УЗКОНАПРАВЛЕННАЯ ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННА
NARROW-BAND WAVEGUIDE ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнической промышленности, в частности к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может применяться в радиолокационных системах (РЛС) кругового обзора с высоким разрешением по азимуту и дальности.
Известна узконаправленная антенна 3-см диапазона, разработанная НПФ «Микран» (см. Буянов Ю.И., Доценко В.В. и др. Узконаправленная антенна 3-см диапазона для обзорной РЛС с высоким разрешением по дальности // Материалы 10-й Международной Конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 13-17 сентября 2010, с. 538-539), которая образована из восьми подрешеток в виде линейных вибраторных антенных решеток с последовательным возбуждением, соединенных с входами 8-канального синфазного сумматора, формирующего спадающее амплитудное распределение в горизонтальной плоскости. Сумматор и подрешетки выполнены на основе несимметричной полосковой линии. Для формирования диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости подрешетки размещены в продольном рупоре. Основные параметры антенны: рабочая полоса частот: 9280-9580 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ: 1° в горизонтальной плоскости, 27° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ): минус 20 дБ; длина раскрыва: 1,84 м. Недостатками такого построения являются необходимость ухудшения УБЛ для обеспечения возможности конструктивной реализации устройства, высокий уровень вносимых потерь, а также ограничение допустимой мощности, подводимой к антенне, величиной порядка 10-20 Вт, что обусловлено исполнением сумматора и подрешеток антенны на базе несимметричной полосковой линии.
Наиболее близким аналогом, выделенным в качестве прототипа заявляемого устройства, является антенная система производства компании Terma (Дания), состоящая из расширяющегося рупора и размещенной в нем линейной волноводной антенной решетки в виде прямоугольного волновода с прорезанными по узкой стенке переменно-наклонными щелями (21 feet High Gain Antenna System. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://manualzz.com/download/35330648. Дата обращения: 10.06.2020). Расширяющийся рупор и волноводно-щелевая решетка расположены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем, установленным со стороны излучающего раскрыва рупора. Такая конструкция позволяет сформировать ДН с максимальным УБЛ минус 28 дБ, шириной на уровне минус 3 дБ в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 0,36° и 11°, соответственно, и коэффициентом усиления не менее 38 дБ. Рабочая полоса частот 9140-9500 МГц. Максимальный уровень средней мощности, подводимой к антенне, составляет 600 Вт.Габариты антенны: 6560×410×637 мм.
Однако недостатком данного технического решения является отклонение углового положения главного луча ДН при изменении рабочей частоты (около 1°/100МГц), что вызвано последовательным возбуждением щелей линейной волноводно-щелевой решетки и приводит к существенным ограничениям в части расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала для улучшения разрешающей способности РЛС по дальности. Кроме того, ошибки фазового распределения в излучающем раскрыве, связанные технологическими трудностями обеспечения требуемой точности размеров конструкции расширяющегося рупора при длине антенны порядка 200λ (где λ - длина волны), будут приводить к проблематичности реализации заявленного УБЛ.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в создании широкополосной узконаправленной волноводной антенны без частотной зависимости углового положения главного луча ДН с высоким коэффициентом усиления, низким УБЛ и внешними размерами не более габаритов антенны, выделенной в качестве прототипа.
Поставленная задача решена за счет того, что узконаправленная волноводная антенна, состоит из расширяющегося рупора и линейной антенной решетки с параллельным возбуждением, реализованной в виде N-канальной волноводной распределительной системы на основе Т-образных волноводных мостовых соединений в Ε-плоскости, направленных ответвителей с Т-щелевыми элементами связи и волноводных Е-тройников, выходы которой соединены с входами N одинаковых излучателей, размещенных в расширяющемся рупоре в продольном направлении, причем каждый из излучателей содержит волноводный изгиб на 90° в Η-плоскости и волноводный рупор, а конструкция линейной антенной решетки выполнена в сборном фрезерованном корпусе, расположенном под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке. N-канальная волноводная распределительная система выполнена в виде М-канального делителя, формирующего спадающее амплитудное распределение, каждый из выходов которого соединен с входом синфазного равноамплитудного делителя мощности N:M, образующего совместно с излучателями (N:М)-элементную подрешетку. (Ν, Μ, N:M - целые числа). При этом сборный фрезерованный корпус образован из отдельных секций, соединенных между собой с помощью фазирующих волноводов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид узконаправленной волноводной антенны, включающей N-канальную волноводную распределительную систему (1) линейной антенной решетки, расширяющийся рупор (2), излучатели (3) линейной антенной решетки, размещенные в рупоре (2) в продольном направлении и радиопрозрачный обтекатель (4), который установлен со стороны излучающего раскрыва рупора (2), вход антенны (5) показан условно.
- на фиг. 2 приведен разнесенный вид конструкции линейной антенной решетки, выполненной в сборном фрезерованном корпусе, где введены следующие позиционные обозначения: 1 - N-канальная волноводная распределительная система, 3 - излучатель, 5 - вход, 6 - волноводный рупор, 7 - волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости, 8 - Т-образное волноводное мостовое соединение в Е-плоскости, 9 - волноводный Е-тройник, 10-волноводный направленный ответвитель с Т-щелевым элементом связи, 11 - балластная нагрузка, 12 - волноводный изгиб на 90° в Е-плоскости, 13 - трансформатор сечений, 14 - дренажные отверстия.
- на фиг. 3 показана конструкция узконаправленной волноводной антенны, состоящая распределительной системы (1) и излучателей (3) линейной антенной решетки, расширяющегося рупора (2), радиопрозрачного обтекателя (4), поляризационного фильтра (15), вход антенны обозначен позицией (5) на виде А. Для обеспечения требуемой жесткости и минимизации массы несущая конструкция выполнена по принципу лонжеронного крыла самолета с использованием таких силовых элементов, как шпангоут (16), стрингер (17) и лонжерон (18), адаптированных под форму антенны. Такой подход в сочетании с современными возможностями прочностных расчетов в САПР позволяет реализовать прочную и легкую конструкцию, обеспечивающую работоспособность антенны при вращении со скоростью 1 об/с и скорости ветра до 30 м/с. Для горизонтирования антенны в верхней части конструкции предусмотрена юстировочная площадка (19). Присоединительный фланец (20) антенны показан на виде А.
- на фиг. 4 приведены общий и разнесенный виды конструкции 256-элементной линейной антенной решетки, выполненной в сборном фрезерованном корпусе, который образован из четырех секций (21), соединенных между собой с помощью фазирующих волноводов (22). Также на фиг. 4 введены следующие позиционные обозначения: 23 - 64-канальный делитель мощности, 24 - делитель мощности 1:4, 25 - 4-элементная подрешетка. Балластные нагрузки и крепеж на разнесенном виде не показаны.
- на фиг. 5 представлены характеристики узконаправленной волноводной антенны, выполненной на базе 256-элементной линейной антенной решетки. Расчетные и измеренные нормированные ДН антенны в Е- и Η-плоскости показаны на верхнем графике, расчетные частотные характеристики КСВН и КПД (кривые 1 и 2, соответственно) - на нижнем.
Для пояснения принципа работы узконаправленной волноводной антенны рассмотрим назначение ее основных элементов.
N-канальная волноводная распределительная система параллельного типа (1), возбуждающая N одинаковых излучателей (3), предназначена для формирования спадающего амплитудного распределения, обеспечивающего низкий УБЛ при требуемых ширине ДН и размере раскрыва антенны в горизонтальной плоскости. Распределительная система (1) и излучатели (3) образуют линейную антенную решетку с параллельным возбуждением, позволяющим устранить зависимость углового положения главного луча ДН от рабочей частоты. Построение распределительной системы на основе волноводных элементов обеспечивает синфазное широкополосное возбуждение излучателей (3) с минимальными вносимыми потерями.
Распределительная система (1) включает Μ бинарных делителей мощности Ν:Μ (24), вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом М-канального делителя (23), формирующего спадающее амплитудное распределение в горизонтальной плоскости. М-канальный делитель (23) выполнен на основе Т-образных волноводных мостовых соединений в Е-плоскости (8) и направленных ответвителей с Т-щелевыми элементами связи (10). Делитель мощности Ν:Μ (24) содержит (Ν:Μ)-1 неразвязанных волноводных Е-тройников (9) и образует совместно с излучателями (3) (N:М)-элементную подрешетку (25). Применение подрешеток (25) позволяет упростить конструктивное исполнение и улучшить массогабаритные характеристики N-канальной волноводной распределительной системы (1). При этом периодическая амплитудная модуляция распределения поля приводит к некоторому ухудшению УБЛ ДН вследствие возникновения лепестков квантования. В частном случае 256-элементная линейная антенная решетка из 64 подрешеток (см. фиг. 4), при формировании спадающего амплитудного распределения, обеспечивающего теоретический УБЛ не более минус 33 дБ при ширине ДН не более 0,35°, имеет боковые лепестки квантования на уровнях минус 32 дБ и минус 49 дБ.
Излучатели (3) выполнены в виде согласованных с окружающим пространством волноводных рупоров (6) линейной поляризации, соединенных с выходами распределительной системы (1) через волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости (7), и предназначены для возбуждения расширяющегося рупора (2), формирующего ДН в вертикальной плоскости. Поляризационный фильтр (15), опционально применяемый в составе антенны, обеспечивает возможность ее работы в режиме круговой поляризации. Для защиты от внешних воздействующих факторов линейная антенная решетка, расширяющийся рупор (2) и поляризационный фильтр (15) размещены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем (4), выполненном на базе композиционных материалов и установленным со стороны излучающего раскрыва рупора (2). Вход антенны выполнен в виде прямоугольного волновода стандартного сечения.
Отличительной особенностью конструкции узконаправленной волноводной антенны является то, что линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, который состоит из двух половин - алюминиевых плит, сопрягаемых по линии нулевых токов волноводной топологии. При этом корпус линейной решетки расположен под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке, что позволяет обеспечить требуемые характеристики антенны без увеличения ее габаритов. Кроме того, сборный фрезерованный корпус конструктивно разделен на отдельные секции (21), соединенные между собой с помощью фазирующих волноводов (22). Указанные технические решения позволяют обеспечить низкий УБЛ за счет повышения точности фрезерования волноводной топологии секций и возможности регулировки электрических длин каналов распределительной системы (1) с целью минимизации ошибок фазового распределения, связанных технологическими трудностями изготовления конструкции расширяющегося рупора (2) с необходимыми допусками при значительной длине раскрыва антенны (100…200λ).
На предприятии-заявителе в рамках ОКР по созданию РЛС обзора летного поля разработана конструкторская документация узконаправленной волноводной антенны на базе 256-элементной линейной решетки, изготовлены опытный и первые серийные образцы, опытный образец РЛС успешно прошел приемочные и сертификационные испытания, что подтверждает возможность практической реализации предлагаемого изобретения. Антенна имеет следующие характеристики: рабочая полоса частот: 9000-9450 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ, не более: 0,35° в горизонтальной плоскости, 11° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков: минус 25 дБ; реализованный коэффициент усиления не менее 38 дБ; габариты антенны: не более габаритов прототипа.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является, расширение рабочей полосы частот, обеспечение низкого уровня боковых лепестков и устранение частотной зависимости углового положения главного луча ДН без увеличения габаритов антенны, что позволяет улучшить разрешающую способность РЛС по дальности за счет возможности расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала.