ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах с фазированной антенной решеткой, в том числе использующих моноимпульсный метод пеленгации.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является фазированная антенная решетка, состоящая из N излучателей, N фазовращателей, системы управления фазовращателями, распределителя мощности, выполненного на основе радиального волновода, с входным фидером и N участками волноводов с подключенными ко входу возбуждающими секциями, внутренние проводники коаксиальных линий которых погружены в радиальный волновод, образуя штыревые возбудители. [Ю.В. Котов, А.С. Яковлев - Характеристики запредельных волноводных излучателей в ФАР на радиальной линии // Журнал "Антенны", 2007, выпуск 3 (118), с. 36-40].
Недостатками прототипа являются:
- необходимость настройки распределителя мощности, связанная с обеспечением требуемой глубины погружения штыревых возбудителей в радиальный волновод;
- сложность реализации в высокочастотных диапазонах длин волн, связанная с высокой точностью изготовления распределителя мощности, в том числе с обеспечением требуемых длин штыревых возбудителей;
- конструктивно-технологическая сложность изготовления, связанная с дополнительными технологическими операциями;
- высокая стоимость, связанная с высокой трудоемкостью изготовления распределителя мощности;
- малая пригодность для крупносерийного производства.
Перед авторами стояла задача создания фазированной антенной решетки, лишенной данных недостатков.
Техническим результатом заявляемой фазированной антенной решетки является повышение технологичности изготовления за счет упрощения конструкции, уменьшения трудоемкости и исключения из технологического процесса операции настройки распределителя мощности.
Технический результат достигается за счет того, что в фазированной антенной решетке, содержащей распределитель мощности, выполненный на основе радиального волновода, к нижней стенке которого подключен входной фидер, вход которого является входом распределителя мощности, и N участков волноводов, где N - целое число, выходы которых являются выходом распределителя мощности, к которым подключены N фазовращателей с установленными N излучателями, а также систему управления фазовращателями, радиальный волновод связан со входами N участков волноводов с помощью N щелей, выполненных в верхней стенке радиального волновода, при этом центр n-ой щели лежит на продольной оси n-ого участка волновода, расположенного нормально к верхней стенке радиального волновода.
n
Щели могут быть выполнены в виде наклонных щелей, расположенных под углом 0°≤α<180°, где n=1,2…N, к прямой, лежащей в плоскости верхней стенки радиального волновода и пересекающей центр n-ой наклонной щели и продольную ось входного фидера.
В верхнюю стенку радиального волновода могут быть введены дополнительные щели, причем каждой из наклонных щелей соответствует две дополнительные щели, расположенные перпендикулярно к наклонной щели, каждый из концов которой совпадает с одним из концов дополнительной щели.
Участки волноводов могут быть выполнены в виде отрезков прямоугольных волноводов, широкие стенки которых параллельны соответствующим наклонным щелям.
Посередине, по крайней мере, одной из широких стенок отрезков прямоугольных волноводов может быть расположен продольный металлический гребень.
По периметру радиального волновода может быть установлена согласованная нагрузка.
По периметру радиального волновода может быть дополнительно введен уголковый изгиб, на выходе которого установлена согласованная нагрузка.
Входной фидер может быть выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, продольная ось которого совпадает с продольной осью радиального волновода, а центральный контакт погружен в радиальный волновод.
Входной фидер может быть выполнен в виде отрезка круглого волновода, продольная ось которого совпадает с продольной осью радиального волновода, при этом соосно отрезку круглого волновода на внутреннюю поверхность верхней стенки радиального волновода дополнительно введен элемент согласования, выполненный в виде фигуры вращения.
В фазированную антенную решетку могут быть дополнительно введены N преобразователей поляризации, расположенных между распределителем мощности и N фазовращателями.
Распределитель мощности может быть выполнен в виде набора плит с углублениями и отверстиями, образующих при объединении между собой систему волноводных элементов.
Заявляемая фазированная антенная решетка обладает совокупностью существующих признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемая фазированная антенная решетка, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов она явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известна из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого решения поясняется при помощи чертежей, где:
- на фиг. 1 приведен разрез фазированной антенной решетки вдоль продольной оси распределителя мощности;
- на фиг. 2 приведен разрез фазированной антенной решетки вдоль нижней стенки радиального волновода;
- на фиг. 3 приведен разрез фазированной антенной решетки поперек N участков волноводов.
В качестве примера рассмотрена фазированная антенная решетка, в которой входной фидер выполнен в виде отрезка круглого волновода, элемент согласования выполнен в виде стержня, расположенного на коническом пьедестале, участки волноводов выполнены в виде отрезков прямоугольных волноводов.
n
Фазированная антенная решетка состоит из распределителя мощности, содержащего радиальный волновод 1, к нижней стенке которого соосно подключен отрезок круглого волновода 2. На внутренней поверхности верхней стенки радиального волновода 1 соосно отрезку круглого волновода 2 установлен элемент согласования 3. По периметру радиального волновода 1 расположен уголковый изгиб 4 с установленной на выходе согласованной нагрузкой 5. Верхняя стенка радиального волновода 1 связана со входами N=120 отрезков прямоугольных волноводов 6 с помощью наклонных щелей 7, расположенных под углом 0°≤α<180°, где n=1,2…N, к прямой, лежащей в плоскости верхней стенки радиального волновода 1 и пересекающей продольную ось отрезка круглого волновода 2 и центр n-ой наклонной щели 7, лежащий на продольной оси n-ого отрезка прямоугольного волновода 6, широкие стенки которого параллельны n-ой наклонной щели 7. Каждый из концов n-ой наклонной щели 7 совпадает с одним из концов двух дополнительных щелей 8, расположенных перпендикулярно к n-ой наклонной щели 7, каждый из концов которой совпадает с одним из концов дополнительной наклонной щели 8. Посередине каждой широкой стенки отрезков прямоугольных волноводов 6 расположены продольные металлические гребни 9.
К выходам распределителя мощности подключены преобразователи поляризации 10 с установленными фазовращателями 11, подключенными к системе управления фазовращателями 12, и излучателями 13.
Для увеличения технологичности и степени интеграции распределитель мощности выполнен в виде набора плит с углублениями и отверстиями, образующими при объединении между собой систему волноводных элементов.
Устройство работает следующим образом.
При работе фазированной антенной решетки на "передачу" поступающая на вход отрезка круглого волновода 2 линейно поляризованная электромагнитная волна проходит в радиальный волновод 1, в котором распространяется по нему, возбуждая отрезки прямоугольных волноводов 6 с установленными продольными металлическими гребнями 9 с помощью наклонных щелей 7 и дополнительных щелей 8 с заданным амплитудным распределением. Далее с выходов отрезков прямоугольных волноводов 6 с установленными продольными металлическими гребнями 9 электромагнитные волны поступают на входы преобразователей поляризации 10, в которых преобразуются в волны, поляризованные по кругу. С выходов преобразователей поляризации 10 электромагнитные волны поступают на входы фазовращателей 11, в которых получают требуемый фазовый сдвиг и, пройдя через них, излучаются в пространство излучателями 13.
01
11
При работе фазированной антенной решетки на "прием" электромагнитная волна с круговой поляризацией принимается излучателями 13 с направления, соответствующего направлению максимума главного лепестка диаграммы направленности. Электромагнитные волны с излучателей 13 проходят через фазовращатели 11 и, получив фазовый сдвиг, поступают на входы преобразователей поляризации 10, где преобразуются в линейно поляризованные волны. Далее, пройдя через отрезки прямоугольных волноводов 6 с установленными продольными металлическими гребнями 9, электромагнитные волны поступают в радиальный волновод 1 через наклонные щели 7 и дополнительные щели 8, в котором суммируются с заданной амплитудой и фазой, возбуждая в отрезке круглого волновода 2 электромагнитную волну круглого волновода E, соответствующую суммарной диаграмме направленности, и ортогонально поляризованные электромагнитные волны круглого волновода Н, соответствующие двум ортогональным разностным диаграммам направленности. Часть электромагнитной волны, не поступившей на вход отрезка круглого волновода 2, проходит через уголковый изгиб 4 и поглощается согласованной нагрузкой 5.
Технический результат заявляемой фазированной антенной решетки - повышение технологичности изготовления за счет упрощения конструкции, уменьшения трудоемкости и исключения из технологического процесса операции настройки распределителя мощности - достигается за счет того, что радиальный волновод связан со входами участков волноводов с помощью щелей. Это позволяет исключить использование дополнительных узкоспециализированных технологических операций и максимально уменьшить использование ручного труда, что в комплексе уменьшает разброс геометрических размеров, а, следовательно, увеличивает повторяемость электрических характеристик, также уменьшает трудоемкость изготовления, стоимость и обеспечивает крупносерийную пригодность.
Для подтверждения правильности выбранного технического решения на предприятии был изготовлен ряд образцов фазированных антенных решеток Ka-диапазона, у которых формы диаграммы направленности соответствуют расчетным, а КСВН не превышает значения 1,50 в полосе рабочих частот не менее 5%. На основании произведенных испытаний можно сделать вывод, что фазированная антенная решетка по своим электрическим характеристикам не уступает аналогам, но при этом имеет преимущество в конструктивно-технологическом исполнении, что подтверждает соответствие заявляемого решения критерию «промышленная применимость» для изобретения.