ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА (ВАРИАНТЫ)
WAVEGUIDE SLOTTED ANTENNA ARRAY (VERSIONS)

Изобретение относится к антеннам сверхвысоких частот. Волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) широко применяются в радиолокации, радиотехнических системах и системах связи. Такие антенны компактны, имеют хорошие электрические характеристики и устанавливаются как на неподвижных, так и на подвижных объектах.
Один из основных типов ВЩАР - решетки на основе волноводных линеек с наклонными щелями в узкой стенке прямоугольного волновода. Малый поперечный размер излучающей линейки (определяется размером узкой стенки волновода) дает возможность установить шаг между ними равным половине рабочей длинны волны и позволяет создавать двумерные антенные решетки с электронным сканированием в поперечной волноводам плоскости в широком диапазоне углов. А также справедливо отмечается, что кроме того взаимовлияние по внешнему пространству между соседними волноводами в такой двумерной решетке невелико, что исключает эффекты «ослепления» при сканировании (см. Заводов Л.В. «Линейная волноводно-щелевая антенная решетка из перпендикулярных щелей на узкой стенке волновода». Вопросы радиоэлектроники, серия общетехническая (ОТ), выпуск 3, 2009 г., стр. 45. [1]).
Основной недостаток ВЩАР с наклонными щелями на узких стенках волновода состоит в том, что наряду с лучом на основной поляризации формируются «паразитные» кроссполяризационные боковые лепестки, которые приводят к снижению помехозащищенности радиолокационной станции (РЛС). Для исключения этого недостатка многие авторы предлагают перейти к прямым (с нулевым наклоном) щелям на узкой стенке волновода с различными вариантами их возбуждения, такими как применение расположенных рядом со щелью изогнутых штырей (вибраторов), одной или двух резонаторных диафрагм (см. [1], [2] «Антенны сантиметровых волн» перевод под редакцией Фельда Я.Н. 1960 г.).
Однако такие способы не позволяют в полной мере освободиться от кроссполяризационных лучей, при этом значительно усложняют, удорожают конструкцию.
Известен вариант применения прямых поперечных щелей на узких стенках волновода с попеременным зарезом на широкие (патент РФ №2476963). Такое решение позволяет существенно снизить уровень кроссполяризационных лепестков, однако при этом снижается жесткость конструкции, т.к. наибольшая глубина зареза доходит до 0,75 размера широкой стенки волновода.
Несмотря на множество предложений по применению прямых поперечных щелей (с нулевым наклоном) призванных исключить, кроссполяризационное излучение, они так и не нашли широкого распространения. В большинстве ВЩАР различного назначения применяются попеременно наклонные щели на узкой стенке волновода. Для снижения излучения на «паразитной» поляризации в них, как правило, ограничивают углы наклона щелей менее 15°, допуская увеличение мощности уходящей в нагрузку. При этом не достигается существенного уменьшения излучения на «паразитной» поляризации при очевидном снижении коэффициента полезного действия (КПД (КУ)) антенны.
При построении двумерных ВЩАР с использованием попеременно наклонных щелей, для снижения влияния кроссполяризационных лепестков, часто применяется схема построения волноводно-щелевой решетки с противоположными знаками углов наклона щелей для соседних волноводов и, соответственно, с противофазным их возбуждением, для увода лепестков на «паразитной» поляризации из рабочего сектора РЛС [1]. Пример аналогичного построения ВЩАР приведен в Справочнике по радиолокации под редакцией М. Сколника. Москва «Советское Радио» 1977. Том 2, стр. 286. [3]. Такое построение ВЩАР широко распространено в мире, а также описано в [4] - «Радиолокационное вооружение военно-морского флота России. «Научтехлитиздат» 2004 г., стр. 374-376». Приведенные в [3], [4] ВЩАР применяется в РЛС с частотным сканированием луча в вертикальной плоскости.
По совокупности существенных признаков построение ВЩАР приведенное в [3], [4] является прототипом заявленному изобретению.
Проанализировав [3], [4] отметим, что ВЩАР проектируются так, что на основной рабочей горизонтальной поляризации луч формируется один как в фазной, так и в противофазной решетках. При этом на кроссполяризации в фазной решетке формируется по одному лучу слева и справа примерно под углом 45°. Чтобы снизить уровень кроссполяризационных лучей применяют противофазные решетки в вертикальной плоскости и кроссполяризационные лучи делятся на 4 с меньшим уровнем на 3 дБ с отклонением от нормали примерно под углом 45° в обеих плоскостях.
Исходя из вышеописанного предлагается, что если на основной поляризации формируется один луч как в фазной, так и противофазной решетках, а на кроссполяризации в противофазных решетках лучи в вертикальной плоскости размножаются с уменьшением их уровня, то, например, раскладкой линеек, формированием - подбором фазового распределения в вертикальной плоскости по существу снижается (рассеивается) кроссполяризационное излучение до низкого, приемлемого уровня, не вредя диаграммам направленности на основной поляризации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение максимального уровня кроссполяризационных лепестков ВЩАР на основе волноводных линеек с попеременно наклонными щелями в узкой стенке прямоугольного волновода.
Техническим результатом предложения является повышение помехозащищенности РЛС посредством снижения уровня лепестков на кроссполяризации до уровня лепестков на основной поляризации.
Для решения поставленных задач представлено три варианта волноводно-щелевой антенной решетки.
В первом варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое осуществляется раскладкой противофазных волноводных линеек.
Во втором варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое осуществляется разворотом на 180° волноводно-коаксиальных переходов.
А в третьем варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое вводится в фазовое сканирование луча на основной поляризации при наличии фазовращателей в схеме антенны.
Суть предлагаемого решения состоит в том, что волноводно-щелевая решетка с попеременно наклонными щелями на узкой стенке волновода строится по схеме, в которой поле кроссполяризационной составляющей фазируется таким образом, что максимумы излучения на «паразитной» поляризации размываются в плоскости, поперечной волноводным линейкам. В результате излучение всех щелей на основной поляризации происходит синфазно, в то время как фаза излучения на паразитной поляризации меняется от линейки к линейке на 180° в заданном порядке.
<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>5</mn><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Сущность предложения проиллюстрирована рисунками 1 и 2 на примере моделирования антенны из 94 волноводных линеек с наклонными щелями на узкой стенке. Приведенная в примере ВЩАР проектировалась на рабочей горизонтальной поляризации с амплитудным распределением
на уровень лепестков -34 дБ.
На рис. 1 изображена упрощенная схема построения варианта волноводно-щелевой антенны со специальным нерегулярным расположением в антенне линеек с противоположными знаками наклона щелей.
На рис. 2 приведено фазовое распределение волноводно-щелевой решетки с этим специальным нерегулярным расположением линеек.
В приведенном примере на рис. 1 и рис. 2 в антенне с 94 линейками уровень кроссполяризационного излучения снижается до -30 дБ.
Таким образом, процесс изобретения выполняется двумя операциями: находится, вычисляется фазовое распределение в вертикальной плоскости для подавления кроссполяризационных лепестков (лучей) до приемлемого уровня (в приведенном примере до -30 дБ). Затем определяются средства для осуществления его: раскладка, разворот на 180° волноводно-коаксиальных переходов (ВКП), введение дополнительного постоянного фазового распределения при наличии фазовращателей в схеме антенны.