АНТЕННА МЕТЕОРАДИОЛОКАТОРА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
METEOR RADAR ANTENNA OF THE CIRCULAR POLARIZATION

Изобретение относится к средствам связи и радиолокации метеорологического обеспечения и может быть применено в антенных системах радиолокаторов, предназначенных для получения информации о параметрах атмосферы на малых и средних высотах зондирования и у поверхности земли.
Известна антенная система метеолокатора с линейной и круговой поляризацией, патент RU2 195056 C2, опубл. 20.12.2002, содержащая первую и вторую диаграммообразующие схемы (ДОС), большую и малую антенные решетки, излучатели которых соединены с соответствующими выходами второй и первой ДОС соответственно, приемопередатчик, микропроцессор, выход которого соединен с управляющими входами приемопередатчика и обеих ДОС. Трехдецибельный квадратурный мост включен между приемопередатчиком и кольцевыми делителями мощности первой ДОС, при этом малая антенная решетка состоит из четырех диполей, расположенных ромбом в центре большой антенной решетки, а точки возбуждения этих диполей соединены с выходами первой ДОС таким образом, что первый и второй диполи образуют линейку горизонтальной составляющей круговой поляризации, а третий и четвертый - вертикальной.
Недостатками данного устройства являются линейная поляризация антенных решеток, которая приводит к потере захвата аэрологического зонда при его сильных колебаниях и высокий уровень боковых лепестков(УБЛ) при отклоненном максимуме диаграммы направленности антенны (ДНА).
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является антенная система радиолокатора с управляемой поляризацией по патенту RU 50052 U1, опубл. 10.12.2005, содержащая фазированную антенную решетку, излучатели которой соединены с соответствующими выходами первой и второй ДОС, приемопередатчик, управляющее вычислительное устройство, выход которого соединен с управляющими входами приемопередатчика и обеих ДОС. Фазовращатели обеих ДОС выполнены по трехпозиционной схеме, при этом антенная решетка состоит из четырех сегментов, расположенных симметрично геометрическим осям решетки, а точки возбуждения излучателей первого и второго сегментов соединены с выходами первой ДОС, а излучателей третьего и четвертого сегментов - с выходами второй ДОС. Управляющее вычислительное устройство содержит арифметическое логическое устройство выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем выход малошумящего усилителя приемопередатчика первой аналоговой шиной соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого второй аналоговой шиной соединен с входом АЦП, выход которого цифровой шиной и шиной конца преобразования соединен с входами арифметического логического устройства, последнее шиной запись/считывание соединено с устройством выборки и хранения и АЦП, а первой и второй управляющими шинами - с первой и второй ДОС и приемопередатчиком соответственно.
Недостатком известного устройства является наличие фазовращателей в схеме ДОС для реализации круговой поляризации, что вносит дополнительные потери мощности на полосковых СВЧ-устройствах и входящих в их состав pin-диодах, неравномерность амплитудного распределения в раскрыве антенной решетки (возбуждаются, в основном, излучатели, располагающиеся вблизи входов подрешеток на первой линии схемы питания), а также приводит к увеличению УБЛ и снижению коэффициента усиления (КУ), и, как следствие, снижению коэффициент полезного действия(КПД) антенны.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности и надежности сопровождения аэрологического зонда.
Технический результат заключается в повышении КПД антенны метерадиолокатора, снижении потерь мощности в схеме ДОС и уровня бокового излучения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном устройстве антенны метерадиолокатора круговой поляризации, содержащей фазированную антенную решетку, выполненную в виде, по меньшей мере, из четырех подрешеток с излучающими элементами, которые соединены с соответствующими выходами диаграммообразующей схемы, форма излучающих элементов выполнена так, что обеспечивает круговую поляризацию антенной решетки, схема размещения излучающих элементов выполнена двоичноэтажной с неравномерным амплитудным распределением по излучающим элементам, аподрешетки с излучающими элементами выполнены радиально симметричными и расположены равноудаленно относительно центра антенны. Форма излучающих элементов выполнена в виде полосковой антенны квадратной формы со срезанной парой диагонально расположенных углов, в зависимости от выбора которых относительно питающей линии реализуют правую или левую круговую поляризацию. В схеме размещения излучающих элементов тройниковые делители мощности выполнены с неравным коэффициентом деления для обеспечения «спадающего к краям» амплитудного распределения поля в раскрыве антенной решетки.
Применение антенной решетки с круговой поляризацией, состоящей из четырех подрешеток с излучающими элементами квадратной формы со срезанной парой диагонально расположенных углов и расположением подрешеток радиально симметрично и равноудаленно от центра антенны, обеспечивает в дальней зоне антенны круговую поляризацию излучаемого поля с коэффициентом эллиптичности близким к единице. За счет выполнения формы излучающих элементов формируют правое или левое поле круговой поляризации, что упрощает схему ДОС и уменьшает при этом потери на полосковых СВЧ-устройствах и входящих в их состав pin-диодов, нет необходимости применения фазовращателей, обеспечивающих разность фаз между входами подрешеток в 90° предназначенных для реализации круговой поляризации. В двоичноэтажной схеме питания установленытройниковые делители мощности с неравным коэффициентом делениядля обеспечения «спадающего к краям» апертуры амплитудного распределения поляв раскрыве антенной решетки, что снижает УБЛ, сохраняя при этом высокий КУ и, как следствие, увеличивает КПД антенны.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - изображена структурная схема антенны;
на фиг. 2 -изображен излучающий элемент;
на фиг. 3 -изображен тройниковый делитель мощности;
на фиг. 4 - изображена рассчитанная диаграмма направленности;
на фиг. 5 - изображена угловая зависимость коэффициента эллиптичности.
Антенна метерадиолокатора круговой поляризации, содержит фазированную антенную решетку (фиг. 1), состоящую из четырех подрешеток1, количество которых может быть больше в зависимости от поставленной задачи. Подрешетки 1 выполнены из излучающих элементов 2, которые расположены равноудаленно от центра антенны, обладают радиальной симметрией, и соединены с соответствующими выходами диаграммообразующей схемы 3. Подрешетка 1 с излучающими элементами 2 круговой поляризации выполнена в виде двоичноэтажной схемы питающих линий 4 с тройниковыми делителями мощности 5 (фиг. 3), которые выполнены с неравным коэффициентом деления. Фазированная антенная решетка выполнена по полосковой технологии с воздушным диэлектриком (на фиг. не показан). Форма излучающих элементов 2 выполнена в виде полосковой антенны квадратной формы (фиг. 2) со срезанной парой диагонально расположенных углов, в зависимости от выбора которых относительно питающей линии 4 обеспечивают правую или левую круговую поляризацию антенной решетки. Для реализации круговой поляризации форма излучающих элементов 2 может быть выполнена также в виде ромба или круга с выступающими или углубленными элементами; в виде квадрата или круга с диагональной прорезью в центре и т.д. Двоичноэтажная схема питающей линии 4 выполнена с неравномерным амплитудным распределением, спадающим к краям апертуры поля в раскрыве антенной решетки. В схеме питания установлены тройниковые делители мощности 5 с неравным коэффициентом деления, плечи которых равны 0,25 длины волны на средней частоте с соответствующим волновым сопротивлением, для обеспечения спадающего к краям апертуры амплитудным распределением поля в раскрыве антенной решетки. Круговая поляризация излучающих элементов 2, представляющих собой в продольном сечении квадрат, размером А, равным 0,46-5-0,47 длины волны на средней частоте, со срезанной парой диагонально расположенных углов, катет которых Б равен 0,05 длины волны на средней частоте, обеспечивается за счет возбуждения двух ортогональных колебаний. Для обеспечения круговой поляризации необходимо выбирать размеры излучающего квадрата А и катеты срезов Б так, чтобы рабочая частота находилась между двумя образующимися резонансами. Подрешетки 1 жестко закреплены в местах нулевого потенциала излучающих элементов 2 к общему экрану 6. Для защиты антенной решетки от агрессивных воздействий на экран 6 со стороны излучающих элементов 2 установлен диэлектрический кожух 7, выполненный из радиопрозрачного материала.
Посредством коаксиальной линии через высокочастотные разъемы, согласно приведенной структурной электрической схеме, входы антенной решетки соединены с соответствующими выходами ДОС 3. В свою очередь ДОС 3 состоит из следующих полосковых СВЧ-устройств: кольцевых делителей мощности, проходных фазовращателей на мостовой схеме и линий задержки (на фиг. не показаны).
На фиг. 4 изображена рассчитанная диаграмма направленности антенны в равносигнальном направлении (РСН), т.е. без включения фазовращателей, где сплошная и пунктирная линии обозначают плоскости сечения ДНА при ϕ=0° и (ϕ=90° соответственно. При этом можно видеть, что максимальное излучение направлено по нормали к экрану 6 и ДНА обладает низким УБЛ.
На фиг. 5 изображена угловая зависимость коэффициента эллиптичности (КЭ) в РСН при ϕ=0°. В максимуме главного лепестка КЭ приближается к единице, следовательно, поляризация антенной решетки - круговая.
Работает устройство следующим образом.
При подаче СВЧ-сигнала на вход ДОС 3 сигнал разделяется посредством кольцевых делителей мощности и далее, проходя через фазовращатели, поступает на линии задержки. По фидерной линии сигнал далее поступает на входы подрешеток 1 и возбуждает излучающие элементы 2, которые формируют поле круговой поляризации, максимальное излучение которого направлено по нормали к экрану 6. Электрическое сканирование выполняется за счет изменения амплитуднофазового распределения в раскрыве антенной решетки, т.е. управление положением максимума ДНА осуществляется за счет сдвига фаз между токами соседних подрешеток 1 при подаче управляющего напряжения на pin-диоды фазовращателей.
Таким образом, антенна метерадиолокатора круговой поляризации по заявленному техническому решению эффективна и надежна при сопровождения аэрологического зонда за счет снижения потерь мощности на полосковых СВЧ-устройствах и упрощения схемы ДОС, а также применения спадающего к краям апертуры амплитудного распределения в раскрыве антенной решетки, что уменьшает УБЛ сохраняя высокий коэффициент усиления антенны. Повышаются КПД антенны и технологичность изготовления изделия.