ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА БОРОДИНА
BORODIN'S SLOTTED WAVEGUIDE ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к волноводно-щелевым линейным антеннам и решеткам из них со сканированием луча в поперечной к линейкам плоскости, и может быть использовано в радиотехнических системах, в том числе системах управления воздушным движением, связи, радиолокации, радионавигации, базирующихся как на неподвижных, так и на подвижных объектах. Заявляемое изобретение проектируется для построения аэродромных, трассовых радиолокационных станций (РЛС) системы управления воздушным движением, судовых навигационных РЛС и РЛС с твердотельными модулями на антенне - АФАР (активная фазированная антенная решетка).
Целью изобретения является снижение, т.е. ослабление кроссполяризационного излучения, присущего широко используемым антеннам с наклонными щелями на узких стенках волновода.
Наиболее полно и обстоятельно проблема ослабления кроссполяризационного излучения изложена в статье Л.В.Заводова «Линейная волноводно-щелевая антенная решетка из перпендикулярных щелей на узкой стенке волновода», стр.45-53, в работе «Вопросы радиоэлектроники», серия Общетехническая (ОТ), выпуск 3, Москва, изд. ОАО «ЦНИИ «Электроника», ОАО «Ленинец - холдинг», 2009 г. [1]. В данной работе предлагается антенна, которая выполнена в виде линейной волноводно-щелевой антенной решетки, особенность которой заключается в том, что для борьбы с нежелательными кроссполяризационными боковыми лепестками применяются поперечные щели в узкой стенке волновода. Однако такие щели являются неизлучающими, а для того, чтобы их возбудить, необходимо создать неоднородности таким образом, чтобы появилась составляющая магнитного поля, параллельная щели. В данной статье используется способ возбуждения перпендикулярной щели на основе пары укороченных диафрагм, которые аналогичны широко известным протяженным перекрывающим весь размер широкой стенки диафрагмам, позволяющим ослабить кроссполяризационное излучение, описанные в книге М.С.Жука, Ю.Б.Молочкова, «Проектирование антенно-фидерных устройств», Москва, «Энергия», 1966 г., на 213 стр. [2]. Данные результаты моделирования описываемой конструкции [1] показывают, что уровень кроссполяризационного бокового лепестка (на угле ≈45°) составляет примерно 29 дБ, сниженного от 14 дБ с наклонными щелями.
Известны волноводно-щелевые линейные антенны, в которых также для ослабления кроссполяризации в волноводе на узкой стенке прямоугольного волновода вблизи щели помещают реактивный вибратор, который вносит асимметрию в распределение поля (см. «Антенны сантиметровых волн», перевод с англ. языка, под редакцией Фельда Я.Н., Москва, «Советское радио», 1950 г., стр.281-282. [3]).
Однако все вышеуказанные технические решения являются сложными конструкциями, т.к. их выполнение становится целесообразными лишь тогда, когда волновод вместе с фермой изготавливается методом фрезерования на станках с ЧПУ. Кроме того, ослабление кроссполяризации до 29 дБ данными решениями считается недостаточным в современных условиях, требуется ослабление до 40-43 дБ, которое является целью предложенного изобретения.
Таким образом, выполнение изогнутых вибраторов, диафрагм и др. в указанных технических решениях усложняет конструкцию антенны, а их разработка, компьютерное моделирование и изготовление требует больших трудозатрат. Предлагаемые щели приходится сравнивать как со всеми модификациями поперечных щелей на узкой стенке, так и с наклонными, наиболее распространенными щелями.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является волноводно-щелевая антенна (патент SU №1297143, опубл. 15.03.1987 г. [4]). Целью изобретения является повышение усиления антенны и уменьшение уровня боковых лепестков. В данной волноводно-щелевой линейке щели на узкой стенке возбуждаются поперечными токами на узкой стенке, а синфазность их через λ/2 достигается попеременным наклоном в противоположные стороны. Также имеются поперечные щели, выполненные посредине между переменно наклонными щелями в узкой стенке волновода. При выполнении поперечных щелей на узкой стенке сделан зарез на верхней и нижней широких стенках волновода. Экспериментально установлено, что зарез в каждой широкой стенке h=(7,5λ-tλ)/4, где t - расстояние между переменно наклонными щелями (t≈0,7λ); λ - длина волны в свободном пространстве. То есть h=(1,5λ-0,7λ)/4=0,2*32=6,4 мм - это глубина (длина) зареза в каждую широкую стенку. Общая длина щели равна 10+12,8=22,8 мм. Поперечные щели данной антенны возбуждаются токами, наводящимися электромагнитными полями соседних активных переменно наклонных щелей на внешней поверхности узких стенок прямоугольного волновода.
Однако поперечные щели возбуждаются не только токами, наведенными на внешней стенке волновода, но и противофазными продольными токами бегущей волной по волноводу на противоположных широких стенках волновода на уровне ≈40 дБ при ширине щели ≈2 мм со своей фазой. В данной волноводно-щелевой антенне кроссполяризация не исчезает, т.к. есть наклонные щели, то основной недостаток остается. Коэффициент усиления (КУ) повышается при малом шаге между излучателями в четверть длины волны в волноводе из-за наличия сверхнаправленнности, которая описана в учебнике Сазонова Д.М. на стр.358 «Антенны и устройства СВЧ», Москва, «Высшая школа», 1988 г. [5]. Явление сверхнаправленнности неустойчиво, недиапазонно, считается сомнительным для применения. Однако благодаря повышению КУ уровень лепестков снижается, в том числе кроссполяризационных. Представляется, что в прототипе решение было изначально направлено на снижение кроссполяризационных лепестков. Можно предположить, что, обнаружив увеличение КУ и снижение уровня лепестков, эти свойства отмечают в общем виде, не заостряя внимание, т.е. не подчеркивая кроссполяризационные лепестки.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является существенное ослабление кроссполяризационного излучения антенн с поперечными щелями на узких стенках с попеременным зарезом на широкие стенки (до 40-43 дБ) для аэродромных и трассовых РЛС управления воздушным движением и для РЛС судовой навигации. Кроме того, задачей является упрощение конструкции, снижение трудоемкости при изготовлении, увеличение коэффициента усиления (КУ), коэффициента полезного действия (КПД), повышение электропрочности, надежности антенны и помехозащищенности РЛС.
Техническим результатом является ослабление кроссполяризации до уровня низких боковых лепестков, соответствующих амплитудному распределению. Вследствие этого, исключаются повторы изображений на экранах РЛС при визуальном отображении сканируемых объектов, и повышается помехозащищенность. Кроме того, повышается коэффициент усиления (КУ), коэффициент полезного действия (КПД), повышается надежность работы антенны, увеличивается электропрочность. Также техническим результатом является упрощение конструкции и снижение трудоемкости при изготовлении, что обеспечивает снижение стоимостных показателей.
Для достижения указанных технических результатов в волноводно-щелевой антенне, включающей образующие решетку линейки, имеющие прямоугольный волновод с оконечной нагрузкой, в котором на узкой стенке выполнены поперечные щели с шагом между ними, близким к половине длины волны в волноводе, причем поперечные щели на узкой стенке имеют зарезы на широкие стенки волновода, при этом зарезы поперечных щелей на широкие стенки волновода выполнены с неодинаковым продлением на широкие стенки, причем каждая последующая щель на узкой стенке имеет зарез поочередно на верхней и нижней широких стенках, а в вертикальной плоскости используется фазная решетка, которая позволяет увеличить шаг между линейками (≈14%) при ограниченном секторе сканирования (±23-30°).
Для расчета и анализа семейств графиков амплитуды и фазы проходящей, излученной и отраженной волны поперечной щели на широкой и узкой стенках волновода составлена подпрограмма к программе Ansoft HFSS. На фиг.1 - «Модель устройства», фиг.2 - «Параметры щели (амплитуда)», фиг.3 - «Параметры щели (фаза)» приведены сведения о такой компьютерной модели и результаты расчета параметров (свойств) для поперечной щели на узкой стенке с разным по длине зарезом на широкую стенку. Из расчета следует, что перепад ответвленной мощности от очень малой 45 дБ до большой 5 дБ позволяет создавать любое амплитудное распределение, в том числе с очень низким уровнем боковых лепестков. При этом фаза проходящей и ответвленной волны практически не изменяется. Малое изменение фазы 5° проходящей волны при сильной связи для синфазности может быть исправлено шагом между щелями. Таким образом, величина зареза разная, обеспечивающая необходимое (желаемое), ожидаемое квазиоптимальное амплитудное распределение и допустимую мощность в нагрузку. Например, для СН РЛС на волноводе 23*10 мм на волне λ=32 мм для луча 1° с числом щелей =108 глубина зареза на широкие стенки изменяется медленно от 4 мм до 15 мм в соответствии с расчетом на амплитудное распределение с уровнем лепестков R=34 дБ с участками с одинаковой глубиной зареза на широкие стенки. Такая антенна не излучает кроссполяризации по сравнению с широко распространенными антеннами с наклонными щелями.
Следует отметить, что в антенных полотнах с переменно наклонными щелями на узкой стенке волновода кроссполяризационная составляющая автоматически получается противофазной в соседних щелях в горизонтальной плоскости (вдоль линейки), что ведет к наличию двух лучей (лепестков) на кроссполяризации примерно под 45° от нормали к антенне в горизонтальной плоскости. Для уменьшения их в 2 раза применяют противофазное полотно в вертикальной плоскости. А при замене наклонных щелей на поперечные нет кроссполяризационного излучения и соответственно, нет необходимости делать полотно в вертикальной плоскости противофазным, его следует делать фазным. Тогда для синфазности полотна и делитель мощности на линейки должен быть фазным для аэродромных трассовых РЛС. При этом при умеренном секторе сканирования (±23-30°) вторичные лучи будут дальше от нормали (основного луча), чем были кроссполяризационные разностные лучи при наклонных щелях. Это означает, что можно увеличить шаг между линейками при переходе на поперечные щели. Для одинаковых размеров антенны и секторов сканирования ±23° число линеек с поперечными щелями уменьшается на 14%, и, соответственно, уменьшается на столько же трудоемкость и стоимость антенны.
Отличительным признаком от прототипа, является то, что в антенне применены поперечные щели на узкой стенке прямоугольного волновода с попеременным неодинаковым зарезом на широкие стенки волновода. При этом в вертикальной плоскости антенны используется фазная решетка, которая позволяет при ограниченном секторе сканирования (±23-30) увеличить шаг между линейками (≈14%), снижая трудоемкость (14%). Дополнительно для СН РЛС, линейка размещена в коробчатом рупоре для обужения диаграммы направленности в поперечной плоскости до 20-26° и повышения коэффициента усиления.
Применение коробчатого рупора обеспечивает необходимое повышение КУ благодаря сужению диаграммы направленности до 20-26°. Преимущество использования коробчатого рупора состоит в меньшем объеме его размеров как по глубине, так и в плоскости Н, благодаря формированию в раскрыве его противофазности типов волн Н10 и Н30, что приводит практически к равномерному амплитудному распределению, соответственно, наиболее узкой диаграмме направленности (см. М.С.Жук, Ю.Б.Молочков, «Проектирование антенно-фидерных устройств», Москва, «Энергия», 1966 г., стр.631, [6]). Кроме того, изначально представлялось, что наибольшее удаление сразу стенок рупора от щелей окажет наименьшее влияние на проводимость щелей, соответственно, допустимость расчета проводимости щелей по формулам для одной щели в свободном пространстве. Это подтвердилось по совпадению компьютерным моделированием графиков связи щели в рупоре и в свободном пространстве.
Повышение КУ, по сравнению с решетками с наклонными щелями, достигается за счет устранения затрат на кроссполяризационное излучение до 10% [1].
Предлагаемое изобретение подробно иллюстрируется графическими материалами на фиг.1-9.
На фиг.1 представлена «Модель устройства».
На фиг.2 представлен график «Параметры щели (амплитуда)».
На фиг.3 представлен график «Параметры щели (фаза)».
На фиг.4 представлена антенна с поперечными щелями на узкой стенке с попеременным выходом на одну и другую широкую стенку в аксонометрии.
На фиг.5 вид по А фиг.4.
На фиг.6 представлена антенна, вид спереди.
На фиг.7 представлено сечение по Б-Б (см. фиг.6).
На фиг.8 представлено сечение по В-В (см. фиг.6).
На фиг.9 представлена антенна с поперечными щелями на узкой стенке с попеременным выходом на одну и другую широкую стенку в аксонометрии в коробчатом рупоре.
2
2
1
2
2
1
2
Волноводно-щелевая линейная антенна включает в себя образующие решетку линейки, имеющие прямоугольный волновод 1, на узкой стенке которого выполнены поперечные щели 2 с зарезами на одной, например, на верхней широкой стенке волновода 1 и поперечные щели 3 с зарезами на другой, например, на нижней широкой стенке волновода 1. Также антенна включает в себя фланец 4 с одной стороны волновода 1 и фланец 5 с другой стороны волновода 1 и оконечную нагрузку (на чертеже не показана). Волновод 1 выполнен в виде трубы прямоугольного сечения a×b, где а - это широкая стенка волновода, а b - узкая стенка волновода. В волноводе на узкой стенке выполнены щели 2 и 3. Щели 2 и 3 размещены друг от друга на расстоянии d. Щели 2 выполнены шириной t во всю ширину узкой стенки с выходом на нижнюю широкую стенку на величину h. Щели 3 выполнены шириной t на верхней стенке волновода во всю ширину узкой стенки с выходом на широкую стенку на величину h. Таким образом, величина h на щели 2 и величина h на щели 3 является зарезом на широкой стенке волновода, причем зарезы выполнены попеременно и чередуются, т.е. каждая последующая щель на узкой стенке имеет зарез поочередно на верхней и нижней широких стенках.
На выходах волновода 1 размещены фланцы 4 и 5. Фланец 4 является входом антенны, на фланце 5 установлена нагрузка. Рупор 6 размещен на волноводе 1 со стороны стенки с щелями 2 и 3 (см. фиг.9).
Сущность работы данного изобретения заключается в том, что поперечные щели на узкой стенке в антенне возбуждаются от зареза на широкой стенке попеременно через λ/2, т.е. противофазными продольными токами на широких стенках в отличие от наклонных щелей на узкой стенке, которые возбуждаются поперечными токами на узкой стенке, а синфазность их через λ/2 достигается попеременным наклоном в противоположные стороны. Поочередное выполнение зарезов на узкой стенке с выходом на широкую стенку обеспечивает работу линейки в таком режиме, когда фаза в щелях практически не изменяется, перепад амплитуды благоприятен для создания антенн с низким уровнем лепестков. При больших проводимостях некоторые изменения фазы могут быть учтены изменением шага между щелями.
Таким образом, волноводно-щелевая антенна обеспечивает устранение кроссполяризационного излучения, благодаря этому повышается коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, надежность, снижается трудоемкость, стоимость, а кроме того, повышается помехозащищенность радиолокационных станций (РЛС).