Волноводный аналог вибраторной антенной решетки Советский патент 2016 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для отработки вибраторных излучателей в процессе проектирования фазированных антенных решеток (ФАР).

Известны волноводные аналоги, предназначенные для исследования согласования вибраторного излучателя в составе фазированной антенной решетки (см. 1 - H.A. Wheeler "The radiation resistance of an antenna in an infinite array or wavegnide" Procecdings of IRE, vol. 36, №4, 1948, pp. 478-487).

Такое устройство состоит из прямоугольного волновода, один торец которого с помощью плавного перехода соединен с прибором для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), а второй торец замкнут металлическим поршнем, под которым, как над проводящим экраном, расположено несколько вибраторных излучателей. В боковых стенках волновода создается многократное зеркальное отображение помещенных внутри него вибраторов, что эквивалентно расположению излучателей в бесконечной периодической антенной решетке. При этом, естественно, металлические стенки волновода должны быть совмещены с плоскостями симметрии решетки. В антенных решетках с размещением излучателей в узлах прямоугольной сетки плоскости симметрии решетки проходят между излучателями, поэтому создание волноводного аналога такой решетки трудностей не вызывает. Однако известные конструкции волноводных аналогов не применимы для исследования антенных решеток, в которых вибраторы размещены в узлах треугольной сетки, так как при таком расположении вибраторов плоскости симметрии решетки, а следовательно, и стенки волноводного аналога, проходят через центры излучателей. Одна из стенок волновода, разрезающая вибратор в плоскости Е (то есть вдоль его плеч), одновременно замыкает излучатель, поэтому ее введение не влияет на результат измерений. Но другая стенка волновода, ориентированная в плоскости Н, разрезает вибратор поперек его плеч и тем самым сохраняет его активным, вносящим существенный вклад в измеряемое значение КСВ. В то же время при разрезании вибратора в плоскости Н нарушается структура питающего фидера, особенно в случае широко применяющегося на СВЧ возбуждения вибратора коаксиальным фидером с симметрирующим устройством. Нарушение условий возбуждения вибратора существенно изменяет его согласование и приводит к значительному искажению результатов измерений.

Целью настоящего изобретения является создание конструкции волноводного аналога, обеспечивающего возможность моделирования антенных решеток с вибраторами, размещенными в узлах треугольной сетки.

Указанная цель достигается за счет того, что в волноводный аналог вибраторной антенной решетки с треугольной сеткой расположения элементов, состоящий из волновода прямоугольного сечения, внутри которого установлены металлический поршень и вибраторы, образующие в совокупности фрагмент исследуемой антенной решетки, в коаксиальные фидеры вибраторов, разрезанных в "Н" плоскости стенками волноводного аналога, введены на расстоянии λ/2 и 3/4λ от точки возбуждения излучателя два короткозамкнутых шлейфа. Это дает возможность использовать волноводный аналог для исследования характеристик вибраторного излучателя в решетке с треугольной ячейкой, так как содержащиеся в таком волноводном аналоге разрезанные излучатели работают в тех же условиях, что и вибраторы, вошедшие в волноводный аналог без изменения конструкции.

Устройство предлагаемого волноводного аналога показано на чертежах, где:

на фиг. 1 изображен общий вид волноводного аналога;

на фиг. 2 - поперечный разрез волноводного аналога по сечению АА на фиг. 1.

Волноводный аналог (см. фиг. 1) состоит из прямоугольного волновода 1, который с помощью плавного перехода 2 на стандартное волноводное сечение, соединяется с прибором 3, предназначенным для измерения КСВ. В волноводе 1 находится поршень 4, в котором закреплен вибраторный излучатель 5. В стенках волновода 1 имеются отверстия, в которых с помощью диэлектрических шайб закреплены "активные" излучатели 6, являющиеся плечами вибраторов, разрезанных в Н-плоскости. Непосредственно к стенкам волновода 1 прикреплены "пассивные" излучатели 7, получившиеся в результате разрезания вибратора как в Е, так и в Н-плоскостях. Излучатели 6 и 7 расположены в одной плоскости, проходящей через плечи вибратора 5 и параллельной поверхности поршня 4. К "активным" излучателям 6 подсоединены коаксиальные фидеры 8, в каждый из которых введены два параллельных короткозамкнутых шлейфа 9, 10. Концы коаксиальных фидеров 8, так же, как и фидер вибратора 5, подсоединены к согласованным поглощающим нагрузкам 11. Электромагнитная волна, возбуждаемая прибором 3, проходит через плавный переход 2 и без изменения своей структуры попадает в волновод 1. Распространяясь в волноводе 1, волна падает на систему излучателей 5, 6 и 7, которые в совокупности с поршнем 4 представляют собой фрагмент антенной решетки, образованный путем разрезания ее плоскостями, перпендикулярными проводящему экрану. Ввиду того, что разрезающие плоскости, с одной стороны, совпадают с плоскостями симметрии решетки, а с другой стороны, являются металлическими стендами волновода 1, в них образуются многократные зеркальные отображения излучателей 5, 6 и 7, расположение которых совпадает с координатами излучателей решетки. Тем самым для излучателей полноводного аналога создаются те же условия, которые существуют для излучателей антенной решетки, вследствие чего отраженная электромагнитная волна от фрагмента антенной решетки, заключенного внутри волноводного аналога, имеет ту же величину, что и в реальной антенной решетке.

Рассмотрим работу излучателей 5, 6 и 7 в отдельности. Конструкция вибратора 5 не отличается от конструкции реального излучателя, входящего в состав антенной решетки.

На фиг. 1 изображен наиболее часто встречающийся случай, когда вибратор возбуждается коаксиальным фидером, а симметрирование осуществляется посредством щелевого симметрирующего устройства. Реактивное сопротивление, создаваемое в фидере вибратора симметрирующим устройством, существенно влияет на согласование излучателя в решетке и часто используется для его настройки.

"Пассивные" излучатели 7 представляют собой участки вибратора, плечи которого замкнуты металлической стенкой волновода, ориентированной в Е-плоскости, поэтому реактивное сопротивление фидера не оказывает на работу этих излучателей никакого влияния, что позволило исключить фидеры этих излучателей из состава волноводного аналога.

"Активные" излучатели 6 возбуждаются электромагнитной волной, падающей на фрагмент решетки внутри волновода 1, и переизлученное ими поле вносит существенный вклад в отраженную волну, фиксируемую прибором 3. Отсюда ясно, что результаты измерений на волноводном аналоге справедливы лишь в том случае, когда согласование каждого излучателя 6 аналогично согласованию вибратора 5, для чего необходимо в фидере излучателя 6 создать такое же реактивное сопротивление, какое создается симметрирующим устройством реального излучателя решетки.

В предлагаемом волноводном аналоге эту роль выполняют короткозамкнутые шлейфы 9, 10 включенные в фидеры 8 на расстоянии λ/2 и 3/4λ от точки возбуждения излучателя 6. Эквивалентность двух шлейфов 9, 10 щелевому симметрирующему устройству установлена в результате анализа, опубликованного в статье Ивановой Т.Г., Стериополо Е.А. "Эквивалентная схема и расчет щелевого симметрирующего устройства", (Известия вузов. Радиоэлектроника, №5, 1976 г.)

Согласно этому анализу, волновое сопротивление шлейфа 9 должно быть равно волновому сопротивлению щелевой линии, прорезанной в стенке жесткого коаксиала, а волновое сопротивление шлейфа 10 равняется удвоенному волновому сопротивлению коаксиального фидера 8. Расстояния вдоль фидера 8 до точек подключения шлейфов 9 и 10 выбраны соответственно λ/2 и 3/4λ, что обеспечивает создание в точке возбуждения излучателя 6 такого же сопротивления, как и в середине вибратора 5.

Внедрение предлагаемого изобретения позволит существенно сократить затраты на изготовление макетов и их исследование в процессе проектирования антенных решеток с треугольной сеткой расположения излучателей. Для отработки согласования излучателей таких решеток обычно используются макеты, в которых исследуемый излучатель размещается среди других излучателей, окружение которых создает для исследуемого излучателя условия, близкие к существующим в реальной антенной решетки. Приемлемая точность согласования достигается в случае, когда размеры макета достаточно велики и содержат около сотни излучателей. Кроме того, все излучатели такого макета должны быть возбуждены с одинаковой фазой, что требует дополнительного изготовления сложной системы деления мощности с одного входа на несколько десятков выходов.

В волноводном аналоге эффект окружения излучателя достигается за счет зеркальных отображений в металлических стенках волновода, поэтому с точки зрения отработки согласования излучателя волноводный аналог заменяет собой сложный и трудоемкий макет, содержащий около сотни излучателей. Затраты на изготовление волноводного аналога в 10 и более раз уменьшаются по сравнению с изготовлением обычного макета. Примерно во столько же раз уменьшается трудоемкость настройки и исследования излучателей, так как при неизбежных в процессе проектирования изменениях конструкции излучателя их необходимо производить лишь в нескольких излучателях, входящих в волноводный аналог.

Изобретение относится к области антенной техники. Технический результат - обеспечение моделирования антенной решетки с треугольной сеткой расположения излучателей. Волноводный аналог вибраторной антенной решетки содержит волновод прямоугольного сечения, внутри которого установлен металлический поршень и вибраторы, при этом на стенках волновода, параллельных Н-плоскости электромагнитного поля, симметрично относительно вибраторов установлены излучатели, выполненные в виде четвертьволновых штырей с подключенными к ним коаксиальными линиями, каждая из которых содержит два короткозамкнутых шлейфа, расположенных на расстояниях λ/2 и 3/4λ соответственно от точки подключения линии к излучателю, где λ - длина волны в коаксиальной линии. 2 ил.

Волноводный аналог вибраторной антенной решетки, содержащий волновод прямоугольного сечения, внутри которого установлен металлический поршень и вибраторы, отличающийся тем, что, с целью обеспечения моделирования антенной решетки с треугольной сеткой расположения излучателей, на стенках волновода, параллельных Н-плоскости электромагнитного поля, симметрично относительно вибраторов установлены излучатели, выполненные в виде четвертьволновых штырей с подключенными к ним коаксиальными линиями, каждая из которых содержит два короткозамкнутых шлейфа, расположенных на расстояниях λ/2 и 3/4λ соответственно от точки подключения линии к излучателю, где λ - длина волны в коаксиальной линии.