КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ СВЧ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
MICROWAVE ARRAY ANTENNA DESIGN WITH FREQUENCY SCANNING

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть применено в составе бортовых радиолокационных систем с частотным сканированием, также может быть использовано при создании РЛС бокового обзора, обзора подстилающей поверхности на самолетах радиолокационной разведки А-50 (РФ) или АВАКС (США), а также в других специальных типах в соответствии с заданными параметрами антенной системы, характером подстилающей поверхности, а именно: точечная цель, взлетно-посадочная полоса, море, луг, пашня, кустарник, холмистая поверхность, песок, городской ландшафт и прочее.
Общей проблемой при создании подобных РЛС является правильный выбор антенной системы, а именно: она не должна нарушать аэродинамические качества самолета и обладать высокой разрешающей способностью при минимизации габаритно-массовых характеристик (ГМХ). Реализация требуемых направленных свойств, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом зависит от рабочего диапазона частот. Последние десятилетия ознаменовались широким внедрением радиоустройств техники диапазона СВЧ, в котором антенны создают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и имеют коэффициент усиления, достигающий десятков и сотен тысяч. Это так называемые сканирующие антенны СВЧ на основе фазированных антенных решеток (ФАР).
Широко известны щелевые антенны, представляющие ряд щелей на металлической поверхности плоской или криволинейной формы, в которых возбуждается электромагнитное поле. Для обеспечения узкой диаграммы направленности вырезают группу щелей. Результирующая диаграмма направленности определяется по принципу двойственности, см. кн. М.П. Долуханов «Антенны излучают!», Москва, Изд. Связь, 1973, стр. 81-82.
Известна конструкция волноводно-щелевой дуговой решетки с последовательным возбуждением и дискретно коммутируемыми фазовращателями, см. кн. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.Н. Воскресенского, Москва, Радио и связь, 1981, стр. 103.
Недостатком конструкции являются: сложность конструкции фазовращателей, также сложность их настройки.
Также известно применение диэлектрика в качестве линии передачи по принципу распространения поверхностных волн, где сечение диэлектрического покрытия представляет прямоугольный треугольник, гипотенуза которого сходит на нет, см. кн. М.П. Долуханов «Антенны излучают!», Москва, Изд. Связь, 1973, стр. 84-86 - ПРОТОТИП.
Недостаток заключается в довольно сложной конструкции, в частности возбудителя, больших ГМХ.
Технической задачей изобретения является существенное увеличение сектора сканирования антенны с высоким быстродействием, оптимизация конструкции, уменьшение ГМХ, а также полная автоматизация управления лучом антенны.
Технический результат достигается за счет частичного заполнения дугообразного прямоугольного в сечении волновода диэлектриком переменной толщины и оптимизации конструкции сканирующих антенн и расположением их на внешней криволинейной поверхности боковой части фюзеляжа или на его нижней поверхности (радиус кривизны антенны совпадает с радиусом кривизны той части фюзеляжа, где она расположена).
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция прямоугольного волновода, изогнутого по дуге со щелевой решеткой, при этом волновод по своей длине частично заполнен диэлектриком переменной толщины, которая изменяется по определенному профилю вдоль центральной оси волновода, а на внешней стороне изгиба расположены поперечные щели, число которых и их геометрические размеры и расстояния между ними определяются длиной волны.
На чертеже представлена конструкция волноводно-щелевой дугообразной антенной решетки, на которой обозначено:
1 - нижняя поверхность волновода;
2 - собственно волновод;
3 - верхняя поверхность волновода;
4 - волноводные щели;
5 - вход волновода;
6 - крепление волновода (фланец) с четырьмя отверстиями для крепления;
7 - диэлектрик;
8 - поглощающая нагрузка (отрезок диэлектрика).
Согласующее устройство на выходе волновода показано условно, также как и СВЧ разъем на входе, радиус и кривизна изгиба также условна.
Конструкция имеет следующие соединения: между нижней 1 и верхней 3 поверхностями волновода 2 размещен криволинейный диэлектрик 7, на верхней поверхности волновода 2 размещены (вырезаны) щели 4, расположенные поперек волновода (размеры щелей и расстояние между ними зависят от длины волны).
Электрическая сущность изобретения следующая: особенностью заявленной антенной решетки является использование частично заполненного изогнутого прямоугольного волновода 2 со щелями 4, диэлектриком 7 переменной толщины, что способствует изменению фазовой скорости возбуждения внутри системы и обеспечению сонаправленной ориентации максимумов парциальных диаграмм направленности одиночных излучателей (щелей). Таким образом диэлектрик 7 выполняет функцию распределения сигналов вдоль щелей соседних излучателей.
Таким образом, предложена антенная решетка с частотным сканированием, выполненная из изогнутого в плоскости вектора Е прямоугольного волновода, содержащего на внешней стороне изгиба близко расположенные друг к другу узкие поперечные щели, причем структура поперечного сечения меняется по мере движения волны, а значит, есть возможность управления направлением диаграммы направленности, то есть без специальной программы управления.
Количество щелей, а также их длина, ширина и расстояние между ними выбирается из условия корректной аппроксимации амплитудного распределения, причем управление лучом антенны в меридиональной плоскости (по углу места) осуществляется с помощью изменения частоты генератора.
Ко всем щелям излучателей последовательно подводятся сигналы одинаковой структуры, с экспоненциальным изменением амплитуды и разными начальными фазами.
Диаграмма направленности этой антенной решетки при N излучателей (щелей) определяется выражением:
,
где ,
- угол главного лепестка диаграммы направленности,
Δϕ - разность фаз сигналов между двумя любыми соседними излучателями,
b - расстояние между ними по дуге, b=1-sin α;
α - угол кривизны.
Распределение толщины диэлектрика по волноводу по показанному на чертеже закону позволяет избежать настройки фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки. В настоящее время это выполняется подбором фазовращателей или управляемыми линиями задержки, что довольно нетехнологично.
Закон распределения толщины диэлектрика по волноводу рассчитывается с использованием метода функций Джорджа Грина, см. кн. Н.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев «Справочник по математике», М., изд. Наука, 1965 г., стр. 436, 488, 545, который связывает двойной интеграл по некоторой плоской области с криволинейным интегралом по границе этой области, причем в каждом отдельном случае (различного назначения антенны, частоты и прочее) закон распределения проверяется экспериментально.
Предлагаемая конструкция антенны позволяет:
- значительно снизить ее ГМХ за счет совмещения в одном конструктиве волновода фазовращателей в виде распределенного диэлектрика, антенных излучателей в виде щелей,
- увеличить угол сканирования и разрешающую способность,
- снизить себестоимость,
- обеспечить простоту настройки и эксплуатации,
- выбрать форму антенной решетки (кривизну) по месту установки в фюзеляже самолета таким образом, чтобы она совпадала с его кривизной, следовательно, самолет не имеет выступающих частей, что приводит к улучшению его электродинамических качеств.
Таким образом, предлагаемая конструкция полностью соответствует современному постулату «стоимость - эффективность».
Литература:
1. Кн. М.П. Долуханов «Антенны излучают!», М., Изд. Связь, 1973 г.
2. Кн. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.Н. Воскресенского, М., Радио и связь, 1983 г.
3. Кн. В.Н. Каганов «Радиотехника», М., изд. Форум, 2015 г.
4. Кн. «Справочник по радиолокации» под ред. М.И. Сколник, М., «Советское радио», Т. 2, 1976 г.
5. Кн. Б.А. Панченко, Е.И. Нефедов «Микрополосковые антенны», М.. «Радио и связь», 1986 г.
6. Кн. Н.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев «Справочник по математике», М., изд. Наука, 1965 г.