ВОЛНОВОДНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ФАР С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ
WAVEGUIDE DISTRIBUTOR FOR HEADLIGHTS WITH OPTIMISED EMISSION CHARACTERISTICS

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток.
Известен патент «Фазированная антенная решетка» [RU №2297699 опубл. 10.07.2006], в котором приводится техническое решение, позволяющее реализовать оптимальные амплитудные распределения одновременно по суммарному и одному разностному каналу, отвечающему за формирование диаграммы направленности (в плоскости расположения распределителей-столбцов при строчно-столбцовой схеме построения распределительной системы. В этой схеме каждый из четырех распределителей-столбцов запитывает через распределители-строки свой квадрант апертуры). Такая фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, 4К линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя, который в свою очередь состоит из СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, четырех линеек направленных ответвителей. Каждая из линеек направленных ответвителей (НО) имеет 2К выходов. N входов каждой из К панелей излучателей соединены с соответствующими N выходами каждого из К блоков фазовращателей, N входов каждого из которых присоединены к соответствующим N выходам каждой из К линеек волноводной распределительной системы. Вход каждой из К линеек волноводной распределительной системы соединен с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя. Вход каждой из четырех линеек направленных ответвителей соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора. Кроме того, главный распределитель содержит четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, имеющих 2К выходов в каждой, 4К+2 фазирующих секций, суммирующее устройство и направленный ответвитель. Причем разностный вход СВЧ-сумматора соединен с выходом фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом фазирующей секции, выход которой подключен к входу суммирующего устройства. Каждый из четырех выходов суммирующего устройства соединен с соответствующими входами дополнительных линеек направленных ответвителей, а К выходов каждой из дополнительных линеек направленных ответвителей соединены с К согласованными нагрузками. Другие К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к К фазирующим секциям, выходы которых соединены с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя. В совокупности это обеспечивает снижение уровня боковых лепестков разностной диаграммы направленности в плоскости расположения только главного распределителя, но не в плоскости расположения линеек волноводной распределительной системы.
Известна статья «Системы распределения СВЧ-сигнала в антеннах с высокой энергетической эффективностью», авт.Позднякова Р.Д., Митин В.А., Синани А.И. и др., «Антенны», вып.2(93), 2005 г., в которой приводится схемное решение по реализации оптимального амплитудного распределения одновременно по суммарному и одному из разностных каналов (в плоскости расположения распределителей-столбцов) посредством введения в устройство дополнительных линейных делителей и сумматора с фазирующим устройством.
Недостатком этих технических решений является неоптимальная форма амплитудного распределения для разностного канала, соответствующего ДН в плоскости расположения распределителей-строк.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому техническому решению является «Волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения» [RU №2330357 С1 опубл. 27.07.2008 г.]. Он состоит из основного и дополнительного линейных делителей, каждый из которых выполнен из направленных ответвителей (НО), объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами, причем ответвленные каналы НО ориентированы под углом 90°-φ, где φ=0-20°, к своему магистральному волноводу. Ответвленные каналы соответствующих НО основного и дополнительного линейных делителей соединены между собой фазосдвигающими элементами. Магистральные волноводы выполнены одинакового трапецеидального сечения с разновысокими узкими стенками и расположены один за другим таким образом, что ответвленные каналы одинакового сечения, находящиеся с двух сторон первого магистрального волновода и имеющие с ним общие участки широких стенок с элементами связи в них, проходят над и под вторым магистральным волноводом так, что после 180° разворота в Е-плоскости они примыкают к широким стенкам второго магистрального волновода и имеют с ним общие участки стенок с элементами связи в них. В каждый ответвленный канал НО, объединенный первым магистральным волноводом, на участке между элементами связи НО и 180° разворотом в Е-плоскости установлены диэлектрические вкладыши, а в конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, установлена согласованная нагрузка. При развороте ответвленных каналов НО на угол 180° в Е-плоскости дополнительно осуществлен разворот на угол 2φ в Н-плоскости, где φ=0÷40°. Толщина общей стенки ответвленных каналов НО до и после 180° разворота в Е-плоскости выбрана равной (0,01÷0,05)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
В этом волноводном распределителе сечение магистральных волноводов как в основных, так и в дополнительных линейных делителях выбрано трапецеидальным. Такой вариант конструкции хорош именно для распределителей-столбцов в строчно-столбцовой распределительной системе с центральной запиткой. Для таких распределителей-столбцов не столь критичны, по сравнению с распределителями-строками, расстояния между входами магистральных волноводов основных делителей с точки зрения обеспечения регулярности расположения излучателей в апертуре (оно может быть откорректировано другими элементами конструкции - ответвленными каналами как распределителей-столбцов, так и распределителей-строк, выполняемых под углом к магистральным волноводам, а также асимметричными скрутками, переходами и др.). По тем же причинам не столь критичны и размеры устройства в плоскости, перпендикулярной плоскости ориентации распределителей-столбцов (плоскости ориентации распределителей-строк), поскольку структура раскрыва не связана непосредственно с габаритами распределителя-столбца.
Недостатками этого варианта конструкции являются достаточно большие размеры в плоскости ориентации распределителей-столбцов, не позволяющие применить эту конструкцию для оптимизированных распределителей-строк в составе ФАР строчно-столбцового типа с центральной запиткой, так как эти размеры не соответствуют структуре в раскрыве антенны при достаточно большом секторе однолучевого сканирования, а также не обеспечивают необходимые малые расстояния в центре антенны между распределителями-строками разных половин раскрыва для выполнения регулярного расстояния между излучателями в раскрыве антенны.
Техническая сущность предлагаемого конструктивного решения заключается в том, что волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного и дополнительного линейных делителей, расположенных один за другим в одной плоскости, при этом каждый из них выполнен на основе направленных ответвителей, объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами одинакового прямоугольного сечения. Ответвленные каналы НО имеют общие участки широких стенок с элементами связи в них с магистральными волноводами и ориентированы под углом к своему магистральному волноводу. В ответвленные каналы соединенных между собой НО основного и дополнительного линейных делителей на участке между направленными ответвителями установлены диэлектрические вкладыши, а в конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, установлены согласованные нагрузки. Новым в предлагаемом волноводном распределителе с оптимизированными характеристиками излучения является выполнение обоих магистральных волноводов таким образом, что ответвленные каналы первых от входа НО основных и дополнительных линейных делителей имеют общие участки широких стенок со своими магистральными волноводами до поворота их на 90°-α, где α=0÷15°, в Н-плоскости и ориентированы к ним под углом φ, где φ=0÷20°, а остальные ответвленные каналы НО имеют общие участки широких стенок со своими магистральными волноводами после поворота их на 90°-α в Н-плоскости и ориентированы к ним под углом 90°-φ, образуя своими выходами, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, совместно с ответвленными каналами первых от входа магистральных каналов НО, единую без нарушения регулярности структуру, аналогичную структуре излучающего раскрыва ФАР в плоскости расположения распределителей-строк, при этом магистральные волноводы основных и дополнительных линейных делителей после поворота на 90°-α параллельны друг другу.
Технический результат предлагаемого конструктивного решения заключается в реализации конструкции волноводного распределителя с оптимизированными характеристиками излучения, обеспечивающего непрерывную единую структуру выходных каналов распределителей-строк в волноводной распределительной системе строчно-столбцового типа с центральной запиткой, аналогичную по расстояниям между элементами структуре излучающего раскрыва ФАР.
Технический результат обеспечен за счет применения в линейных делителях одинаковых прямоугольных магистральных волноводов, расположенных один за другим в Н-плоскости, а также поворота обоих магистральных волноводов на угол 90°-α в Н-плоскости после размещения первых ответвленных каналов под углом φ=0÷20° к своим магистральным волноводам и размещения остальных ответвленных каналов под углом 90°-φ к своим магистральным волноводам.
На фиг.1 приведено изображение фрагмента конструкции волноводного распределителя для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения.
На фиг.2 приведены расчетные диаграммы направленности по разностному каналу в плоскости расположения предлагаемого волноводного распределителя для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения.
Волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного линейного делителя, выполненного из направленных ответвителей 1, объединенных магистральным волноводом 2, и дополнительного линейного делителя, выполненного из направленных ответвителей 3, объединенных магистральным волноводом 4. Соответствующие по номеру ответвленные каналы 5 основных и дополнительных линейных делителей соединены между собой, и в них, на участке между НО 1 и 3, установлены диэлектрические вкладыши 6, а в концах этих ответвленных каналов, в которые СВЧ-энергия направленно не ответвляется, и в концах магистральных волноводов 2 и 4 установлены согласованные нагрузки, соответственно, 7 и 8. Первые от входов магистральных волноводов 2 и 4 ответвленные каналы 5 основных и дополнительных линейных делителей ориентированы к своим магистральным волноводам под углом φ, где φ=0÷20°, а остальные ответвленные каналы ориентированы к своим магистральным волноводам после разворота их на 90°-α в Н-плоскости под углом 90°-φ.
Работает волноводный распределитель следующим образом:
- в режиме «на передачу» сигнал от передатчика через элементы и узлы волноводного тракта и распределительной системы поступает на вход основного делителя и далее, распространяясь по магистральному волноводу 2, последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей 1, обеспечивая в результате формирование на выходах ответвленных каналов заданного амплитудного распределения;
- в режиме «на прием» сигнал от раскрыва антенны через фазовращатели поступает на выходы ответвленных каналов направленных ответвителей 1 основного линейного делителя и далее, частично или полностью (в зависимости от соотношения направлений излученного и принятого сигналов) переходит или только в магистральный волновод 2 основного делителя или распределяется между магистральными волноводами 2 и 4 основного и дополнительного линейных делителей, что в результате после суммирования сигналов от входов магистральных волноводов 2 и 4 обеспечивает улучшение разностной ДН в плоскости расположения волноводного распределителя.
Таким образом, реализация конструкции волноводного распределителя, дающего возможность оптимизации формы амплитудных распределений по суммарному и разностным каналам в двухплоскостной волноводной распределительной системе, обеспечена применением в линейных делителях одинаковых магистральных волноводов прямоугольного сечения, расположенных один за другим в Н-плоскости, а также поворота обоих магистральных волноводов на угол 90°-α, где α=0÷15°, после размещения первых ответвленных каналов под углом φ=0÷20° к своим магистральным волноводам и размещения остальных ответвленных каналов под углом 90°-φ к своим магистральным волноводам. При этом расстояния между выходами ответвленных каналов волноводного распределителя и его малый габаритный размер в плоскости расположения распределителей-столбцов обеспечивают возможность формирования структуры, аналогичной структуре излучающего раскрыва ФАР.
Технико-экономические преимущества предложенного конструктивно-технического решения по сравнению с прототипом заключаются в реализации габаритных размеров и расстояний между выходными каналами в волноводных распределителях-строках, обеспечивающих возможность построения в составе ФАР волноводной распределительной системы с функцией оптимизации разностных ДН в двух плоскостях.
Результаты практической реализации предложенного конструктивно-технического решения не вызывают сомнения, разработана эскизная КД на предлагаемый волноводный распределитель, выполняемый в виде единой конструкции из тонкостенных алюминиевых деталей, изготавливаемых штамповкой или резкой лазером и соединяемых между собой при помощи пазов и лепестков с последующей пайкой силумином в расплаве солей и дальнейшей рихтовкой.
Предлагаемый волноводный распределитель позволяет:
1. Уменьшить габаритные размеры волноводного распределителя с функцией оптимизации разностной ДН в плоскости ориентации распределителей-столбцов и обеспечить возможность реализации непрерывной структуры с малым шагом в плоскости ориентации распределителей-строк при запитке строчно-столбцовой ВРС из центра антенны.
2. Реализовать в составе ФАР волноводную распределительную систему с функцией оптимизации разностной ДН в двух плоскостях при обеспечении широкого (до ±60°) сектора однолучевого сканирования в двух плоскостях.
3. Улучшить технологичность изделия за счет разработки конструкции, выполняемой из деталей, имеющих простой профиль с малым числом изгибов, и ориентированной на применение высокопроизводительных технологий лазерной резки и штамповки из тонкостенного алюминиевого проката и пайки силумином в расплаве солей.