Антенная система с механическим сканированием диаграммы направленности
ANTENNA SYSTEM WITH DIRECTION PATTERN MECHANICAL SCANNING

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании антенных систем в радионавигации и радиолокации.
При создании различных радионавигационных (радиолокационных) устройств возникает задача создания антенн, обеспечивающих сканирование (качание) луча диаграммы направленности (в том числе и сканирование диаграммы направленности специальной формы) в сравнительно небольшом секторе, например в радиолокаторах, предназначенных для управления воздушным движением. Антенна должна иметь высокую надежность, низкую стоимость и высокую технологичность и выдерживать большие механические нагрузки.
В качестве антенны, обеспечивающей сканирование луча диаграммы направленности, возможно использование фазированной антенной решетки. Однако фазированные антенные решетки сложны в изготовлении, имеют сложную систему контроля и управления, и как следствие имеют высокую стоимость и большие эксплуатационные расходы (Антенны и устройство СВЧ. Д.М. Сазонов. М., «Высшая школа», 1988, стр. 396).
Для обеспечения сканирования луча диаграммы направленности можно также использовать зеркальные антенны. Использование таких антенн экономически предпочтительно, т.к. эти антенны имеют значительно меньшую стоимость и меньшие эксплуатационные расходы. Сканирование в таких антеннах, как правило, осуществляется:
- изменением положения всей антенны (зеркала с входящими в него излучателями, контррефлектором и т.п.),
- изменением положения части антенны (облучателя) относительно зеркала антенны;
Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения, состоящем из сканирующего устройства облучателя, рефлектора, контррефлекторов, выполненным таким образом, что центр подвеса и ось вращения антенны совмещены с центром подвеса и осью вращения сканирующего устройства, которое выполнено в виде двух отрезков круглого волновода, один из которых жестко закреплен, а его конец выполнен расширяющимся в виде конического рупора, другой отрезок - подвижный выполнен в виде круглого волновода, на одном конце которого стенки скошены на конус с внешней стороны, а на другом конце связаны с рупорным облучателем антенны, причем подвижный волновод со скошенными стенками введен в конический рупор с зазором, центр подвеса сканирующего устройства совмещен с центром плоскости торцевого среза волновода с сужающимися стенками, а ось вращения проходит через этот центр, при этом подвижный отрезок волновода и облучатель могут быть жестко соединены с рефлектором и контррефлектором зеркальной антенны или элементами любой другой антенны (Патент РФ №2109375, H01Q 3/06, 1998).
Указанное устройство имеет следующие недостатки:
- для сканирования (качания) луча диаграммы направленности необходимо «качание» всей антенной системы с входящими в нее узлами (рупор, отрезок подвижного волновода, рефлектор), которые имеют большую массу, что приводит к увеличению мощности двигателей, обеспечивающих «качание» антенной системы, увеличению инерционности всей системы (увеличение времени качания), уменьшению точности установки положения антенны и снижению надежности;
- наличие зазора в месте стыка волноводов приводит к излучению и, как следствие, к увеличению потерь СВЧ сигнала в фидерном тракте и искажению диаграммы направленности.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является антенная система, содержащая рефлектор (зеркало) и подвижный облучатель. В качестве излучателя можно использовать практически любые виды антенн, например вибраторный, состоящий из активного вибратора и контррефлектора в виде металлического диска или пассивного вибратора. (Антенны и устройство СВЧ. B.C. Филипов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев. Под ред. проф. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994. Стр. 91). Сканирование (качания) луча диаграммы направленности осуществляется «посредством смещения облучателя из фокуса» (Микроволновые антенны (антенны сверхвысоких частот), Р. Кюн, перевод с немецкого, Ленинград, изд. Судостроение, 1967, стр. 363).
В данной антенной системе для сканирования диаграммы направленности нет необходимости «качать» всю антенную систему с входящими в нее узлами, что существенно снижает мощность двигателя, обеспечивающего «качание» антенной системы, уменьшает инерционность (сокращает период качания). Отсутствуют разрывы фидерного тракта, что уменьшает искажение диаграммы направленности. Однако эта антенная система имеет следующие недостатки:
- громоздкость, протяженность тракта и большие вносимые потери, низкую технологичность при изготовлении и низкую надежность. Это вызвано необходимостью смещения облучателя из фокуса, которое требует использования в фидерном тракте устройств, обеспечивающих многократное перемещение (поворот, изгиб) фидерных линий, что приводит к использованию большого количества высокочастотных элементов и их соединений. Для обеспечения поворота диаграммы направленности на определенный угол необходимо смещение облучателя точно по определенной кривой, что приводит к усложнению устройства смещения облучателя. Устройства, обеспечивающие многократный поворот (изгиб) фидерных линий, имеют, как правило, сложную конструкцию, высокую стоимость, обусловленную низкой технологичностью при изготовлении, и низкую надежность. Кроме того, в некоторых устройствах, реализованных практически, необходимо использовать переключатель (Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с английского под редакцией Г.Т. Маркова и А.Ф.Чаплина, M.: изд. «Сов. радио», 1966 г., стр. 303);
- сложность сканирования диаграммой направленности специальной формы без ее искажения. Так, для образования диаграммы направленности специальной формы используется зеркало в виде поверхности двойной кривизны (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, стр 242-246), следовательно, смещение облучателя из фокуса зеркала в виде поверхности двойной кривизны приводит к большим искажениям диаграммы направленности, причем искажение происходит в обеих плоскостях. Еще большие трудности возникают, если для образования диаграммы направленности специальной формы используется не точечный облучатель, а излучатель в виде линейной решетки вибраторов (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, стр 243), так как в этом случае происходит смещение не одного облучателя, а линейной решетки вибраторов, имеющей значительные размеры.
Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение потерь СВЧ сигнала, упрощение конструкции и увеличение надежности при сохранении малой инерционности антенной системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенной системе, содержащей рефлектор, облучатель в виде либо одного вибратора, либо линейной решетки вибраторов, вибратор (линейная решетка) имеет уголковый рефлектор, причем облучатель установлен неподвижно относительно рефлектора, а уголковый рефлектор имеет возможность перемещения относительно линейной решетки.
Известны антенны с механическим сканированием, у которых смещается контррефлектор относительно излучателя (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М.: «Энергия», 1973, стр. 114-115), в которых перемещение (качание) металлической пластины (контррефлектора) позволяет «перемещать изображение облучателя (виртуального облучателя)» Однако в данном устройстве виртуальный облучатель находится с противоположной относительно пластины стороне, что неизбежно приводит к затенению реальным облучателем рабочей поверхности основного зеркала, и как следствие - к искажению диаграммы направленности. Особенно заметным искажение диаграммы направленности при сканировании оказывается при использовании облучателя в виде линейной решетки вибраторов, так как в этом случае необходимо использование устройства фидерного питания, выполненного по последовательной или параллельной схемам (Антенны и устройства СВЧ. Н.Т. Бова, Г.Б. Резников. Киев: «Вища школа», 1982, стр. 260-261). Соответственно, устройство фидерного питания имеет довольно большие поперечные размеры (порядка нескольких длин волн), Следовательно, площадь затенения будет весьма значительной, кроме того, эта площадь затенения зависит от угла поворота пластины (чем больше угол поворота пластины, тем больше площадь затенения), что приводит к зависимости искажения формы диаграммы направленности от угла поворота (чем больше угол поворота пластины, тем больше искажение формы диаграммы направленности). Уменьшение площади затенения возможно за счет перемещения устройства фидерного питания, но это приводит к увеличению мощности двигателей, обеспечивающих совместное перемещение пластины и устройства фидерного питания, увеличение инерционности всей системы (увеличение времени качания), кроме того, возникает необходимость использования в фидерном тракте устройств, обеспечивающих многократное смещение (поворот, изгиб) фидерных линий, и все это приводит к увеличению потерь СВЧ сигнала, усложнению конструкции и снижению надежности.
Таким образом, рассмотренные конструктивные признаки данных устройств либо не позволяют обеспечить сканирование диаграммы направленности специальной формы без ее искажения, либо приводят к увеличению потерь СВЧ сигнала, усложнению конструкции, увеличению инерционности всей системы и снижению надежности.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемым к нему чертежей:
на фиг. 1 показана предлагаемая антенная система с механическим сканированием диаграммы направленности;
на фиг. 2 показан принцип работы предлагаемой антенной системы.
Антенная система с механическим сканированием диаграммы направленности содержит: рефлектор 1, который может быть выполнен в виде зеркала, облучатель в виде излучателя 2 с уголковым рефлектором 3. При этом излучатель 2 установлен неподвижно относительно рефлектора 1, а уголковый рефлектор 3 имеет возможность перемещения (качания) относительно плоскости излучателя 2. Облучатель, состоящий из излучателя 2 и уголкового рефлектора 3, представляет собой уголковую антенну. Если облучатель 2 лежит в бисекторальной плоскости, то образуется уголковая антенна с симметричным возбуждением, если облучатель 2 вынесен в сторону от бисекторальной плоскости, то образуется уголковая антенна с несимметричным возбуждением (Проектирование антенно-фидерных устройств. Жук М.С.и Молочков Ю.Б. М.: «Энергия», 1966, стр. 330, 342).
Рефлектор 1 может быть выполнен в виде любой отражающей поверхности, например, в виде зеркала.
Излучатель 2 может иметь различное исполнение, например в виде многовибраторной антенны (Антенны УКВ. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, часть 2. M.: Связь, 1977. Стр. 123) или в виде волноводно-щелевой антенны (АС СССР №1587612, H01Q 3/10, 1990). В волноводно-щелевой антенне роль вибраторов играют поперечные щели, прорезанные в прямоугольном волноводе, а роль углового рефлектора 3 выполняют две металлические пластины, расположенные вдоль оси отрезка волновода.
Уголковый рефлектор 3 обычно выполняется в виде металлических пластин, расположенных вдоль оси решетки излучателей 2.
Антенная система с механическим сканированием диаграммы направленности работает следующим образом (см. Фиг 2).
Решетка излучателей 2 с уголковым рефлектором 3 облучает рефлектор (зеркало) 1. Диаграмма направленности определяется формой рефлектора 1 и диаграммой направленности облучателя, состоящего в данном случае из излучателя 2 с уголковым рефлектором 3.
Рассмотрим изменение диаграммы направленности при изменении положения уголковых рефлекторов 3 относительно излучателя 2. Известно, что направление максимального излучения изменяется при изменении положения уголковых рефлекторов 3 (Антенны УКВ. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, часть 2. M.: Связь, 1977. Стр. 126-127. Проектирование антенно-фидерных устройств. Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М.: «Энергия», 1966, стр. 342-347). Таким образом, изменение положения уголковых рефлекторов 3 приводит к изменению направления главного луча диаграммы направленности облучателя. На Фиг. 2 показано изменение направления главного луча диаграммы направленности при разных положениях уголковых рефлекторов 3 (сплошная и пунктирные линии). Как видно из рисунка, изменение направления главного луча диаграммы направленности облучателя приводит к облучению другого участка рефлектора 3, а это, в свою очередь, приводит к изменению направления главного луча диаграммы направленности антенной системы, т.е. к сканированию диаграммы направленности заявляемой антенной системы. Изменение облучаемых участков для сканирования диаграммы направленности применяется в различных типах антенн, например антенна типа «песочные часы» (Зеркальные сканирующие антенны Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, стр. 249). Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществить сканирование диаграммы направленности.
Смещение (поворот) только уголковых рефлекторов 3 позволяет не только осуществлять сканирование диаграммой направленности без искажения, но и позволяет по сравнению с антенной системой, взятой за прототип, уменьшить потери, упростить конструкцию, увеличить надежность при сохранении малой инерционности всей системы, поскольку:
- сканирование диаграммой направленности осуществляется за счет перемещения той части облучателя, которая не связана с подводящим к нему энергию фидерным трактом. При этом исчезает необходимость использования в фидерном тракте соединений, обеспечивающих многократное перемещение (поворот, изгиб) фидерных линий с большим количеством высокочастотных элементов и их соединений, вносящих большие потери, имеющих сложное конструктивное исполнение, низкую технологичность изготовления и невысокую надежность;
- в качестве облучателя применяется уголковый отражатель, подвижная часть (уголковые отражатели 3) которого имеет небольшую массу, что позволяет осуществлять быстрое сканирование диаграммы направленности, и не требует для изменения положения сложных механизмов и двигателей большой мощности.
Для образования диаграммы направленности специальной формы используют излучатель в виде линейной решетки вибраторов, имеющей, как правило, значительные размеры (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, стр. 243). Предложенное техническое решение позволяет осуществлять сканирование диаграммы направленности специальной формы без ее искажения за счет перемещения относительно неподвижной решетки излучателей 2 уголкового рефлектора 3. При этом по сравнению с прототипом происходит уменьшение потерь СВЧ сигнала, упрощение конструкции, увеличение надежности при сохранении малой инерционности антенной системы, а двигатель, обеспечивающий сканирование диаграммы направленности, может иметь малую мощность, что уменьшает энергопотребление всего устройства.
Применение уголкового отражателя, состоящего из отдельных и независимых участков, т.е. участков, имеющих возможность независимого перемещения относительно неподвижной решетки излучателей, позволяет получить различные виды диаграммы направленности.
Использование данного изобретения позволяет создать антенную систему с механическим сканированием диаграммы направленности с малыми потерями, при упрощении конструкции и увеличении надежности, при сохранении малой инерционности всей системы, малой мощности двигателя, а также создать антенную систему, обеспечивающую сканирование диаграммы направленности, в том числе и специальной формы, без ее искажения.