Моноимпульсный облучатель круговой поляризации Российский патент 2024 года по МПК H01Q13/02 H01Q13/06 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве облучателя в зеркальной следящей антенне с круговой поляризацией.

Для связи с космическими объектами широко применяются зеркальные моноимпульсные антенны, работающие на круговой (эллиптической) поляризации. В литературе описано большое количество моноимпульсных облучателей круговой поляризации для таких антенн [1 - Hawkins G., Edwards D., McGeehan J. Tracking systems for satellite communications, IEE Proceedings, Part F, 1988, Vol. 135, No.5, pp. 393-407], которые можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся облучатели, представляющие собой антенные решетки из четырех излучателей круговой поляризации, к которым подключена диаграммо-образующая схема, имеющая входы для суммарного и разностного каналов. В таких облучателях обычно формируются три диаграммы направленности (ДН) - суммарная (ε) и две разностные (Δ) с нулями в ортогональных плоскостях. Недостатками таких облучателей являются их громоздкость, высокие требования к идентичности излучателей, а также неоптимальное облучение зеркала разностной ДН.

Ко второй группе можно отнести многомодовые облучатели рупорного типа, в которых для создания суммарной и разностной ДН используется общий раскрыв рупора. В этих облучателях формируются только две ДН - суммарная и разностная воронкообразная, для которых используется возбуждение разных волноводных мод в рупоре. Реализация воронкообразной ДН на круговой поляризации является сложной задачей и осуществляется обычно с применением 8-канальных ответвителей, возбуждающих в круглом волноводе две волны Н21 через отверстия связи [2 - Choung Y.H., Goudey K.R. and Bryans L.G. Theory and design of a KU-band TE₂₁-mode coupler, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 1982, Vol. 30, No. 11, pp. 1862-1866], [3 - Воробьев Н.Ю., Габриэльян Д.Д. и др. Анализ влияния параметров двухканальной моноимпульсной системы на основе зеркальной антенны с одним облучателем на ошибки измерения угловых координат, Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2013, №3], либо через возбудители с полной связью для волны Н21 [4 - Armaki S.H.M, Kashani F.H., Mohassel J.R. and Fallah M. A high performance mode coupler for tracking feed antennas, Journal of Telecommunications, 2011, Vol. 7, No.2, pp. 19-22]. В результате этого, конструкция облучателя получается сложной и громоздкой.

Известна более простая конструкция моноимпульсного облучателя с общим раскрывом рупора, в которой в суммарном канале реализуется ДН на круговой поляризации с использованием волн H11 в круглом волноводе, а в разностном канале реализуется ДН на радиальной (линейной) поляризации с использованием волны Е01 круглого волновода [5 - Cook J.S., Lowell R. The Autotrack System. The Bell System Technical Journal, July 1963, pp. 1283-1307], [6 - Внотченко С.Л., Конев В.Г., Лаврецкий Е.И., Чернышов B.C. Следящая двухканальная моноимпульсная антенна с волной Е₀₁, Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2021, №5]. Однако антенна с таким облучателем может сопровождать объекты (источники радиосигнала от космических или летательных аппаратов), работающие только на круговой поляризации. Для облучателя с разностной ДН на волне Е01 крутизна пеленгационной характеристики по напряжению (ПХ) в раз ниже, чем в системах с разностной ДН на круговой поляризации.

Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является моноимпульсный облучатель, в котором суммарный канал выполнен на круглом волноводе с волной НИ, а разностный канал выполнен на коаксиальном волноводе с волной ТЕМ [7 - Патент US 4041499, Chung-Yeh Liu Ch., Fuller J.A. Coaxial waveguide antenna], [8 - Патент US6323819, Ergene A. Dual band multimode coaxial tracking feed]. Известный моноимпульсный облучатель [7], взятый за прототип, состоит из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, при этом внутренняя труба образует круглый волновод с волной НИ, между внутренней и внешней трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ. Для создания сигналов круговой поляризации в суммарном канале в круглом волноводе установлена поляризационная секция [7], возбуждение волны ТЕМ в коаксиальном волноводе выполнялось парой зондов [7]. По своим характеристикам моноимпульсный облучатель с разностным каналом на волне ТЕМ коаксиального волновода близок вышеописанному облучателю с разностным каналом на волне Е01 круглого волновода, но имеет конструктивное достоинство - отдельный тракт по волне ТЕМ для разностного канала.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании данного известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве в разностном канале формируется ДН не на круговой поляризации, а на радиальной поляризации. Это приводит к тому, что антенна с таким облучателем может сопровождать источники радиосигнала, работающие только на круговой поляризации. Если сигнал от сопровождаемого объекта имеет низкий коэффициент эллиптичности (КЭ), то следящую систему выбьет, или втягивание может происходить по спирали [5], [6]. Другим недостатком известного устройства является то, что крутизна ПХ по напряжению в раз ниже, чем в известных системах с разностной ДН на круговой поляризации [5]. Третьим недостатком известной системы является то, что такая система не может в принципе осуществлять автосопровождение при наличии поляризационного уплотнения, когда одновременно приходят волны левой и правой круговых поляризаций, т.к. в разностном канале будут одновременно возбуждаться и интерферировать сигналы от обеих приходящих волн.

Важным показателем качества моноимпульсного облучателя с круговой поляризацией является значение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала, который равен отношению малой и большой осей поляризационного эллипса. Другим важным показателем качества моноимпульсного облучателя является значение крутизны ПХ по напряжению. Третьим показателем качества моноимпульсного облучателя с круговой поляризацией является компактность облучателя (габаритные размеры в сравнении с размерами известных систем). Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является низкий коэффициент эллиптичности в ДН разностного канала в известном устройстве.

Для решения указанной технической проблемы предлагается моноимпульсный облучатель круговой поляризации, имеющий компактную конструкцию, состоящий из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, когда внутренняя цилиндрическая труба образует круглый волновод с волной H11 для суммарного канала, а между внутренней и внешней цилиндрическими трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ для формирования разностного канала, решает задачи обеспечения высокого значения коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала и обеспечения ПХ с крутизной по напряжению в раз выше по сравнению с известной системой.

Согласно изобретению, во внутренней цилиндрической трубе круглый волновод переходит в конический рупор, раскрыв которого расположен внутри внешней цилиндрической трубы; выполнено скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы, на скачке сечения в области большего внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов), представляющее собой преобразователь поляризации; набегающая волна ТЕМ в коаксиальном волноводе после прохождения через преобразователь поляризации формирует разностную ДН с круговой поляризацией. При практической реализации преобразователя поляризации металлические полоски могут быть выполнены на диэлектрическом кольце с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r=2÷4. Концы металлических полосков могут не касаться стенок коаксиального волновода.

Техническим результатом является достижение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала, значение которого будет не менее 0,7 по мощности, достижение крутизны ПХ по напряжению, значение которой в раз выше по сравнению с известной системой, а также получение компактной конструкции облучателя, перспективной для бортовых применений. Дополнительным техническим результатом является возможность осуществлять автосопровождение при наличии поляризационного уплотнения, т.к. в разностном канале будет возбуждаться сигнал только от волны с одним видом круговой поляризации.

На фиг.1 показан вариант выполнения предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации.

На фиг.2 представлена одна из возможных конструктивных реализаций возбудителя волны ТЕМ в коаксиальном волноводе для такого облучателя.

На фиг.3 показана фотография макета предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации, предназначенного для работы в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц.

На фиг.4 показаны расчетные характеристики для макета:

- на фиг.4а показаны ДН разностного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;

- на фиг.4б показаны ДН суммарного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;

- на фиг.4в показаны КЭ разностного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;

- на фиг.4г показаны КСВН суммарного и разностного канала, рассчитанные в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц.

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:

1 - внутренняя цилиндрическая труба;

2 - внешняя цилиндрическая труба;

3 - металлические полоски (вибраторы);

4 - преобразователь поляризации (диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов));

5 - конический рупор во внутренней цилиндрической трубе;

L- расстояние от торца внешней цилиндрической трубы (т.е. от раскрыва облучателя) до раскрыва конического рупора во внутренней цилиндрической трубе.

Облучатель состоит из двух металлических полых концентрических цилиндрических труб - внутренней (1) и внешней (2), при этом внутренняя цилиндрическая труба (1) образует круглый волновод. Между внутренней и внешней цилиндрическими трубами (1) и (2) образуется коаксиальный волновод; внутренняя и внешняя цилиндрические трубы (1) и (2) образуют соответственно внутренний и внешний проводники коаксиального волновода; в коаксиальном волноводе выполнен скачок сечения внешнего проводника (путем скачкообразного увеличения внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы), за которым установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов) (3) на одной стороне диэлектрика, представляющее собой преобразователь поляризации (4). Внутренняя цилиндрическая труба (1) содержит конический рупор (5), возбуждаемый круглым волноводом; он формирует суммарную ДН на круговой поляризации. Внутренняя цилиндрическая труба (1) заканчивается внутри внешней цилиндрической трубы (2) на расстоянии L≥0 от торца внешней цилиндрической трубы (2). Торец внешней цилиндрической трубы (2) образует раскрыв облучателя.

Рассмотрим функционирование моноимпульсного облучателя круговой поляризации. По теореме взаимности рассмотрим работу моноимпульсного облучателя в передающем режиме. Пусть на вход круглого волновода поступают волны Н11 с ортогональными круговыми поляризациями. Волны с круговой поляризацией поступают в конический рупор (5) и излучаются в свободное пространство, формируя суммарные ДН на двух ортогональных круговых поляризациях. Рассмотрим далее коаксиальный волновод, образованный между двумя концентрическими полыми металлическими цилиндрическими трубами. Диаметры цилиндрических труб выбраны таким образом, что в коаксиальном волноводе может распространяться только низшая осесимметричная мода ТЕМ, высшие моды находятся в отсечке. В коаксиальном волноводе выполнен скачок сечения (скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы), за которым установлен преобразователь поляризации (4). Пусть на вход коаксиального волновода поступает волна ТЕМ, которая распространяется до скачка сечения коаксиального волновода и наводит на металлических полосках (вибраторах) (3) преобразователя поляризации (4) электрические токи. Токи на металлических полосках (вибраторах) (3) содержат азимутальную составляющую, поэтому они возбуждают в большем коаксиальном волноводе волну Н01. После преобразователя поляризации (4) распространяется комбинация волн ТЕМ и Н01, которые приобретают квадратурную разность фаз и, в итоге, излучаются с формированием разностной ДН на круговой поляризации. Вид круговой поляризации определяется направлением наклона металлических полосков (вибраторов) (3) на преобразователе поляризации (4). Если металлические полоски (вибраторы) (3) наклонены по часовой стрелке для наблюдателя со стороны коаксиального входа моноимпульсного облучателя, то формируется разностная ДН на правой поляризации. Наоборот, если металлические полоски (вибраторы) (3) наклонены против часовой стрелки (для того же наблюдателя), то формируется разностная ДН на левой поляризации. На фиг.1 показан вариант с правой поляризацией в разностном канале.

Рассмотрим, что происходит с характеристикой по показателю качества- коэффициенту эллиптичности в ДН разностного канала. При отсутствии преобразователя поляризации (4) волна ТЕМ коаксиального волновода формирует разностную ДН на радиальной поляризации, в которой для системы сферических координат в раскрыве рупора имеется только Е_θ - единственная ненулевая компонента электрического поля в дальней зоне, поэтому коэффициент эллиптичности равен нулю. При установке преобразователя поляризации (4) на скачке сечения коаксиального волновода поле излучения в дальней зоне в разностной ДН содержит обе ненулевые сферические компоненты электрического поля Е_θ и Е_ϕ, возбуждаемые в квадратуре. В результате обеспечивается круговая поляризация с коэффициентом эллиптичности по мощности не менее 0,7. Наличие высокого коэффициента эллиптичности означает, что в разностном канале будет обеспечена поляризационная развязка, благодаря чему система автосопровождения сможет работать при поляризационном уплотнении, обеспечивая автосопровождение по выбранному сигналу одной круговой поляризации. Действительно, при приеме от источника одновременно двух сигналов на разных круговых поляризациях сигнал выбранной (главной) круговой поляризации, проходя через преобразователь поляризации (4), будет возбуждать в коаксиальном волноводе волну ТЕМ. Сигнал ортогональной круговой поляризации является помеховым сигналом для разностного канала, этот сигнал будет проходить через преобразователь поляризации (4) и возбуждать волну ТЕМ в коаксиальном волноводе со значительным ослаблением (не менее 15 дБ, если в приходящей от источника волне КЭ=0,7 по мощности). Заметим, что предлагаемый моноимпульсный облучатель круговой поляризации принципиально имеет разностный канал только для одного типа круговой поляризации.

Рассмотрим, что при этом происходит с характеристикой по другому показателю качества - по крутизне ПХ моноимпульсного облучателя. Пеленгационная характеристика по напряжению равна отношению напряжений сигналов, принятых по разностному каналу и суммарному (опорному) каналу [9 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация, М.: Радио и связь, 1984, 312 с.]. При введении в моноимпульсный облучатель преобразователя поляризации (4) в разностном канале принимается примерно в 2 раза большая СВЧ-мощность, чем для моноимпульсного облучателя без преобразователя поляризации. Следовательно, напряжение сигнала в разностном канале будет в раз больше, что приводит к тому, что и крутизна ПХ будет в раз больше с преобразователем поляризации (4).

На фиг.2 представлена одна из возможных конструктивных реализаций возбудителя волны ТЕМ в коаксиальном волноводе для такого облучателя (возбуждение Н-тройником волноводного двойного Т-моста). В качестве другой конструктивной реализации может быть рассмотрено непосредственное возбуждение коаксиального волновода с помощью зондов, запитываемых коаксиальным кабелем (аналогично [7]).

Структура моноимпульсного облучателя является простой и компактной по сравнению с конструкциями известных моноимпульсных облучателей с разностным каналом на круговой поляризации. На фиг.3 показана фотография макета предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации, предназначенного для работы в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц. На фиг.4 показаны расчетные характеристики для макета, ДН рассчитаны на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГТц. Следует отметить одну особенность полученных расчетных ДН, заключающуюся в том, что разностная ДН по угловым размерам уже суммарной ДН. В обычных моноимпульсных облучателях с общим раскрывом рупора наоборот - разностная ДН шире суммарной ДН. В этом случае используется общепринятое правило, заключающееся в том, что для получения максимальной энергетики по ε каналу края зеркала облучаются по уровню минус 10 дБ. Если это правило применять в нашем случае, то облучение зеркала по разностному каналу будет происходить не только по основному лепестку, но и по боковым, что недопустимо как с точки зрения получения максимального коэффициента направленного действия, так и КЭ. В результате расчетов и экспериментов было найдено, что при использовании предлагаемого моноимпульсного облучателя наиболее оптимальные электрические характеристики зеркальной антенны получаются при соотношении фокусного расстояния к диаметру зеркала (F/D), равном 0,9÷1,0.

Экспериментальные данные подтверждают результаты расчетов. Предлагаемый моноимпульсный облучатель круговой поляризации в составе параболического зеркала может обеспечить высокие электрические характеристики в полосе частот порядка 10% при КЭ по разностному каналу не менее 0,7 по мощности.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- моноимпульсный облучатель круговой поляризации, воплощающий заявленное изобретение, предназначен для использования в промышленности, а именно, в технике антенн, например, в качестве облучателя в зеркальной следящей антенне с круговой поляризацией;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;

- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить компактный моноимпульсный облучатель круговой поляризации, перспективный для бортовых применений, в котором значение крутизны ПХ по напряжению ≈ в раз выше по сравнению с известной системой с разностным каналом на ТЕМ волне, в котором обеспечивается высокое значение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала (не менее 0,7 по мощности), что позволит обеспечить эффективную работу системы автосопровождения в зеркальной антенне в условиях поляризационного уплотнения.

Изобретение относится к антенной технике и служит в качестве облучателя в зеркальной следящей антенне с круговой поляризацией. Технический результат – повышение крутизны пеленгационной характеристики по напряжению в раз, обеспечение высокого значения коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала (не менее 0,7 по мощности). Результат достигается тем, что предложен моноимпульсный облучатель круговой поляризации, состоящий из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, при этом внутренняя цилиндрическая труба образует круглый волновод с волнами H11 для суммарного канала, между внутренней и внешней цилиндрическими трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ для формирования разностного канала, отличающийся тем, что во внутренней цилиндрической трубе круглый волновод переходит в конический рупор, раскрыв которого расположен внутри внешней цилиндрической трубы, выполнено скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы, на скачке сечения в области большего внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков. 4 ил.

Моноимпульсный облучатель круговой поляризации, состоящий из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, при этом внутренняя цилиндрическая труба образует круглый волновод с волнами H11 для суммарного канала, между внутренней и внешней цилиндрическими трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ для формирования разностного канала, отличающийся тем, что во внутренней цилиндрической трубе круглый волновод переходит в конический рупор, раскрыв которого расположен внутри внешней цилиндрической трубы, выполнено скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы, на скачке сечения в области большего внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков.