ЛИНЕЙНАЯ АНТЕННА С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
FREQUENCY-SCANNING LINEAR ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к волноводным трактам антенных решеток, и может быть использовано в антенных системах с частотным сканированием.
Известен антенный модуль с частотным сканированием (а.с. СССР №1597986), содержащий змейковый волновод с изгибами либо в Е-плоскости, либо в Н-плоскости и регулярными участками, распределители, фидеры и излучатели. Электрические длины регулярных участков распределены по случайному равномерному закону, распределители выполнены в виде направленных ответвителей и делителей мощности, включенных в змейковый волновод поочередно. Разность электрических длин отрезков змейкового волновода между точками их включения равна средней длине волны в волноводе. Данная конструкция позволяет улучшить согласование в полосе рабочих частот, расширить сектор сканирования и повысить КПД.
Однако описанная конструкция не позволяет обеспечить полную взаимную компенсацию волн, отраженных от изгибов, так как отражение от изгибов носит случайный характер, что в свою очередь может выразиться появлением нормали по отражению на какой-либо из частот, причем также совершенно случайно. Ось у тракта не сохраняется ввиду случайности расположения прямолинейных участков по равномерному закону распределения.
Известна волноводная система питания для фазированной антенной решетки (патент РФ №2225661). Данное устройство содержит змейковый волновод с прямолинейными участками и 180-градусными прямоугольными изгибами в E-плоскости, реактивные неоднородности на широких стенках прямолинейных участков в местах изгибов, излучатели с общей стенкой в H-плоскости со змейковым волноводом, элементы связи змейкового волновода с излучателями, размещенные в общей стенке. Длины нечетных витков змейкового волновода выполнены больше длины четных витков на четверть средней длины волны в волноводе. Данная конструкция позволяет снизить коэффициент отражения волноводной системы питания в широком диапазоне частот и устранить эффект нормали (запирание питающего тракта на частоте нормали).
Однако в данном изобретении выполнение волноводного тракта связано с конструктивными трудностями, возникающими при большом количестве выходов. У тракта отсутствует общая ось. А его конструкция при большом количестве выходов не позволяет иметь удобные габариты, ее громоздкость препятствует размещению, установке и креплению, неудобна в эксплуатации.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является волноводная система питания (патент РФ №2231176), представляющая собой линейную антенну с частотным сканированием, содержащую змейковый волновод с прямолинейными участками и изгибами либо в E-плоскости, либо в H-плоскости, излучатели и одинаковые элементы связи змейкового волновода с излучателями. Из графических материалов следует, что излучатели имеют согласованные нагрузки, а змейковый волновод и излучатели имеют общую стенку, где размещены элементы связи. Данная конструкция позволяет избежать эффекта нормали, увеличить частоту рабочих частот. Кроме того, описанное техническое решение позволяет снизить коэффициент отражения волноводной системы питания в широком диапазоне частот.
К недостаткам относится то, что отражение от излучателя по величине не всегда совпадет с величиной отражения от уголков. Соответственно происходит не полная компенсация отражений, что в свою очередь приводит к неполному погашению эффекта нормали,
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является возможность сканирования антенны через нормаль к антенне при синфазной запитке излучателей. Как следствие - полное устранение эффекта нормали и увеличение рабочего диапазона антенны. Задачей также является улучшение геометрии антенны.
Техническим результатом при реализации изобретения является устранение эффекта нормали; уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), что увеличит рабочий диапазон частот; снижение уровня боковых лепестков (УБЛ), что обеспечит улучшенную помехозащищенность антенны; обеспечение требуемых перепадов коэффициентов связи (КС), что позволит задавать любое амплитудное распределение в раскрыве антенны, что в свою очередь определяет диаграмму направленности; повышение КПД для увеличения коэффициента усиления.
Для достижения указанных технических результатов в линейной антенне с частотным сканированием, включающей в себя змейковый прямоугольный волновод, канал которого свернут в E-плоскости и каждый его виток имеет прямолинейные участки и два 180-градусных изгиба, элементы связи и волноводные излучатели, которые имеют общую узкую стенку с змейковым прямоугольным волноводом, длины четных и нечетных витков змейкового прямоугольного волновода кратны половине средней длины волны в волноводе и различаются между собой на нечетное число длин волн в волноводе. Причем каждым элементом связи является направленный ответвитель, имеющий выходное плечо, соединенное с волноводным излучателем, и развязанное плечо в котором установлена согласованная нагрузка. А 180-градусные изгибы змейкового прямоугольного волновода согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в Е-плоскости. При этом элементы связи могут быть размещены на четных прямолинейных участках змейкового волновода. Также элементы связи могут быть размещены на нечетных прямолинейных участках змейкового волновода. Каждый элемент связи разнесен относительно соседнего на одну четверть средней длины волны в волноводе. А оконечная часть волноводного излучателя выполнена в виде излучающего рупора. Кроме того, змейковый прямоугольный волновод и волноводные излучатели выполнены в сборном корпусе, состоящем из трех соединенных частей, причем плоскость одной части соединена с одной плоскостью средней части для образования змейкового прямоугольного волновода по оси широкой стенки этого канала, а плоскость другой части соединена с другой плоскостью средней части для образования волноводных излучателей по осям широких стенок волноводных излучателей. А каждый волноводный излучатель выполнен в виде канала с двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом. При этом изгибы волноводных излучателей согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в E-плоскости. Направленные ответвители выполнены в виде ряда параллельных щелей переменного количества, ориентированных под переменным углом к продольной оси волновода и разнесены друг от друга на расстояние в одну четверть средней длины волны в волноводе. Причем направленные ответвители расположены на каждом прямолинейном участке, а каждый волноводный излучатель выполнен в виде канала с двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом, которые совпадают по форме и размерам с расположенными симметрично в H-плоскости двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом змейкового прямоугольного волновода.
Предлагаемое изобретение содержит следующие отличительные признаки. Длины четных и нечетных витков змейкового прямоугольного волновода кратны половине средней длины волны в волноводе и различаются между собой на нечетное число длин волн в волноводе. Причем каждым элементом связи является направленный ответвитель, имеющий выходное плечо, соединенное с волноводным излучателем, и развязанное плечо, в котором установлена согласованная нагрузка. А 180-градусные изгибы змейкового прямоугольного волновода согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в E-плоскости. При этом элементы связи могут быть размещены на четных прямолинейных участках змейкового волновода. Также элементы связи могут быть размещены на нечетных прямолинейных участках змейкового волновода. Каждый элемент связи разнесен относительно соседнего на одну четверть средней длины волны в волноводе. А оконечная часть волноводного излучателя выполнена в виде излучающего рупора. Кроме того, змейковый прямоугольный волновод и волноводные излучатели выполнены в сборном корпусе, состоящем из трех соединенных частей, причем плоскость одной части соединена с одной плоскостью средней части для образования змейкового прямоугольного волновода по оси широкой стенки этого канала, а плоскость другой части соединена с другой плоскостью средней части для образования волноводных излучателей по осям широких стенок волноводных излучателей. А каждый волноводный излучатель выполнен в виде канала с двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом. При этом изгибы волноводных излучателей согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в E-плоскости. Направленные ответвители выполнены в виде ряда параллельных щелей переменного количества, ориентированных под переменным углом к продольной оси волновода и разнесены друг от друга на расстояние в одну четверть средней длины волны в волноводе. Причем направленные ответвители расположены на каждом прямолинейном участке, а каждый волноводный излучатель выполнен в виде канала с двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом, которые совпадают по форме и размерам с расположенными симметрично в H-плоскости двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом змейкового прямоугольного волновода.
На фиг.1 представлен вид в плане линейной антенны с частотным сканированием в разрезе.
На фиг.2 представлена линейная антенна с частотным сканированием, вид сбоку, по которой проходит ломаная линия разреза А-А на фиг.1.
На фиг.3 представлено сечение Б-Б на фиг.1, проходящее в E-плоскости по четному витку змейкового волновода.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
Линейная антенна с частотным сканированием включает в себя сборный корпус 1, который состоит из основания - одной части 2, средней части 3 и верхней части - другой части 4, змейковый прямоугольный волновод 5 с входом 6, реактивными неоднородностями 7, волноводные излучатели 8 с согласованными нагрузками 9 и оконечными излучателями 10 и элементы связи 11, представляющие собой направленные ответвители, каждый из которых имеет выходное плечо и развязанное плечо. Змейковый прямоугольный волновод 5 и волноводные излучатели 8 выполнены в сборном корпусе 1, состоящем из трех соединенных частей: одной части 2 с плоскостью соприкосновения, средней части 3 и другой части 4 с плоскостью соприкосновения. Средняя часть 3 имеет плоскость соприкосновения с одной частью 2 и плоскость соприкосновения с другой частью 4. Плоскости соприкосновения части 2 и части 4 выполнены для соединения со средней частью 3. Плоскость одной части 2 соединена с одной плоскостью средней части 3 для образования змейкового прямоугольного волновода 5 по оси широкой стенки этого канала. Плоскость другой части 4 соединена с другой плоскостью средней части 3 для образования волноводных излучателей 8 по осям их широких стенок. Корпус 1 выполнен сборным из основания - одной части 2, средней части 3 и верхней части - другой части 4 (например: сварной, паяный или его части соединены крепежом). Между основанием, то есть между одной частью 2, и средней частью 3 корпуса 1 при их соединении образуется канал, который представляет собой змейковый прямоугольный волновод 5 с узкими и широкими стенками. Канал змейкового прямоугольного волновода 5 свернут в Е-плоскости. Змейковый волновод 5 содержит N витков с прямолинейными участками 1, 1, 2, 2, …, N, N и 180-градусными изгибами в E-плоскости. Таким образом, при соединении основания - одной части 2 и средней части 3, в корпусе 1 образуется прямолинейный участок 11 волновода 5, который начинается с входа 6 в волновод 5. Изгибы змейкового прямоугольного волновода 5 согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в E-плоскости. При выполнении волноводного канала с пониженной высотой в Е-плоскости в змейковом волноводе 5 образуются реактивные неоднородности 7. Они расположены в месте перехода прямолинейных участков 1, 1, 2, 2, …, N, N в изгибы по радиусу на противоположной от направления изгиба широкой стенке и каждый из них выполнен в виде плавного перехода с прямолинейного участка прямоугольного волновода в согнутый по радиусу изгиб, выполненный с пониженной высотой волноводного канала. Реактивные неоднородности 7 позволяют снизить коэффициент отражения в местах изгиба змейкового волновода 5. Таким образом, изгибы змейкового прямоугольного волновода 5 соединяют пары прямолинейных участков 1, 1, затем 2, 2, и далее. То есть прямолинейные участки расположены попарно. В каждой паре имеются четный и нечетный участки, например: 1 и 1; 2 и 22 и далее. Каждая четная пара 2, 2 и др. выполнена по длине меньше каждой нечетной пары 1, 1 и др. на одну четверть средней длины волны в волноводе. Элементы связи 11 могут быть размещены как на четных прямолинейных участках змейкового волновода 5, так и на нечетных прямолинейных участках. Каждый элемент связи 11 разнесен относительно соседнего на одну четверть средней длины волны в волноводе.
Между средней частью 3 и верхней частью - другой частью 4 корпуса 1 при их соединении образуются каналы, которые представляют собой волноводные излучатели 8. Каждый волноводный излучатель 8 выполнен в виде канала с двумя прямолинейными участками и 180-градусным изгибом, которые совпадают по форме и размерам с расположенными симметрично в H-плоскости двумя прямолинейными участкам и 180-градусным изгибом змейкового прямоугольного волновода 5. При этом изгибы волноводных излучателей 8 согнуты по радиусу и выполнены с пониженной высотой волноводного канала в E-плоскости. Кроме того, волноводные излучатели 8 могут быть выполнены в виде одного прямолинейного участка, причем прямолинейный участок каждого волноводного излучателя 8 должен иметь общую стенку с четными прямолинейными участками 12, 22, …, N2 змейкового волновода 5. Каждый излучатель 8 имеет согласованную нагрузку 9 и оконечные излучатели 10, причем оконечная часть волноводного излучателя может быть выполнена в виде излучающего рупора. Согласованная нагрузка 9 размещена в противоположном конце от оконечного излучателя 10 волноводного излучателя 8 и может представлять собой постепенно увеличивающуюся от оконечного излучателя 10 в сторону противоположного конца излучателя на узкой стенке ограничителя, который уменьшает высоту канала в Н-плоскости. Элементы связи 11 размещены в общей стенке змейковых прямоугольных волноводов 5 и волноводных излучателей 8 и представляют собой направленные ответвители. При этом направленные ответвители могут располагаться как на четных прямолинейных участках, так и на каждом прямолинейном участке змейковых прямоугольных волноводов 5 и волноводных излучателей 8. Длины четных и нечетных витков змейкового прямоугольного волновода 5 кратны половине средней длины волны в волноводе и различаются между собой на нечетное число длин волн в волноводе.
2
2
2
В графических материалах фиг. 1, 2 и 3 представлен пример исполнения, в котором каждый волноводный излучатель 8 содержит два прямолинейных участка и соединяющий их 180-градусный изгиб. То есть излучатели 8 содержат N витков с прямолинейными участками и 180-градусными изгибами в Е-плоскости со стороны, противоположной оконечным излучателям 10 излучателей 8, а также входу 6 волновода 5. Длина всех витков излучателя одинакова и соответствует длине первого, нечетного витка волновод 5. Средняя часть 3 корпуса 1 выполнена таким образом, что змейковый волновод 5 и излучатели 8 имеют общую стенку с четными прямолинейными участками 1, 2, …, N змейкового волновода. Элементы связи 11 размещены в общей стенке змейкового волновода 5 с излучателями 8 и представляет собой направленные ответвители. Направленные ответвители разнесены относительно друг друга на одну среднюю длину волны в волноводе. Направленные ответвители выполнены в виде ряда параллельных щелей переменного количества, ориентированных под переменным углом к продольной оси волновода 5 и разнесены друг от друга на расстояние в одну четверть средней длины волны в волноводе. На противоположных концах прямолинейных участков излучателей 8 от соединяющего их 180-градусного изгиба размещены с одной стороны согласованные нагрузки 9, а с другой - оконечные излучатели 10. Оконечные излучатели 10 волноводного излучателя 8 выполнены в виде излучающего рупора. Длины витков змейкового волновода 5 выбраны из условия кратности половине средней длины волны в волноводе и различаются между собой на нечетное число длин волн в волноводе.
Для пояснения рассмотрим фиг. 4, на которой представлена схема змейкового прямоугольного волноводного канала 5. В данном виде сделано упрощение, не касающееся сдвига элементов связи друг относительно друга на четверть длины волны. Обратимся к оси симметрии змейкового прямоугольного волновода 5. Пусть геометрическое расстояние между излучателями "K" и "K+1" равно L. Расстояние между двумя излучателями в змейковом волноводе 5 (Lb-d) должно быть кратно целому числу длин волн для обеспечения синфазности каждого оконечного излучателя 10. Таким образом:
где М=1, 2, 3 и т.д.;
в
λ - средняя длина волны в волноводе.
Расстояние между излучателями "K" и "K+1" равно:
Требуется обеспечить согласование начала 1-го и 2-го уголков, а также начало 3-го и 4-го уголков. Для согласования 1-го и 2-го уголков расстояние между ними должно быть кратно нечетному числу четвертей средней длины волны в волноводе:
Аналогично для уголков 3 и 4:
мал
бол
Зададим зависимость L от L:
Сложим уравнения (3), (4) и, учитывая уравнение (2), приравняем уравнению (1), получим:
Примем k=2М+ш, а l=2М-m, где m=1, 3, 5 и т.д. Вычтем из уравнения (3) уравнение (4):
Соответственно получаем, что величина параметра х=m*λ/4, m=1, 3, 5 и т.д. Следовательно, отражения от уголков "1", "2" и уголков "3", "4" компенсируют друг друга.
Как видно из фиг.4, длина большего витка "a-c" равна:
Умножим уравнение (3) на два и, учитывая уравнение (10), определим величину большего витка "a-c":
Как видно, больший виток "а-с" кратен половине средней длины волны в волноводе.
Как видно из фиг. 4, длина меньшего витка "c-e" равна:
Умножим уравнение (4) на два и, учитывая уравнение (12), определим величину меньшего витка "с-е":
Как видно, меньший виток "с-е" кратен половине средней длины волны в волноводе.
Выразим "k" через "l", получим k=l+2m. Подставим полученное "k" в уравнение 11 и вычтем из получившегося уравнения уравнение 13, получим:
Следовательно, длины четных и нечетных витков различаются на нечетное число средних длин волн в волноводе.
Линейная антенна с частотным сканированием работает следующим образом.
1
2
На вход 6 поступает сигнал СВЧ. Волны проходят по прямолинейному участку 1 змейкового прямоугольного волновода 5 до 180-градусного изгиба, выполненного по радиусу. В месте перехода прямолинейного участка в изгиб на наружной от изгиба широкой стенке волны встречают расположенные в змейковом волноводе реактивные неоднородности 7. Далее по изгибу волна поступает на прямолинейный участок 1 и через элементы связи 11, выполненные в виде ряда щелей, расположенных под углом к продольной оси волноводного излучателя 8, осуществляется ее поступление в излучатель 8 на соответствующий прямолинейный участок излучателя.
После прохождения прямолинейного участка излучателя волна поступает на оконечный излучатель 10.
Отраженный от направленного ответвителя сигнал поглощается предыдущим направленным ответвителем с помощью согласованной нагрузки 9. Таким образом, энергия отраженной волны не влияет на величину излучаемого сигнала, что позволяет сохранить постоянным амплитудное распределение в раскрыве антенны.
Требуемый перепад коэффициентов связи обеспечивается изменением угла наклона щелей в пределах от 23 до 50°, выполненных на всю ширину узкой стенки.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить коэффициент стоячей волны по напряжению, снизить уровень боковых лепестков за счет сохранения неизменным вида амплитудного распределения в раскрыве антенны, обеспечить требуемые перепады коэффициентов связи и, как следствие, повысить КПД.