АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для построения фазированных антенных решеток из состава антенных устройств систем радиосвязи и радиолокационных устройств.
Известна антенная решетка [Патент РФ 2296400 от 2007 г.], выполненная в виде ряда вибраторных излучателей, размещенных с шагом, равным половине длины волны, на корпусе распределительной системы, выполненной на жесткой коаксиальной линии, отличающаяся тем, что к точкам ответвления распределительной системы на ближайшие к ее середине вибраторные излучатели подключены отрезки жесткой коаксиальной линии, образующие совместно с четвертьволновыми трансформаторами, соединяющими подключенный к середине распределительной системы суммарный вход с указанными вибраторными излучателями, кольцевой мост, к которому подключен разностный вход на расстоянии в одну четверть длины волны от одного из указанных вибраторных излучателей и в три четверти длины волны - от другого, а противофазное возбуждение половин линейной антенной решетки и, соответственно, формирование разностной диаграммы направленности обеспечивается разницей путей от этого разностного входа до точек подключения кольцевого моста к распределительной системе, составляющей половину длины волны.
Недостатком этой антенной решетки является отсутствие возможности изменения фазовых соотношений в цепи каждого излучателя.
Наиболее близкой по сущности к изобретению является антенна [Патент РФ 2225663 от 2004 г.], взятая за прототип, включающая, по меньшей мере, один излучатель с питающим коаксиальным кабелем, имеющим внешний проводник и внутренний проводник, разъем для подключения приемно-передающей аппаратуры и отражатель, при этом излучатель содержит первый полуволновой дипольный вибратор и второй полуволновой дипольный вибратор, расстроенные один относительно другого по частоте и закрепленные на противоположных поверхностях диэлектрической подложки, выполненной из стеклотекстолита, первый полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, каждое из которых соединено сужающимся трапецеидальным участком со шлейфом разной для каждого элемента длины, определяемой из условия обеспечения согласования питающего кабеля, причем внешний проводник питающего кабеля подключен к тому из указанных элементов, который имеет длинный шлейф, а внутренний проводник указанного кабеля подключен к элементу с коротким шлейфом, второй полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух металлических плоских элементов, образующих прямоугольные плечи, длина и ширина которых равна длине и ширине прямоугольных плеч первого полуволнового дипольного вибратора, причем прямоугольное плечо второго полуволнового дипольного вибратора, противоположное плоскому металлическому элементу с длинным шлейфом первого полуволнового дипольного вибратора, выполнено с нижним скосом, обращенным к короткой стороне другого прямоугольного плеча второго полуволнового дипольного вибратора, при этом толщина диэлектрической подложки выбрана из условия обеспечения емкостной связи между указанными вибраторами и одноименные плечи указанных вибраторов соединены металлическими перемычками, расположенными по длине плеч, для обеспечения индуктивной связи между указанными вибраторами.
Отражатель выполнен плоским, а один или более излучателей расположены перпендикулярно к нему, плоскости излучателей расположены вдоль продольной оси антенны.
Антенна снабжена сумматором-делителем, соединенным с разъемом для подключения приемно-передающей аппаратуры и каждым из питающих коаксиальных кабелей излучателей.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- невозможность установки нескольких экземпляров вплотную друг к другу для построения больших антенных устройств. Несущим основанием в прототипе является плоский отражатель, на котором закреплены излучатели, очевидно, что он не может обеспечить механической прочности конструкции при увеличении числа излучателей свыше некоторого значения. При построении антенного устройства, содержащего, например, сотню излучателей, необходима установка на общей несущей конструкции нескольких одинаковых антенных решеток с небольшим числом излучателей в каждой вплотную друг к другу. Однако в конструкции прототипа не предусмотрены элементы, обеспечивающие стыковку вплотную нескольких одинаковых экземпляров и крепление к несущим конструкциям антенного устройства;
- все излучатели соединены с пассивным сумматором-делителем, в режиме приема разъем сумматора-делителя является выходом антенны, а фазовые соотношения при суммировании принимаемых сигналов являются фиксированными и определяются длиной отрезков соединительных кабелей (шлейфов). Аналогичная ситуация в режиме передачи, только входом антенны является при этом тот же самый разъем сумматора-делителя, который работает при этом как делитель сигнала. Это значительно суживает область применения прототипа. Так, прототип невозможно использовать в активных фазированных антенных решетках (АФАР) с регулировкой амплитудно-фазовых соотношений в каждом канале, то есть в цепи каждого излучателя. В последнее время все большее распространение приобретают АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности (ДН), в которых сигналы с выходов излучателей преобразуются в цифровые отсчеты, амплитудно-фазовые соотношения в каждом канале регулируются путем цифровой обработки, суммирование сигналов с выходов каналов обработки осуществляется в цифровом сумматоре. Таким образом, прототип невозможно использовать в современных антенных решетках;
- построение излучателей в виде элементов, вытравленных на стеклотекстолите, расположенных перпендикулярно отражателю антенной решетки, излучатели соединены между собой узкими металлическими полосками, что не обеспечивает механической жесткости антенны, поэтому его невозможно использовать в условиях тряски, например, в качестве антенны на подвижном носителе.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности построения на его основе антенных устройств с большим числом излучателей путем установки нескольких экземпляров антенной решетки вплотную друг к другу, расширение области применения за счет обеспечения независимости регулировки амплитудно-фазовых соотношений в цепи каждого излучателя и повышение вибропрочности конструкции.
Для достижения указанной цели предлагается антенная решетка, включающая отражатель и несколько излучателей, каждый из которых содержит симметричный вибратор, выполненный в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, внешний и внутренний проводник для подключения симметричного вибратора к внешней линии передачи сигнала, при этом излучатели расположены перпендикулярно к плоскому металлическому отражателю, плоскости излучателей расположены вдоль продольной оси антенной решетки.
Согласно изобретению, проводники подключения вибратора выполнены в виде плоской воздушной трехпроводной линии передачи, содержащей два внешних проводника, на которых крепятся плечи симметричного вибратора и расположенный между ними внутренний проводник, излучатели расположены на отражателе в две линейки по четыре излучателя в каждой с расстоянием между излучателями 0,5…0,6λ, где λ - длина волны центральной частоты рабочего диапазона частот, причем центры излучателей в верхней линейке смещены вправо относительно центров излучателей в нижней линейке на половину расстояния между излучателями, расстояние между линейками по вертикали равно 0,5…0,6λ, отражатель имеет восемь прямоугольных отверстий, центры которых совпадают с центрами излучателей, предназначенных для соединения внутреннего проводника каждого вибратора излучателя с внешней линией передачи сигнала, левый боковой край отражателя имеет прямоугольный выступ в нижней половине отражателя, а правый боковой край отражателя имеет прямоугольный выступ в верхней половине отражателя, ширина выступов равна 0,25…0,26 расстояния между излучателями, по периметру отражателя расположены отверстия крепления антенной решетки к несущей конструкции, указанные выступы и расположение линеек излучателей на отражателе обеспечивают сохранение шага расположения излучателей в соседних антенных решетках при установке любого количества антенных решеток вплотную рядом друг с другом на одну несущую конструкцию.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- отражатель в прототипе имеет прямоугольную форму, в отличие от этого, в предлагаемом устройстве отражатель имеет выступы на правом и левом краях, обеспечивающие установку антенных решеток вплотную друг к другу без зазоров, при этом сохраняются одинаковые расстояния между излучателями на границах антенных решеток при построении антенных систем с большим числом излучателей;
- в прототипе используются плоские излучатели, представляющие собой симметричные вибраторы, выполненные методом травления фольгированного стеклотекстолита, установленные перпендикулярно к отражателю, для подключения вибратора к внешней линии передачи сигнала используются внешний и внутренний проводники. В отличие от этого, в предлагаемом устройстве использованы цельнометаллические симметричные вибраторы, при этом плечи вибратора крепятся на внешних проводниках трехпроводной воздушной линии передачи, внутренний проводник расположен между внешними проводниками линии передачи, вибраторы выполнены методом фрезерования или литья, что обеспечивает вибропрочность конструкции;
- в прототипе выходы излучателей подключены к сумматору-делителю, выходом прототипа в режиме приема является разъем сумматора-делителя, в режиме передачи входом прототипа является тот же самый разъем. В отличие от этого, в предлагаемом устройстве каждый излучатель имеет свой выход, что обеспечивает расширение области применения устройства и возможность его использования в АФАР с регулировкой фазовых соотношений в цепи каждого излучателя;
- в прототипе излучатели установлены в одну линию вдоль отражателя. В отличие от этого, в предлагаемом устройстве установлены две линейки по четыре излучателя, причем излучатели расположены в узлах треугольной сетки, то есть расположение центров излучателей в одной линии смещено относительно другой линии на половину расстояния между излучателями, что дает 15% экономии числа излучателей при той же площади отражателя [1 - Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского, М., «Радиотехника», 2003. - стр.65].
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой антенной решетки из литературы не известно, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 приведен внешний вид предлагаемой антенной решетки.
На фиг.2 приведен внешний вид антенного устройства из четырех антенных решеток, установленных вплотную друг к другу.
Антенная решетка (фиг.1) состоит из восьми излучателей 1, установленных на прямоугольном плоском металлическом отражателе 2, излучатели 1 расположены в две линейки по четыре штуки в каждой, центры излучателей 1 в верхней линейке смещены относительно центров излучателей в нижней линейке на половину расстояния между излучателями 1 вправо, расстояние между линейками по вертикали равно 0,5…0,6λ.
Отражатель 2 имеет восемь прямоугольных отверстий 3, центры которых совпадают с центрами излучателей 1.
Левый боковой край отражателя имеет прямоугольный выступ 4 в нижней половине отражателя 2 шириной 0,25…0,26 расстояния между излучателями 1 и высотой 0,49…0,5 высоты отражателя 2, правый боковой край отражателя имеет прямоугольный выступ 5 в верхней половине отражателя 2 с шириной 0,25…0,26 расстояния между излучателями 1 и высотой 0,5…0,51 высоты отражателя 2, указанные выступы обеспечивают стыковку нескольких антенных решеток (фиг.2) между собой со всех сторон таким образом, чтобы расстояния между крайними излучателями в соседних состыкованных антенных решетках равнялось расстояниям между остальными излучателями.
Излучатель 1 представляет собой симметричный вибратор с элементами его крепления к отражателю 2, при этом плечи вибратора крепятся на внешних проводниках трехпроводной воздушной линии передачи, внутренний проводник расположен между внешними проводниками линии передачи и служит для подключения внешней фидерной линии передачи сигнала (на фиг.1 не показана) через отверстие 3. Форма вибратора аналогична симметричным вибраторам в [1 - стр.222, рис.2.6.1а-2.6.1в].
Отражатель 2 имеет отверстия 6, расположенные по его периметру, предназначенные для крепления к несущей конструкции антенного устройства (на фиг.1 не показана).
Излучатели 1 выполнены из дюралюминия методом литья или фрезерования и представляет собой единую конструкцию, что обеспечивает их высокую вибропрочность.
Излучатели в предлагаемой антенной решетке имеют отдельные выходы, что обеспечивает возможность построения многоэлементных АФАР с регулировкой амплитудно-фазовых соотношений в каждом канале, что позволяет формировать в раскрыве АФАР расчетные значения распределения поля с высокой точностью. В прототипе все излучатели подключены к сумматору-делителю, а фазовые и амплитудные соотношения между сигналами в излучателях определяются длиной отрезков соединительных кабелей между излучателями и сумматором-делителем и являются фиксированными.
Антенная решетка может использоваться в двух режимах работы, в зависимости от режима работы системы, в которой она используется:
- в режиме передачи каждый излучатель возбуждается сигналом, поступающим на его вход по внешней фидерной линии от аппаратуры передачи. Антенная решетка обеспечивает формирование диаграммы направленности, форма и направление максимума которой определяются амплитудными и фазовыми соотношениями сигналов, подаваемых на излучатели [1 - стр.29];
- в режиме приема каждый излучатель возбуждается сигналом, поступающим на него из эфира, далее этот сигнал передается по внешней фидерной линии для дальнейшей обработки на аппаратуру приема. В этом режиме антенная решетка обеспечивает формирование диаграммы направленности, форма и направление максимума которой определяются амплитудными и фазовыми соотношениями, установленными в каналах аппаратуры приема.
Предлагаемая антенная решетка была использована в опытном образце АФАР с цифровым формированием ДН, экспериментально измеренные характеристики подтверждают расчетные данные.