длинной и короткой линий задержки, обусловленной влиянием допусков изготовления на размер широкой стенки волновода, на входе второй половины ДОС включена волноводная перемычка (19), которая при изменении длины, достигаемом за счет фрезеровки ее волноводного фланца на станке с ЧПУ, обеспечивает подстройку фазы при изменении электрической длины.

Исходя из соображений обеспечения необходимых допусков изготовления, технологичности и низкопрофильности антенны в качестве типового распределительного элемента в ДОС используется волноводный НО с Т-образным окном связи. Конструкция такого НО представляет собой два параллельных прямоугольных волновода - первичного (20) и вторичного (21), связанных с помощью двух щелей (22) и (23), одна из которых расположена параллельно, другая - перпендикулярно продольной оси волноводов. Щели прорезаются в общей широкой стенке волноводов (фиг. 3). Балансное плечо вторичного волновода сопряжено с одной стороны с волноводной поглощающей нагрузкой (9), с другой с волноводным поворотом на 90° в Н-плоскости (24).

Численное моделирование заявляемого устройства выполнено методом конечных элементов на специализированном программном сервере.

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация заявляемой моноимпульсной волноводной антенной решетки, изготовлен опытный образец, работающий в дециметровом диапазоне длин волн, положительные результаты испытаний 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 радиотехнической промышленности и может применяться в радиолокационных системах с частотно-сканирующими антенными решетками, использующих моноимпульсный метод пеленгации для повышения точности измерения угловых координат воздушных объектов. Моноимпульсная волноводная антенная решетка с частотным сканированием состоит из суммарно-разностной волноводной диаграммообразующей схемы (4) и линейных излучателей (1, 2, 3…N), запитка излучателей производится через Т-щелевые направленные ответвители (7), которые включены между изогнутыми волноводными участками специальной конфигурации - петлями (8), соединенными последовательно и образующими свернутые в Е-плоскости короткую (5) и длинную (6) линии задержки. Выбор длин волноводных петель линий задержки производится с учетом зависимости фазы направленных ответвителей от величины переходного ослабления. Короткая и длинная линии задержки диаграммообразующей схемы запитаны через двухканальный волноводный фазовращатель (18) от волноводного мостового устройства с регулируемым коэффициентом деления (10), состоящего из 2-х направленных ответвителей (11) с переходным ослаблением 3 дБ и включенного между ними перестраиваемого фазовращателя (12). Два излучателя (N/2) и (N/2-1), расположенные в центре антенны, а также два излучателя (N) и (N-1) запитаны от крайних направленных ответвителей короткой и длинной линий задержки через выходные двухканальные волноводные фазовращатели (16) и (17). Технический результат заключается в обеспечении низкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности суммарного канала в плоскости частотного сканирования, повышении точности определения угловой координаты в плоскости частотного сканирования и достижении минимального различия уровней сигналов в максимумах диаграммы направленности разностного канала во всем рабочем диапазоне частот. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Моноимпульсная волноводная антенная решетка с частотным сканированием, состоящая из N линейных антенных решеток излучателей и N-канальной суммарно-разностной волноводной диаграммообразующей схемы, образованной и из 2-х делителей мощности бегущей волны, в виде свернутых в Е-плоскости синусоидальных линий задержки - короткой и длинной, запитанных от мостового устройства, элементов связи синусоидальных линий задержки с линейными решетками излучателей, отличающаяся тем, что элементы связи выполнены на основе Т-щелевых направленных ответвителей, а выбор длин волноводных петель линий задержки произведен в соответствии с формулой, которая определяет длину волноводной петли линии задержки, скорректированную с учетом зависимости фазы направленных ответвителей от величины переходного ослабления:

,

где Sc_n - длина волноводной петли линии задержки, скорректированная с учетом фазовой поправки направленных ответвителей, S - теоретическая длина петли, Δϕ_n=ϕ_n-ϕl_n - разность фаз между фазовым распределением ϕ_n на выходах диаграммообразующей схемы с учетом поправки, вносимой направленными ответвителями и требуемым линейным фазовым распределением ϕl_n на частоте нормали, λ - длина волны на частоте нормали, a - размер широкой стенки линии задержки диаграммообразующей схемы, n=1,2…N-1.

2. Моноимпульсная волноводная антенная решетка с частотным сканированием по п. 1, отличающаяся тем, что короткая и длинная линии задержки диаграммообразующей схемы, запитаны через двухканальный волноводный фазовращатель от волноводного мостового устройства с регулируемым коэффициентом деления, состоящего из 2-х направленных ответвителей с переходным ослаблением 3 дБ и включенного между ними перестраиваемого фазовращателя.

3. Моноимпульсная волноводная антенная решетка с частотным сканированием по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели (N/2-1) и N/2, расположенные в середине антенны, а также крайние излучатели (N-1) и N запитаны, соответственно, от направленных ответвителей (N/2-1) и (N-2) короткой и длинной линий задержки через выходные двухканальные волноводные фазовращатели.