АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО
ANTENNA DEVICE

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным устройствам направленного излучения СВЧ-сигнала, и может быть использовано при разработке малогабаритных радиолокационных станций (РЛС) разведки наземных движущихся целей (РНДЦ) ближней, малой и средней дальности.
Антенное устройство современной РЛС во многом определяет ее тактико-технические характеристики. Для мобильных, а в еще большей степени для переносных РЛС РНДЦ важнейшее значение имеет минимизация габаритов и массы их составных частей. Учитывая постоянно растущую насыщенность войсковых подразделений станциями данного класса, насущной задачей является снижение уровня бокового излучения антенных устройств, при этом их коэффициент усиления должен быть максимально возможным. Антенное устройство должно обеспечивать выполнение РЛС требований назначения в условиях воздействия широкого спектра как климатических, так и механических внешних факторов.
Коэффициент усиления антенного устройства может быть определен по формуле [1]:
где S - площадь раскрыва антенного устройства, λ - длина волны, КИП - коэффициент использования поверхности раскрыва, КПД - коэффициент полезного действия.
Известны антенные устройства РЛС РНДЦ малой дальности, представляющие собой зеркальные антенны. Зеркальные антенны имеют ряд существенных недостатков: сравнительно большой поперечный размер, обусловленный наличием облучателя, и низкий коэффициент η=КИП*КПД. Как правило, значение коэффициента η зеркальной антенны не превышает 0.5÷0.7 [2].
Известны также антенные устройства РЛС РНДЦ ближней дальности, представляющие собой полосковые антенны. Полосковые антенны имеют малый поперечный размер, что значительно упрощает компоновку малогабаритных РЛС, однако значение коэффициента η полосковой антенны несколько ниже, чем у других типов антенных устройств, что обусловлено диссипативными потерями СВЧ энергии в диэлектрике.
Наиболее перспективными с точки зрения повышения коэффициента усиления при одновременном уменьшении уровня бокового излучения за счет независимого формирования требуемого амплитудного и фазового распределения тока возбуждения в раскрыве антенны в двух плоскостях являются волноводно-щелевые антенны (ВЩА). Для ВЩА характерны малые поперечные размеры. КПД ВЩА очень высок и может достигать 0.9÷0.95 [3]. С учетом КИП=0.884, необходимого для формирования уровня бокового излучения минус 22 дБ в азимутальной и угломестной плоскостях, значение коэффициента η ВЩА составит 0.8÷0.84.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является антенное устройство [4], представляющее собой ВЩА. Данное антенное устройство состоит из излучающего полотна, выполненного в виде двух антенных решеток, и волноводной схемы, осуществляющей его питание. Для расширения полосы рабочих частот антенные решетки разбиты на подрешетки. Каждая подрешетка содержит несколько параллельно расположенных прямоугольных излучающих волноводов, на одной из широких стенок которых выполнены продольные излучающие щели, и расположенного перпендикулярно им возбуждающего волновода с наклонными щелями в их общей широкой стенке для связи с прямоугольными излучающими волноводами. Питание возбуждающих волноводов осуществляется волноводной схемой, содержащей делители с равным делением мощности, устройства управления распределением мощности, фазовращатели и гибридное устройство (двойной тройник).
Для защиты антенного устройства от внешних воздействий оно оснащено плоским радиопрозрачным обтекателем. Плоский радиопрозрачный обтекатель изготовлен из пенопласта полистирольного марки ПС-1-200 определенной толщины (зависящей от рабочего диапазона частот) и размещается над раскрывом антенного устройства с определенным зазором. Постоянство величины этого зазора обеспечивается стенками, установленными по периметру излучающей поверхности. Стенки выполнены из радиопрозрачного материала.
Описанная выше конструкция плоского радиопрозрачного обтекателя обладает рядом существенных недостатков. При изготовлении плоского радиопрозрачного обтекателя, стандартный лист пенопласта марки ПС-1-200 обрабатывается механическим способом до нужной толщины. С учетом высокой точности обработки, требуемой для обеспечения характеристик плоского радиопрозрачного обтекателя и механической деформации пенопласта в результате нагрева в процессе обработки, изготовление данного элемента конструкции является достаточно трудоемким. Неоднородность исходных заготовок приводит к вскрытию в процессе обработки сквозных пор и уменьшению числа выхода годных плоских радиопрозрачных обтекателей. При значительных габаритах антенного устройства, конструкция, в которой плоский радиопрозрачный обтекатель опирается на стенки, установленные по периметру излучающей поверхности, не обладает достаточной механической прочностью. Описываемый плоский радиопрозрачный обтекатель ухудшает диапазонные свойства антенного устройства, приводит к росту уровня боковых лепестков.
Известна конструкция микрополосковой антенны [5], в которой роль обтекателя выполняет тонкий лист диэлектрического материала (например, Rogers R/T Duroid), на внутренней стороне которого выполнены металлические патч-излучатели верхнего яруса, электромагнитно связанные с внутренними слоями антенны, содержащими металлические патч-излучатели нижнего яруса и систему питания и возбуждения. Для обеспечения постоянства величины зазора, между внешним диэлектрическим листом, содержащим металлические патч-излучатели верхнего яруса, и внутренними слоями антенны установлена металлическая прокладка, которая представляет собой ячеистую структуру, образованную прямоугольными сквозными отверстиями в проводящей пластине. Такая конструкция обтекателя приводит к усложнению технологии его изготовления в связи с необходимостью выполнения на его поверхности элементов излучающей системы (патч-излучателей). Учитывая незначительную толщину обтекателя (0,0254 см для Х-диапазона длин волн согласно [5]), подобный обтекатель не обладает механической прочностью, достаточной для надежной защиты антенны РЛС РНДЦ от механических воздействий. Наличие элементов излучающей системы на внутренней поверхности электрически тонкого обтекателя приводит к высокой чувствительности антенны к наличию загрязнений, капель влаги на ее поверхности, что выражается в изменении ее входного сопротивления.
Целью настоящего изобретения является создание технологичной конструкции волноводно-щелевой антенны, позволяющей получить параметры, близкие к теоретически возможным, и оснащенной плоским радиопрозрачным обтекателем, обеспечивающим надежную защиту антенного устройства от воздействия широкого спектра как климатических, так и механических внешних факторов.
Предлагаемое антенное устройство содержит волноводную схему распределения мощности, излучающее полотно, прокладку из проводящего материала и плоский радиопрозрачный обтекатель. Волноводная схема распределения мощности содержит возбуждающие волноводы волноводной схемы распределения мощности, подводящие волноводы волноводной схемы распределения мощности и делители волноводной схемы распределения мощности. Излучающее полотно содержит параллельно расположенные излучающие волноводы с излучающими элементами излучающих волноводов. Для расширения полосы рабочих частот излучающее полотно может быть разбито на подрешетки. Излучающие элементы излучающих волноводов представляют собой продольные щели в широких стенках излучающих волноводов. Перпендикулярно излучающим волноводам расположены возбуждающие волноводы волноводной схемы распределения мощности (по одному на каждую подрешетку). Излучающие волноводы возбуждаются возбуждающими волноводами волноводной схемы распределения мощности через наклонные щели в их общих широких стенках. Возбуждающие волноводы волноводной схемы распределения мощности запитываются с помощью подводящих волноводов волноводной схемы распределения мощности и делителей волноводной схемы распределения мощности. Волноводная схема распределения мощности любым известным способом (например, с помощью волноводного фланца или коаксиально-волноводного перехода) подсоединяется к приемопередающему устройству РЛС. Прокладка из проводящего материала предназначена для обеспечения постоянства величины зазора между поверхностью излучающего полотна и плоским радиопрозрачным обтекателем. В прокладке из проводящего материала выполнены прямоугольные сквозные отверстия. Прокладка из проводящего материала устанавливается между поверхностью излучающего полотна и плоским радиопрозрачным обтекателем. Прямоугольные сквозные отверстия прокладки из проводящего материала размещаются напротив излучающих элементов излучающих волноводов. Плоский радиопрозрачный обтекатель представляет собой лист диэлектрического материала, толщиной, достаточной для обеспечения надежной защиты антенны РЛС РНДЦ от механических воздействий (0,5 мм и более) с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь (например, стеклотекстолита марки СТЭФ-1). Механическая прочность плоского радиопрозрачного обтекателя достигается за счет совокупности механических свойств диэлектрического материала и малых размеров прямоугольных сквозных отверстий прокладки из проводящего материала, на стенках которых жестко закреплен плоский радиопрозрачный обтекатель.
Антенное устройство выполнено в виде многослойной конструкции из тонких проводящих пластин и проводящих оснований. Тонкие проводящие пластины и проводящие основания изготовлены из металла (например, алюминиевого сплава АМц). В проводящих основаниях любым известным способом (например, методом фрезеровки на высокопроизводительном вертикальном обрабатывающем центре с ЧПУ) выполнены пазы, образующие излучающие волноводы, возбуждающие волноводы волноводной схемы распределения мощности, подводящие волноводы волноводной схемы распределения мощности, делители волноводной схемы распределения мощности, сквозные наклонные щели связи возбуждающих волноводов волноводной схемы распределения мощности и излучающих волноводов, сквозные отверстия связи между подводящими волноводами волноводной схемы распределения мощности и возбуждающими волноводами волноводной схемы распределения мощности. В тонких проводящих пластинах любым известным способом (например, пробивкой с помощью электромеханического координатно-револьверного вырубного пресса с ЧПУ) выполнены сквозные отверстия, представляющие собой излучающие элементы излучающих волноводов, прямоугольные сквозные отверстия, отверстия волноводных фланцев, отверстия коаксиально-волноводных переходов.
Тонкие проводящие пластины и проводящие основания любым известным способом (например, посредством капиллярной пайки в воздушной среде, пайки в расплаве солей или сварки) объединяются между собой. Плоский радиопрозрачный обтекатель крепится к прокладке из проводящего материала также любым известным способом, обеспечивающим герметичность соединения (например, при помощи клея).
При проведении расчета геометрии предлагаемого антенного устройства, проводимость излучающих элементов излучающих волноводов определяется на основе решения уравнений Максвелла одним из известных численных методов (методами конечных областей, конечных разностей или моментов) или экспериментальным путем, с учетом размеров сквозных отверстий прокладки из проводящего материала, толщины прокладки из проводящего материала и наличия и диэлектрических свойств материала плоского радиопрозрачного обтекателя. Учет этих параметров позволяет получить характеристики антенного устройства, близкие к теоретически возможным.
На фиг. 1 представлен общий вид одного из вариантов выполнения предлагаемого антенного устройства (вид спереди и сзади). На фиг. 2 - детали предлагаемого антенного устройства в порядке их расположения в готовом антенном устройстве (вид спереди и сзади).
Излучающее полотно представляет собой совокупность параллельно расположенных излучающих волноводов, образованных пазами 1 в основании 2 и пластиной 3, в которой выполнены излучающие элементы 4 излучающих волноводов. Плоский радиопрозрачный обтекатель 5 устанавливается над излучающим полотном с зазором, определяемым толщиной прокладки из проводящего материала 6, в которой выполнены прямоугольные сквозные отверстия 7. Волноводная схема распределения мощности представлена возбуждающим волноводом волноводной схемы распределения мощности, образованным пазом 8 в основании 2, пластиной 9 и коаксиальным зондом 10 коаксиально-волноводного перехода. Возбуждающий волновод волноводной схемы распределения мощности связан с излучающими волноводами отверстиями связи 11.
В режиме передачи зондирующий сигнал от приемопередающего устройства РЛС подводится к зонду 10 коаксиально-волноводного перехода и через возбуждающий волновод волноводной схемы распределения мощности и отверстия связи 11 поступает в излучающие волноводы. Далее зондирующий сигнал через излучающие элементы 4 излучающих волноводов, прямоугольные сквозные отверстия 7 прокладки из проводящего материала 6 и плоский радиопрозрачный обтекатель 5 излучается в свободное пространство.
В режиме приема отраженный от цели сигнал, пройдя через плоский радиопрозрачный обтекатель 5, прямоугольные сквозные отверстия 7 прокладки из проводящего материала 6, возбуждает излучающие волноводы через излучающие элементы 4 излучающих волноводов. Принятый сигнал через отверстия связи 11 поступает в возбуждающий волновод волноводной схемы распределения мощности и, далее, через зонд 10 коаксиально-волноводного перехода, на вход приемопередающего устройства РЛС.
Источники информации
1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов/ Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2003. - 632 с. с ил.
2. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. М., «Связь», 1977. - 384 с. с ил.
3. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Сов. радио», 1974. - 536 с. с ил.
4. Патент РФ №2184411.
5. Патент WO 03/030301 А1, 2003.