РУПОРНЫЙ СВЧ-ОБЛУЧАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к радиотехнике, в частности, к рупорным антеннам, и может быть использована в качестве облучателей преимущественно плоских прямоугольных проходных фазированных антенных решеток (ФАР) СВЧ-диапазона, у которых размер апертуры в одной плоскости существенно меньше размера апертуры в другой плоскости.
В проходных плоских ФАР с круглым раскрывом в качестве облучателя используется рупор (пирамидальный или конический) с осесимметричной диаграммой направленности (ДН) [1]. В ФАР с прямоугольным раскрывом в качестве облучателя используется пирамидальный рупорный облучатель [2]. Проблема облучения (возбуждения) плоской проходной ФАР, узкой в одной плоскости и широкой в другой (т.е. имеющей в плане форму вытянутого прямоугольника), заключается в следующем. Фокусное расстояние такой ФАР выбирается из условия обеспечения требуемого амплитудного распределения поля в той плоскости, где размер апертуры больше, поэтому для создания заданного амплитудного распределения поля в другой плоскости требуется пирамидальный рупорный облучатель с раскрывом, сравнимым по размеру с апертурой ФАР в этой плоскости. Для уменьшения фазовых искажений в рупоре его длина должна превышать линейный размер раскрыва не менее, чем в 4 раза. Так, при размере апертуры ФАР в одной из плоскостей порядка (4÷5)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, рупорный облучатель должен иметь длину не менее (15÷20)λ. В случае размещения антенной системы в ограниченном объеме пространства, например в мобильной РЛС, это обстоятельство создает значительные трудности в наладке и обслуживании СВЧ-облучателя и антенной системы в целом.
Сущность полезных моделей заключается в следующем. Технический результат, достигаемый при их осуществлении, выражается в обеспечении оптимального режима облучения плоской прямоугольной проходной ФАР, у которой размер апертуры в одной плоскости существенно меньше размера апертуры в другой плоскости.
Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ-облучатель для плоской прямоугольной ФАР, у которой размер апертуры в Е-плоскости существенно меньше размера апертуры в Н-плоскости, выполнен в виде двух пирамидальных рупоров, расположенных рядом в Е-плоскости и жестко соединенных по боковой кромке или имеющих общую боковую кромку.
Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ-облучатель для плоской прямоугольной ФАР, у которой размер апертуры в Н-плоскости существенно меньше
размера апертуры в Е-плоскости, выполнен в виде двух пирамидальных рупоров, расположенных рядом в Н-плоскости и жестко соединенных по боковой кромке или имеющих общую боковую кромку, причем на стенки рупоров, параллельные вектору поля Е, нанесен слой диэлектрического материала.
Толщина слоя диэлектрического материала определяется по формуле
где λ - длина волны в свободном пространстве;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала.
Полезные модели поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - общий вид рупорного СВЧ-облучателя; фиг.2 - раскрыв рупорного СВЧ-облучателя по первому варианту и распределение поля в нем; фиг.3 - раскрыв рупорного СВЧ-облучателя по второму варианту и распределение поля в нем; фиг.4 - ДН рупорного СВЧ-облучателя по первому варианту: а) в Н-плоскости, б) в Е-плоскости; фиг.5 - ДН рупорного СВЧ-облучателя по второму варианту: а) в Н-плоскости, б) в Е-плоскости;
Рупорный СВЧ-облучатель (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 пирамидальные рупоры, расположенные рядом и жестко соединенные по боковой кромке, или имеющие одну общую боковую кромку. Горловины пирамидальных рупоров соединены с делителем мощности 3, выходной фланец которого соединен с прямоугольным волноводом, связанным с приемопередающим трактом РЛС.
1
В СВЧ-облучателе по первому варианту, предназначенном для работы с проходной ФАР 4 с прямоугольной апертурой (позиция 4), размер которой в Е-плоскости существенно (в 2-3 раза) меньше размера в Н-плоскости, первый 1 и второй 2 пирамидальные рупоры расположены в Е-плоскости и их соединяющиеся боковые кромки или общая боковая кромка перпендикулярны вектору поля Е (фиг.2).
В СВЧ-облучателе по второму варианту, предназначенном для работы с проходной ФАР с прямоугольной апертурой, размер которой в Н-плоскости существенно меньше размера в Е-плоскости, первый 1 и второй 2 пирамидальные рупоры расположены в Н-плоскости и их соединяющиеся боковые кромки или общая боковая кромка параллельны вектору поля Е (фиг.3). В этом СВЧ-облучателе на внутренние поверхности стенок, параллельных вектору поля Е, нанесен слой диэлектрического материала 5 или наклеены диэлектрические пластины толщиной d, определяемой по формуле, полученной из известного соотношения для прямоугольных волноводов, частично заполненных диэлектриком
где λ - длина волны в свободном пространстве;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала.
Рупорный СВЧ-облучатель работает следующим образом. С выхода делителя мощности 3 (фиг.1) в первый 1 и второй 2 пирамидальный рупор поступает волна Н. Если боковая кромка, по которой соединены рупоры, перпендикулярна вектору поля Е, то она не влияет на распространение волны и амплитудное распределение поля (на фиг.2 показано пунктирными линиями) в СВЧ-облучателе будет таким, как у рупора без внутренней перегородки, а фазовое распределение в каждом рупоре определяется размерами его раскрыва. Если боковая кромка, по которой соединены рупоры, параллельна вектору поля Е, то электрическое поле на этой кромке обращается в 0. При этом без дополнительных мер ДН в плоскости Н будет иметь боковые лепестки порядка - 8 дБ. Покрытие же боковых стенок слоем диэлектрического материала 5 позволяет создать в рупорах в Н-плоскости трапецевидное распределение поля (на фиг.3 показано пунктирными линиями) и уменьшить боковые лепестки до уровня - 12 дб. Чем выше диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала и, соответственно, меньше его толщина, тем форма распределения поля в рупоре ближе к прямоугольной, а суммарное распределение поля СВЧ-облучателя в Н-плоскости ближе к равномерному.
Характерный вид суммарной ДН рупорного СВЧ-облучателя по первому варианту для плоской проходной ФАР с апертурой, имеющей форму вытянутого прямоугольника с узкой стороной в Е-плоскости, представлен на фиг.4а, 4б. В данном примере осуществления полезной модели размер апертуры ФАР в Е-плоскости составлял около 5λ, а в Н-плоскости примерно 11λ. Видно, что в Н-плоскости ДН СВЧ-облучателя соответствует ДН одиночного рупора такого же размера, а в Е-плоскости соответствует ДН одиночного рупора длиной (15÷20)λ и с раскрывом, равным раскрыву сдвоенного рупорного облуча-теля. При этом края раскрыва ФАР облучаются требуемым уровнем мощности. Благодаря этому длина рупоров составляет всего (3-3,5)λ, что в СВЧ диапазоне существенно уменьшает габаритный размер антенной системы в осевом направлении.
Аналогичные ДН рупорного СВЧ-облучателя для ФАР с прямоугольной апертурой, узкой в Н-плоскости, и с тем же соотношением сторон, что и по первому варианту, представлены на фиг.5а, 5б. В этом случае ДН в Е-плоскости соответствует ДН одиночного рупора такого же размера, а Н-плоскости - ДН одиночного рупора с равномерным распределением поля в раскрыве, длиной (15÷20)λ, и с раскрывом, равным раскрыву сдвоенного рупорного облучателя. Это, как и в первом варианте, позволяет существенно уменьшить габаритный размер антенной системы в осевом направлении.
Использование полезной модели позволяет строить простые по конструкции малогабаритные антенные системы с плоскими проходными ФАР, имеющими в плане форму вытянутого прямоугольника с соотношением сторон ≥2.
Источники информации:
1. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 2. М., «Связь», 1977, стр.277, рис.11.12.
2. Патент RU 2245595, Н 01 Q 21/00, 2005.
3. Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. - М, Сов. радио, 1967, стр.58.