ВОЛНОВОДНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ
WAVEGUIDE DISTRIBUTOR FOR PHASE AERIAL WITH OPTIMISED RADIATION CHARACTERISTICS

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной СВЧ-антенной технике в составе распределительных систем для фазированных антенных решеток.
Известен “Многоканальный волноводный делитель» [RU №2158049 С1, опубл. 20.10.2000 г.], состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов, ориентированных под углом к оси магистрального волновода и расположенных на обеих широких стенках магистрального волновода. Недостатком приведенного решения является то, что для обеспечения малого шага выходных каналов, что характерно для систем с большим сектором сканирования, и при высоком КПД их приходиться размещать на обеих широких стенках магистральных волноводов, что приводит к существенным конструктивным усложнениям, увеличению габаритных размеров и массы.
Известна статья «Beamformer Architectures for Active Phased-Array Radar Antennas» IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol.47, №3, March 1999. авт.Ashor K/Agrawal and Eric L.Holzman, в которой обсуждается ряд вариантов построения диаграммобразующих схем для пассивных и активных ФАР. Основным элементом для устройств распределения и суммирования СВЧ-сигналов выбран гибридный элемент. Использование такого элемента в волноводных вариантах схем приводит к существенному усложнению конструкции и особенно при реализации малых шагов выходных каналов для систем с большим сектором сканирования. Микрополосковые варианты таких схем имеют увеличенный уровень вносимых потерь на 5÷6 дБ по сравнению с волноводными схемами, а также ограничения по уровням канализируемого СВЧ-сигнала, что является существенным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является “Волноводный распределитель для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения” [RU №2330357 С1, опубл. от 23.11.2006 г.]. Он состоит из основного и дополнительного линейных делителей, каждый из которых выполнен из направленных ответвителей, объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами, при этом ответвленные каналы расположены с двух сторон магистральных волноводов и имеют развороты на 180° в Е-плоскости. Основными недостатками этого технического решения являются конструктивная сложность, большие габариты и масса.
Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении компонуемости волноводного распределителя, упрощении конструкции, уменьшении габаритных размеров.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что волноводный распределитель для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного и дополнительного линейных делителей, выполненных из направленных ответвителей (НО), объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами, и расположенных один за другим. Ответвленные каналы направленных ответвителей ориентированы под углом 90°-φ, где φ=0÷20°, к своему магистральному волноводу и имеют с ними общие участки широких стенок с элементами связи в них. Между направленными ответвителями основного и дополнительного делителей установлены фазосдвигающие секции.
Новым в предлагаемом изобретении является выполнение ответвленных каналов обоих делителей в виде прямых единых волноводов и расположение с одной стороны магистральных волноводов с шагом (0,5±0,1)λ. Сами ответвленные каналы заполнены диэлектриком, причем на участке ответвленных каналов между магистральными волноводами в диэлектрическом заполнении этих каналов выполнены выборки, в которые установлены диэлектрические вкладыши из материала с большей или меньшей диэлектрической проницаемость относительно материала, заполняющего ответвленные каналы. В конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, выполнен паз в диэлектрике, в который установлена согласованная нагрузка.
Магистральные волноводы волноводного распределителя для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения могут быть заполнены диэлектриком.
На фиг.1 приведена функциональная схема волноводного распределителя для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения.
На фиг.2 приведено схематическое изображение фрагмента конструкции волноводного распределителя для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения с диэлектрическим заполнением:
а) только ответвленных каналов;
б) как ответвленных каналов, так и магистральных волноводов.
На фиг.3 приведены схематическое изображение и электрические характеристики основных элементов, входящих в волноводный распределитель для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения:
а) направленного ответвителя с диэлектрическим заполнением волноводных каналов;
б) миниатюрной согласованной нагрузки.
Волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из четырех основных 1 и четырех дополнительных 2 линейных делителей, каждый из которых выполнен из К направленных ответвителей 3, объединенных магистральными волноводами, соответственно 4 и 5, К согласованных нагрузок 6, а также СВЧ-сумматора 7, суммирующего устройства 8 и направленного ответвителя 9.
Кроме того, в него входят 4К фазосдвигающих секций 10, выполненных в виде диэлектрических вкладышей, установленных в выборки диэлектрического заполнения ответвленных каналов 11.
Предлагаемый волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения выполнен в виде конструкции, собираемой из нескольких функциональных узлов: делителей двух типов, изготавливаемых в виде единой конструкции, СВЧ-сумматора, суммирующего устройства и направленного ответвителя. В ответвленные каналы распределителей устанавливаются пластины из диэлектрика с размерами сечения, равными сечению ответвленных каналов, и выборками, в которые устанавливаются вкладыши из диэлектрического материала с иной диэлектрической проницаемостью и согласованные нагрузки.
Технический результат обеспечен за счет заполнения диэлектриком ответвленных каналов направленных ответвителей основного и дополнительного делителей, что позволяет расположить все ответвленные каналы с одной стороны магистральных волноводов, а также за счет выполнения фазосдвигающих элементов в виде вкладышей, устанавливаемых в выборки в диэлектрическом заполнении ответвленных каналов на участках, расположенных между магистральными волноводами основного и дополнительного линейных делителей.
Дополнительное сокращение габаритных размеров может быть достигнуто при заполнении диэлектриком и магистральных волноводов.
Предлагаемый волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками работает следующим образом:
- в режиме «на передачу» сигнал от передатчика через элементы волноводного тракта и СВЧ-сумматор поступает на входы основных линейных делителей 1 и далее, распространяясь по магистральным волноводам 4, последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей 3, обеспечивая в результате формирование на выходах ответвленных каналов заданного амплитудного распределения;
- в режиме «на прием» сигнал от раскрыва антенны через ряд функциональных элементов ФАР (фазовращатели, элементы волноводной распределительной системы и др.) поступает на выходы ответвленных каналов направленных ответвителей 3 основных линейных делителей 1 и далее, распространяясь в ответвленных каналах с диэлектрическим заполнением, проходит или только в магистральные волноводы 4 основных линейных делителей 1 (при точном совпадении направлений излучаемого и принятого сигналов), или (при неточном совпадении направлений излучаемого и принятого сигналов) какая-то часть СВЧ-сигнала поступает в магистральный волновод 4, а другая часть, распространяясь далее по ответвленным каналам и приобретая необходимые фазовые сдвиги в фазирующих секциях 10, поступает в магистральные волноводы 5 дополнительных линейных делителей 2. После суммирования сигналов от входов магистральных волноводов 4 и 5 в СВЧ-сумматоре 7, суммирующем устройстве 8 и направленном ответвителе 9 на его входе Δ1 формируются сигналы, соответствующие разностной ДН с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения предлагаемого волноводного распределителя для ФАР.
Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключаются в уменьшении габаритных размеров волноводного распределителя, упрощении конструкции, повышении технологичности.
Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения, изготовлены и прошли испытания основные фрагменты предлагаемого волноводного распределителя - направленный ответвитель, фазосдвигающие элементы - вкладыши, согласованная нагрузка. Испытания подтвердили возможность достижения заявляемого технического эффекта.
Предлагаемый волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения позволяет:
1. Уменьшить габаритные размеры волноводного распределителя для ФАР на 40÷50% за счет уменьшения сечения волноводных каналов и расположения ответвленных каналов с одной стороны магистральных волноводов.
2. Повысить технологичность изделия за счет разработки малогабаритной конструкции, в которой применены прямые единые ответвленные каналы для двух типов линейных делителей (основных и дополнительных).