Двухканальный линейный излучатель Российский патент 2020 года по МПК H01Q11/02 

Изобретение относится к области СВЧ технике, более конкретно - к двухканальным линейным излучателям на основе полуоткрытого желобкового волновода и может быть использовано в составе фазированных антенных решеток (ФАР) радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора.

Известны нерезонансные волноводно-щелевые антенны (ВЩА), описанные, в книге «Антенны» Марков Г.Т., Сазонов Д.М., изд. «Энергия», Москва, 1975, с. 365, излучающие щели которых для формирования заданного амплитудного и фазового распределения имеют определенные геометрические размеры, и вырезаны вдоль одной из стенок магистрального прямоугольного волновода с определенным шагом, содержат оконечную нагрузку для устранения отражения от конца волновода. Данное отражение, мощность которого составляет 5-20% входной мощности, считается паразитным, так как порождает «зеркальный» луч.

При подаче всей мощности со стороны нагрузки с целью использования «зеркального» луча в качестве дополнительного канала, его диаграмма направленности (ДН) будет характеризоваться повышенным уровнем боковых лепестков (УБЛ) за счет искажения формы амплитудного распределения. Несмотря на это, УБЛ «зеркального» луча второго канала величиной менее минус 25 дБ может быть достижим, если не искаженное амплитудное распределение первого канала обеспечивает УБЛ не более минус 35 дБ (распределение Хэмминга, пьедестал 0,08). В то же время сложность технологической реализации щелей с достаточно точными и малыми коэффициентами связи не позволяют обеспечить данные параметры для линейных ВЩА длиной от 30λ.

Известна антенна на основе полуоткрытого желобкового волновода, используемая в качестве линейного излучателя ФАР (патент US №3015100, 1961 г.) Данное устройство содержит две параллельные внешние стенки и гребень, расположенный между ними, объединенные нижней стенкой, напоминающие в сечении букву «Ш». Введенные в такое магистральное устройство различного рода неоднородности, нарушающие симметрию его профиля, являются источниками излучения. Наиболее практичная конструкция содержит неоднородности на дне профиля в виде чередующихся в шахматном порядке относительно гребня вкладышей с шагом в половину длины волны в волноводе высота которых определяет уровень ответвленной мощности в широком диапазоне и тем самым позволяет задать необходимое амплитудное распределение.

Одновременно с этим, описанная конструкция достаточно сложна при настройке, ввиду необходимости согласования волнового сопротивления каждого вкладыша с помощью подбора настроечного столбика на вершине гребня волновода.

Известны более простые конструкции линейных излучателей, например линейный излучатель на Ш-образном волноводе по патенту RU №2237953 и линейный излучатель ФАР РЛС по патенту RU №2237323.

Известные излучатели представляют собой отрезок Ш-образного волновода, один конец которого подключен к возбудителю, другой - к согласованной нагрузке. На дне отрезка волновода вдоль его продольной оси в шахматном порядке с определенным шагом d расположено n металлических брусков, ширина которых равна расстоянию между центральным и боковым ребрами отрезка волновода, а длина и высота h выбраны из расчетного соотношения.

К недостаткам данной конструкции можно отнести отсутствие описательной части определения высоты вкладышей в рамках предложенных расчетных формул, что затрудняет задачу точного подбора высот h_n для задания необходимого амплитудного распределения. К тому же, получение ДН с низким УБЛ для такой конструкции также затрудняется эквидистантным расположением вкладышей, каждый из которых вносит нелинейные искажения в фазовый набег.

Наиболее близкая к предлагаемому техническому решению конструкция описана в работе «Разработка и исследование Ш-волноводных излучателей», В.Н. Лиманский, Доклады ТУСУРа, №1 (19), часть 1, 2009, отличительной особенностью которой является не эквидистантное размещение вкладышей для компенсации их нелинейного влияния на фазовый набег, что в совокупности с возможностью формирования необходимого амплитудного распределения путем расчета h_n позволяет получить ДН с УБЛ менее минус 35 дБ.

Данная работа рассматривает способы формирования ДН с углами отклонения не более плюс 12°, так как при дальнейшем увеличении фазового набега количество вкладышей сокращается, что приводит к появлению побочных максимумов ДН, и не менее плюс 4°, так как при уменьшении фазового набега вкладыши с фиксированной длиной перекрывают друг друга, нарушая условие несимметричности, что снижет уровень излученной мощности.

В случае введения второго канала путем расположения дополнительного входа вместо согласованной нагрузки на одном из концов и формирования дополнительной «зеркальной» ДН с целью повышения темпа обзора РЛС актуально в случае если угловое положение данной ДН будет максимально отклонено от нормали, при этом параметры первого канала не должны ухудшаться.

Изобретением решается задача повышения темпа обзора РЛС.

Техническим результатом является введение второго канала с диаграммой направленности в азимутальной плоскости, характеризующейся низким уровнем боковых лепестков, и угловое положение которой «зеркально» относительно ДН первого канала и составляет более 30° (±15° относительно нормали для первого и второго канала).

Для достижения указанного технического результата в двухканальный линейный излучатель, содержащий отрезок полуоткрытого желобкового волновода, возбудитель и согласованную нагрузку первого излучающего канала, соединенные с противоположными концами волновода, при этом на дне волновода вдоль его продольной оси в шахматном порядке установлены элементы излучающей структуры в виде N металлических вкладышей с шагом d_n, высотой равной h_n, где n=1…N, длиной , шириной равной расстоянию между центральным и боковым ребрами отрезка волновода, согласно изобретению, введены возбудитель и согласованная нагрузка второго излучающего канала, расположенные зеркально относительно возбудителя и согласованной нагрузки первого излучающего канала, при этом длина всех вкладышей одинакова и составляет:

где р>2 и λ_g(0) длина волны в пустом волноводе,

высота n-го вкладыша h_n определяется следующим соотношением:

где:

λ - длина волны в свободном пространстве, λ_с - критическая длина волны, равная а - высота центрального ребра, b - расстояние между ребром и стенкой волновода, t - толщина центрального ребра, α_n - коэффициент ответвления.

Расположение каждого вкладыша d_n определяется соотношением:

где λ_g (h) - функция, определяющая длину волны в волноводе в зависимости от высоты вкладышей, γ - коэффициент замедления пустого излучателя, u и v - коэффициенты фазовых поправок, θ - угол отклонения ДН, величина которого должна быть менее минус 15°.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1-4.

На Фиг. 1 приведена конструкция двухканального линейного излучателя.

На Фиг. 2 приведено расположение вкладышей на дне полуоткрытого желобкового волновода.

На Фиг. 3 приведена диаграмма направленности первого канала линейного излучателя.

На Фиг. 4 приведена диаграмма направленности второго канала линейного излучателя.

Двухканальный линейный излучатель представляет собой отрезок полуоткрытого желобкового волновода 1, возбудитель 2 и согласованную коаксиальную нагрузку (не показано) первого излучающего канала, соединенные с противоположными концами волновода. Возбудитель 3 и согласованную коаксиальную нагрузку (не показано) второго излучающего канала, расположенные зеркально относительно возбудителя 2 и согласованной нагрузки первого излучающего канала. Возбудители представляют собой коаксиально-волноводные переходы со входом со стороны дна полуоткрытого волновода, что обеспечивает снижение потерь на дополнительных сочленениях. На дне волновода 1 вдоль его продольной оси 4 в шахматном порядке установлены элементы излучающей структуры в виде N металлических вкладышей 5 с шагом d_n, высотой равной h_n, где n=1…N, шириной равной расстоянию между центральным и боковым ребрами отрезка волновода.

Длина всех вкладышей выбирается из условия формирования отрицательного набега фазы и определяется соотношением где р>2 и λ_g (0) - длина волны в пустом волноводе. Коэффициент р выбирается из соображений физического размещения вкладышей в количестве N штук с шагом d_n на дне волновода длиной L.

Высота h_n вкладышей определяется из условия формирования требуемого амплитудного распределения. В частности, для получения ДН с УБЛ минус 35 дБ амплитудное распределение определяется соотношением:

где t₁=0,08, n=1…N.

Исходя из геометрических размеров профиля волновода высота n-го вкладыша h_n определяется следующим соотношением:

где:

λ - длина волны в свободном пространстве,

λ_с - критическая длина волны равна:

где а - высота центрального ребра, b - расстояние между ребром и стенкой волновода.

Параметр δ, учитывающий конечную толщину центрального ребра t, определяется следующим соотношением:

При этом коэффициент ответвления α_n, необходимый для формирования требуемого амплитудного распределения I_n с необходимым КПД η определяется следующим соотношением:

где:

P_in - входящая мощность равна:

P_n - мощность излучения каждой неоднородности равна:

Расположение каждого вкладыша d_n определяется соотношением:

где: λ_g(h) - функция, определяющая длину волны в волноводе в зависимости от высоты вкладышей, θ - угол отклонения ДН, γ - коэффициент замедления пустого излучателя, определяемый соотношением:

Коэффициенты u и v подобраны таким образом, чтобы компенсировать искажение фазы δφ_n возникающей при прохождении волны через неоднородность с высотой h_n:

Использование укороченных вкладышей, длина которых составляет позволяет сформировать отрицательный набег фазы, и несмотря на увеличение их количества, можно подобрать коэффициент р так, чтобы они не перекрывали друг друга. Это позволяет сформировать ДН с углом отклонения менее минус 15°, а подбором шага их расположения d_n скомпенсировать нелинейные фазовые искажения, и подбором высоты h_n - задать необходимое амплитудное распределение для обеспечения УБЛ минус 35 дБ, таким образом, делая возможным осуществить возбуждение излучателя с противоположной стороны, которое сформирует «зеркальную» ДН с углом отклонения более плюс 15° и УБЛ минус 25 дБ.

При подаче мощности на первый возбудитель и подключении второго возбудителя к согласованной нагрузке - формируется ДН (Фиг. 3) с углом отклонения основного лепестка от нормали менее минус 15°, и УБЛ менее минус 35 дБ.

При подаче мощности на второй возбудитель и подключении первого возбудителя к согласованной нагрузке - формируется ДН (Фиг. 4) с углом отклонения основного лепестка от нормали более плюс 15° и УБЛ менее минус 25 дБ.

Двухканальный линейный излучатель на основе полуоткрытого желобкового волновода является функционально законченным элементом ФАР, позволяющим повысить темп обзора круговой РЛС за счет введения второго канала, формирующего вторую диаграмму направленности в азимутальной плоскости, характеризующуюся низким уровнем боковых лепестков, угловое положение которой «зеркально» относительно первой и составляет более 30° (±15° относительно нормали для первого и второго канала).

Устройство может быть использовано в качестве унифицированной сборочной единицы при построении ФАР для РЛС кругового обзора, базирующихся на СОЦ типа БУК-М2, БУК-М3.

Предлагаемое изобретение может быть изготовлено с помощью известных средств и технологий.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к двухканальным линейным излучателям на основе полуоткрытого желобкового волновода, и может быть использовано в составе фазированных антенных решеток (ФАР) радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора. Техническим результатом является создание функционально законченного элемента ФАР, позволяющего повысить темп обзора круговых РЛС за счет введения второго канала, формирующего вторую диаграмму направленности в азимутальной плоскости. Технический результат достигается за счет того, что в создаваемый двухканальный линейный излучатель, содержащий отрезок полуоткрытого желобкового волновода, возбудитель и согласованную нагрузку первого излучающего канала, соединенные с противоположными концами волновода, причем на дне волновода вдоль его продольной оси в шахматном порядке установлены элементы излучающей структуры в виде N металлических вкладышей, дополнительно вводят возбудитель и согласованную нагрузку второго излучающего канала, расположенные зеркально относительно возбудителя и согласованной нагрузки первого излучающего канала, при этом длина l всех вкладышей одинакова и выбирается из условия формирования отрицательного набега фазы и определяется соотношением: l=λ_g(0)/р, где р>2 и λ_g (0) - длина волны в пустом волноводе. 4 ил.

Двухканальный линейный излучатель, содержащий отрезок полуоткрытого желобкового волновода, возбудитель и согласованную нагрузку первого излучающего канала, соединенные с противоположными концами волновода, при этом на дне волновода вдоль его продольной оси в шахматном порядке установлены элементы излучающей структуры в виде N металлических вкладышей с шагом d_n, высотой равной h_n, где n=1…N, длиной , шириной, равной расстоянию между центральным и боковым ребрами отрезка волновода, отличающийся тем, что в него введены возбудитель и согласованная нагрузка второго излучающего канала, расположенные зеркально относительно возбудителя и согласованной нагрузки первого излучающего канала, при этом длина всех вкладышей одинакова и составляет:

где р>2 и λ_g(0) - длина волны в пустом волноводе,

высота n-го вкладыша h_n определяется следующим соотношением:

,

где

λ - длина волны в свободном пространстве, λ_с - критическая длина волны, равная

где а - высота центрального ребра, b - расстояние между ребром и стенкой волновода, t - толщина центрального ребра, α_n - коэффициент ответвления; расположение каждого вкладыша d_n определяется соотношением: где λ_g(h) - функция, определяющая длину волны в волноводе в зависимости от высоты вкладышей, γ - коэффициент замедления пустого излучателя, u и v - коэффициенты фазовых поправок, θ - угол отклонения ДН, величина которого менее минус 15°.