Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением проходного типа
PHASED ANTENNA ARRAY WITH THROUGH TYPE SPATIAL EXCITATION

Предлагаемое устройство относится к области антенн СВЧ, точнее к фазированным антенным решеткам /ФАР/ с пространственным возбуждением проходного типа, и предназначено для использования в качестве антенного устройства многофункциональных РЛС. Преимущественная область применения: антенные системы корабельных РЛС.
Необходимость обнаружения и сопровождения большого количества скоростных целей потребовала создания антенных систем с ФАР, обеспечивающих электрическое сканирование в зоне углов до 360° по азимуту и максимальных углов листа.
Известные плоские ФАР позволяют отклонять луч от 0° до примерно ±45° /максимум до ±60°/ по отношению к нормали к плоскости /Справочник по радиолокации, под ред. Сколника М., т. 2, изд. Сов. радио 1977 г., с. 183/.
Для обеспечения обзора азимутальных углов до 360° обычно требуется четыре плоских ФАР, каждая из которых расположена под углом 90° друг к другу по азимуту. Такая антенная система на практике реализована в РЛС AN/SPY корабельной системы оружия AEGIS("AN/SPY-I Phased Array Antenna" Microwave Journ. May 1974, pp. 51-55). Недостатком такой антенной системы является ее высокая стоимость и трудоемкость. Антенная система имеет большие веса и габариты, поэтому она нашла применение только на крупных кораблях в составе соответствующих систем оружия.
В патенте ФРГ 2405520 /Feb. 6, 1974/, аналог патент США 3971022 /July 20, 1976/ описана усовершенствованная плоская ФАР с пространственным возбуждением проходного типа.
Согласно описанию патента ФАР содержит множество первых излучателей, расположенных в плоскости первой апертуры по строкам и столбцам, множество вторых излучателей, расположенных в плоскости второй апертуры также по строкам и столбцам, множество управляемых фазовращателей, каждый из которых включен между одним из первых излучателей и соответствующим вторым излучателем. Фар содержит также первый облучатель, расположенный со стороны первой апертуры, второй облучатель, расположенный со стороны второй апертуры и СВЧ переключатель, соединяющий по очереди первый и второй облучатели с приемопередающим устройством. При соединении с приемопередатчиком первого облучателя излучение плоской волны в свободное пространство происходит со стороны второй апертуры и электрическое сканирование возможно в секторе углов, например ±45°, относительно нормали к плоскости второй апертуры. При работе второго облучателя сканирование возможно в таком же секторе углов, но относительно нормали к плоскости первой апертуры.
Такое двухстороннее использование ФАР проходного типа позволяет получить два сектора электрического сканирования, развернутых по азимуту на 180° относительно друг друга. Теоретически две таких ФАР, каждая из которых имеет два сектора электрического сканирования по 90°, могут перекрыть 360° по азимуту, если они развернуты на 90° относительно друг друга. На практике, однако, одна из двух ФАР попадает в сектор сканирования второй ФАР и вызывает затенения. Разнос ФАР в вертикальной плоскости, позволяющий избежать затенений, значительно увеличивает общие габариты и веса системы, что во многих случаях недопустимо. На кораблях, где на мачтовых устройствах и надстройках размещается значительное количество антенных систем с круговым обзором, использование ФАР по патенту ФРГ 2405520 практически невозможно. Для РЛС с ФАР, работающих в широком секторе углов, например до 180°, ФАР по патенту ФРГ не имеет преимуществ по сравнению с обычной плоской ФАР. Для обеспечения работы в таком секторе необходимы две плоские ФАР.
Таким образом, недостатком ФАР по патенту ФРГ 2405520, принятому автором в качестве прототипа, является то, что два ее сектора электрического сканирования разнесены по азимуту на 180°. Этот недостаток прототипа не позволяет использовать две ФАР вместо четырех обычных или одну ФАР вместо двух, при работе в секторе углов до 180°.
Целью изобретения является создание ФАР с одним расширенным в два раза сектором электрического сканирования вместо двух секторов, разнесенных на 180° по азимуту.
Указанная цель достигается тем, что в ФАР с пространственным возбуждением проходного типа, содержащей множество первых излучателей, расположенных в плоскости первой апертуры по строкам и столбцам, множество вторых излучателей, расположенных в плоскости второй апертуры, также по строкам и столбцам, множество управляемых фазовращателей, каждый из которых включен между одним из первых излучателей и соответствующим вторым излучателем, первый облучатель, расположенный со стороны первой апертуры и второй облучатель, расположенный со стороны второй апертуры, а также СВЧ переключатель, соединяющий по очереди первый и второй облучатели с приемопередатчиком, первая и вторая плоскости апертур и, соответственно, первый и второй облучатели развернуты в азимутальной плоскости относительно друг друга на угол α, определяемый по формуле:
α=180°-φ,
где φ - ширина сектора сканирования одной плоской апертуры; введена третья фиксирующая плоскость, края которой соединены с краями первой и второй плоскостей апертур, управляющие фазовращатели размещены на внешней стороне третьей плоскости, строки первых излучателей смещены на половину шага по вертикали относительно строк вторых излучателей, линии передачи, соединяющие первые излучатели и вторые излучатели с соответствующими управляемыми фазовращателями размещены послойно друг над другом параллельно первой или второй плоскости.
Первая и вторая плоские апертуры предлагаемой ФАР при переключении облучателей могут обеспечить электрическое сканирование в двух секторах углов шириной φ /например, 90°/. Для того, чтобы два сектора сканирования шириной по φ соединились краями и образовали один сектор удвоенной ширины, т.е. 2φ /180°/, в предлагаемой ФАР плоскости первой и второй апертур развернуты на угол α=180°-φ. В обычной ФАР с пространственным питанием плоскости первой и второй апертур размещены параллельно друг другу на небольшое расстояние и конструктивно соединены между собой системой ребер жесткости, в ячейках которой крепятся модули с управляемыми фазовращателями. Доступ к управляемым фазовращателям осуществляется обычно со стороны одной из двух апертур.
В предлагаемой ФАР расстояние между разведенными краями плоскостей первой и второй апертур больше горизонтального размера каждой из апертур. Для обеспечения жесткости конструкции введена третья фиксирующая плоскость, края которой соединены с краями первой и второй плоскостей апертур. На внешней стороне этой плоскости укреплены управляемые фазовращатели, каждый из которых соединен СВЧ линией /например, волноводом/ с одним из излучателей первой апертуры и соответствующим излучателем второй апертуры. Размещение всех линий передачи возможно при расположении линий одного и другого направления послойно. При этом необходимо также сместить строки излучателей одной из апертур на половину шага по вертикали относительно излучателей другой апертуры.
Автору не известны технические решения, имеющие совокупность признаков, присущую совокупности отличительных признаков предложенного устройства.
В качестве дополнительного положительного эффекта можно привести следующее.
В предлагаемой ФАР управляемые фазовращатели вынесены из пространства между плоскими апертурами и размещены на внешней стороне фиксирующей плоскости. Такое размещение обеспечивает простой и удобный доступ к управляемым фазовращателям. Упрощается система охлаждения ФАР, т.к. тепло, выделяемое управляющими фазовращателями и их схемами управления, может быть снято обдувом внешней стороны фиксирующей плоскости. Предлагаемая конструкция позволяет выполнить ФАР в высокочастотной области сантиметрового диапазона волн, где традиционное построение затруднено ввиду малых расстояний между элементами.
На чертеже схематически изображена в плане предлагаемая ФАР.
Фар содержит плоскую апертуру 1, в которой размещены по строкам и столбцам излучатели 2, плоскую апертуру 3, в которой размещены излучатели 4, также по строкам и столбцам. Плоскости апертур 1 и 3 развернуты в азимутальной плоскости на угол α /например, 90°/. Фар содержит фиксирующую плоскость 5, соединяющую края апертур 1 и 3, на ее внешней стороне размещены управляемые фазовращатели 6. Управляемые фазовращатели соединены с излучателями 2, СВЧ линиями 7, проложенными в виде слоя в плоскости рисунка. С излучателями 4 апертуры 3 управляемые фазовращатели связаны СВЧ линиями 8, образующими другой слой. Строки излучателей 2 и соответствующие им линии 7 сдвинуты на половину шага по вертикали относительно строк излучателей 4 и соответствующих линий 8.
Фар содержит также облучатель 9, размещенный со стороны апертуры 1 и облучатель 10, размещенный со стороны апертуры 3. С помощью СВЧ переключателя 11 облучатели 9 и 10 по очереди подключаются к приемопередающему устройству 12. Вычислитель 13 вырабатывает коды управления фазовращателями 6. По своему функциональному назначению устройства 9, 10, 11, 12, 13 не отличаются от соответствующих устройств ФАР, принятой автором в качестве прототипа.
Работу ФАР удобно рассмотреть в режиме передачи. Облучатель 9 получает СВЧ энергию от передатчика 12 через переключатель 11 и излучает ее в направлении апертуры 1 в виде сферической волны. Излучатель 2 апертуры 1 принимают излученную энергию и канализируют ее по линиям 7 к управляемым фазовращателям 6. С помощью вычислителя 13 управляемыми фазовращателями устанавливается такое распределение фаз, чтобы волновой фронт на выходе излучателей 4 апертуры 3 был плоским и ориентирован в нужном направлении. При приеме ФАР работает таким же образом, но в обратной последовательности.
При подключении к приемопередатчику облучателя 10 ФАР работает аналогично.
Предварительная конструкторско-технологическая проработка предлагаемой ФАР показала целесообразность выполнения ее с волноводными излучателями и СВЧ линиями передачи в виде тонкостенных волноводов. В качестве управляемых фазовращателей могут быть применены различные типы полупроводниковых и ферритных фазовращателей.