Двухдиапазонная антенная система
DUAL BAND ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к антенным системам с суммарно-разностной обработкой сигнала. Такие системы применяются в радиолокационных системах (РЛС) точного автоматического сопровождения цели и в обзорных моноимпульсных радиолокационных системах. Параметры антенной системы во многом определяют характеристики РЛС в целом.
Известно моноимпульсное антенное устройство [Патент №2236729 МПК H01Q 13/10], которое содержит плоскую антенную решетку, разделенную, по крайней мере, на две подрешетки, соединенные с устройством суммарно-разностной обработки сигналов, выполненном на двойных волноводных тройниках.
Недостатком данного устройства является ограничение его работы лишь в одном частотном диапазоне, а так же невозможность настройки суммарно-разностной схемы отдельно от антенного устройства в целом.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является волноводно-щелевая антенная решетка, выполненная в виде многоуровневой системы волноводов и содержащая волноводную схему распределения мощности и излучающую антенную решетку, разделенную на несколько подрешеток. [Патент №2246156 МПК H01Q 21/00]
Недостатком данного устройства является ограничение его работы лишь в одном частотном диапазоне, что позволяет формировать только три независимых выходных СВЧ-сигнала. Так же невозможно настроить суммарно-разностную схему отдельно от антенного устройства в целом.
Техническим результатом предлагаемой двухдиапазонной антенной системы является формирование восьми независимых выходных СВЧ-сигналов при увеличении коэффициента усиления и снижении уровня боковых лепестков антенной системы высокочастотного диапазона и предельно высоких характеристиках низкочастотной антенной системы.
Предлагаемая двухдиапазонная антенная система включает волноводно-щелевую антенную решетку высокочастотного диапазона, выполненную в виде многоуровневой системы волноводов и содержащую волноводную схему распределения мощности и излучающую антенную решетку, разделенную на несколько подрешеток, излучающие элементы которых выполнены в виде сквозных отверстий в широких стенках параллельно расположенных прямоугольных излучающих волноводов, образующих первый уровень волноводно-щелевой антенной решетки, перпендикулярно которым на втором уровне волноводно-щелевой антенной решетки расположены по одному для каждой подрешетки возбуждающему волноводу, каждый из которых электромагнитно связан с излучающими волноводами через элементы связи в виде сквозных отверстий в их общих широких стенках и электромагнитно связан с расположенным на третьем уровне подводящим волноводом подрешетки через элемент связи в виде сквозных отверстий в общей широкой стенке этих волноводов, при этом все подводящие волноводы подрешеток соединены с волноводной схемой распределения мощности, разделенной на четыре квадранта, и антенную решетку низкочастотного диапазона, выполненную в виде излучателей, образующих четыре квадранта и расположенных на излучающей антенной решетке высокочастотного диапазона, причем каждый излучатель расположен между линейными решетками и поляризационно развязан с излучателями высокочастотного диапазона, суммарно-разностные схемы (СРС) высокочастотного и низкочастотного диапазонов образуют совместно с антенными решетками единую антенную систему, причем апертура антенн дополнительно включает широкополосную антенну, выполненную в виде излучателя низкочастотного диапазона и установленную на излучающей антенной решетке высокочастотного диапазона, и высокочастотный излучатель, выполненный в виде электрического вибратора.
Многослойная конструкция волноводно-щелевой решетки может быть выполнена из соединенных друг с другом чередующихся проводящих тонких пластин и проводящих оснований, в которых выполнены сквозные отверстия, образующие каналы волноводов соответствующего уровня волноводно-щелевой антенной решетки, а в прилегающих тонких пластинах, образующих широкие стенки этих волноводов, выполнены сквозные отверстия, образующие на соответствующих уровнях волноводно-щелевой антенной решетки либо излучающие элементы, либо отверстия элементов связи между волноводами разных уровней, либо отверстия для подвода энергии, а излучающие элементы антенной решетки высокочастотного диапазона выполнены в виде продольных щелей в узких стенках волноводов, элементы связи между излучающими и возбуждающими волноводами выполнены в виде наклонных щелей.
Дополнительная широкополосная антенна низкочастотного диапазона может быть выполнена в виде микрополосковой печатной платы, установленной узкой стороной перпендикулярно антенной решетке высокочастотного диапазона.
Одиночный излучатель высокочастотного диапазона представляет собой электрический вибратор с вектором поляризации под углом 45° к вектору поляризации антенной решетки высокочастотного диапазона.
Суммарно-разностная схема низкочастотного диапазона может быть выполнена в виде копланарной печатной платы, которая закреплена на обратной стороне основания антенны, через коаксиально-полосковые переходы связана с излучателями и имеет коаксиально-полосковые переходы для вывода суммарного и двух разностных сигналов.
На выходе высокочастотной части двухдиапазонной антенной системы получаем СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от одиночного излучателя. На выходе низкочастотной части получаем СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от широкополосной антенны низкочастотного диапазона. Таким образом, предлагаемая двухдиапазонная антенная система формирует 8 независимых выходных СВЧ-сигналов.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлена предлагаемая двухдиапазонная антенная системы, где:
волноводно-щелевая антенная решетка высокочастотного диапазона - 1;
волноводная схема распределения мощности - 2;
излучатель антенной решетки низкочастотного диапазона - 10;
широкополосная антенна в виде излучателя низкочастотного диапазона - 12;
высокочастотный излучатель в виде электрического вибратора - 13.
На фиг. 3 представлена схема многоуровневой системы волноводов предлагаемой двухдиапазонной антенной системы, где:
подрешетка антенной решетки - 3;
излучающий элемент - 4;
прямоугольный излучающий волновод - 5;
возбуждающий волновод - 6;
элемент связи возбуждающего волновода - 7.
На фиг. 4 представлены детали двухдиапазонной антенной системы в порядке их расположения в готовом изделии, где:
волноводная схема распределения мощности - 2;
подводящий волновод - 8;
элемент связи подводящего волновода - 9;
излучатель антенной решетки низкочастотного диапазона - 10;
суммарно-разностная схема (СРС) низкочастотного диапазона - 11.
На фиг. 5 представлен излучатель 10 антенной решетки низкочастотного диапазона.
Пример
u
Двухдиапазонная антенная система включает волноводно-щелевую антенную решетку высокочастотного диапазона частот 1 (K-диапазон) и антенную решетку низкочастотного диапазона (Х-диапазон), выполненную в виде шестнадцати излучателей 10. Волноводно-щелевая решетка высокочастотного диапазона частот 1 выполнена в виде трехуровневой системы волноводов и содержит волноводную схему распределения мощности 2 и излучающую антенную решетку диаметром 164 мм, разделенную на 4 подрешетки 3, излучающие элементы 4 которых выполнены в виде сквозных отверстий в широких стенках параллельно расположенных излучающих волноводов 5. Перпендикулярно волноводам 5 на втором уровне волноводно-щелевой антенной решетки 1 расположены возбуждающие волноводы 6 по одному для каждой подрешетки 3. Каждый излучающий волновод 5 электромагнитно связан через отверстия 7 с возбуждающими волноводами 6.
Каждый возбуждающий волновод 6 электромагнитно связан через отверстия 9 с подводящим волноводом 8, расположенным на третьем уровне. Все подводящие волноводы 8 подрешеток 3 связаны через с волноводной схемой распределения мощности 2.
Суммарно-разностная схема низкочастотной системы выполнена в виде двусторонней печатной платы на копланарных линиях и закреплена на обратной стороне стального основания. Копланарная печатная плата 11 схемы распределения мощности связана с излучателями 10 через коаксиально-полосковые переходы и имеет дополнительные коаксиально-полосковые переходы для вывода суммарного и двух разностных сигналов. Основанием, на которое крепится копланарная печатная плата 11, является обратная сторона апертурной части антенной системы. Шестнадцать излучателей 10 образуют четыре квадранта, причем каждый излучатель 10 расположен между линейными решетками и поляризационно развязан с излучателями 4 антенной решетки высокочастотного диапазона.
Излучатель 10 антенной решетки низкочастотного диапазона выполнен на двусторонней печатной плате и имеет размеры 11×13 мм. Плата установлена узкой стороной перпендикулярно к излучающей антенной решетке высокочастотного диапазона 1.
Широкополосная антенна установлена на излучающей антенной решетке высокочастотного диапазона 1. Излучатель широкополосной антенны низкочастотного диапазона 12 выполнен так же, как излучатель 10, и установлен напротив электрического вибратора высокочастотного диапазона частот 13 с вектором поляризации под углом 45° к вектору поляризации антенной решетки высокочастотного диапазона.
На выходе высокочастотной части двухдиапазонной антенной системы получены СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от одиночного излучателя. На выходе низкочастотной части получены СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от широкополосной антенны низкочастотного диапазона. Итого, двухдиапазонная антенная система формирует 8 независимых выходных СВЧ-сигналов.
Проведенный электродинамический расчет модели антенной системы высокочастотного диапазона и оптимизация результатов позволили получить увеличение коэффициента усиления и снижение уровня боковых лепестков диаграмм направленности. А выбранный способ изготовления деталей антенны по технологии прецизионной лазерной обработки позволил получить максимально близкие к расчетам результаты. Расчеты проводились с учетом взаимовлияния всех элементов антенной системы, полученные характеристики низкочастотной части предлагаемой антенной системы оказались ожидаемо высокими.
Предлагаемое устройство работает следующим образом
В режиме приема высокочастотная часть двухдиапазонной антенной системы работает следующим образом: волноводно-щелевая антенная решетка высокочастотного диапазона 1 принимает падающую на нее волну через излучающие элементы 4 подрешеток 3 расположение которых в широких стенках прямоугольных излучающих волноводов 5 определяется требуемым амплитудным распределением. Принятый сигнал из излучающих волноводов 5 через элементы связи 7 передается в возбуждающие волноводы 6, и далее через элементы связи 9 в подводящие волноводы 8 четырех подрешеток 3. Сигналы из подводящих волноводов 8 поступают на суммарно-разностную схему 2, которая формирует три диаграммы направленности: суммарную и две разностные, по азимуту и углу места.
В режиме передачи сигнал подводится к суммарному входу, с помощью суммарно-разностной схемы 2 делится на четыре равные части, затем через подводящие волноводы 8 поступает в возбуждающие волноводы 6. Из возбуждающих волноводов 6 через элементы связи в виде сквозных отверстий 7 сигнал поступает в излучающие волноводы 5, и через излучающие элементы 4 подрешеток 3 сигнал уходит в свободное пространство.
В режиме приема низкочастотная антенная система работает следующим образом. Низкочастотная антенная решетка принимает падающую волну излучателями 10. Далее сигнал через коаксиальный кабель и коаксиально-полосковый переход передается на суммарно-разностную схему 11. После преобразований в суммарно-разностной схеме формируется три диаграммы направленности: суммарная и две разностные, по азимуту и углу места. Эти сигналы снимаются с коаксиально-полосковых переходов, припаянных к стальному основанию антенной системы.
Предлагаемая двухдиапазонная антенная система позволяет формировать восемь независимых выходных СВЧ-сигналов: четыре на выходе высокочастотной части и четыре на выходе низкочастотной части.
На выходе высокочастотной части двухдиапазонной антенной системы получают СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от одиночного излучателя. На выходе низкочастотной части получают СВЧ-сигналы: суммарный сигнал, угломестный разностный сигнал, азимутальный разностный сигнал, сигнал от широкополосной антенны низкочастотного диапазона. Диаграммы направленности предлагаемой антенны имеют увеличенный коэффициент усиления и сниженный уровень боковых лепестков.