АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
ANTENNA ARRAY WITH A FREQUENCY SCANNING

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехнике, а именно к конструкции антенной решетки с частотным сканированием, которая может быть использована в радиолокации, радионавигации и других радиотехнических системах.
Известные и широко используемые на практике конструкции антенных решеток с частотным сканированием («Сканирующие антенные системы СВЧ» т. III, стр. 156-242, перевод с английского, изд. «Сов. радио», 1967 г.; Д.Н. Воскресенский «Устройства СВЧ и антенны», стр. 313-355, изд. «Радиотехника», 2006 г.), как правило, состоят из двух основных узлов: многоканального делителя мощности последовательного типа, к выходам которого подключены линейки волноводно-щелевых излучателей. Делитель мощности формирует диаграмму направленности антенны и обеспечивает ее сканирование в вертикальной плоскости за счет изменения рабочей частоты. Волноводно-щелевые линейки формируют диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости. При этом обзор пространства в горизонтальной (азимутальной) плоскости обеспечивается за счет механического вращения антенны вокруг вертикальной оси.
Конструктивно делитель мощности часто выполняется в виде синусоидального (змейкового) волновода, свернутого в Е-плоскости, с периодической системой волноводных или коаксиальных выходов. Применительно к дециметровому диапазону длин волн наилучшими характеристиками обладают делители мощности, в которых в качестве элементов связи используются направленные ответвители, например волноводно-полосковые с коаксиальными выходами (Патент РФ №2249889, патент РФ №2250540).
Однако практическая реализация делителя мощности с использованием волноводно-коаксиальных направленных ответвителей в сантиметровом диапазоне длин волн оказывается весьма затруднительной из-за малости сечения волноводного канала.
Волноводно-щелевые линейки обычно выполняются с использованием готового волновода стандартного сечения, в одной из узких стенок которого с шагом в половину длины волны в волноводе прорезаны переменно-наклонные щели.
Однако использование в волноводно-щелевых линейках переменно-наклонных щелевых излучателей обуславливает образование в диаграмме направленности антенны так называемых кроссполяризационных лепестков, уровень которых достигает до минус 13 дБ (-13 дБ) относительно основного максимума. Поэтому антенны с частотным сканированием с использованием наклонно-щелевых излучателей имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД) и не обладают требуемой помехозащищенностью.
Основной целью данного изобретения является создание конструкции антенной решетки с частотным сканированием, удовлетворяющей современным требованиям по электрическим параметрам и пригодной для практической реализации в широком диапазоне длин волн, и прежде всего в сантиметровом диапазоне.
Для достижения поставленных целей предлагается конструкция антенной решетки с частотным сканированием, содержащей N-канальный делитель мощности с периодической системой направленных ответвителей и N-oe число волноводно-щелевых линеек, выполнена в виде трех механически сочленяемых плит, в первой и с одной стороны второй плитах методом фрезерования на глубину в полширины волноводного канала выполнены каналы змейкового волновода, а с другой стороны второй и третьей плитах - каналы волноводно-щелевых линеек, электрическая связь змейкового волновода с волноводно-щелевыми линейками осуществляется через элементы связи волноводных каналов направленных ответвителей в общей узкой стенке двух волноводов, причем элементы связи в направленных ответвителях выполнены в виде наклонных щелей, а щелевые излучатели в линейках выполнены в виде прямых щелей, возбуждаемых U-образными проводниками полуволновой длины.
Предлагаемая антенная решетка с частотным сканированием подробно иллюстрируется на фиг. 1-6.
На фиг. 1 и 2 показана конструкция предлагаемой антенной решетки в двух проекциях.
с
На фиг. 3 и 4 приведены электродинамическая модель волноводно-щелевого направленного ответвителя и зависимость коэффициента связи К от переменного параметра - угла наклона щели α относительно вертикальной оси.
и
На фиг. 5 и 6 представлены электродинамическая модель волноводно-щелевого излучателя, возбуждаемого петлеобразым проводником, и зависимость коэффициента излучения К от угла наклона плоскости проводника к оси волновода β.
а
а
Конструктивно предлагаемая антенная решетка с частотным сканированием (см. фиг. 1) состоит (см. фиг. 2) из трех механически сочленяемых плит 1, 2 и 3. В плитах 1 и 2 методом фрезерования на глубину в полширины волновода выполнены каналы 4 и 5 змейкового волновода 6, свернутого в Е-плоскости волновода, а в плитах 2 и 3 - каналы 7 и 8, образующие волноводно-щелевые линейки 9. Волноводный вход 10 делителя мощности, имеющий стандартное сечение ×в, согласуется со змейковым волноводом 6 сечением ′×в′ посредством ступенчатого перехода 11.
а
в
1
в
в
2
в
в
Высота волноводного канала делителя в′, ширина ′ и длина одного полного витка змейкового волновода l определяются расчетами электродинамической модели на компьютере с учетом предъявляемых требований к электрическим параметрам антенны с частотным сканированием: диапазону рабочих частот, допустимую КСВН на входе, сектору сканирования в вертикальной плоскости и уровню боковых лепестков. Электрическая связь змейкового волновода 6 с волноводно-щелевыми линейками 9 осуществляется через щели 12, прорезанные в общей узкой стенке 13 двух волноводов. Для обеспечения направленной связи щели 12 разнесены на расстояние d=0,25λ (где λ - средняя длина волны в змейковом волноводе). Для взаимной компенсации отражений от четных и нечетных направленных ответвителей, они также смещены на расстояние d=0,25λ. Для компенсации отражений от изгибов змейкового волновода длина одного полного витка L выбрана равной нечетному числу полуволн
в
в
L=0,5λ(2к+1),
где к - любое целое число, определяемое с учетом требуемого сектора сканирования антенны в вертикальной плоскости.
п
Деление мощности, поступающей на вход 10 антенны, между волноводно-щелевыми линейками 9 определяется требуемой диаграммой направленности антенны в вертикальной плоскости (точнее, допустимым уровнем боковых лепестков) и обеспечивается размерами щелей 12, их количеством и углом наклона α, где п - порядковый номер канала делителя и линейки,
п
Требуемые углы наклона α щелей могут быть определены по графику, приведенному на фиг. 4, полученному расчетами на компьютере матрицы рассеяния электродинамической модели волноводно-щелевого ответвителя.
Диаграмма направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости определяется амплитудно-фазовым распределением излучения из щелей 14 линеек. Для устранения в диаграмме направленности антенны нежелательных кроссполяризационных лепестков щелевые излучатели 14 в волноводно-щелевых линейках 9 ориентированы перпендикулярно продольной оси волновода, а их возбуждение осуществляется U-образными проводниками 15 примерно полуволновой длины.
а
а
а
0
3
3
вн
вн
Конструкция и размеры волноводно-щелевых линеек 9 (сечение волноводного канала, число и размеры излучающих щелей 14, размеры и ориентация U-образных проводников 15) определяются требуемой диаграммой направленности антенны в горизонтальной плоскости. Ширину волноводного канала ″ линейки целесообразно выбрать равной ширине волноводного канала делителя мощности (″=′), а высоту b″ - с учетом оптимальной длины щели, которая, примерно, равна половине средней длины волны λ. Для устранения резонанса отражений в пределах рабочего диапазона частот расстояния между щелями d целесообразно выбрать из условия d>λ, где λ - длина волны в волноводе, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона частот.
изл
0
изл
g
3
1
Коэффициент излучения К прямой щели 14 определяется углом наклона β плоскости проводника 15 к продольной оси волновода. Оптимальная длина l проводника 15 примерно равна половине средней длине волны свободного пространства λ. При постоянных размерах ширины S щелей 14, диаметра d проводников 15 коэффициент излучения из щели К=10l Р/Р будет определяться только углом наклона β.
п
Для обеспечения синфазности излучений четными и нечетными линейками (с учетом противофазности выходов делителя) плоскости проводников 15, определяемые углами β в четных и нечетных линейках, ориентированы в противоположные стороны.
изл
На фиг. 6 приведена примерная зависимость коэффициента излучения К из щели (см. фиг. 5) в зависимости от угла наклона β плоскости проводника к продольной оси волновода.
Антенная решетка с частотным сканированием также включает в себя поглощающие нагрузки (16 и 17): 16 - устанавливаемые в развязанных плечах делителя и на конце волноводно-щелевых линеек и 17 - на конце делителя, а также диэлектрические пластины 18, закрывающие щелевые излучатели 14. В качестве поглощающих нагрузок 16 и 17 могут быть использованы клинообразные нагрузки из СВЧ поглотителя типа ферроэпоксид или кремний-керамит, а диэлектрические пластины 18 - из радиопрозрачного материала (фторопласт-4 или стеклотекстолит).