Малогабаритный двухполяризационный волноводный излучатель фазированной антенной решетки с высокой развязкой между каналами Российский патент 2018 года по МПК H01P5/08 

Изобретение относится к двухполяризационным излучателям, использующимся в бортовых двухполяризационных сканирующих фазированных антенных решетках (ФАР) Х-диапазона, а также более высокочастотных диапазонов.

Для целого ряда радиотехнических бортовых и космических систем возникает необходимость разработки ФАР с широкоугольным электрическим сканированием и с независимыми взаимно ортогональными линейными поляризациями излучаемых (принимаемых) полей. Для построения таких двухполяризационных ФАР должны использоваться двухполяризационные излучатели. При этом к таким излучателям предъявляются требования высокой развязки между каналами 1 и 2 ( - модуль коэффициента связи между каналами), минимальных массогабаритных параметров (особенно поперечных размеров), высокого коэффициента полезного действия (КПД) и достаточной прочности конструкции.

Известны малогабаритные двухполяризационные микрополосковые излучатели с двумя ортогональными входами [Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. М.: Техносфера. 2012; Balanis С.A. (ed.) Modern antenna handbook. John Wiley & Sons. 2008.]. Недостатком подобных излучателей является малая развязка между входами 1 и 2 (меньше 20 дБ). Кроме того, микрополосковые излучатели имеют значительные потери в диэлектрике, особенно в X-диапазоне и более высокочастотных диапазонах, не обладают достаточной прочностью и проигрывают по этим показателям волноводным излучателям.

Известны двухполяризационные волноводно-рупорные антенны с квадратным раскрывом, возбуждаемые с помощью микрополоскового излучателя квадратной формы и подводимых к нему двух взаимно ортогональных микрополосковых линий, расположенных в некотором сечении и проходящих в квадратный волновод через отверстия в боковых стенках квадратного волновода [Ononchimeg S., Otgonbaatar G., Bang J.-H., Ahn B.-C., Cha E.-J. A new dual-polarized horn antenna excited by a gap-fed square patch // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2011. V. 21. P. 129-137.]. Однако такой излучатель имеет ограниченную развязку (менее 30 дБ) между поляризациями и большой поперечный размер - около полутора длин волн, что исключает использование подобного излучателя в сканирующих ФАР. Рупорно-волноводный излучатель с квадратным раскрывом с уменьшенным поперечным размером апертуры приводится в [Nakamoto N., Takahashi Т., Ono A., Nakashima М., Ohtsuka М., Miyashita Н. A dual polarized suspended stripline fed open-ended waveguide antenna subarray for phased arrays // International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP-2015). P. 479-482.]. Уменьшение поперечных размеров достигнуто за счет применения в структуре излучателя двух отрезков квадратного волновода с четырьмя и двумя металлическими гребнями и использовании «висячих» воздушных полосковых линий. Однако минимальный уровень кроссполяризации составляет -27 дБ. Кроме того, конструкция излучателя значительно усложняется.

Известны двухполяризационные излучатели, представляющие собой совмещение в одном раскрыве рупорного излучателя и вибраторного излучателя с взаимно-ортогональными поляризациями излучаемого поля [Patent US 3205499. Dual polarized horn antenna / L.E. Rabum. Patented Sept. 7, 1965.]. Однако схема питания такого излучателя является громоздкой и существенно влияет на характеристики излучателя, в том числе на уровень развязки двух поляризационных каналов.

Наиболее близкими к заявляемому устройству являются волноводные излучатели в виде пирамидального рупора с квадратным раскрывом и отрезка короткозамкнутого квадратного волновода с поперечными размерами, обеспечивающими «докритический» режим работы только для основных типов волн Н₁₀ и H₀₁ [Zhongxiang Sh., Chao F. A new dual-polarized broadband horn antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2005. V. 4. P. 270-273.]. При возбуждении такого волновода одинаковыми коаксиально-штыревыми возбудителями, расположенными ортогонально в смежных боковых стенках в некотором сечении волновода, в волноводе возбуждается и распространяется или только волна H₁₀, или только волна H₀₁, являющиеся источниками двух взаимно ортогональных полей, излучаемых открытым концом волновода или раскрывом пирамидального рупора (фиг. 1, а). Однако и в таком излучателе коэффициент связи между входами лежит в интервале примерно -15…-20 дБ. Модельная зависимость для излучателя в виде открытого конца квадратного волновода (фиг. 1, б) с размерами поперечного сечения а×а=0,62λ₀×0,62λ₀ при длинах h₁=h₂=0,19λ₀ и диаметрах d₁=d₂=0,032λ₀ штыревых возбудителей, продольные оси которых расположены относительно задней стенки волновода на расстоянии показана на фиг. 2.

Целью заявляемого изобретения является существенное уменьшение коэффициента связи (существенное увеличение развязки) между двумя взаимно ортогональными каналами до значений, лежащих в интервале -35…-65 дБ (35…65 дБ) и даже более, при существенном уменьшении поперечных размеров двухполяризационного волноводного излучателя примерно до 0,59λ₀…0,62λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте ƒ₀ рабочего диапазона, что позволяет обеспечить широкоугольное и независимое по обеим поляризациям электрическое сканирование луча в ФАР с плоской апертурой в коническом секторе углов с углом при вершине конуса 55°…70°.

Достижение поставленной цели реализуется тем, что двухполяризационный излучатель выполнен в виде отрезка короткозамкнутого прямоугольного волновода, переходящего в Е-секториальный рупор с квадратным раскрывом, и двух коаксиально-штыревых возбудителей с длинами штырей h₁ и h₂, причем возбудитель 1 расположен посередине широкой стенки прямоугольного волновода на расстоянии от короткозамыкателя и на расстоянии от горловины рупора, а возбудитель 2 расположен посередине боковой стенки рупора на расстоянии от горловины рупора и на расстоянии от апертуры рупора, причем продольные оси обоих штыревых возбудителей взаимно ортогональны и лежат в плоскостях, содержащих продольную ось рупорного излучателя.

Поперечные размеры прямоугольного волновода а×b и поперечные размеры раскрыва рупора а×а выбираются из условий закритичности волн высших типов и докритичности волн основного типа Н₁₀ в волноводе и волн Н₁₀ и H₀₁ в рупоре и известных ограничений на расстояние между соседними излучателями в ФАР с плоской апертурой, сканирующей в коническом секторе углов т.е. и b<а/2, где а - внутренний размер квадратного раскрыва рупора; t - толщина стенок волновода; λ - длина волны в свободном пространстве для рабочей частоты ƒ.

Заявляемый двухполяризационный излучатель показан на фиг. 3. Излучатель состоит из коаксиально-штыревых возбудителей 1 и 2 с волновым сопротивлением коаксиальной линии W=50 Ом, короткозамкнутого прямоугольного волновода 3, Е-секториального рупора 4. Геометрия и места включения возбудителей определяются в следующей последовательности. Сначала определяются расстояние длина штыря h₂ и его диаметр d₂ из условия обеспечения требуемого КСВ₂ на входе 2 в рабочем диапазоне частот; затем определяется расстояние длина штыря h₁ и его диаметр d₁ из условия обеспечения требуемого КСВ₁ на входе 1 для некоторого изначально выбранного расстояния потом уточняется расстояние из условия обеспечения требуемого коэффициента связи между входами 1 и 2 и следом уточняются значения расстояния и длины h₁ штыря при уточненном значении после этого находится расстояние при выбранной длине излучателя из соотношения С целью минимизации продольного размера излучателя каждый из размеров выбирается минимально возможным и определяется в процессе электродинамического моделирования или эксперимента. Расстояние влияет на уровень подавления волн высших типов, возникающих в раскрыве рупора от возбудителя 2, выбирается из условия при заданном размере излучателя который в свою очередь определяется из условия обеспечения требуемого уровня подавления волн высших типов в раскрыве рупора. Анализ результатов моделирования показывает, что минимальный продольный размер излучателя лежит в интервале (0,9…1,0)λ₀.

Достоинством предлагаемой схемы и конструкции излучателя является возможность практически независимого обеспечения каждого из четырех выше перечисленных параметров: КСВ₁, КСВ₂, и уровня высших типов волн в раскрыве рупора. Это утверждение иллюстрируется результатами моделирования, приведенными на фиг. 4, которые получены для излучателя со следующими размерами: а=0,62λ₀; b=0,27λ₀.

Так, на фиг. 4, а представлена зависимость коэффициента связи на частоте ƒ₀ от величины Как видно, изменяя размер в интервале от 0,05λ₀ до почти 0,5λ₀, можно существенно изменять величину - от значений примерно -39 дБ вплоть до уровня примерно -68 дБ. Результаты электродинамического моделирования заявляемого излучателя показали, что при следующих ограничениях на размеры излучателя: 0,59λ₀≤а≤0,62λ₀, b<а/2, - величина слабо зависит от значений а, b, но существенно зависит от размера При этом значения диаметров d₁ и d₂ лежат в следующих интервалах: 0,032λ₀≤d₁≤0,039λ₀, 0,032λ₀≤d₂≤0,039λ₀.

Представленные на фиг. 4 характеристики излучателя были получены в соответствии с изложенной выше последовательностью моделирования из условия минимизации КСВ₁ и КСВ₂ в требуемом относительном диапазоне частот 2Δƒ/ƒ₀≈6% при наличии ограничений на размеры Размер выбирался в соответствии с зависимостью от значения (фиг. 4, а) и при условии, что при В итоге были получены следующие результаты: h₁=0,2λ₀; h₂=0,19λ₀, d₁=d₂=0,032λ₀. Соответствующие зависимости КСВ и коэффициента связи между входами излучателя в полосе частот приведены на фиг. 4, б и в. На фиг. 4, г и д приведены диаграммы направленности (ДН) излучателя относительно каждого входа на центральной частоте ƒ₀ в двух взаимно ортогональных плоскостях: в плоскости zOx (ϕ=0°) и в плоскости zOy (ϕ=90°). При этом угол в отсчитывается от оси Oz по направлению к плоскости хОу.

Графики КСВ₁ и КСВ₂ в полосе частот при значениях и представлены на фиг. 4, б. Моделирование показывает, что KCB₁ и КСВ₂ слабо зависят от размеров На фиг. 4, в показана частотная зависимость величины для и

На фиг. 4, г и д представлены ДН излучателя по входам 1 и 2 в виде зависимостей КНД излучателя в логарифмическом масштабе. Как следует из этих результатов, КНД в направлении продольной оси излучателя составляет 8 дБ по входу 1 и 7,4 дБ по входу 2, что близко к максимально возможному КНД квадратного раскрыва. Однако ДН по входу 2 в плоскости ϕ=0° является несимметричной. Это вызвано наличием в раскрыве рупора волн высших типов, амплитуда которых может быть уменьшена как путем увеличения размера (увеличения размера так и за счет изменения конструкции излучателя, как показано на фиг. 5, т.е. за счет использования дополнительной квадратной насадки длиной с поперечными размерами а×а.

На фиг. 6 приведены ДН излучателя, изображенного на фиг. 5, по входу 2 в плоскости ϕ=0° для нескольких значений размера из которых видно, что за счет выбора размера можно приблизить форму ДН излучателя к форме ДН апертуры при условии, что в раскрыве апертуры существует только волна H₀₁ и отсутствуют волны высших типов. Причем опять-таки уровень волн высших типов в раскрыве рупора практически не зависит от размеров Как видно, при длине насадки наблюдается уменьшение уровня высших типов волн, и при волны высших типов в раскрыве рупора практически исчезают.

Таким образом, заявляемое решение позволяет построить двухполяризационный излучатель с высоким (наперед заданным) уровнем поляризационной развязки между каналами и требуемыми поперечными размерами излучателя и может быть использовано при разработке двухполяризационной ФАР Х- и более высокочастотных диапазонов частот с широкоугольным и независимым сканированием луча по обеим ортогональным поляризациям излучаемого поля.

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к двухполяризационным излучателям, использующимся в бортовых двухполяризационных сканирующих фазированных антенных решетках (ФАР) Х-диапазона, а также более высокочастотных диапазонов. Изобретение может быть применено для целого ряда радиотехнических бортовых и космических систем с широкоугольным электрическим сканированием и с независимыми взаимно ортогональными линейными поляризациями излучаемых (принимаемых) полей. Техническим результатом является существенное уменьшение коэффициента связи (существенное увеличение развязки) между двумя взаимно ортогональными каналами до значений, лежащих в интервале -35…-65 дБ (35…65 дБ) и более, при существенном уменьшении поперечных размеров двухполяризационного волноводного излучателя примерно до (0,59…0,62)λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте рабочего диапазона. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухполяризационный излучатель, выполненный в виде отрезка короткозамкнутого волновода, переходящего в рупор с квадратным сечением а×а, причем поперечные размеры раскрыва рупора а×а выбираются из условий докритичности волны основного типа H₁₀ в прямоугольном волноводе и волны H₀₁ в раскрыве рупора и закритичности волн высших типов, и двух коаксиально-штыревых возбудителей цилиндрической формы, продольные оси которых взаимно ортогональны, с длиной штырей h₁ и h₂ и диаметром d₁ и d₂, осуществляющих возбуждение излучателя на входах 1 и 2, и общей длиной излучателя , отличающийся тем, что короткозамкнутый волновод выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с поперечными размерами а×b, причем поперечные размеры волновода выбираются из условия докритичности волны основного типа H₁₀ и закритичности волн высших типов, рупор выполнен в виде Е-секториального рупора с сечением а×b на входе и сечением а×а на выходе, первый возбудитель расположен в широкой стенке прямоугольного волновода на расстоянии от короткозамыкателя и на расстоянии от горловины рупора, второй возбудитель расположен в боковой стенке рупора на расстоянии от горловины рупора и на расстоянии от апертуры рупора, причем расстояние между продольной осью первого возбудителя и короткозамкнутой стенкой прямоугольного волновода, длина первого возбудителя h₁ и его диаметр d₁ выбираются из условия обеспечения требуемого КСВ₁ на входе 1, расстояние от продольной оси второго возбудителя до горловины рупора, длина второго возбудителя h₂ и его диаметр d₂ выбираются из условия обеспечения требуемого КСВ₂ на входе 2, размер от продольной оси первого возбудителя до горловины рупора выбирается из условия обеспечения требуемой развязки между первым и вторым входами, размер от продольной оси второго возбудителя до раскрыва рупора выбирается из соотношения при исходной длине излучателя , причем все расстояния , , , и параметры возбудителей при 0,59λ₀≤а≤0,62λ₀, b<а/2 выбираются в следующих интервалах: ; ; ; ; 0,19λ₀≤h₁≤0,2λ₀; 0,19λ₀≤h₂≤0,2λ₀; 0,032λ₀≤d₁≤0,039λ₀; 0,032λ₀≤d₂≤0,039λ₀.

2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что рупорный излучатель дополняется отрезком квадратного волновода, длина которого выбирается в интервале .