РЕЗОНАНСНАЯ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА
RESONANCE SLOTTED WAVEGUIDE ANTENNA

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, работающих в двух различных диапазонах, например антенн систем вторичной радиолокации, предназначенных для управления воздушным движением, причем в одном диапазоне происходит передача сигнала, в другом - прием. Антенна должна иметь небольшой вес, низкую стоимость и высокую технологичность и выдерживать большие механические нагрузки. Этими свойствами обладают резонансные волноводно-щелевые антенны, выполненные на основе волноводов, резонаторов или полосковой линии. (Антенны и устройство СВЧ. B.C.Филипов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского. М., Радио и связь, 1994.).
Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения - резонансной волноводно-щелевой антенне, содержащей прямоугольный волновод, в одной из стенок которого выполнены излучающие щели, и короткозамкнутый поршень, расположенный на конце антенны, причем расстояние между щелями кратно половине длины волны в волноводе. (Антенны УКВ. Г.3.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин. Ч. 2. М., Связь, 1977.) обеспечивается небольшой вес, низкая стоимость, высокая технологичность.
Однако этой антенне присущ следующий недостаток: так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны и коэффициент отражения системы становится большим. Это рассогласование можно компенсировать на входе антенны с помощью элемента настройки (обычно это  короткозамкнутый поршень), но уже при малых изменениях частоты согласование нарушается и, следовательно, антенна останется узкополосной. (Антенны и устройство СВЧ. B.C.Филипов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского. М., Радио и связь, 1994.). Причем при изменении частоты меняется не только согласование антенны, но и другие параметры. На частотах, отличных от резонансной, расстояние между излучателями не равно половине длины волны и поэтому щели в антенне возбуждаются неравномерно и несинфазно, что приводит к искажению диаграмм направленности. Расширение полосы возможно за счет уменьшения количества щелей (Антенны УКВ. Г.3.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин. Ч. 2. М., Связь, 1977.), но это неизбежно приводит к увеличению ширины главного лепестка диаграммы направленности, что крайне нежелательно. Широкая диаграмма направленности не позволяет обеспечить высокое разрешение по угловым координатам, а для обеспечения требуемой зоны обслуживания увеличение ширины главного лепестка диаграммы направленности приводит к необходимости увеличения излучаемой мощности передатчика, повышения чувствительности приемной аппаратуры. Все это приводит к значительному усложнению всего изделия и к увеличению его стоимости. Кроме того, невозможно обеспечить согласование в том случае, если антенна предназначена для работы в двух достаточно далеко разнесенных диапазонах частот.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является волноводно-щелевая антенна (авт.св. СССР №1171887, H01Q 13/10,1985), содержащая прямоугольный волновод, в одной из стенок которого выполнены излучающие щели, возбудитель моды Hoi, поглощающую нагрузку, объемный резонатор, установленный снаружи прямоугольного волновода и соединенный с ним отверстием связи, полупроводниковый коммутатор, установленный внутри прямоугольного волновода между поглощающей нагрузкой и последней излучающей щелью на расстоянии от нее, равном четверти длины волны в прямоугольном волноводе, соответствующей положению луча по нормали к оси антенны, детектор, размещенный в объемном резонаторе, и усилитель-ограничитель, при этом детектор, усилитель-ограничитель и полупроводниковый коммутатор соединены последовательно.
Эта антенна обладает большей широкополосностью, так как антенна является согласованной не только на частоте, соответствующей положению луча по нормали к оси антенны, но и на других частотах, однако при изменении частоты изменяется направление главного лепестка диаграммы направленности. Это делает невозможным использование данной антенны для решения задач по обеспечению работоспособности систем вторичной радиолокации. В системах вторичной радиолокации для обеспечения их работоспособности необходимо, чтобы антенна на разных частотах, по крайней мере, имела одно и то же направление главного лепестка диаграммы направленности.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение рабочего диапазона частот без ухудшения коэффициента направленного действия и согласования антенны при сохранении направления главного лепестка диаграммы направленности, а также низкой стоимости и высокой технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что в волноводную линию, на одной из стенок которой находятся излучающие элементы, а на конце - элемент настройки, введены фазосдвигающие устройства, установленные между излучающими элементами и между излучающим элементом и элементом настройки, причем фазосдвигающие устройства в широких пределах меняют фазу проходящего СВЧ сигнала в зависимости от уровня его мощности.
Известны устройства, использующие при работе разность уровней мощности приходящих СВЧ сигналов (Лебедев И.В., Шнитников А.С., Купцов Е.И. Твердотельные СВЧ ограничители проблемы и решения (обзор). Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника, 1985, т.28, №10). Однако эти устройства выполняют либо защиту приемных устройств от мощного сигнала (СВЧ ограничители), либо присоединение (переключения) входа устройства к одному из его выходов (например, переключатели прием - передача), т.е. выполняют иную техническую задачу.
Известны устройства, меняющие в широких пределах фазу проходящего СВЧ сигнала (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., Радио и связь, 1984). Однако во всех известных фазосдвигающих устройствах изменение фазы происходит не за счет разности уровней проходящей мощности, а за счет подачи внешнего управляющего низкочастотного сигнала и не зависит от уровня проходящей мощности. Использование внешних управляющих низкочастотных сигналов для получения необходимого фазового сдвига проходящего СВЧ сигнала приводит к увеличению массогабаритных показателей, увеличению энергопотребления, уменьшению надежности, ухудшению технологичности, увеличению стоимости антенны.
Таким образом, рассмотренные конструктивные признаки данных устройств либо применены в нем по иному назначению либо приводят к увеличению массогабаритных показателей, увеличению энергопотребления, уменьшению надежности, то есть не могут обеспечить работу волноводно-щелевой резонансной антенны на двух различных частотах при сохранении низкой стоимости и высокой технологичности антенны.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 показана предлагаемая волноводно-щелевая антенна.
Волноводно-щелевая антенна содержит волноводную линию 1, на одной из стенок которой находятся излучающие элементы 2, на конце волноводной линии находится элемент настройки 3 (короткозамкнутый поршень) и фазосдвигающие устройства 4, установленные в промежутках между излучающими элементами 2, а также фазосдвигающее устройство 5 между излучающим элементом 2 и элементом настройки 3 (короткозамкнутым поршнем), и связанными с волноводом 1 элементами связи 6.
Волноводно-щелевая антенна работает следующим образом. Для определенности рассмотрим работу волноводно-щелевой антенны с продольными щелями (излучающими элементами 2), расположенными по одну сторону от средней линии широкой стенки волновода 1. Фазосдвигающие устройства 4, 5 могут быть выполнены различным образом, например, по схеме проходного шлейфного фазовращателя на СВЧ диодах. (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, с.25). Характерной особенностью предложенного фазовращателя от фазовращателей, описанных в работе «СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., Радио и связь, 1984., является отсутствие цепей управления и обязательное использование в качестве коммутирующих элементов ограничительных диодов (типа 2А557А и др.) вместо переключательных диодов (типа 2А542А и др.). Такого типа фазосдвигающие устройства 4, 5 могут быть соединены с волноводом 1 элементами связи 6, выполненные, например, в виде зондовых переходов. (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М., Энергия, 1973, с. 406).
Рассмотрим режим передачи. В режиме передачи на антенну поступает сигнал большой мощности определенной частоты. При прохождении сигнала большой мощности (режим передачи) диоды в фазосдвигающих устройствах 4, 5, связанные с волноводом 1 элементами связи 6, под воздействием мощного ВЧ сигнала (без подачи внешнего сигнала управления) открываются. Фазосдвигающее устройство 4 (проходной шлейфный фазовращатель) с открытыми диодами обеспечивает на частоте передачи при данном расстоянии между излучающими элементами 2 фазовый сдвиг равный 360°. При сдвиге фаз между излучающими элементами 2, равном 360°, излучающие элементы 2 (щели) возбуждаются синфазно, что соответствует направлению максимального излучения по нормали к оси антенны. Фазосдвигающее устройство 5, установленное между последним излучающим элементом 2 и элементом настройки 3, дает фазовый сдвиг, необходимый для компенсации рассогласования на входе антенны. Направление главного лепестка диаграммы направленности в режиме передачи нормально оси антенны.
Рассмотрим режим приема. В режиме приема на антенну поступает сигнал малой мощности с частотой, отличной от частоты сигнала в режиме передачи. При прохождении сигнала малой мощности (режим приема) диоды в фазосдвигающих устройствах 4 закрыты. Проходной шлейфный фазовращатель с закрытыми диодами обеспечивает такой фазовый сдвиг, что на частоте приема, отличной от частоты передачи, и при данном расстоянии между излучающими элементами 2 разность фаз сигнала на этих элементах также равна 360°. При сдвиге фаз между излучающими элементами 2, равном 360°, ВЧ сигналы с излучающих элементов 2 (щелей) так же, как и в режиме передачи, складываются синфазно. При этом направление главного лепестка диаграммы направленности в режиме приема также нормально оси антенны.
Фазосдвигающее устройство 5, установленное между последним излучающим элементом 2 и элементом настройки 3, дает фазовый сдвиг, необходимый для компенсации рассогласования на входе антенны.
Подбирая фазовые сдвиги, которые дает фазосдвигающее устройство 5 в обоих режимах (передачи и приема), можно компенсировать рассогласования на входе антенны как в режиме передачи, так и в режиме приема. При этом появляется дополнительная степень регулировки за счет подбора изменения фазы в данном фазосдвигающем устройстве 5.
Таким образом, предложенная волноводно-щелевая антенна работает в двух различных диапазонах частот без ухудшения согласования и коэффициента направленного действия, при этом направление главного лепестка диаграммы направленности в обоих режимах одинаково (нормально оси антенны), а также имеет низкую стоимость и высокую технологичность прежде всего потому, что отсутствуют внешние управляющие низкочастотные сигналы для получения необходимого фазового сдвига проходящего СВЧ сигнала, необходимость использования которых и приводит к увеличению массогабаритных показателей, увеличению энергопотребления, уменьшению надежности, ухудшению технологичности, увеличению стоимости антенны
Волноводно-щелевая антенна, имеющая другие излучающие элементы 2, например, выполненные в виде продольных щелей, расположенных по обе стороны от средней линии широкой стенки волновода 1, поперечными щелями и др. работает аналогично. Кроме того, в волноводно-щелевой антенне часто используют реактивные вибраторы для получения продольной составляющей поля. Реактивный вибратор представляет собой металлический стержень, ввинченный в волновод (Антенны УКВ. Г.3.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин. Ч. 2. М., Связь, 1977.). В этом случае возможно дополнительное использование стержня в качестве элементами связи 6 для фазосдвигающих устройств 4, 5, при этом сохраняется возможность индивидуальной регулировки каждого излучающего элемента 3.
Фазосдвигающее устройство 4 может быть выполнено не только по схеме проходного шлейфного фазовращателя, но и по другим схемам (Антенны и устройство СВЧ. Д.М.Сазонов. М., Высшая школа, 1988.).
Дополнительным положительным результатом данного технического решения является то, что расстояние между излучающими элементами 3 может быть не кратно половине длины волны в волноводе. Это позволяет создавать антенну с определенными параметрами (уровнем ближних или дальних боковых лепестков и т.д.)
Возможно также создание волноводно-щелевой антенны не только на прямоугольном волноводе, но и на других линиях передачи, например полосковой. (Антенны и устройство СВЧ. B.C.Филипов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского. М., Радио и связь, 1994.).
Использование данного изобретения позволяет создать волноводно-щелевую антенну с широким рабочим диапазоном частот без ухудшения согласования при сохранении низкой стоимости и высокой технологичности.