Сверхширокополосная моноимпульсная зеркальная антенна Российский патент 2024 года по МПК H01Q25/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно - к антенной технике, и может быть использовано в моноимпульсных широкополосных радиолокационных системах и средствах радиотехнического контроля для обнаружения и пеленгования источников излучения (ИИ).

Антенны моноимпульсных радиолокационных станций должны формировать ряд лучей, максимумы диаграмм направленности (ДН) которых отклонены от опорного (равносигнального) направления на некоторый, достаточно малый по сравнению с шириной ДН луча, угол. Уровень взаимного пересечения данных лучей определяет форму пеленгационной характеристики станции (т.е. точность определения координат), а также стабильность обнаружения ИИ. Другим важным параметром антенны является коэффициент усиления, характеризующий способность станции обнаруживать сигнал ИИ определенного энергетического потенциала, что в конечном счете определяет дальность обнаружения.

Широкое распространение получили зеркальные антенны (ЗА) на основе параболических зеркал (отражателей в форме параболоида вращения), с установленным в фокусной точке (фокусе) облучателем. Достоинством данных антенн является простота конструкции, возможность работы в сверхширокой полосе частот, а также высокий коэффициент усиления (КУ) антенны за счет высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента направленного действия (КНД) [1, с. 371]. Высокие значения КПД обеспечиваются малыми потерями в зеркале, а КНД - за счет формирования плоского фазового фронта по апертуре. Рабочая полоса частот данных антенн ограничивается в первую очередь рабочей полосой облучателя. Так известны антенны на основе параболического зеркала, в которых в качестве облучателей используется, например, логопериодический излучатель [2, с. 371]. Таким образом достигается работоспособность антенны в сверхширокополосном диапазоне частот.

Главным недостатком данных антенн является отсутствие возможности формирования нескольких лучей.

Известны многолучевые (моноимпульсные) антенны на основе параболических зеркал [3, с. 71; 4, с. 197], в которых для формирования ряда ДН лучей используют облучатели, расположенные вблизи фокуса, причем для формирования ДН каждого луча используется один облучатель. Направление ДН каждого луча определяется отклонением положения фазового центра облучателя от фокальной точки зеркала, т.е. зависит от размера облучателей и возможности расположить их на расстояниях, исключающих их взаимовлияние. Недостатками данных антенн являются:

- малый уровень пересечения (большой угол разноса) ДН лучей при широкополосном (ШП) использовании (т.к. геометрические размеры широкополосных облучателей определяются в первую очередь нижним пределом полосы рабочих частот),

- плохая стабильность уровня пересечения формируемых ДН при широкополосном использовании (т.к. ширина ДН зависит от частоты).

Известна широкополосная четырехлучевая антенна [5] состоящая из отражателя в виде вырезки из параболоида вращения и четырехэлементный облучатель. С целью уменьшения изменения уровня пересечения ДН лучей в равносигнальном направлении в широком диапазоне частот облучатель выполнен в виде решетки открытых концов волноводов Н-образного сечения (элементов облучателя) с выступами, являющимися продолжением плавников сечения. Для целей снижения дифракционных явлений на кромках близкорасположенных облучателей, приводящих к искажению ДН используется поглощающие экраны различных конструкций и форм. Как следует из описания, заявленный эффект обеспечивается за счет применения в качестве облучателей открытых концов волноводов Н-образного сечения, допускающих работу в ШП диапазоне, а также использование эффекта взаимовлияния между ними для стабилизации уровня пресечения лучей, за счет искажения ДН.

Недостатками данных антенн являются:

- сложность конструкции облучателя, содержащего дополнительные поглощающие экраны и конструктивные элементы,

- относительно узкий рабочий диапазон частот, определяемый рабочей полосой рупорных облучателей.

Известен ряд многолучевых ЗА, отличающихся тем, что поверхность отражателя содержит зоны с частотнозависимым коэффициентом отражения. Например, на отражатель наносится поглотитель [6, 7], либо параболический отражатель выполняется в виде параллельных пластин, установленных с переменным шагом, кромки которых образуют частотноизбирательную отражающую поверхность [8, 9]. Таким образом появляется возможность стабилизации уровня пересечения парциальных ДН в широкой полосе частот (за стабилизации ширины ДН в полосе частот). Недостатками таких антенн являются:

- малый уровень пересечения (большой угол разноса) формируемых ДН лучей при широкополосном использовании,

- невысокий КУ антенны, так как значительная часть энергии будет либо затухать в поглотителе (падает КПД), либо просачиваться сквозь пластинчатое зеркало (падает КНД).

Известна многолучевая двухзеркальная антенна [10], содержащая параболический рефлектор (основное зеркало), контррефлектор (дополнительное зеркало) и ряд облучателей. Данная антенна является модификацией известной двухзеркальной антенны Кассегрена [11, с. 112] в которой с помощью измененной геометрической формы основного и дополнительного зеркала обеспечивается увеличение уровня пересечения диаграмм направленности облучателей, располагаемых рядом с фокусной точкой.

Недостатками данной антенны являются:

- конструктивная сложность, увеличенная масса и сложность настройки по сравнению с однозеркальными антеннами (что является общим недостатком антенн двухзеркального типа),

- малый КУ антенны (за счет плохого КНД) вследствие отклонения фронта волны от плоского по причине искажения формы дополнительного и основного зеркала по сравнению с классической антенной Кассегрена,

- плохая стабильность уровня пересечения формируемых ДН лучей при широкополосном использовании.

Известны многолучевые зеркальные антенны на основе зеркал в виде параболического тора [11, с. 116]. У данного типа ЗА, в отчие от параболических, имеется фокальная кривая (дуга), на которой возможно расположение ряда облучателей. Таким образом отсутствует единая фокальная точка и исключается проблема расположения ряда облучателей в непосредственной близости от нее и обеспечивается высокий уровень пересечения ДН лучей. Угловое положение ДН лучей в данном случае определяется положением облучателя на фокальной кривой.

Недостатками данной антенны являются:

- низкое значение КНД (и соответственно КУ) по сравнению с зеркалом на основе параболоида вращения, так как сферический фронт волны не преобразуется в плоский (появляются фазовые ошибки),

- высокий уровень боковых лепестков в плоскости расположения лучей, по причине сферической абберации,

- плохая стабильность уровня пересечения формируемых ДН лучей при широкополосном использовании.

Известны многолучевые зеркальные антенны на основе параболоцилиндрических зеркал (антенны с зеркалом в виде параболического цилиндра) [11, с. 109; 12]. У данного типа ЗА, в отличии от параболических, имеется фокальная линия, на которой возможно расположить ряд облучателей. Таким образом отсутствует единая фокальная точка и исключается проблема расположения ряда облучателей в непосредственной близости от нее. Угловое положение ДН лучей может быть любым (в т.ч. обеспечивающим малый уровень пересечения ДН), так как определяется углом поворота соответствующего облучателя относительно фокальной линии.

Недостатками данных антенн являются:

- более низкий КУ по сравнению с зеркалом на основе параболоида вращения, так как сферический фронт волны облучателя не преобразуется в плоский,

- высокий уровень боковых лепестков в плоскости расположения лучей (в направлении цилиндрической образующей рефлектора),

- плохая стабильность уровня пересечения формируемых ДН лучей при широкополосном использовании.

Известны гибридные однозеркальные антенны (гибридные антенны) [1, с. 388] в которых для формирования ряда ДН используется расположенная в фокусе параболического рефлектора многоэлементная облучающая решетка. Каждый луч формируется группой элементарных излучателей (т.н. кластером), причем каждый излучатель может использоваться для формирования нескольких лучей (т.е. входить в несколько кластеров) благодаря чему уровень пересечения ДН лучей может быть высоким (угловой разнос формируемых ДН, соответственно, мал). Широкополосность данного технического решения определяется полосой частот излучателей решетки, а уровень пересечения ДН может быть стабилизирован в полосе частот с помощью электронного управления положением (а значит и фазовым центром) кластера.

Существенным недостатком является техническая сложность диаграмообразующей схемы многоэлементной решетки при формировании ДН лучей в широкой полосе частот.

В качестве прототипа выберем многолучевую зеркальную антенну, описанную в [13]. Антенна содержит параболическое зеркало и облучающее устройство расположенное в фокусе зеркала. Облучающее устройство выполнено в виде системы рупорно-диэлектрических облучателей. Использование диэлектрических элементов позволяет уменьшить поперечные размеры облучателей, что в свою очередь дает возможность расположить их ближе друг к другу и тем самым уменьшить угловой разнос между ДН формируемых лучей (увеличить уровень пересечения ДН).

Недостатками данной антенны являются:

- плохая стабильность уровня пересечения формируемых ДН при широкополосном использовании,

- недостаточная широкополосность антенны, ограниченная полосой частот рупорных облучателей.

Целью изобретения является обеспечение стабильности высокого уровня пересечения формируемых ДН лучей в сверхширокой полосе частот при сохранении высоких значений КУ антенны.

Технический результат достигается за счет использования в качестве облучателей системы логопериодических излучателей, и их взаимной ориентацией.

Известно, что логопериодические излучатели допускают использование в сверхширокой полосе рабочих частот и могут быть использованы в качестве облучателей ЗА.

С целью обеспечения высокого уровня пересечения формируемых параболической антенной ДН необходимо сближение фазовых центров облучателей. В отличие от прототипа, в данном техническом решении это обеспечивается распределенной в пространстве конструкцией облучателей.

Ширина ДН параболической антенны зависит от частоты. Таким образом при работе в широком и сверхшироком диапазоне частот ширина ДН лучей может значительно меняться, а значит и меняется уровень пересечения ДН лучей. В отличие от рассмотренных выше ряда технических решений, призванных снизить этот эффект с помощью стабилизации ширины ДН, в данном техническом решении реализован эффект взаимного перемещения фазовых центров облучателей в полосе частот с целью компенсировать изменения уровня пересечения ДН лучей по причине изменения их ширин. Это реализовано за счет наклона логопериодических излучателей и эффекта смещения «резонирующей зоны» (и соответственно фазового центра) логопериодического излучателя в зависимости от рабочей частоты (подробнее об эффекте см. [1, 2]). Т.о. фазовый центр каждого облучателя, состоящего из двух излучателей, перемещается за счет смещения фазовых центров излучателей.

Предлагаемая сверхширокополосная моноимпульсная антенна (фиг. 1), содержит зеркало 1 в форме несимметричной вырезки усеченного параболоида вращения и облучающего устройства 2, расположенного в фокусе (фокальной точке 8) зеркала 1 и конструктивно состоящего из четырех логопериодических излучателей (ЛИ) 3-6. Причем каждый моноимпульсный облучатель зеркала образует пара (кластер) соседних ЛИ (например 3-4, 5-6 либо 5-4, 6-3). За счет того, что фазовые центры данных облучателей располагаются между парой ЛИ, обеспечивается разнос фазового центра относительно фокуса зеркала 1 и формирование моноимпульсных диаграмм.

В дополнение к этому фазовые центры каждого облучателя свободны от конструктивных и иных элементов, геометрические размеры которых могут препятствовать их взаимному сближению и т.о. геометрически могут быть достаточно близки. Известно также, что на достаточно близких расстояниях между ЛИ проявляется эффект взаимовлияния, который может привести к рассогласованию. С целью снижения этого эффекта ЛИ сориентированы таким образом, чтобы плечи ближайших соседних ЛИ были ортогональны, а плоскости расположения ЛИ, пересекаясь, образуют грани правильной четырехугольной пирамиды с осью, совпадающей с линией, проведенной через геометрический центр 7 и фокальную точку 8 зеркала, расположенную внутри пирамиды, причем, угол между плоскостями расположения ЛИ 3-6 и линией, проведенной через геометрический центр и фокальную точку зеркала, выбирается из промежутка 30…60 градусов в зависимости от рабочего диапазона и габаритов логопериодических облучателей. При этом сами логопериодические излучатели выполнены на фольгированном материале в виде проводящего рисунка.

Работает это следующим образом, с ростом частоты фазовый центр логопериодического излучателя смещается к его вершине. Излучатели ориентированы таким образом, что фазовый центр каждого облучателя, находящийся между фазовыми центрами соответствующих излучателей, сближаются. За счет сближения фазовых центров сближаются направления максимумов ДН двух диаграмм моноимпульсной антенны, что соответственно нивелирует сужение диаграмм направленности по причине роста частоты. На фиг. 2 показаны результаты моделирования: графики частотной зависимости расстояния Δx между фазовыми центрами облучателей (нормированного к фокусному расстоянию F отражателя) для различных углов а. Где а - угол между плоскостью расположения излучателя и линией, проведенной через геометрический центр 7 и фокальную точку 8 зеркала. Серым цветом показана область, ограниченная обеспечением условия пересечения ДН по уровням -1…-5 дБ. Серия графиков и условная область имеют схожую частотную зависимость. Таким образом продемонстрировано, что подбором угла а и расстояния Ах между излучателями возможна частотная стабилизация уровня пересечения ДН. Сама величина (уровень) пересечения ДН лучей в практических конструкциях будет зависеть от ряда факторов, например - неидеальности излучателей, их взаимовлияния и ДН.

Изобретение может быть реализовано, т.к. техническое решение содержит распространенные антенные элементы, разработка и изготовление которых широко освещены в технической и научной литературе. На фиг. 3 показаны результаты макетирования: ДН моноимпульсных лучей для частот fH, 2fH, 4fH, 8fH. Макет антенны был испытан в диапазоне частот 1:8, что демонстрирует возможность работы в свехширокой полосе частот и значительно превышает практически реализуемую полосу частот прототипа, ограниченную рабочей полосой рупорных облучателей, не превышающей 1:3 [14, 5, 6, 12].

При практической реализации предлагаемой антенны стабильность моноимпульсных ДН будет завесить от стабильности и идентичности электрических параметров излучателей. С целью повышения технологичности, а также с целью обеспечения стабильности параметров излучателей возможно реализация логопериодических излучателей на фольгированном материале в виде проводящего рисунка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Сазонов Д.М. Антены и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988.

2. Бененсон Л.С.Сверхширокополосные антенны. - М: Мир, 1964.

3. Сколник М. Справочник по радиолокации. - М.: Сов. Радио, т. 4, 1978.

4. Белоцерковский Г.Б. Основы Радиотехники и антенны. - М.: Радио и связь, ч. 2, 1983.

5. Патент RU 2099836 C1. Российская федерация, МПК H01Q 19/10. Широкополосная многолучевая зеркальная антенна: 2007114260/09: заявл. 1994.09.26: опубл. 20.12.1997/ Бобков Н.И., Бочарников А.А и др.

6. Патент RU 2435262 C1. Российская федерация, МПК H01Q 15/14. Многолучевая зеркальная антенна: 2010131332/07: заявл. 26.07.2010: опубл. 27.11.2011/Бобков Н.И., Лизуро В.И. и др.

7. Патент RU 2541871 C2. Российская федерация, МПК H01Q 15/14. Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна: 2013131605/08: заявл. 20.01.2015: опубл. 20.02.2015/ Бобков Н.И., Габриэлян Д.Д. и др.

8. Патент RU 2336615 C1. Российская федерация, МПК H01Q 15/00. Многолучевая зеркальная антенна: 2006144782/09: заявл. 15.12.2006: опубл. 20.10.2008/ Бобков Н.И., Вернигора В.Н. и др.

9. Патент RU 2234774 C2. Российская федерация, МПК H01Q 15/14. Многолучевая зеркальная антенна. 2002101223/09: заявл. 08.01.2002: опубл. 20.10.2003/ Савеленко А.А., Курносенко В.Н. и др.

10. Авторское свидетельство SU 1665443 A1, СССР, МПК H01Q 25/00. Многолучевая двухзеркальная антенна: 4639440/09: заявл. 17.01.89: опубл. 23.07.91/ Легостаева М.В., Тарасов В.Б.

11. Сколник М. Справочник по радиолокации. - М.: Сов. Радио, т. 2, 1977.

12. Патент RU 2342748 C1. Российская федерация, МПК H01Q 19/10. Широкополосная многолучевая зеркальная антенна: 2007114260/09. заявл. 16.04.2007: опубл. 27.12.2008/ Бобков Н.И., Лизуро В.И. и др.

13. Патент RU 2080711. Российская федерация, МПК H01Q 19/10. Многолучевая зеркальная антенна: 94013366/09: заявл. 15.04.1994: опубл. 27.05.97/ Богомолов Е.Г

14. Ю.М. Перунов, В.В. Мацукевич, А.А. Васильев Зарубежные радиоэлектронные средства. - М.: Радиотехника, 2010.

Использование: изобретение относится к области радиотехники, а именно - к антенной технике, и может быть использовано в моноимпульсных широкополосных радиолокационных системах и средствах радиотехнического контроля для обнаружения и пеленгования источников излучения (ИИ). Технический результат: обеспечение стабильности высокого уровня пересечения формируемых ДН лучей в сверхширокой полосе частот при сохранении высоких значений КУ антенны. Сущность: облучающее устройство состоит из четырех логопериодических излучателей, плечи каждого из которых ортогонально ориентированы относительно плеч ближайших соседних логопериодических излучателей, а плоскости расположения излучателей, пересекаясь, образуют грани правильной четырехугольной пирамиды с осью, совпадающей с линией, проведенной через геометрический центр и фокальную точку зеркала, расположенную внутри пирамиды, причем для формирования моноимпульсных диаграмм направленности используются облучатели, образованные парой ближайших логопериодических излучателей, а угол между плоскостями расположения логопериодических излучателей и линией, проведенной через геометрический центр и фокальную точку зеркала, выбирается из промежутка 30…60 градусов в зависимости от рабочего диапазона и габаритов логопериодических излучателей, при этом логопериодические излучатели выполнены на фольгированном материале в виде проводящего рисунка. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сверхширокополосная моноимпульсная зеркальная антенна, содержащая зеркало в форме несимметричной вырезки усеченного параболоида вращения и облучающего устройства, отличающаяся тем, что облучающее устройство состоит из четырех логопериодических излучателей, плечи каждого из которых ортогонально ориентированы относительно плеч ближайших соседних логопериодических излучателей, а плоскости расположения излучателей, пересекаясь, образуют грани правильной четырехугольной пирамиды с осью, совпадающей с линией, проведенной через геометрический центр и фокальную точку зеркала, расположенную внутри пирамиды, причем для формирования моноимпульсных диаграмм направленности используются облучатели, образованные парой ближайших логопериодических излучателей.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что угол между плоскостями расположения логопериодических излучателей и линией, проведенной через геометрический центр и фокальную точку зеркала, выбирается из промежутка 30…60 градусов в зависимости от рабочего диапазона и габаритов логопериодических излучателей.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что логопериодические излучатели выполнены на фольгированном материале в виде проводящего рисунка.