ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННА С КРУГОВОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
PHASED AERIAL WITH CIRCULAR SPATIAL POLARISATION

Изобретение относится к средствам радиосвязи, в частности к высокочастотным антенным системам, которые предназначены для передачи и приема радиосигналов с разной пространственной поляризацией в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц.
Данная антенна позволяет обеспечивать более высокий коэффициент усиления в сравнении с известными параболическими антеннами при меньших габаритных размерах и может быть использована для связи со спутниками. Изобретение обеспечивает формирование в пространстве правой и левой круговой поляризации для передаваемых сигналов и одновременный прием сигналов этих поляризаций. Возможность одновременной передачи и приема сигналов двух поляризаций существенно расширяет функциональные возможности антенной системы. Новые качества антенны достигаются за счет используемой конструктивной схемы двухполяризационных излучателей и применения двойной схемы питания излучателей, обеспечивающей независимое питание излучателей. Предлагаемая комбинация волноводов, излучателей и системы питания обеспечивает работу антенны в широкой полосе частот с малым уровнем потерь в распределительной системе, что позволяет реализовать высокий коэффициент усиления всей антенны в широкой полосе частот и низкий уровень боковых лепестков. В данной системе достаточно просто может быть реализован моноимпульсный режим работы при использовании нескольких двойных Т-мостов.
В настоящее время известны антенные системы, включающие в себя фазированную антенную решетку (ФАР), излучатели, магистральные и ответвленные волноводы. Так, например, патент RU №2300833 содержит моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, состоящего из магистральных волноводов и отводов. При этом волноводный распределитель состоит из групп, построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной ФАР. Однако данная антенна не может обеспечить одновременный прием сигналов двух поляризаций и имеет сравнительно малую рабочую полосу частот (всего несколько процентов).
Известна конструкция и способ изготовления многослойного щелевого волновода, имеющего многослойную структуру, на основе металлических слоев с синтетическим диэлектрическим покрытием (патент US №6,861,996 В2 с приоритетом 01.03.2005 г., который является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и может быть принят в качестве прототипа). В данной конструкции в разных слоях размещены волноводные распределители и продольные излучатели. Эта антенна может обеспечить работу только с одной линейной поляризацией и не может одновременно работать с двумя линейными поляризациями, а также работать с сигналами круговой поляризации. Кроме того, использованные в этой конструкции антенны волноводные делители не могут обеспечить хорошее согласование на краях рабочей полосы частот, что в итоге приводит к дополнительным потерям мощности в распределительной системе и снижению коэффициента усиления на крайних частотах рабочего диапазона. По этим причинам она имеет ограниченную область применения.
Целью заявленного изобретения является создание ФАР, обеспечивающей одновременный прием и передачу радиосигналов с правой и левой круговыми поляризациями в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц с высоким коэффициентом усиления.
Указанная цель достигается за счет новой схемы многослойной ФАР, имеющей с лицевой стороны n-прямоугольных ячеек, которые представляют собой рупорные излучатели, возбуждаемые квадратными волноводами, содержащими поляризатор с согласующими элементами. К излучателям подведены волноводы по двухуровневой распределительной системе, расположенной в разных слоях антенны. Важными факторами достижения поставленной цели является подбор конструктивных параметров используемых в данной антенне элементов-излучателей, волноводов, трансформаторов и согласующих элементов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает внешний вид антенны круговой поляризации;
Фиг.2 изображает послойную структуру антенны, условно разделенную на шесть слоев;
Фиг.3 изображает излучатель, который находится в ячейках трех лицевых слоев;
Фиг.4 изображает схему верхней волноводной распределительной сети, образованной прямоугольными каналами на сопряженных поверхностях второго и третьего ячеистых слоев антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на тыльной поверхности второго ячеистого слоя);
Фиг.5 изображает схему верхней волноводной распределительной системы, образованной прямоугольными каналами на сопряженных поверхностях второго и третьего ячеистых слоев антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на лицевой поверхности третьего ячеистого слоя);
Фиг.6 изображает в изометрии пластину четвертого слоя антенны - одну из трех пластин нижней распределительной волноводной системы;
Фиг.7 изображает в изометрии пластину пятого слоя антенны, также являющуюся составной частью нижней распределительной волноводной системы;
Фиг.8 изображает в изометрии пластину шестого слоя антенны, также являющуюся составной частью нижней распределительной волноводной системы.
Фазированная антенная решетка с круговой пространственной поляризацией по данному изобретению представляет собой многослойную панель с n-ячейками квадратного сечения, образующими рупорообразные излучатели, и снабженную двухсетевой распределительной волноводной системой. Внутренние полости сквозных ячеек панелей первого 1, второго 2 и третьего 3 слоев, образуют единую объемную решетку с n-ячейками (n - любое целое число, кратное четырем), полости которых образуют рупорообразные излучатели, представляющие собой волноводы квадратного поперечного сечения с раскрывами в виде рупоров с углом наклона внутренних стенок 15-25 град. от оси ячейки. При этом длина стороны рупора у основания раскрыва составляет 0,86-0,91 L длины стороны ячейки при высоте рупора (0,3-0,4)L. Внутри излучателей установлены четырехступенчатые металлические гребни 4 из прямоугольного профиля с закрепленными на них согласующими элементами 5 в виде металлических пластин в форме параллелепипедов, а также на уровне второго слоя закреплены согласующие элементы в виде прямоугольных пластин 6.
Построенная по схеме деления параллельного типа распределительная волноводная система представляет собой двухуровневую сеть волноводов, каждая сеть которой состоит из магистральных волноводов и отводов. Верхняя распределительная волноводная сеть 7 образована прямоугольными каналами с тыльной стороны слоя 2 и соответственно с лицевой стороны слоя 3, ориентированных широкой стороной перпендикулярной плоскости этих слоев. В местах разветвления волноводов выполнены делители мощности 8 в виде местного сужения волновода. Данное сужение также позволяет согласовывать делитель по входу и выходу. На выходах волноводов после делителя имеются переходные уголки 9 в виде металлических параллелепипедов.
Нижняя волноводная сеть образована тремя слоями 10, 11 и 12 антенны, выполненных в виде металлических пластин и содержащих согласующие элементы-делители 13, диафрагмы 14 и четвертьволновые трансформаторы 15.
Четвертый слой 10 антенны, плотно прилегающий к тыльной поверхности ячеистого слоя 3, имеет n/4 переходных волноводных площадки для передачи сигнала на четыре излучателя. В пределах каждой площадки имеются четыре сквозных окна 16, а центральная часть площадки выполнена с утонением толщины металла в площади условной буквы Н, при этом выступающие полоски металла 17 выполняют роль волноводного делителя.
Пластина пятого слоя 11 антенной решетки также имеет n/4 распределительных волноводных площадок для передачи сигнала на четыре излучателя, соосно расположенных под площадками слоя 10. Каждая площадка слоя 11 имеет утоненные участки в виде симметричных трапециевидных лепестков 19. К площадке подведены отводы запитывающего волновода 20 нижней распределительной сети. На каждой площадке имеется разделительный элемент 21. У основания трапеций лепестков переход толщины пластины выполнен в виде скоса.
Пластина шестого слоя 12 содержит n/16 распределительных площадок 22, образованных за счет местного утонения толщины пластины 12, при этом каждая распределительная площадка представляет собой волноводную разводку с одинаковыми плечами на каждую группу излучателей в количестве, равном n/4. В местах соединения плеч отводов имеются металлические выступы 23 и сужения делителей 14, а на выходе волноводов установлены уголки 24.
Для обеспечения синфазного излучения правой и левой круговой поляризации излучатели ориентированы гребнями навстречу друг другу в смежных рядах ячеек.
Устройство работает следующим образом.
При приеме сигналов правой или левой круговой поляризации падающая из свободного пространства электромагнитная волна попадает в рупорообразную часть излучателя, где при прохождении через зону установки ступенчатого гребня 4 волна круговой поляризации раскладывается на две взаимно ортогональные составляющие, разность фаз между которыми составляет ±90 град. (в зависимости от направления вращения). При прохождении через область излучателя, где расположен гребень, эта разность фаз становиться равной нулю. Далее электромагнитная волна поступает через волноводный делитель 18 в верхнюю распределительную сеть 7 и далее на выход фазированной решетки волноводного канала между третьим и четвертым слоями, а волна с поляризацией противоположного направления вращения направляется в нижнюю сеть системы. При прохождении волноводных делителей и согласующих элементов двух сетей распределительной системы происходит сложение энергии от четверок смежных излучателей и уменьшение уровня отраженной волны в широкой полосе частот за счет согласующих элементов. Согласующие элементы 5, 6, 14 и 15 позволяют существенно улучшить параметры излучения во всей полосе частот и обеспечивают согласование волноводного сопротивления излучателя, волновода распределительной системы и свободного пространства. После сложения мощности от всех излучателей она поступает на выходы третьего 3 и шестого слоя 12 антенны соответственно левой или правой поляризации.
При работе на передачу поступающая на входы антенны электромагнитная энергия с помощью волноводных делителей 18 и 22 распределяется между четверками излучателей, в которых согласующие элементы (14 и 15) уменьшают уровень отраженной волны, поступающей обратно на вход антенны. Затем электромагнитная энергия поступает на соответствующие входы излучателя. За счет ступенчатого гребня 4 и расположенных перпендикулярно ему прямоугольных пластин 5 поступившая электромагнитная энергия раскладывается на две взаимно ортогональные составляющие, которые после прохождения области гребня поступают на выход рупора с взаимным фазовым сдвигом, равным ±90 град., соответственно образуя на выходе рупора правую или левую вращающиеся поляризации. Далее через рупорообразную часть излучателя электромагнитная энергия распространяется в свободное пространство. Пластины 5 позволяют уменьшить коэффициент взаимной связи между волноводами верхней и нижней распределительных систем.