МНОГОМОДОВАЯ ВОЛНОВОДНАЯ РЕШЕТКА ВАН-АТТА

Предлагаемая полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для противорадиолокационной маскировки объектов, создания ложных целей, постановки различного рода пассивных, полуактивных и активных помех.
Известен электродинамический антенный отражатель Ван-Атта («Electromagnetic reflector», патент США US 2908002, 1959 г.). Эта антенная решетка (решетка Ван-Атта) из N-пар волноводных антенн в виде открытых концов волноводов или рупоров, расположенных вдоль прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, попарно соединенных между собой фидерами одинаковой длины следующим образом: 1-й с 2n-ым; 2-й с (2n-1)-ым и т.д.
Принцип работы этого устройства заключается в следующем. В процессе работы электромагнитная волна, попадая в раскрыв 1-го элемента решетки, расположенного симметрично относительно геометрического центра решетки, передается по соединительным линиям равной длины к 2n-му элементу со 2-го - на (2n-1) и т.д. В таком случае, сигналы, принятые и переизлученные элементами решетки, проходят одинаковый путь и получают одинаковый набег фазы. Исходя из этого, происходит переотражение падающей электромагнитной волны.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является внесение соединительными трактами потерь и фазовых искажений.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: волноводные излучатели, соединительные тракты одинаковой длины.
Известна решетка Ван-Атта («Van-Atta array antenna device», патент США US 3496570, 1970 г.), содержащая множество антенных элементов, расположенных на равных расстояниях друг от друга, каждая пара элементов расположена симметрично относительно центра антенной решетки; соответствующие фидеры, попарно соединяющие каждые два элемента, имеют одинаковую длину. Конструкция данного устройства отличается от общепринятой конструкции решетки Ван-Атта наличием диэлектрической пластины установленной за излучателями. Параметры диэлектрика материала пластины предварительно выбирают для получения отраженной от границы раздела «воздух-диэлектрик» волны, уровень которой приблизительно равен волне, отраженной от самой решетки. Поскольку в конечном итоге направление двух лучей (отраженного от поверхности пластины и прошедшего через пластину) одинаковое, и они имеют противоположные фазы, они имеют тенденцию уравновешивать друг друга. С этой целью толщину диэлектрической пластины выбирают из расчета четверти длины волны.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, как и в предыдущем аналоге, являются наличие потерь и фазовых искажений в соединительных трактах, вследствие которых невозможно получить широкую моностатическую диаграмму обратного рассеяния.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: излучатели решетки, соединительные тракты одинаковой длины.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является самофазирующаяся антенная решетка из n пар скошенных волноводов в разные стороны (патент RU 2428776, опубликован 10.09.2011). Сущность изобретения заключается в следующем: в заявленном устройстве антенны в виде открытых концов волноводов каждой пары имеют скошенные раскрывы в разные стороны под углом плюс/минус α от 15° до 89° градусов (±α=от 15° до 89°) к оси антенны, а волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом раскрывы левых антенн пар образуют с раскрывами правых антенн пар клин с углом при вершине β°, равным от 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°).
Причиной, препятствующей достижению технического результата является использование в конструкции решетки линий передач с высоким уровнем вносимых потерь и фазовых искажений, получаемых за счет использования дисперсных линий передачи.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: волноводные излучатели, соединительные тракты.
Выгодным отличием от прототипа является расширение сектора углов моностатической диаграммы обратного рассеяния.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, является снижение фазовых потерь и искажений, вносимых соединительными трактами, и, как следствие, получение за счет этого более широкой моностатической диаграммы рассеяния.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является использование в качестве соединяющих трактов недисперсных линий передачи, работающих в многомодовом режиме и осуществляющих инвертирование фронта падающей волны без искажений.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается тем, что в раскрывах излучателей установлены возбуждающие штыри, нижняя пара которых расположена посередине широкой стенки первого и второго излучателя решетки, а две верхние пары расположены равноудаленно на расстоянии четверти длины широкой стенки волновода, при этом соединительные тракты подключены с помощью соединительных разъемов равноудаленно, длина штырей выбрана из соображений минимизации коэффициента стоячей волны в трактах, а в качестве излучателей используются многомодовые волноводы.
На фиг. 1, 2 представлена конструкция заявленного устройства, где:
1, 2 - первый и второй излучатель решетки в виде отрытого конца волновода;
3, 4, 5 - возбуждающие штыри первого излучателя решетки;
6, 7, 8 - возбуждающие штыри второго излучателя решетки;
9, 10, 11 - соединительные тракты излучателей решетки.
12, 13, 14, 15, 16, 17 - соединительные разъемы.
На фиг. 3 приведена моностатическая диаграмма рассеяния волноводной решетки Ван-Атта
10
20
30
10
20
Работает устройство следующим образом. Амплитудно-фазовое распределение волнового поля принимаемого сигнала в раскрыве первой антенны 1 фиг. 1 в виде открытого конца волновода пары антенной решетки снимается с помощью системы штырей 3, 4, 5 фиг. 1, и через одномодовые линии передачи 9, 10, 11 фиг. 2 передается с помощью системы штырей 6-8 фиг. 1 в переизлучающую апертуру второго излучателя решетки 2 фиг. 1 и излучается в свободное пространство в виде отраженного сигнала. При этом соединительные тракты излучателей решетки 9, 10, 11 подключены с помощью соединительных разъемов 12, 13, 14, 15, 16, 17 равноудаленно. Размещение возбуждающих штырей 3, 4, 5 и 6, 7, 8 в волноводах 1 и 2 фиг. 1 выбрано из соображения возбуждения трех типов волн Н, Н, Н: штыри 4, 7 расположены посередине нижней стенки волновода 1 первого излучателя решетки и 2 второго излучателя решетки соответственно (для волны Н), штыри 3, 5, 6, 8 располагаются на расстоянии четверти длины верхней стенки волновода 1, 2 излучателей решетки (для волны Н), а длина штырей 3-8 выбрана из соображений минимизации коэффициента стоячей волны в трактах. Таким образом, за счет синфазной передачи в волноводах только распространяющихся типов волн сигнал можно передать без существенных фазовых искажений по всей длине раскрыва волновода в переизлучающую структуру.
Использование в качестве излучателей решетки Ван-Атта многомодовых волноводов, то есть волноводов, поперечные размеры которых обеспечивают распространение не только основной, но и высших типов волн, обусловлено возможностью обеспечить моностатическую диаграмму рассеяния такой решетки в несколько раз шире (по сектору углов), чем у одномодовых волноводов.
Поясним выбор недисперсных линий передачи в качестве соединительных трактов излучателей решетки Ван-Атта для обеспечения максимально широкой моностатической диаграммы рассеяния.
Моностатическая диаграмма рассеяния решетки Ван-Атта:
где первое слагаемое обозначает апертурную составляющую поля, то есть поле, принятое апертурой первого излучателя, переданное по соединительным трактам в апертуру второго излучателя и излучаемое в свободное пространство, а второе слагаемое - структурную составляющую, то есть поле, отраженное непосредственно от фланца:
T
В элементах решетки Ван-Атта (фиг.1) в линиях передачи одинаковой длины могут распространяться N - волн. Поскольку каждая из мод распространяется в волноводе со своей скоростью  (с - скорость света), то в процессе распространения по волноводу фронт падающей волны существенно искажается. Для обеспечения максимально широкой моностатической диаграммы рассеяния достаточно передать из апертуры первого излучателя решетки 1. фиг. 1 в апертуру второго излучателя решетки 2 фиг. 1 синфазно все возбужденные в них распространяющиеся типы волн. Фактически это означает неискаженное амплитудно-фазовое распределение из апертуры в апертуру.
Этого можно добиться с помощью системы штырей 3-5 фиг. 1, снимающих амплитудно-фазовое распределение поля в апертуре первого излучателя 1 фиг. 1 с заданной точностью, и передающих его в апертуру другого излучателя с помощью соединительных трактов, являющихся одномодовыми линиями передачи 9-11 фиг. 2.
Таким образом, соединительные тракты 9-11 фиг. 1 в многомодовом режиме в процессе передачи сигнала от принимающей апертуры первого излучателя решетки 1 фиг. 1 к излучающей апертуре второго излучателя решетки 2 фиг. 1 осуществляют инвертирование фронта падающей волны без искажений. Это, в свою очередь, обеспечивает такой решетке Ван-Атта максимально широкую моностатическую диаграмму отражения.
10
20
30
В качестве примера на фиг. 3 приведена нормированная моностатическая диаграмма рассеяния в плоскости вектора Н решетки Ван-Атта с одной парой волноводных излучателей. Волноводы вплотную прилегают друг к другу. В таких волноводах может распространяться три типа волн Н, Н и Н. В качестве соединительных передачи выбраны три коаксиальные линии. Как видим, даже такая простая конструкция из одной пары трехмодовых излучателей позволяют реализовать моностатическую диаграмму рассеяния с сектором углов ±45° по уровню минус 3 дБ.
2
Таким образом, модель решетка Ван-Атта, построенная на многомодовых волноводах, обеспечивающих синфазное распространение всех возбуждаемых типов волн, имеет максимально широкую моностатическую диаграмму отражения (1+sin φ).
Настоящая полезная модель имеет максимально широкую моностатическую диаграмму отражения. Она направлена на увеличение дальности действия радиолокационных и навигационных систем, повышение точности их действия, обеспечение противорадиолокационной маскировки объектов, расширение емкости каналов связи и может быть использована при создании высокоэффективных управляемых искусственных отражателей для различных областей техники, например, радиолокации - в качестве радиолокационных отражателей с управляемыми характеристиками, имитаторов ложных целей и постановщиков помех; навигации - в качестве навигационных знаков и маркеров; радиосвязи - новейшие системы ретродирективного переизлучения сверхширокополосных импульсных сигналов.