Способ построения антенной решетки со ступенчатой апертурой Российский патент 2019 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к приемопередающим апертурным антенным устройствам СВЧ диапазона, предназначенным для использования в ограниченных по объему радиопрозрачных укрытиях (антенных обтекателях).

В бортовых радиолокационных станциях бокового обзора с синтезированной апертурой широко используются устанавливаемые под антенным обтекателем плоские фазированные антенные решетки, обеспечивающие управление направлением главного луча диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в том числе обеспечивающие сканирование лучом в заданном угловом секторе обзора [1], [2], [3].

Известна плоская антенная решетка [4], наиболее близкая по своей технической сущности и числу существенных признаков к патентуемому изобретению и принятая за прототип. В состав известной антенной решетки входят плоские подрешетки, главный луч каждой из которых направлен перпендикулярно плоскости подрешетки, и волноводный делитель мощности, который выполнен по параллельной схеме. При необходимости, для управления направлением главного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенную решетку устанавливают на механическое опорно-поворотное устройство.

Недостаткам прототипа является невозможность из-за плоской конфигурации антенной решетки эффективно использовать полость антенного обтекателя сложной формы для ее размещения, что, в частности, при механическом сканировании приводит к ограничениям сектора углов сканирования.

Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками прототипа:

- используются плоские подрешетки и делитель СВЧ мощности;

- главный луч каждой подрешетки направлен перпендикулярно плоскости подрешетки.

Настоящее изобретение - способ построения антенной решетки со ступенчатой апертурой решает задачу создания антенных решеток, позволяющих максимально использовать для их размещения всю полость обтекателя, освобождая дополнительные объемы пользователям, в том числе для увеличения угловых секторов механического сканирования таких антенных решеток.

Технический результат настоящего изобретения - патентуемое изобретение обеспечивает создание антенных решеток, которые позволяют эффективно использовать полости антенных обтекателей, сохраняя характеристики плоских антенных решеток.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием, чертежами и рисунками, на которых представлены:

Фиг. 1. Схема антенной решетки со ступенчатой апертурой.

Фиг. 2. Эскизы расположения антенн плоской и ступенчатой компоновки в антенном обтекателе.

Фиг. 3. Сектора углов механического сканирования антенн плоской и ступенчатой компоновки.

Фиг. 4. Образец антенной решетки со ступенчатой апертурой.

Антенную решетку со ступенчатой апертурой (см. фиг. 1) формируют из N плоских коллинеарных подрешеток 1_n, главный луч каждой из которых направлен перпендикулярно плоскости подрешетки, где n - номер подрешетки, n=1, … ,N, и СВЧ разветвителя 2, который содержит совокупность элементов распределения сигналов (отрезки волноводов, тройники волноводные Т-образных сочленения, делители и т.д.). С помощью СВЧ разветвителя 2 распределяют сигнал между подрешетками 1_n, подсоединяя выход 2_n СВЧ разветвителя 2 к подрешетке 1_n, где n=1, …, N.

Целесообразность использования антенных решеток со ступенчатой апертурой для их размещения в обтекателях сложной формы иллюстрируется на фиг. 2, фиг. 3.

Из фиг. 2 видно, что при плоской апертуре (см. фиг. 2а) V_- - объем между внутренней поверхностью антенного обтекателя 3 и плоской апертурой антенной решетки 4 использовать для размещения нельзя, поскольку любые элементы, помещаемые в этот объем, затеняют плоскую апертуру антенной решетки 4, а при ступенчатой апертуре антенной решетки 5 (см. фиг. 2б) часть этого объема объем V₊ использовать можно. Например, в образце антенной решетки со ступенчатой апертурой, показанном на фиг. 4, в объеме V₊ разместили элементы СВЧ разветвителя 2. Освободившийся объем, в частности, позволяет увеличить сектор углов механического сканирования антенны с величины α₁ при плоской апертуре антенной решетки 4 до α₂ при ступенчатой апертуре антенной решетки 5 (см. фиг. 3).

Антенную решетку со ступенчатой апертурой формируют следующим образом (см. фиг. 1, фиг. 4).

Формируют ступенчатую апертуру антенной решетки. Задают Ω(x,y) - плоскую область, которую разбивают на N областей Ω_n(x,y), где n=1, …, N. Задают (см. фиг. 1) на оси 0Z, перпендикулярной плоскости области Ω(x,y), значения z_n, где n=1, …, N. Область Ω_n(х,у) смещают перпендикулярно оси 0Z и устанавливают по оси 0Z с координатой z=z_n, где n=1, …, N. В области Ω_n(x,y.z=z_n) формируют апертуру плоской подрешетки под номером n, где n=1, …, N. Параметры областей Ω(x,y), Ω_n(x,y) и значения z_n выбирают с учетом геометрии антенного обтекателя и требований пользователя.

Элементы СВЧ разветвителя 2 размещают во внутреннем объеме V₊ (см. фиг. 2), образованным плоскими подрешетками 1_n.

Для обеспечения в антенной решетке со сформированной ступенчатой апертурой электрических характеристик, соответствующих электрическим характеристикам плоской антенной решетки с апертурой Ω(х,у), компенсируют разницу фаз между напряженностью поля в апертурах плоских подрешеток 1_n, вызванную тем, что эти апертуры по оси 0Z лежат в разных параллельных плоскостях. Необходимую для компенсации величину сдвига фаз ϕ_n между напряженностью поля в апертуре плоской подрешетки под номером n и напряженностью поля в апертуре произвольно выбранной опорной плоской подрешетки под номером r вычисляют по формуле:

где h_n=z_r-z_n, z_r - координата положения по оси OZ апертуры произвольно выбранной опорной плоской подрешетки по номером r, где 1<r<N, - целая часть от , k₀ - волновое число свободного пространства, λ₀ - длина волны на центральной частоте рабочего диапазона, n=1, …, N.

С помощью разветвителя СВЧ сигнала 2 устанавливают величину сдвига фаз между напряженностью поля в апертуре плоской подрешетки под номером n и напряженностью поля в апертуре плоской подрешетки под номером r равной ϕ_n, где n=1, …, N.

Патентуемый способ построения антенной решетки был успешно применен при проектировании антенной решетки Х-диапазона со ступенчатой апертурой, образец которой показан на фиг. 4. Экспериментально снятая диаграмма направленности данного образца антенной решетки со ступенчатой апертурой практически совпала с расчетной диаграммой направленности соответствующей плоской антенной решетки.

Таким образом, реализуемость патентуемого способа построения антенной решетки с объемной апертурой подтверждена на практике.

Литература

1. M. Zhang, J. Hirokava, and M. Ando, "An E-band partially corporate feed uniform slot array with laminated quasi double-layer waveguide and virtual PMC terminations," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 5, May 2011.

2. S. Fujii, Y. Tsunemitsu, G. Yoshida, N. Goto, M. Zhang, J. Hirokava, and M. Ando, "A wideband single-layer slotted waveguide array with an embedded partially corporate feed," presented at the ISAP2008, Taipei, Taiwan, Oct. 2008, TP-C27, paper No. 1645382.

3. M. Ando, Y. Tsunemitsu, M. Zhang, J. Hirokava, and S. Fujii, "Reduction of long line effects in single-layer slotted waveguide arrays with an embedded partially corporate feed," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 7, Juiy 2010.

4. Патент №2246156 Волноводно-щелевая антенная решетка / Иванов М.А., Хавкина Т.А., Котюргин Е.А., Ребров С.И., 10.02.2005

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к приемопередающим апертурным антенным устройствам СВЧ диапазона, предназначенным для использования в ограниченных по объему радиопрозрачных укрытиях (антенных обтекателях). Представлен способ построения антенной решетки со ступенчатой апертурой, содержащей плоские подрешетки и разветвитель СВЧ сигнала, выходы которого соединены с плоскими подрешетками. В соответствии с предложенным способом антенную решетку трансформируют в ступенчатую, образованную N коллинеарными плоскими подрешетками. С помощью разветвителя СВЧ сигнала компенсируют разницу фаз между напряженностью поля в апертурах плоских подрешеток, вызванную тем, что эти апертуры лежат в разных параллельных плоскостях. Внутренний объем, образованный плоскими подрешетками, используют для размещения СВЧ элементов антенны. Технический результат - создание антенных решеток, которые позволяют эффективно использовать полости антенных обтекателей, сохраняя характеристики плоских антенных решеток. 4 ил.

Способ построения антенной решетки со ступенчатой апертурой, содержащей плоские подрешетки и разветвитель СВЧ сигнала, выходы которого соединены с плоскими подрешетками, главные лучи каждой подрешетки направлены перпендикулярно плоскости ее апертуры, отличающийся тем, что задают Ω(x, y) - плоскую область, которую разбивают на N областей Ω_n(x, y), где n=1, …, N, задают на оси 0Z перпендикулярной плоскости области Ω(x, y) значения z_n, где n=1, …, N, область Ω_n(x, y) смещают перпендикулярно оси 0Z и устанавливают по оси 0Z с координатой z = z_n, где n=1, …, N, в области Ω_n(x, y, z = z_n) формируют апертуру плоской подрешетки под номером n, где n=1, …, N, внутренний объем, образованный плоскими подрешетками, используют для размещения элементов СВЧ разветвителя, вычисляют величины ϕ_n по формуле: где h_n=z_r-z_n, z_r - координата положения по оси OZ апертуры произвольно выбранной опорной плоской подрешетки под номером r, где 1≤r≤N, - целая часть от k₀ - волновое число свободного пространства, λ₀ - длина волны на центральной частоте рабочего диапазона, n=1, …, N, с помощью разветвителя СВЧ сигнала устанавливают величину сдвига фаз между напряженностью поля в апертуре плоской подрешетки под номером n и напряженностью поля в апертуре плоской подрешетки под номером r равной ϕ_n, где n=1, …, N.