ПЛОСКАЯ РЕШЕТКА АНТЕНН ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕЙ
FLAT ARRAY OF DIFFRACTION RADIATION ANTENNAS AND POWER DIVIDER USED IN IT

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в РЛС и системах связи, преимущественно в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является антенна поверхностной волны с поперечным излучением (см. RU №2007795, H01Q 13/20, 1991). В описании приводится структура, принцип действия, варианты построения линейных антенн поверхностной волны (дифракционного излучения) с переменными по длине антенны расстоянием между неоднородностями или размером неоднородностей для получения оптимального для заданного вида диаграммы направленности амплитудного распределения поля в раскрыве антенны.
Недостатком является невозможность изменения в процессе эксплуатации амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, с целью настройки или изменения вида диаграммы направленности антенны. Линейная антенна не позволяет также реализовать высокую направленность излучения в плоскости, перпендикулярной оси антенны.
Прототипом делителя мощности является многоканальный волноводный делитель мощности (см. RU №2348091, H01P 5/12, 2007), который содержит магистральный волновод и ответвленные волноводные каналы, связанные элементами связи в виде прямоугольных щелей различной длины в узкой стенке магистрального волновода. Распределение длин щелей связи определяет амплитудное распределение по ответвленным каналам.
Недостатком, в случае применения в предлагаемой антенной решетке, является отсутствие в делителе мощности элементов для получения на выходах заданного фазового распределения.
Задачей изобретения является оптимизация амплитудно-фазовых распределений поля в раскрыве антенны и, как следствие, обеспечение низкого уровня боковых лепестков и увеличение коэффициента усиления, коэффициента направленного действия, коэффициента использования поверхности антенны.
Поставленная задача достигается тем, что плоская решетка антенн дифракционного излучения состоит из решетки направляющих систем поверхностных волн типа прямоугольный диэлектрический волновод, расположенной под углом к двумерной решетке периодических неоднородностей гребенчатого типа, и возбудителя поверхностных волн в виде компактного делителя мощности волноводного типа. Делитель мощности волноводного типа содержит синфазный H-плоскостной волноводный тройник с согласующими элементами типа емкостный штырь и согласующий клин, два симметрично расположенных последовательных волноводно-щелевых делителя мощности со щелями связи различной длины, соединяющими магистральный волновод с выходными волноводами, снабженными диэлектрическими вставками различной длины, выполненными как единое целое с диэлектрическими волноводами решетки антенн дифракционного излучения, причем крайние выходные волноводы имеют полную связь с магистральным волноводом через согласованный 90-градусный изгиб волновода.
Предлагаемое изобретение представлено на следующих изображениях:
Фиг.1 - плоская решетка антенн дифракционного излучения с делителем мощности;
Фиг.2 - делитель мощности с частично удаленной верхней стенкой;
Фиг.3 - решетка диэлектрических волноводов с диэлектрическими вставками выходных волноводов делителя мощности;
Фиг.4 - решетка периодических гребенчатых структур,
где:
1 - прямоугольный диэлектрический волновод;
2 - двумерная решетка периодических неоднородностей гребенчатого типа;
3 - делитель мощности волноводного типа;
4 - синфазный H-плоскостной волноводный тройник;
5 - согласующий элемент типа емкостный штырь;
6 - согласующий клин;
7 - щели связи;
8 - диэлектрические вставки;
9 - согласованный 90-градусный изгиб.
В предлагаемой антенне реализуется такой же, как и в прототипе, принцип преобразования поверхностной волны направляющей системы в систему вытекающих пространственных волн при дифракции поверхностной волны на решетке неоднородностей. Отличительной особенностью является способ получения эффективного возбуждения пространственных волн на всей длине антенны путем ориентации направляющей системы под некоторым углом к периодической гребенчатой структуре, что обеспечивает повышение эффективности взаимодействия полей направляющей системы и гребенчатой структуры по мере удаления от возбудителя и, соответственно, повышает коэффициент использования поверхности антенны. Угол между направляющей системой и периодической гребенчатой структурой выставляется и может регулироваться в момент сборки антенны, при этом расстояние между неоднородностями и размер неоднородностей неизменны по всей длине антенны, что повышает технологичность конструкции. Для регулировки угла между направляющей системой и периодической гребенчатой структурой предусмотрена возможность вертикального смещения гребенчатой структуры относительно выходных волноводов делителя мощности, и решетка направляющих систем поверхностных волн типа прямоугольный диэлектрический волновод выполнена как единое целое с диэлектрическими вставками делителя мощности. В заявляемой антенне линейный излучатель дифракционного излучения является составной частью плоской решетки излучателей. Число линейных излучателей в решетке определяет направленность излучения в плоскости, перпендикулярной оси линейного излучателя.
Конструктивно плоская антенная решетка (Фиг.1) состоит из трех основных частей: решетки направляющих систем поверхностных волн типа прямоугольный диэлектрический волновод (1), возбудителя поверхностных волн в виде компактного делителя мощности волноводного типа (3) и двумерной решетки периодических неоднородностей гребенчатого типа (2). На рисунке (Фиг.2) показан предлагаемый делитель мощности с частично удаленной верхней стенкой.
В отличие от прототипа, делитель мощности (Фиг.2) реализует параллельно-последовательную схему деления мощности: первой ступенью делителя мощности является синфазный H-плоскостной волноводный тройник (4) с согласующими элементами типа емкостный штырь (5) и согласующий клин (6); второй ступенью являются два симметрично расположенных последовательных волноводно-щелевых делителя мощности со щелями связи (7) различной длины и диэлектрическими вставками (8) в выходных волноводах, причем крайние выходные волноводы имеют полную связь с магистральным волноводом через согласованный 90-градусный изгиб (9) волновода. Длины щелей связи определяются исходя из требуемого амплитудного распределения на выходах делителя мощности. Требуемое фазовое распределение на выходах делителя мощности, обычно синфазное, обеспечивается помещением в выходные волноводы диэлектрических вставок различной длины, которые дают дополнительный сдвиг фаз, необходимый для получения нужного фазового распределения. Для лучшего согласования вставки выполняются как единое целое с диэлектрическими волноводами, а их концы, обращенные к щелям связи, делаются со скосом в 45 градусов. На рисунке (Фиг.3) показана решетка диэлектрических волноводов прямоугольного поперечного сечения (1) с диэлектрическими вставками (8) выходных волноводов делителя мощности. В качестве диэлектрика используется материал с малыми диэлектрическими потерями, например фторопласт-4. На рисунке (Фиг.4) показана решетка периодических гребенчатых структур (2). Для изготовления этого узла, а также и делителя мощности можно использовать алюминиевые сплавы.
Устройство работает следующим образом.
В режиме передачи сигнал поступает на вход волноводного делителя мощности, в согласованном по входу H-плоскостном волноводном тройнике делится синфазно и поровну между выходами тройника, где далее делится в симметрично расположенных последовательных волноводно-щелевых делителях мощности. Амплитудное распределение на выходах волноводно-щелевых делителей мощности задается длинами щелей связи, при этом крайние выходные волноводы имеют полную связь с магистральным волноводом через согласованный 90-градусный изгиб волновода. Фазовое распределение на выходах волноводно-щелевых делителей мощности задается длинами диэлектрических вставок (фазовращателей) в выходных волноводах. Распределения длин щелей связи и длин диэлектрических вставок при заданном амплитудно-фазовом распределении взаимосвязаны и определяются в процессе параметрической оптимизации с использованием программ трехмерного электромагнитного моделирования.
Выходные волноводы делителя мощности являются возбудителями линейных излучателей дифракционного излучения, в каждом из которых в направляющей структуре, типа диэлектрический волновод, возбуждается поверхностная волна низшего электрического типа, которая дифрагирует на расположенной под направляющей структурой под углом к ней периодической гребенчатой структуре с возбуждением на каждом гребне вытекающих пространственных волн. Направление синфазного сложения пространственных волн линейки гребней (направление главного лепестка диаграммы направленности в плоскости вектора Е, проходящей через ось диэлектрического волновода) определяется соотношением длины поверхностной волны в диэлектрическом волноводе и периодом гребенчатой структуры. Уровень боковых лепестков, ширина диаграммы направленности в этой плоскости зависят от угла между осью диэлектрического волновода и периодической гребенчатой структуры, поскольку он влияет на эффективность взаимодействия полей направляющей системы и гребенчатой структуры по мере удаления от возбудителя и, соответственно, на амплитудное распределение вдоль линейных излучателей дифракционного излучения. Направление главного лепестка диаграммы направленности, ширина его и уровень боковых лепестков в плоскости перпендикулярной оси диэлектрического волновода определяются фазовым и амплитудным распределением на выходах делителя мощности. Антенна излучает поле с линейной поляризацией. Антенна является взаимным устройством, к которому применима теорема взаимности, и, следовательно, полученные выводы можно распространить и на режим приема.
Техническим результатом является компактная, технологичная, плоская решетка излучателей, в которой возможна оптимизация амплитудно-фазовых распределений поля в раскрыве антенны и, как следствие, обеспечение низкого уровня боковых лепестков и увеличение коэффициента усиления, коэффициента направленного действия, коэффициента использования поверхности антенны.