ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ДВУМЯ НЕПОДВИЖНЫМИ ОБЛУЧАТЕЛЯМИ

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в радиолокационных системах с широким сектором сканирования диаграммы направленности (ДН).
Известна зеркальная антенна со сканирующей ДН [1], в которой управление ДН в пространстве осуществляется перемещением облучателя перпендикулярно фокальной оси параболоида. Основной недостаток таких антенн малый безискаженный сектор сканирования, равный ширине ДН антенны.
Известна многоканальная корабельная антенная система на основе активной многолучевой антенной решетки (MAP) с широким сектором сканирования [2], обеспечиваемым за счет использования в составе MAP нескольких линзовых диаграммообразующих устройств (ДОУ) и решеток излучателей, развернутых в пространстве друг относительно друга, при подключении которых к ДОУ, совместно с выходными усилителями мощности, происходит разворот ограниченного сектора электронного сканирования в азимутальной плоскости на угол, равный углу разворота в азимутальной плоскости раскрывов выходных антенных решеток. Все элементы этой MAP, включая выходные усилители мощности и источники питания, установлены на стабилизированной от качек платформе с гидравлическим приводом. Недостатком такой антенной системы является ее сложность, дороговизна и наличие стабилизированной платформы. При этом масса этой платформы с механизмами стабилизации и противовесами, как правило, в несколько раз превышают массу полезной нагрузки, то есть самой антенной системы.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой антенной системе и принятой за прототип является зеркальная антенная система с широким сектором сканирования диаграммы направленности [3] состоящая из неподвижного облучателя, закрепленного на основании так, что его фазовый центр совпадает с фокусом параболоида, осевая линия облучателя совпадает с линией проходящей через точку фокуса и центр рефлектора, а рефлектор выполнен в виде усеченного параболоида с эллиптическим контуром обреза, подвижным относительно облучателя и закрепленного на опорно-поворотном устройстве так, что точка вращения его по углу места совпадает с центром рефлектора, а точка вращения по азимуту находится на прямой перпендикулярной фокальной оси параболоида и проходящей через центр рефлектора.
Сканирование ДН антенной системы и наведение осуществляется с помощью приводов кинематически связанных с рефлектором путем изменения его положения в пространстве относительно оси неподвижного облучателя.
Для стабилизации антенной системы в пространстве при качке может использоваться угломестный привод, при подаче на него команд управления от бортовых систем, т.е. система не требует дорогостоящих стабилизирующих платформ.
Недостатком такой антенной системы является снижение коэффициента усиления от центра к краям сектора сканирования обусловленного уменьшением проекции площади рефлектора на плоскость перпендикулярную направлению облучения. Так при сканировании ДН в азимутальной и угломестной плоскостях в секторе ±90 градусов снижение коэффициента усиления к краям сектора сканирования составляет 6-10 дБ в зависимости от угла раствора параболического зеркала из которого изготавливается рефлектор.
Целью предлагаемой полезной модели с двумя облучателями является обеспечение равномерности усиления антенной системы в секторе сканирования ДН ±90 градусов. Поставленная цель достигается тем, что в антенную систему состоящую из
облучателя, закрепленного на неподвижном основании, рефлектора, выполненного в виде усеченного параболоида с эллиптическим контуром обреза, подвижным относительно облучателя и закрепленного на опорно-поворотном устройстве так, что точка вращения его по углу места совпадает с центром рефлектора, а точка вращения по азимуту находится на прямой перпендикулярной фокальной оси параболоида и проходящей через центр рефлектора, введены волноводный переключатель и дополнительный облучатель, который в совокупности с имеющимся облучателем расположен в азимутальной плоскости, проходящей через фокальную ось параболоида, под углом 30 градусов к фокальной оси и которые направлены в центр рефлектора, при этом расстояние от вершины параболоида до фазового центра каждого из облучателей равно фокусному расстоянию параболоида, выходы волноводного переключателя соединены с входами первого и второго облучателей соответственно, а вход волноводного переключателя является входом антенной системы, причем волноводный переключатель в момент перехода рефлектором углового положения, когда проекция перпендикуляра из центра рефлектора к его раскрыву в азимутальной плоскости совпадает с фокальной осью параболоида, подключает на излучение тот облучатель, в направлении которого вращается рефлектор.
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 приведена схема размещения элементов зеркальной антенной системы с двумя неподвижными облучателями, на которой:
1 - рефлектор;
2 - первый облучатель;
3 - второй облучатель;
4 - волноводный переключатель.
На фиг.2 приведен общий вид зеркальной антенной системы, на котором:
1 - рефлектор;
2 - первый облучатель;
3 - второй облучатель;
4 - волноводный переключатель;
5 - неподвижное основание;
6 - азимутальный привод;
7 - угломестный привод
На фиг.3 приведена геометрия антенной системы в азимутальной плоскости, на которой:
1 - рефлектор;
2 - первый облучатель;
3 - второй облучатель;
4 - волноводный переключатель.
2
1, 1", 1′′′ - положение рефлектора 1 при его вращении вокруг точки О; относительно оси
2
0
OF.
1
2
FF - фазовые центры облучателей 2 и 3 соответственно;
0
F - точка фокуса параболоида;
а, б, в - лучи формируемые антенной системой при повороте рефлектора 1 в положение Г;
а′, б′, в′ - лучи формируемые антенной системой при повороте рефлектора 1 в положение 1′′′.
На фиг.4 приведены экспериментальные ДН антенной системы в азимутальной плоскости при изменении положения рефлектора относительно осей облучателей в интервале углов ψ=0±30 градусов (с дискретностью 15 градусов)
1 - ДН при ψ<sub>1</sub>=30 град;
6 - ДН при ψ<sub>2</sub>=15 град;
2 - ДН при ψ<sub>1</sub>=15 град;
7 - ДН при ψ<sub>2</sub>=О град;
3 - ДН при ψ<sub>1</sub>=0 град;
8 - ДН при ψ<sub>2</sub>=-15 град;
4 - ДН при ψ<sub>1</sub>=-15 град;
9 - ДН при ψ<sub>2</sub>=-30 град.
1
2
5 - ДН при ψ=ψ=30 град;
1
где ψ° - угловое положение рефлектора относительно оси первого облучателя;
2
ψ° - угловое положение рефлектора относительно оси второго облучателя.
2
0
На фиг.5 приведена экспериментальная ДН антенной системы в угломестной плоскости при изменении положения рефлектора относительно центральной оси облучателей OF в интервале углов ψ=0±40 град (с дискретностью 20 град). 1 - ДН при ψ=40 град; 2 - ДН при ψ=20 град;
3 - ДН при β=0 град;
4 - ДН при β=-20 град;
5 - ДН при β=-40 град.
Предлагаемая антенная система по схеме и общему виду (фиг.1 и 2) состоит из подвижного рефлектора 1, установленного над неподвижными рупорными облучателями 2 и 3, волноводного переключателя 4, поочередно подводящего энергию СВЧ к излучателям 2 или 3 в зависимости от положения рефлектора относительно фокальной оси параболоида, приводов 6 и 7 по азимуту и углу места соответственно, кинематически связанных с рефлектором.
Облучатели 2 и 3 расположены в горизонтальной плоскости, проходящей через фокальную ось параболоида, под углом 30 градусов к фокальной оси и которые направлены в центр рефлектора. Расстояние от вершины параболоида до фазового центра каждого из облучателей равно фокусному расстоянию параболоида.
Работа предлагаемой зеркальной антенной системы с двумя неподвижными облучателями заключается в следующем.
2
1
2
1
2
2
0
2
1
Примем за начальное положение рефлектора 1 - положение Г (фиг.3), когда проекция осевой линии OF облучателя 2 в азимутальной плоскости перпендикулярна плоскости раскрыва рефлектора, а угол между проекцией этой линии и фокальной осью параболоида составляет «ψ». В этом случае при возбуждении облучателя 2, в соответствии со свойствами параболоида максимум ДН антенной системы будет направлен параллельно оси OF (лучи а, б, в. фиг.3). При вращении рефлектора 1 вокруг его центра О относительно оси OF против часовой стрелки максимум ДН, в соответствии с законами геометрической оптики смещается в направлении вращения рефлектора с некоторым спадом уровня высокочастотного сигнала, в связи с уменьшением площади проекции рефлектора на плоскость перпендикулярную осевой линии OF облучателя 2 (фиг.3).
2
0
2
2
В целях уменьшения спада уровня высокочастотного сигнала антенной системы, при переходе рефлектором углового положения, когда проекция перпендикуляра к раскрыву рефлектора 1 из его центра в азимутальной плоскости совпадает с фокальной осью параболоида OF, что соответствует повороту рефлектора в положение 1" (фиг.3), волноводный переключатель 4 подключает облучатель 3 вместо облучателя 2. При возбуждении облучателя 3 и дальнейшем вращении рефлектора против часовой стрелки (из положения рефлектора 1" в положение 1′′′) ДН сканирует в направлении вращения рефлектора с повышением уровня высокочастотного сигнала, так как проекция рефлектора на плоскость перпендикулярна направлению оси OF облучателя 3 увеличивается.
Максимального значения СВЧ сигнал достигает в положении рефлектора 1′′′ (лучи а′, б′, в′, фиг.3), и спадает при дальнейшем вращении рефлектора в том же направлении.
При обратном вращении рефлектора 1 (по часовой стрелке) ДН сканирует в обратном направлении, с переключением облучателей при угловом положении рефлектора, указанном выше.
2
1
2
2
2
0
x
Учитывая, что коэффициент усиления (спад уровня СВЧ сигнала) предлагаемой антенной системы при повороте рефлектора на угол ±30 градусов относительно фокальной оси меняется не более чем на 1 дБ, а угол отклонения рефлектора в пределах ±30 градусов относительно направления на фазовый центр облучателя OF (ОF) приводит к отклонению положения максимума ДН на угол в 1,95-2 раза больший чем поворот рефлектора, следует, что изменение положения рефлектора в пределах ±50 градусов относительно направления OF (при наличии 2 облучателей с переключением) приводит к сканированию ДН в пределах ±90 градусов с потерями коэффициента усиления не более 1 дБ.
В угломестной плоскости равномерность усиления антенной системы сохраняется, т.к. требования к сканированию ДН ограничиваются сектором -20+30 градусов
относительно горизонта.
На фиг.4 и 5 приведены экспериментальные ДН антенной системы в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте f=9,4 ГГц.
Для экспериментального образца предлагаемой антенной системы параметры рефлектора и облучателя составили:
- фокусное расстояние f=220 мм;
- угол раствора параболоида - 150 градусов;
- геометрические размеры рефлектора - 400х260 мм;
- геометрические размеры облучателя - раскрыв 50х50 мм, длина 90 мм. Экспериментальные данные подтвердили технический результат предлагаемой полезной моделью.
Технический результат от предлагаемой зеркальной антенной системы с двумя облучателями заключается в обеспечении равномерности усиления антенной системы в секторе сканирования ДН ±90 градусов, в повышении коэффициента усиления по краям указанного сектора, а следовательно и в повышении энергетического потенциала электронных средств, работающих с предлагаемой антенной системой, в целом.
Практическая реализация антенной системы в целом, так и отдельных ее составляющих не вызывает затруднений.
Рефлектор предлагаемой антенной системы может быть выполнен из алюминиевых сплавов или облегченной конструкции из полимерных материалов с гальванической металлизацией [4].
Рупорные облучатели с указанными раскрывами могут быть выполнены на любой тип поляризации [5].
В приводах 6 и 7 могут использоваться электродвигатели АДП - 1563, кинематически соединенные с рефлектором 1 через редукторы [6].
В качестве волноводного переключателя может быть использован вращающийся переключатель Кили [7] страница 185.
Представленные чертежи и описание зеркальной антенной системы с двумя неподвижными облучателями, отсутствие трудностей в практической реализации ее составляющих при изготовлении экспериментального образца, позволяют изготовить ее промышленным способом и использовать по своему прямому назначению с достижением указанного технического результата, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.