ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
WAVEGUIDE-SLOT RADIATOR

Изобретение относится к антенной технике, в частности к волноводно-щелевым антенным решеткам (ВЩАР) направленного излучения СВЧ-сигнала, и может быть использовано при разработке радиолокационных станций (РЛС) метеорологических, с синтезированной апертурой, обнаружения, сопровождения, управления оружием.
Среди антенн СВЧ диапазона особое место занимают волноводно-щелевые антенные решетки, использующиеся как в качестве самостоятельных приемных и передающих антенных систем, так и излучателей сложных антенных устройств. ВЩАР нашли многочисленные применения в радиолокационных, радионавигационных и связных системах. Повышенный интерес разработчиков антенной техники к ВЩАР обусловлен следующими их достоинствами:
- отсутствием выступающих частей и компактностью, что позволяет совмещать излучающую поверхность ВЩАР с внешними обводами корпусов летательных аппаратов, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления;
- возможностью сравнительно легкой реализации требуемых амплитудно-фазовых распределений путем регулирования связи излучающих щелей с волноводом;
- высоким достижимым уровнем КИП-КПД, где КИП - коэффициент использования поверхности, КПД - коэффициент полезного действия.
Наиболее распространенными типами излучающих щелей в прямоугольном волноводе являются: наклонная щель на узкой стенке волновода, продольная щель на широкой стенке волновода, смещенная от его средней линии, наклонная щель на широкой стенке волновода, поперечная щель на широкой стенке волновода, смещенная от его средней линии [1]. Как правило, длина излучающих щелей ВЩАР выбирается таким образом, чтобы щель представляла собой чисто активное сопротивление и не оказывала влияния на фазовую скорость в волноводе. Длина такой щели называется резонансной. Электрические свойства наклонных щелей на узкой стенке волновода по сравнению с другими типами излучающих щелей меньше зависят от частоты, однако решающим фактором при выборе типа излучающих щелей является требуемая поляризация излучаемой и принимаемой антенной электромагнитной волны.
Известны ВЩАР, в которых для получения резонансной длины концы наклонных щелей на узкой стенке прямоугольного волновода охватывают волновод [1]. Для подавления паразитной составляющей поля наклонной щели в узкой стенке волновода (поляризованной поперечно волноводу) могут применяться дроссельные ловушки на узких стенках волновода или металлические разделительные блоки, размещаемые между излучающими щелями. Недостатком такого технического решения является невозможность реализации подобных щелей в ВЩАР, содержащей примыкающие друг к другу прямоугольные волноводы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является ВЩАР [2], представляющая собой совокупность отрезков прямоугольных волноводов, попарно сопряженных внешними широкими стенками. Излучающие щели этой ВЩАР расположены на одной из узких стенок отрезков прямоугольных волноводов. Каждая из излучающих щелей выполнена в виде комбинации наклонной щели и двух дополнительных щелей. Дополнительные щели расположены под прямым углом к наклонной щели и по разные стороны от нее. Каждый из концов наклонной щели совпадает с концом дополнительной щели. На внешней поверхности узких стенок отрезков прямоугольных волноводов между наклонными щелями размещены прямоугольные призмы, предназначенные для подавления паразитной составляющей поля излучающих щелей.
Проводимость излучающей щели, расположенной на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, имеющей форму, предложенную в [2], характеризуется значительной крутизной кривой, описывающей зависимость проводимости излучающей щели от угла ее наклона, что приводит к повышенной чувствительности волноводно-щелевого излучателя к ошибкам изготовления, выражающейся в значительном отклонении ее параметров от теоретически возможных. Описанная в [2] конструкция ВЩАР не имеет в своем составе плоского радиопрозрачного обтекателя, предназначенного для защиты волноводно-щелевого излучателя от внешних воздействующих факторов. При необходимости такой защиты обычно применяются плоские радиопрозрачные обтекатели, устанавливаемые в ближней зоне волноводно-щелевого излучателя. Для уменьшения влияния на внешние и внутренние характеристики волноводно-щелевого излучателя в рабочем диапазоне частот в простейшем случае плоский радиопрозрачный обтекатель выполняют в виде однослойной конструкции из диэлектрика с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь полуволновой толщины или толщины, существенно меньшей длины волны [3]. В коротковолновой части сантиметрового диапазона, а в еще большей степени в миллиметровом диапазоне длин волн, изготовление плоского радиопрозрачного обтекателя электрически малой толщины не представляется возможным. В силу ряда технологических ограничений (неоднородность диэлектрических свойств материала обтекателя по его объему, ошибки изготовления), наличия поддерживающих конструкций и диапазонных свойств, плоский радиопрозрачный обтекатель, имеющий полуволновую толщину, неизбежно ухудшает характеристики волноводно-щелевого излучателя.
Целью настоящего изобретения является создание волноводно-щелевого излучателя технологичной конструкции, позволяющей получить параметры, близкие к теоретически возможным, и, при необходимости, оснащаемой плоским радиопрозрачным обтекателем, обеспечивающим надежную защиту волноводно-щелевого излучателя от воздействия широкого спектра как климатических, так и механических внешних факторов.
Предлагаемый волноводно-щелевой излучатель содержит параллельно расположенные отрезки прямоугольных волноводов, попарно сопряженные своими внешними широкими стенками, и прямоугольные призмы. В одной из узких стенок всех отрезков прямоугольных волноводов выполнены излучающие щели в виде комбинации наклонной щели и дополнительных щелей. Каждой из наклонных щелей соответствуют две дополнительные щели, которые расположены к наклонной щели под углом и по разные стороны от нее. Каждый из концов наклонной щели совпадает с концом одной из дополнительных щелей. Дополнительные щели параллельны широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов. Прямоугольные призмы размещаются между излучающими щелями на поверхности волноводно-щелевого излучателя, образованной внешними поверхностями узких стенок отрезков прямоугольных волноводов. Грани прямоугольных призм перпендикулярны широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов.
На грани прямоугольных призм, параллельные внешним поверхностям узких стенок отрезков прямоугольных волноводов, но не совпадающие с ними, для защиты волноводно-щелевого излучателя от внешних воздействующих факторов может быть установлен плоский радиопрозрачный обтекатель, представляющий собой лист диэлектрического материала с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь.
При проведении расчета геометрии предлагаемого волноводно-щелевого излучателя проводимость излучающих щелей в виде комбинации наклонных щелей и дополнительных щелей определяется на основе решения уравнений Максвелла одним из известных численных методов (методами конечных областей или конечных разностей) или экспериментальным путем с учетом размеров прямоугольных призм, размещенных между наклонными щелями, и наличия и диэлектрических свойств материала плоского радиопрозрачного обтекателя. Учет этих параметров позволяет получить характеристики волноводно-щелевого излучателя, близкие к теоретически возможным.
На фиг. 1 представлен общий вид одного из вариантов выполнения предлагаемого волноводно-щелевого излучателя. В узких стенках попарно сопряженных отрезков прямоугольных волноводов 1 выполнены излучающие щели в виде комбинации наклонной щели 2 и дополнительных щелей 3. Прямоугольные призмы 4 размещаются между излучающими щелями на поверхности волноводно-щелевого излучателя, образованной внешними поверхностями узких стенок отрезков прямоугольных волноводов. Грани прямоугольных призм перпендикулярны широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов. На грани прямоугольных призм, параллельные внешним поверхностям узких стенок отрезков прямоугольных волноводов, но не совпадающие с ними, может быть установлен плоский радиопрозрачный обтекатель 5.
В режиме передачи электромагнитная волна от передающего устройства РЛС, не входящего в состав заявляемого волноводно-щелевого излучателя, через диаграммо-образующее устройство РЛС, не входящее в состав заявляемого волноводно-щелевого излучателя, поступает на входы отрезков прямоугольных волноводов 1. Распространяясь по отрезкам прямоугольных волноводов 1, электромагнитная волна возбуждает излучающие щели, состоящие из комбинации наклонной щели 2 и дополнительных щелей 3. Далее электромагнитная волна через пазы, образованные прямоугольными призмами 4, и, при наличии, плоский радиопрозрачный обтекатель 5, излучается в свободное пространство. Прямоугольные призмы 4 предназначены для подавления паразитной составляющей поля излучающих щелей.
В режиме приема отраженная от цели электромагнитная волна, пройдя, при наличии, через плоский радиопрозрачный обтекатель 5 и излучающие щели, состоящие из комбинации наклонных щелей 2 и дополнительных щелей 3, возбуждает отрезки прямоугольных волноводов 1 и через диаграммо-образующее устройство РЛС, не входящее в состав заявляемого волноводно-щелевого излучателя, поступает на вход приемного устройства РЛС, не входящего в состав заявляемого волноводно-щелевого излучателя.
На фиг. 2 представлены графики зависимости нормированной проводимости резонансной излучающей щели, расположенной на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, от угла наклона для формы излучающей щели, предложенной в [2] (прототипе) и в настоящем изобретении для отрезка прямоугольного волновода сечением 13×6,5 мм. Эта зависимость для излучающей щели, имеющей форму, предложенную в настоящем изобретении, имеет существенно меньшую крутизну, что обеспечивает меньшую чувствительность волноводно-щелевого излучателя к ошибкам изготовления.
Источники информации
1. Рудольф Кюн. Микроволновые антенны: Ответственный (научный) редактор М.П. Долуханов. - Л.: Судостроение, 1967.
2. Патент РФ №2566644 от 27.10.2015.
3. В.А. Каплун. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектирование). - М.: Сов. Радио, 1974.