ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА
DUAL-BAND ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) различного назначения.
Известна двухчастотная антенна (Microwave System News, 1981, v.11, №10, p.69-74), представляющая собой сочетание моноимпульсной антенны Кассегрена, работающей на частоте 94 ГГц и принимающей сигналы горизонтальной поляризации, и однозеркальной моноимпульсной антенны, работающей на частоте 34 ГГц и принимающей сигналы вертикальной поляризации. Недостатком данной антенны является то, что принимаемые сигналы в каждом частотном диапазоне обязательно должны иметь взаимно ортогональную поляризацию. Кроме того, данная конструкция антенны не сможет обеспечить одновременную работу сантиметрового и высокочастотной части миллиметрового диапазонов волн, так как затенение, вносимое облучателем сантиметрового диапазона, приведет к резкому ухудшению параметров миллиметрового канала.
Известна также двухзеркальная антенна (а.с. СССР №1566435 A1, H01Q 19/00, 9.03.1988), построенная по схеме Кассегрена и обеспечивающая работу в трех частотных диапазонах. Антенна содержит основное параболическое зеркало, вспомогательное гиперболическое зеркало, селективное диэлектрическое зеркало, имеющее форму параболы и узел облучения. Узел облучения располагается в вершине основного зеркала и представляет собой рупорно-параболическую антенну, внутри которой располагаются два рупорных облучателя более высокочастотных диапазонов. Недостатком данной антенны является то, что элементы конструкции облучателей более высокочастотных диапазонов, располагаясь внутри облучателя более низкочастотного диапазона, оказывают сильное влияние на его характеристики и не позволяют получить оптимальные диаграммы направленности антенного устройства в каждом частотном диапазоне. Существенным ограничением в работе также является то, что поляризация принимаемых антенной сигналов в низкочастотном и высокочастотном диапазонах должна быть взаимно ортогональной.
Целью предлагаемого технического решения является получение оптимальных диаграмм направленности антенны в двух существенно разнесенных частотных диапазонах длин волн с соотношением рабочих частот приблизительно 1:10 (сантиметровом и высокочастотной части миллиметрового) при использовании одного излучающего раскрыва.
Поставленная цель достигается тем, что в двухдиапазонной антенне, содержащей общий излучающий раскрыв в виде волноводно-щелевой антенной решетки (ВЩАР) сантиметрового диапазона длин волн, который является также отражателем для облучателя коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, излучающая поверхность выполнена в виде плоского отражательного фазового корректора с концентрическими ступеньками, ширина и высота которых обеспечивают коррекцию фазы от 0° до 360° с выбранным дискретом в миллиметровом диапазоне длин волн.
Кроме того, отражательный фазовый корректор может быть выполнен в виде периодической решетки из проводящих печатных элементов, расположенных на заземленной печатной плате с четверть волновым диэлектрическим слоем, форма и размеры которых обеспечивают коррекцию фазы от 0° до 360° с выбранным дискретом в миллиметровом диапазоне длин волн.
Введение указанных признаков обеспечило возможность совмещения двух диапазонов длин волн при использовании одной излучающей поверхности за счет того, что в излучающую поверхность ВЩАР внесены фазокорректирующие элементы миллиметрового диапазона длин волн. Это позволило использовать излучающую поверхность ВЩАР сантиметрового диапазона в качестве отражателя, формирующего диаграмму направленности в миллиметровом диапазоне длин волн. Причем диаграммы направленности сантиметрового и миллиметрового диапазонов формируются практически независимо друг от друга.
Из известного уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения. Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлено:
на фиг.1 - двухдиапазонная антенна;
на фиг.2 - плоский печатный отражательный фазовый корректор;
на фиг.3 - волноводно-распределительная система ВЩАР;
на фиг.4 - расчетные диаграммы направленности в миллиметровом диапазоне длин волн;
на фиг.5 - расчетные диаграммы направленности в сантиметровом диапазоне длин волн;
на фиг.6 - экспериментальные диаграммы направленности в миллиметровом диапазоне длин волн.
Предлагаемая двухдиапазонная антенна (фиг.1) содержит общий излучающий раскрыв 1 в виде ВЩАР 2 с излучающими щелями 3 сантиметрового диапазона длин волн. Отличительной особенностью предлагаемой антенны является то, что излучающий раскрыв 1 ВЩАР 2 служит отражателем для облучателя 4 коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн. Для этого излучающая поверхность 1 ВЩАР 2 выполнена в виде плоского отражающего фазового корректора 5, позволяющего преобразовать сферическую волну облучателя 4 в плоскую волну. Последовательная компенсация фазового набега в зонах Френеля осуществляется с помощью кольцевых ступенек 6 различной высоты.
Кроме того, предлагается отражающий фазовый корректор миллиметрового диапазона выполнять в виде плоского печатного отражающего фазового корректора (фиг.2), представляющего собой периодическую решетку проводящих печатных элементов 7, расположенных на четвертьволновом диэлектрическом слое 8 над заземленной подложкой 9. Технология проектирования и изготовления таких фазовых корректоров известна (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.55, №5, May 2007, pp.1452-1456).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность одновременной работы антенны в двух существенно разнесенных частотных диапазонах при использовании одного излучающего раскрыва и обеспечении в обоих частотных диапазонах характеристик излучения, близких к предельным. При этом поляризация излучаемых волн сантиметрового и миллиметрового диапазона может быть как параллельной, так и взаимно ортогональной.
Указанный результат достигается следующим образом. В сантиметровом диапазоне длин волн диаграмма направленности формируется ВЩАР 2 (фиг.3). ВЩАР 2 резонансного типа состоит из прямоугольных волноводов 10, в широких стенках которых прорезаны продольные, смещенные относительно середин широких стенок, прямоугольные излучающие щели 3 с закругленными концами. Стенки волноводов 10, в которых прорезаны излучающие щели 3, образуют излучающую поверхность 1 ВЩАР 2. Каждые два соседних излучающих волновода 10 имеют общую узкую стенку. Излучающие щели 3 располагаются в каждом волноводе 10 на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе. На расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе, от центра последней излучающей щели 3 в излучающем волноводе 10 расположены короткозамыкающие металлические стенки.
С противоположной излучающей поверхности 1 стороны ВЩАР 2 расположен питающий волновод 11, ориентированный перпендикулярно излучающим волноводам 10 и имеющий общую широкую стенку с излучающими волноводами 10. На пересечении осей излучающих 10 и питающего 11 волновода в общей широкой стенке прорезаны наклонные несмещенные прямоугольные питающие щели с закругленными концами. На расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, от центра последней питающей щели в питающем волноводе 11 расположены короткозамыкающие металлические стенки.
Между двумя центральными питающими щелями на широкой стенке питающего волновода, противоположной стенке с питающими щелями, прорезана щель, образующая совместно с вышележащим отрезком прямоугольного волновода E-плоскостной волноводный тройник, вход которого является входом ВЩАР 2.
Распределение амплитуд по щелям 3 излучающей поверхности 1 вдоль излучающих волноводов 10 определяется выбором смещений излучающих щелей 3 относительно середин широких стенок излучающих волноводов 10, а вдоль питающего волновода 11 - выбором углов наклона питающих щелей.
n
n+1
n
n
В миллиметровом диапазоне длин волн антенна работает по однозеркальной схеме. Отражателем для облучателя миллиметрового диапазона 4 служит излучающая поверхность 1 ВЩАР 2. Для этого излучающая поверхность 1 ВЩАР 2 выполнена в виде плоского отражательного фазового корректора 5, позволяющего преобразовать сферическую волну облучателя 4, падающую на поверхность фазового корректора 5, в плоскую отраженную волну. Фазовый корректор 5 представляет собой плоский металлический диск, на поверхности которого выполнены концентрические ступеньки 6 различной ширины и высоты, обеспечивающие последовательную коррекцию фазы от 0° до 360° с выбранным дискретом. Каждая ступенька 6 имеет кольцевую форму, разделяемую двумя следующими друг за другом радиусами R и R. Радиус R рассчитывается, используя оптическую теорию распространения луча. Полагая, что отражатель обеспечивает λ/P фазовую коррекцию, радиус R рассчитывается по классической формуле Френеля:
где f - фокусное расстояние;
n - порядковый номер зоны;
λ - длина волны;
P - число корректирущих зон.
n+1
n
Из формулы (2) следует, что пространство, занимаемое каждой зоной и определяемое (R-R), уменьшается с возрастанием n, что является фактором, ограничивающим число корректирующих зон P. Высота ступенек h рассчитывается по формуле:
где m=1, 2, …P.
Кроме того, фазовый корректор 5 может быть выполнен в виде плоского печатного отражательного фазового корректора (фиг.2). Он представляет собой периодическую решетку из проводящих печатных элементов 7, расположенную на заземленной печатной плате с четвертьволновым диэлектрическим слоем 8 над заземленной подложкой 9. Отражатель изготавливается из листового фольгированного диэлектрика методом химического травления. Затем в нем прорубаются отверстия, размер и расположение которых соответствуют щелям 3 ВЩАР 2. Плата крепится на излучающей поверхности 1 ВЩАР 2.
Амплитудное распределение поля в раскрыве антенны, позволяющее получить требуемые диаграммы направленности в миллиметровом диапазоне, определяется характеристиками излучения облучателя 4. В качестве облучателя 4 может быть использован конический или пирамидальный волноводный рупор, фазовый центр которого помещается в точке фокуса отражательного фазового корректора 5. Параметры диаграммы направленности ВЩАР 2 определяются характеристиками ее волноводной распределительной системы, размерами и расположением излучающих щелей 3. Таким образом, в предлагаемой антенне формирование диаграмм направленности происходит практически независимо друг от друга. Для получения оптимальных характеристик излучения в каждом частотном диапазоне распределение поля в раскрыве для каждого диапазона может быть изменено с учетом взаимовлияния щелей 3 ВЩАР 2 и элементов конструкции и отражательного фазового корректора 5.
Было проведено компьютерное моделирование предлагаемой антенны с помощью пакета программ CST MICROWAVE STUDIO. В миллиметровом диапазоне длин волн моделирование проводилось для антенны с диаметром раскрыва 50 мм и фокусным расстоянием 30 мм. Число корректирующих зон P=8. В качестве облучателя использовался конический рупор с диаметром раскрыва 4 мм. Полученные диаграммы направленности (ДН) на частоте 94ГГц в электрической и магнитной плоскости (фиг.4а, б) подтверждают, что щели ВЩАР не оказывают значительного влияния на характеристики излучения антенны миллиметрового диапазона. В присутствии щелей расчетный уровень боковых лепестков не превышает 1% от максимума ДН. Коэффициент направленного действия антенны снижается незначительно, не более чем на 0,9 дБ.
В сантиметровом диапазоне длин волн моделирование проводилось для ВЩАР диаметром 50 мм. Излучающая поверхность ВЩАР представляла собой ступенчатый отражательный фазовый корректор, на поверхности которого выполнены концентрические ступеньки, обеспечивающие коррекцию фазы с дискретом 45°. Полученные ДН в электрической и магнитной плоскостях на частоте 9,4 ГГц (фиг.5а, б) подтверждают, что ступеньки отражательного фазового корректора не оказывают сильного влияния на характеристики излучения ВЩАР. В присутствии фазового корректора расчетный уровень боковых лепестков ВЩАР не превышает 1,5% от максимума ДН. Коэффициент направленного действия антенны практически не изменяется (снижается на 0,3 дБ). Для отражательного печатного фазового корректора получены аналогичные результаты.
Экспериментальное подтверждение работоспособности двухдиапазонной антенны в миллиметровом диапазоне длин волн было проведено на макете однозеркальной антенны с плоским печатным отражательным фазовым корректором диаметром 165 мм, на поверхности которого располагались имитаторы щелей ВЩАР 3-х см диапазона. Измеренные ДН антенны в электрической и магнитной плоскостях на частоте 94 ГГц (фиг.6а, б) подтверждают незначительное влияние щелей ВЩАР на характеристики излучения антенны миллиметрового диапазона. Уровень боковых лепестков практически не изменяется, коэффициент направленного действия снижается незначительно, не более чем на 0,9 дБ.
Предлагаемое техническое решение позволяет получить антенное устройство, работающее одновременно в двух диапазонах частот-сантиметровом и высокочастотной части миллиметрового. При этом достигаются значения высокочастотных характеристик, близких к предельным. Поляризация принимаемых и излучаемых высокочастотных сигналов миллиметрового и сантиметрового каналов может быть как параллельной, так и ортогональной. Антенное устройство имеет малые продольные габариты и вес.