ЗЕРКАЛЬНО-РУПОРНАЯ АНТЕННА
MIRROR-HORN ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны радиолокационной или связной системы.
Зеркальные антенны широко используются в различных радиотехнических системах. К числу их достоинств относятся простота конструкции, высокий коэффициент полезного действия (КПД), возможность реализации высокого коэффициента усиления (КУ), а также возможности реализации диаграмм направленности (ДН) специальной формы. Это ДН косекансной формы, веерные ДН, а также суммарно разностные ДН, которые находят широкое применение в радиолокационных системах.
Известны зеркальные антенны на основе зеркала, имеющего форму параболоида вращения и облучателя, расположенного в окрестности фокуса параболоида (Патент США №D409622, 1999, Parabolic antenna, Shigemi Inoue). Облучатель в передающем режиме работы антенны формирует в раскрыве зеркала амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля, необходимое для создания ДН нужной формы. ДН облучателя должна быть выбрана таким образом, чтобы энергия не «переливалась» за края зеркала, а амплитудное распределение имело бы заданную форму. Требование подавления излучения за пределы зеркала минимизирует потери мощности и повышает КПД антенны в целом. Форма амплитудного распределения определяет такой важный показатель качества (ПК) антенны, как уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН.
Важный класс зеркальных антенн составляют антенны с веерной ДН. Они широко применяются в радиолокационных системах обзорного типа. Такие ДН имеют главный луч с существенно разной шириной в двух ортогональных плоскостях. В антеннах линейной поляризации эти плоскости часто называют плоскостями векторов электрического и магнитного полей, или плоскостями векторов Е и Н. Для реализации веерной ДН зеркало антенны должно иметь неодинаковую ширину в двух плоскостях, и, следовательно, облучатель также должен иметь ДН с существенно разной шириной в указанных плоскостях для оптимального облучения поверхности зеркала. Наибольшую сложность представляет создание облучателя с узкой ДН, так как для этого его излучающая апертура должна иметь большие электрические размеры.
Чаще всего в качестве облучателя зеркальной антенны используют рупора с небольшими углами раскрыва. Если излучающая апертура такого рупора увеличивается, то неизбежно увеличивается и его длина. В результате использование такого рупора в зеркальной антенне становится неэффективным, так как он сильно затеняет зеркало, что приводит к снижению КУ и повышению УБЛ.
Дополнительные сложности возникают при создании зеркальных антенн с суммарно-разностными ДН. Такие ДН также широко используются в радиолокации для повышения точности пеленгации цели. В антеннах с веерной ДН разностная ДН используется в плоскости, в которой ширина главного луча большая. В этой плоскости размеры облучателя также велики. Создание разностной ДН достигается путем применения двух и более близко расположенных облучателей (Патент США №7834803). Размещение двух облучателей с большими электрическими размерами дополнительно увеличивает их негативное влияние на ДН зеркальной антенны.
Известна зеркальная антенна, в которой используется зеркало, имеющее форму параболического цилиндра (Патент США №2589433). Зеркало размещается между двумя параллельными металлическими пластинами. В окрестности фокуса располагается облучатель. Таким образом, облучатель излучает энергию не в свободное пространство, а в область между двумя металлическими пластинами. Отражаясь от поверхности зеркала, цилиндрическая электромагнитная волна, создаваемая облучателем, преобразуется в плоскую волну. Параллельные металлические пластины выполняют функцию плоского волновода, вдоль которого происходит распространение волны. На его краю происходит излучение в свободное пространство. При этом обрыв плоского волновода играет роль излучателя зеркальной антенны. В антенне данного типа зеркало формирует ДН только в одной плоскости, в которой главный луч имеет меньшую ширину. В ортогональной плоскости, в которой главный луч шире, ДН формируется излучателем. Таким образом, облучатель облучает зеркало с большими электрическими размерами. Поэтому он должен иметь широкую ДН и малые размеры.
Недостатком данной антенны является то, что в ней имеется затенение зеркала облучателем. Размеры облучателя в рассматриваемом случае существенно меньше размеров облучателя антенны с зеркалом в виде параболоида вращения, однако площадь зеркала в виде параболического цилиндра также существенно меньше. Поэтому отношение площадей облучателя и зеркала, определяющее степень затенения, остается на высоком уровне, который приводит к росту УБЛ и снижению КУ.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой зеркально-рупорной антенне является антенна (С.Е.Банков. Проектирование и экспериментальное исследование решетки щелевых излучателей. // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №6, с.701-706), содержащая планарное зеркало, облучатель и излучатель, причем планарное зеркало выполнено в виде верхней, нижней и средней металлических пластин, которые установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла, установлен между нижней и верхней пластинами и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям металлических пластин, средняя металлическая пластина установлена между верхней и нижней металлическими пластинами и имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину, облучатель установлен между нижней и средней металлическими пластинами. Облучатель выполнен в виде плоского рупора, а излучатель - в виде плоской щелевой решетки, возбуждаемой планарным зеркалом.
К числу недостатков такой антенны можно отнести:
- узкую полосу рабочих частот, которая обусловлена зависимостью положения главного луча ДН от частоты, возникающей вследствие явления частотного сканирования, присущего решеткам с последовательным возбуждением;
- высокий УБЛ в плоскости вектора Н определяется амплитудным распределением рупорной волны и не может быть уменьшен ниже уровня -(18-20) дБ, который недостаточен для многих практических приложений;
- невозможность создания веерной ДН с большим отношением ширин главного луча в двух плоскостях из-за снижения ее эффективности в этом случае.
Предлагаемое изобретение нацелено на получение технического результата, выражающегося в расширении полосы рабочих частот, в уменьшении УБЛ ДН, формировании ДН веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях, а также создании суммарно-разностных ДН в двух ортогональных плоскостях. Получаемый технический результат выражается в повышении КПД и повышении разрешающей способности зеркально-рупорной антенны.
Предлагаемая зеркально-рупорная антенна, содержащая планарное зеркало, облучатель и излучатель, причем планарное зеркало выполнено в виде верхней, нижней и средней металлических пластин, которые установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра, который выполнен из металла и установлен между нижней и верхней пластинами, и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям указанных пластин, средняя пластина установлена между верхней и нижней пластиной и имеет кромку, расположенную между параболическим цилиндром и его фокусом, причем зазор между кромкой и параболическим цилиндром имеет постоянную ширину, облучатель установлен между нижней и средней пластинами. Особенностью предлагаемого изобретения является решение следующих задач:
- расширение полосы рабочих частот;
- уменьшение УБЛ ДН;
- формирование ДН веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях;
- создание суммарно-разностных ДН в двух ортогональных плоскостях.
Эти задачи решаются за счет того, что с целью уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности и формирования диаграммы направленности веерного типа с большим отношением ширин главного луча в двух ортогональных плоскостях облучатель выполнен в виде, по крайней мере, одного возбудителя и стенки, выполненной из металла и установленной между нижней и средней пластинами перпендикулярно им, стенка установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, верхняя и средняя пластины выполнены с прямолинейными кромками, перпендикулярными плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра и расположенными на расстоянии от вершины направляющей параболического цилиндра, превышающем его фокусное расстояние, излучатель выполнен в виде двух прямоугольных пластин, выполненных из металла, кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней и средней пластин, причем плоскости прямоугольных пластин имеют линию пересечения, расположенную между верхней и средней пластинами.
Возможны дополнительные варианты выполнения зеркально-рупорной антенны. В дополнительном варианте с целью улучшения ее согласования возбудитель выполнен в виде штыря, который выполнен из металла и установлен между нижней и средней пластинами перпендикулярно им без гальванического контакта с указанными пластинами и отрезка линии передачи, в зазор между средней пластиной и возбудителем включен сосредоточенный конденсатор, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником со штырем через отверстие в нижней пластине, и внешний конец, образующий выход антенны, экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт с нижней пластиной.
В дополнительном варианте, обеспечивающем повышение удобства монтажа антенны, облучатель выполнен с одним возбудителем в виде двух лент и отрезка линии передачи, ленты выполнены из металла и имеют гальванический контакт друг с другом, их оси расположены под прямым углом друг к другу, причем ось одной ленты расположена параллельно стенке и перпендикулярно пластинам и соединена с верхней пластиной через конденсатор, а ось другой ленты перпендикулярна стенке и не имеет с ней гальванического контакта, отрезок линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником с лентой, ось которой перпендикулярна стенке, через отверстие в указанной стенке, и внешний конец, образующий выход антенны, а экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт со стенкой.
В дополнительном варианте с целью расширения функциональных возможностей облучатель выполнен с двумя возбудителями, причем эти возбудители расположены симметрично относительно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра, а внешние концы отрезков линий передачи возбудителей образуют два выхода антенны.
В дополнительном варианте с целью уменьшения боковых лепестков в плоскости вектора магнитного поля в облучатель введен синфазный делитель мощности на две равные части, боковые плечи которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.
В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора электрического поля в остронаправленную антенну введены гибридное соединение и дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, причем суммарно-разностные выходы гибридного соединения соединены с центральными входами синфазных делителей мощности на две равные части основного и дополнительного облучателей.
В дополнительном варианте с целью уменьшения уровня боковых лепестков в плоскости вектора электрического поля в основной и дополнительный излучатели симметрично относительно плоскости симметрии, параллельной пластинам планарного зеркала, введены соответственно первая и вторая дополнительные прямоугольные пластины, две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины расположены параллельно прямолинейным кромкам средней и верхней пластин, причем одна из указанных кромок расположена между средней и верхней пластинами, а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин, не имеющих соединения со средней и верхней пластинами.
В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора магнитного поля в нее введено гибридное соединение, суммарно-разностные выходы которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей.
В дополнительном варианте с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности одновременно в плоскости векторов электрического и магнитного полей в остронаправленную антенну введены дополнительное планарное зеркало, дополнительный облучатель и дополнительный излучатель, идентичные планарному зеркалу, облучателю и излучателю и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, которая параллельна пластинам планарного зеркала, также в остронаправленную антенну введена диаграммообразующая схема, которая имеет четыре суммарно-разностных выхода и не менее трех входов, суммарно-разностные выходы соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей облучателя и дополнительного облучателя.
На фиг.1-3 показан один из возможных вариантов выполнения зеркально-рупорной антенны. На фиг.1 представлен общий вид зеркально-рупорной антенны в двух проекциях. Зеркально-рупорная антенна содержит облучатель (1), планарное зеркало (2) и излучатель (3). На фиг.2 - разрез А-А′ зеркально-рупорной антенны, а на фиг.3  -разрез В-В′. Из фиг.2, 3 видно, что планарное зеркало (2) выполнено в виде верхней пластины (4), нижней пластины (6) и средней пластины (5), которые выполнены из металла и установлены параллельно друг другу, и параболического цилиндра (7), который выполнен из металла, установлен между нижней пластиной (4) и верхней пластиной (6) и имеет с ними гальванический контакт, а его ось перпендикулярна плоскостям пластин (4, 5 и 6), средняя пластина (5) установлена между верхней пластиной (4) и нижней пластиной (6). Облучатель (1) выполнен в виде возбудителя (8) и стенки (9), выполненной из металла и установленной между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) перпендикулярно им, стенка (9) установлена также перпендикулярно плоскости симметрии направляющей параболического цилиндра (7). Излучатель (3) выполнен в виде двух прямоугольных пластин (10) и (11), кромки которых соединены с прямолинейными кромками верхней пластины (6) и средней пластины (5), причем плоскости прямоугольных пластин (10), (11) имеют линию пересечения, расположенную между верхней пластиной (6) и средней пластиной (5). Средняя пластина (6) имеет кромку (12), расположенную между параболическим цилиндром (7) и его фокусом F, причем зазор (13) между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) имеет постоянную ширину.
Рассмотрим функционирование зеркально-рупорной антенны. Поскольку антенна является взаимным устройством, то ее можно эквивалентным образом анализировать в передающем и приемном режимах. Рассмотрим функционирование антенны в передающем режиме.
В этом случае сигнал от внешнего источника подается на вход облучателя (1), который содержит возбудитель (8) и стенку (9). Вместе они образуют антенну, которая излучает электромагнитную энергию в пространство между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5). Структура, образованная двумя параллельными пластинами из металла, в технике СВЧ получила название плоского волновода (ПВ). Если высота ПВ h меньше половины длины волны в заполняющей его среде, то в нем распространяется одна волна, имеющая единственную компоненту электрического поля, перпендикулярную пластинам, образующим ПВ. Эта волна получила название  Т-волны. Ее постоянная распространения γ равна , где k - волновое число свободного пространства, a ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды внутри ПВ. В нашем случае она равна единице. Т-волна может распространяться в любом направлении в плоскости ПВ. Поэтому возбудитель (8) возбуждает внутри ПВ спектр  Т-волн, формирующих поле внутри волновода. Это поле, имеющее характер цилиндрической волны, можно описать по аналогии с излучением в свободное пространство с помощью ДН D(θ), которая является функцией угла θ (см. фиг.4).
ДН возбудителя (8) зависит от расстояния до металлической стенки (9). Приближенно ее можно описать ДН линейного источника, расположенного вблизи металлического экрана [1]
Фазовый центр ДН лежит в начале координат, которое расположено на поверхности металлической стенки (7).
Излучение в области |θ|>π/2 отсутствует, так как проникновению его в эту область препятствует стенка (7). Таким образом, вся энергия, излученная возбудителем, распространяется вдоль ПВ в направлении кромки (12) средней пластины (5). Зазор (13) между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) имеет постоянную величину вблизи любой точки на направляющей параболического цилиндра (7). Зазор (13) играет роль элемента связи, который обеспечивает передачу энергии из области между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) в область между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6). Указанная область также является ПВ, который расположен над ПВ, образованным нижней пластиной (4) и средней пластиной (5). Назовем указанные ПВ верхним и нижним.
Ширина зазора (12) выбирается таким образом, чтобы коэффициент отражения в нижний ПВ был бы минимальным. В работе [2] показано, что правильный выбор зазора (12) обеспечивает хорошее согласование элемента связи.
Цилиндрическую волну, созданную возбудителем (8) на достаточно большом расстоянии от начала координат, можно представить в приближении геометрической оптики в виде системы лучей, исходящих из фазового центра ДН, расположенного в начале координат. Падение одного из таких лучей на кромку (12) показано на фиг.5. Поскольку зазор между кромкой (12) и параболическим цилиндром (7) не меняется вдоль кромки, то кромка (12) имеет форму, близкую к параболе. Поэтому луч падает на нее под некоторым углом φ между лучом и нормалью к кромке . Величина угла падения зависит от угла θ: φ=φ(θ). В указанной выше работе показано, что выбор зазора (12) обеспечивает коэффициент отражения R в нижний ПВ для всех углов падения на уровне, меньшем -20 дБ в широкой полосе частот. На фиг.6 показана частотная зависимость модуля коэффициента отражения R, полученная для ПВ высотой 5 мм при ширине зазора 3 мм. Кривая 1 соответствует нормальному падению волны, а кривая 2 - падению под углом 30°.
Передача энергии в верхний ПВ из нижнего характеризуется для каждого луча коэффициентом передачи T, который в силу закона сохранения энергии по модулю близок к единице. Его фаза слабо зависит от угла падения φ. Поэтому фазовое распределение поля в верхнем ПВ определяется главным образом формой кромки (12), а также расположением фокуса F параболического цилиндра (7) относительно фазового центра ДН возбудителя (8). В оптимальном варианте они должны совпадать.
Таким образом, видно, что кромка (12) вместе с параболическим цилиндром (7) преобразуют волны ПВ точно также как параболическое зеркало, расположенное в свободном пространстве, преобразует плоские волны. Единственное отличие состоит в том, что одновременно с отражением волн ПВ происходит их передача из нижнего ПВ в верхний. Известно [1], что параболическое зеркало преобразует расходящуюся волну источника в плоскую волну. В рассматриваемом случае происходит преобразование цилиндрической волны в нижнем ПВ, созданной возбудителем (8), в плоскую волну верхнего ПВ, которая бежит по направлению к излучателю (3) (см. фиг.1), то есть вдоль оси 0у.
Фаза поля в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то есть вдоль оси 0х постоянна. Амплитудное распределение U(x) вдоль этой оси известно [1]
m
Из соотношения (2) видно, что на краях параболического цилиндра (7) при m=x=2F амплитудное распределение обращается в нуль, так как в этих точках обращается в нуль ДН (1).
Волна в верхнем ПВ попадает в излучатель (3), который выполнен в виде двух прямоугольных пластин (10) и (11), которые соединены со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6). Таким образом, прямоугольные пластины образуют плоский рупор, соединенный с верхним ПВ и возбуждаемый волной, сформированной в этом ПВ. Линия пересечения прямоугольных пластин (10) и (11) должна находиться между верхней пластиной (5) и средней пластиной (6), чтобы рупор расширялся при удалении от ПВ.
Волна ПВ преобразуется в волну плоского рупора. При этом АФР вдоль оси 0x остается неизменным. Меняется только АФР поля V(z) вдоль оси 0z. Оно совпадает с распределением поля рупорной волны. На фиг.7 показан излучатель (3) с симметричным расположением прямоугольной пластины (9) и прямоугольной пластины (10). Для него АФР поля V(z) в выходной плоскости С-С′ плоского рупора, которая расположена на расстоянии Z от линии пересечения прямоугольных пластин (10) и (11), имеет следующий вид:
m -
m
где 2z размер выходного сечения плоского рупора. Из соотношения (3) видно, что фазовое распределение описывается квадратичным законом, типичным для рупорных волн. Амплитудное распределение близко к равномерному при условии z<<L, что обычно выполняется.
h
ν
Из соотношений (2) и (3) видно, что АФР в вертикальной и горизонтальной плоскостях формируются независимо друг от друга. В горизонтальной плоскости оно создается планарным зеркалом (2) и облучателем (1), а в вертикальной плоскости - излучателем (3). Такой способ формирования АФР позволяет создавать веерные ДН с произвольным отношением ширин главного луча в разных плоскостях. Приближенно отношение ширины главного луча в горизонтальной плоскости (плоскость вектора H) Δθ к ширине луча в вертикальной плоскости Δθ (плоскость вектора E) определяется отношением размеров выходной плоскости излучателя (3)
Все элементы зеркально-рупорной антенны, формирующие наиболее критичное к изменениям частоты фазовое распределение, являются частотно-независимыми устройствами. Поэтому направление главного луча ее ДН постоянно и не меняется с частотой. Оно всегда ориентировано вдоль оси 0у. Благодаря этому достигается расширение рабочего диапазона зеркально-рупорной антенны.
a
m
ДН зеркально-рупорной антенны Dв горизонтальной плоскости зависит от расстояния между возбудителем (8) и стенкой (7) d. На фиг.8 показана расчетная ДН в горизонтальной плоскости. Кривая получена при F=500, x=1000, d=10. Все размеры даны в миллиметрах. Частота равна 1.3 ГГц. Видно, что УБЛ достигает приемлемого для многих практических задач значения -25 дБ. Таким образом, достигается уменьшение УБЛ зеркально-рупорной антенны.
Фрагмент первого дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.9. В нем возбудитель (8) выполнен в виде штыря (14), выполненного из металла и установленного между нижней пластиной (4) и средней пластиной (5) перпендикулярно им без гальванического контакта с указанными пластинами и отрезка (16) линии передачи, в зазор между средней пластиной (5) и штырем (14) включен сосредоточенный конденсатор (15), отрезок (16) линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником со штырем (14) через отверстие в нижней пластине (4), и внешний конец, образующий выход антенны, экран отрезка линии передачи имеет гальванический контакт с нижней пластиной (4).
В данном дополнительном варианте выполнения зеркально-рупорной антенны достигается улучшение ее согласования. Штырь (14) имеет реактивное индуктивное сопротивление, которое включено последовательно с активным сопротивлением. Идеальное согласование такой нагрузки с отрезком (16) линии передачи невозможно из-за наличия реактивной составляющей входного импеданса. Для ее компенсации в зазор между штырем (14) и средней пластиной (5) включен сосредоточенный конденсатор (15). Он может быть выполнен в виде навесного схемного элемента или в виде металлической платы, которая вместе со средней пластиной (5) формирует плоский конденсатор. В зависимости от частотного диапазона и геометрических размеров штыря (14) необходимость применения дополнительных емкостных элементов может быть исключена, так как приемлемая емкость будет возникать между плоской вершиной штыря (14) и средней пластиной (5).
Фрагмент второго дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.10. В нем облучатель (1) выполнен с одним возбудителем (8) в виде двух лент (17) и (18) из металла и отрезка линии передачи (16), ленты (17) и (18) имеют гальванический контакт друг с другом, их оси расположены под прямым углом друг к другу, причем ось одной ленты (17) расположена параллельно стенке (9) и перпендикулярно нижней пластине (4) и средней пластине (5) и соединена со средней пластиной (5) через конденсатор (15), а ось другой ленты (18) перпендикулярна стенке (9) и не имеет с ней гальванического контакта, отрезок (16) линии передачи имеет внутренний конец, соединенный центральным проводником с лентой (18), ось которой перпендикулярна стенке (9), через отверстие в указанной стенке, и внешний конец, образующий выход антенны, а экран отрезка (16) линии передачи имеет гальванический контакт со стенкой (9).
Достоинством данного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны является удобство монтажа возбудителя, обусловленное ориентацией оси отрезка (16) линии передачи параллельно плоскости антенны. Чаще всего отрезок (16) линии передачи выполняется в виде коаксиального разъема, который устанавливается на внешней поверхности зеркально-рупорной антенны. При этом антенна соединяется с внешними устройствами с помощью коаксиального кабеля, который имеет резьбовое соединение с указанным разъемом. Присоединение коаксиального кабеля к разъему, установленному на стенке (9), во многих случаях более удобно, чем присоединение к разъему, установленному на нижней пластине (4).
Например, при создании антенн с суммарно-разностной ДН необходимо использовать две зеркально-рупорные антенны, расположенные параллельно друг другу. При установке разъема на нижней пластине (4) выходы двух зеркально-рупорных антенн оказываются друг напротив друга на малом расстоянии, как показано на фиг.11а. Присоединение к ним кабелей или других устройств затруднительно, а часто вообще невозможно из-за отсутствия необходимого пространства. При установке разъема на стенке (9) (см. фиг.11б) их соединение с внешними устройствами облегчается.
Третий дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны без излучателя (3) показан на фиг.12. В нем с целью расширения функциональных возможностей облучатель (1) выполнен с двумя возбудителями (19) и (20), причем эти возбудители (19) и (20) расположены симметрично относительно плоскости (21) симметрии направляющей параболического цилиндра (7), а внешние концы отрезков линий передачи возбудителей (19) и (20) образуют два выхода (22), (23) антенны.
Расширение функциональных возможностей зеркально-рупорной антенны по третьему дополнительному варианту связано с увеличением числа ее входов, которое позволяет путем соединения указанных входов (22), (23) с внешними схемами изменять заданным образом ДН антенны.
Четвертый дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны показан на фиг.13. В нем в третий дополнительный вариант зеркально-рупорной антенны введен синфазный делитель (24) мощности на две равные части, боковые плечи которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей (19) и (20), которые образуют выходы (22) и (23). В четвертом дополнительном варианте выполнения зеркально-рупорной антенны достигается уменьшение УБЛ ДН антенны в плоскости вектора H или в горизонтальной плоскости.
В рассматриваемом варианте выполнения зеркально-рупорной антенны облучатель (1) образуется двумя возбудителями (19) и (20). При подаче сигнала на центральный вход (25) синфазного делителя (24) мощности на его боковых выходах, соединенных со входами (22) и (23) появляются сигналы, имеющие одинаковую фазу и одинаковую амплитуду. Поэтому возбудители (19) и (20) возбуждают нижний ПВ синфазно. Результирующую ДН поля излучения в нижнем ПВ можно записать следующим образом:
где 2а - расстояние между возбудителями (19) и (20), а d - расстояние от ленты (17) до стенки (9) при выполнении возбудителей (19) и (20) в соответствии со вторым дополнительным вариантом зеркально-рупорной антенны (см. фиг.10).
m
Выражение U(x), описывающее амплитудное распределение поля вдоль оси 0х отличается от соотношения (2) только тем, что теперь функция D(θ) дается формулой (5). На фиг.14 показаны расчетные ДН зеркально-рупорной антенны в плоскости вектора H. Кривые 26-28 получены для F=500, x=1000, d=30, a=25, 30, 35, f=1.3 ГГц. Видно, что применение двух возбудителей (19), (20) и синфазного делителя (24) мощности позволяет существенно уменьшить УБЛ ДН зеркально-рупорной антенны по сравнению со случаем, когда облучатель (1) содержит один возбудитель (8) (см. фиг.8). УБЛ уменьшается почти на 10 дБ.
Пятый дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.15. В нем с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора электрического поля в зеркально-рупорную антенну, выполненную в соответствии со вторым дополнительным вариантом, введены гибридное соединение (32), дополнительный облучатель (29), дополнительное планарное зеркало (30) и дополнительный излучатель (31), идентичные планарному зеркалу (2), облучателю (1) и излучателю (3) и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии (35), которая параллельна металлическим пластинам планарного зеркала (2), причем суммарно-разностные выходы (33) и (34) гибридного соединения (32) соединены с выходами (1) и (31) облучателей, а свободные входы (36) и (37) гибридного соединения (32) образуют входы зеркально-рупорной антенны.
1, 2
При подаче сигнала на свободные входы (36) и (37) гибридного соединения (32) на его суммарно-разностных выходах (33), (34) возникают сигналы одинаковой амплитуды, но с разными фазовыми соотношениями. Пусть при подаче сигнала на свободный вход (36) на суммарно-разностных выходах (33), (34) формируются синфазные сигналы, а при подаче сигнала на свободный вход (37) на суммарно-разностных выходах (33), (34) формируются противофазные сигналы. Тогда при возбуждении зеркально-рупорной антенны со стороны свободного входа (36) излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) формируют в свободном пространстве поля излучения с ДН соответственно F. Указанные ДН идентичны в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости они отличаются только множителями
0
s
1, 2
где b - расстояние между излучателем (3) и дополнительным излучателем (31), F(θ) - ДН уединенного излучателя (3). Общая ДН всей зеркально-рупорной антенны F(θ) равна сумме ДН F
1, 2
Аналогично при подаче сигнала на свободный вход (37) излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) формируют в свободном пространстве поля излучения с ДН F, отличающимися от ДН (6) знаками:
d
В этом режиме общая ДН зеркально-рупорной антенны F(θ) записывается следующим образом:
s
d
ДН F(θ)  называется суммарной, а F(θ) - разностной ДН зеркально-рупорной антенны.
На фиг.16 кривые (38) и (39) показывают типичные суммарную и разностную ДН зеркально-рупорной антенны, выполненной по пятому дополнительному варианту. Разностная ДН имеет нуль в направлении θ=0. В этом же направлении она имеет максимальную крутизну, что эффективно используется для повышения точности пеленгации цели в радиолокационных системах.
Шестой дополнительный вариант выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.17. В нем с целью уменьшения УБЛ в плоскости вектора электрического поля в основной излучатель (1) и дополнительный излучатель (31) зеркально-рупорной антенны, выполненной по пятому варианту, симметрично относительно плоскости (35) симметрии, параллельной металлическим пластинам планарного зеркала (2), введены соответственно первая дополнительная прямоугольная пластина (40) и вторая дополнительная прямоугольная металлическая пластина (41), две кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40) расположены параллельно прямолинейным кромкам средней пластины (5) и верхней пластины (6), причем одна из указанных кромок расположена между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6), а другая кромка расположена в плоскости, проходящей через кромки прямоугольных пластин (10) и (11), не имеющих соединения со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6).
Зеркально-рупорная антенна по шестому дополнительному варианту функционирует следующим образом. При подаче сигнала на свободный вход (36) гибридного соединения (32) облучатель (1) и дополнительный облучатель (29) возбуждаются синфазно. Благодаря этому в планарном зеркале (2) и дополнительном планарном зеркале (30) возникают синфазные волны, возбуждающие излучатель (3) и дополнительный излучатель (31). В результате зеркально-рупорная антенна формирует в вертикальной плоскости суммарную ДН.
В зеркально-рупорной антенне по пятому дополнительному варианту распределение поля в выходной плоскости излучателя (3) и дополнительного излучателя (31) совпадает с полем рупорной волны в плоскости вектора E. Это поле имеет амплитудное распределение, близкое к равномерному. Такому амплитудному распределению соответствует УБЛ, который для ДН с шириной, меньшей 30°, достигает уровня -13 дБ. Такой УБЛ неприемлем для многих радиолокационных приложений.
В зеркально-рупорной антенне по шестому дополнительному варианту УБЛ снижается с помощью первой дополнительной прямоугольной пластины (40) и второй дополнительной прямоугольной пластины (41). В силу симметрии зеркально-рупорной антенны относительно плоскости (35) нам достаточно рассмотреть амплитудное распределение поля в выходной плоскости излучателя (3), которое изменяется с помощью первой дополнительной прямоугольной пластины (40).
1, 2
1, 2
В зеркально-рупорной антенне по шестому дополнительному варианту излучатель (3) представляет собой сдвоенный плоский рупор. Один из рупоров образуется прямоугольной пластиной (10) и первой дополнительной прямоугольной пластиной (40), а другой рупор образован первой дополнительной прямоугольной пластиной (40) и прямоугольной пластиной (11). В каждом из плоских рупоров амплитудное распределение является равномерным, однако интенсивность поля отличается. Она зависит от расстояний h от кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40), расположенной между средней пластиной (5) и верхней пластиной (6), до средней пластины (5) и верхней пластины (6), а также от расстояний b от другой кромки первой дополнительной прямоугольной пластины (40), параллельной указанной кромке первой дополнительной прямоугольной пластины (40) до кромок прямоугольных пластин (10) и (11), не имеющих соединения со средней пластиной (5) и верхней пластиной (6).
1
1
2
2
1
2
При возбуждении излучателя (3) планарным зеркалом (2) мощность делится между первым и вторым плоскими рупорами с размерами h, b и h, b соответственно в отношении h/h
1, 2
1, 2
1, 2
где P - мощности, поступившие в первый и второй рупора. В выходной плоскости излучателя (3) мощности P приближенно выражаются через напряженности электрических полей E следующим образом:
0
где W=120π - волновое сопротивление свободного пространства.
Из соотношений (10) и (11) получаем отношение напряженностей поля в выходной плоскости
1
2
2
1
Из выражения (12) видно, что выбирая, например, b=b и h>h,
2
1
можно сконцентрировать поле во втором плоском рупоре (Е>E). В этом случае в выходной плоскости излучателя (3) и дополнительного излучателя (31) формируется амплитудное распределение поля, спадающее к краям. Известно [1], что такому амплитудному распределению соответствует ДН с уменьшенным УБЛ.
1
2
1
1
На фиг.18 показаны расчетные ДН, полученные для частоты f=1.3 ГГц и b=b=50 мм, длина плоского рупора равна 200 мм. Кривые (42)-(44) соответствуют отношению E/E=1, 0.7, 0.5. Из фиг.18 видно, что уменьшение отношения амплитуд полей в выходной плоскости облучателя (3) и дополнительного облучателя (31) позволяет существенно снизить уровень первого бокового лепестка и довести его до значения -30 дБ, которое приемлемо для большинства радиолокационных применений.
Фрагмент седьмого дополнительного варианта выполнения зеркально-рупорной антенны изображен на фиг.19. В нем с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности в плоскости вектора магнитного поля в зеркально-рупорную антенну, выполненную по третьему дополнительному варианту, введено гибридное соединение (32), суммарно-разностные выходы (33), (34) которого соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей (19), (20). Свободные выходы (36) и (37) гибридного соединения (32) образуют выходы зеркально-рупорной антенны.
Зеркально-рупорная антенна по седьмому варианту функционирует следующим образом. Пусть сигнал поступает на свободный вход (36) гибридного соединения (32). В этом случае на суммарно-разностных выходах (33) и (34) формируются синфазные сигналы, которые поступают на возбудители (19) и (20). При подаче сигнала на свободный вход (37) на суммарно-разностных выходах (33) и (34) формируются противофазные сигналы, которые также поступают на возбудители (19) и (20). Поскольку зеркально-рупорная антенна является линейным устройством, то ее возбуждение можно рассматривать отдельно возбудителем (19), а затем возбудителем (20). Суммарное поле, созданное обоими возбудителями (19), (20) будет суммой полей, сформированных каждым из них.
a
Рассмотрим возбуждение зеркально-рупорной антенны возбудителем (19), который расположен при x>0 (см. фиг.4). Анализ возбуждения зеркально-рупорной антенны в этом случае отличается от представленного выше при описании зеркально-рупорной антенны по основному варианту только тем, что возбудитель (19) смещен относительно плоскости симметрии (21) параболического цилиндра (7) на расстояние . Если это смещение мало по сравнению с фокусным расстоянием F, то амплитудное распределение на выходе планарного зеркала (2) по-прежнему описывается функцией (2). Фазовое распределение Ф(x) приближенно можно представить следующим образом:
АФР по координате x, задаваемое формулами (2) и (14), остается неизменным вплоть до выходной плоскости излучателя (3). Появление линейно изменяющейся фазы приводит к повороту ДН зеркально-рупорной антенны в горизонтальной плоскости на угол α.
Аналогично при возбуждении зеркально-рупорной антенны возбудителем (20), смещенным относительно плоскости симметрии на расстояние - a, поле излучения имеет в горизонтальной плоскости ДН, повернутую на угол - α.
Теперь мы можем записать соотношение для суммарной и разностной ДН, которые создаются при одновременном возбуждении зеркально-рупорной антенны возбудителями (19) и (20), на которые подаются синфазные и противофазные сигналы
,
s
d
0
где, как и раньше, F(θ) - суммарная, F(θ) - разностная ДН, а F(θ) - ДН при размещении возбудителя в плоскости симметрии (21). Из формул (15) видно, что разностная ДН имеет нуль при θ=0, а суммарная ДН достигает в этой точке максимума.
Таким образом, мы показали, что при возбуждении зеркально-рупорной антенны со стороны свободного входа (36) в свободном пространстве формируется суммарная ДН, а при ее возбуждении со стороны свободного входа (37) - разностная ДН.
На фиг.20 представлена зеркально-рупорная антенна, выполненная по восьмому дополнительному варианту. В ней в зеркально-рупорную антенну по третьему варианту с целью формирования суммарно-разностной диаграммы направленности одновременно в плоскостях векторов электрического и магнитного полей введены дополнительное планарное зеркало (30), дополнительный облучатель (29) и дополнительный излучатель (31), идентичные планарному зеркалу (2), облучателю (1) и излучателю (3), и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии (35), которая параллельна металлическим пластинам планарного зеркала (2), также в остронаправленную антенну введена диаграммообразующая схема (45), которая имеет четыре суммарно-разностных выхода (46)-(49) и не менее трех входов (50)-(53), суммарно-разностные выходы (46)-(49) соединены с внешними концами отрезков линий передачи возбудителей облучателя (1) и дополнительного облучателя (31).
Диаграммообразующая схема (45) относится к классу диаграммообразующих схем моноимпульсных антенн и функционирует по алгоритму, который описывается ее матрицей рассеяния S
, , .
Индекс i соответствует волнам, падающим на свободные выходы (50)-(53), а индекс r - волнам, бегущим от суммарно-разностных выходов (46)-(49), то есть волнам, отраженным от них, в соответствии с терминологией, принятой в технике СВЧ. Каждый столбец матрицы рассеяния S описывает сигналы на суммарно-разностных выходах (46)-(49) при возбуждении одного из свободных выходов (50)-(53) сигналом единичной амплитуды.
Из соотношений (16) видно, что при подаче сигнала на свободный выход (46) все сигналы, поступающие на возбудители облучателя (1) и дополнительного облучателя (31), синфазны. В этом случае, как было показано выше при анализе функционирования зеркально-рупорных антенн, выполненных по пятому и седьмому дополнительным вариантам, излучатель (3) и дополнительный излучатель (31) создают в пространстве излучение, которое имеет суммарную ДН как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
При подаче сигнала на свободный вход (47) в соответствии с формулами (16) оба входа облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются синфазно, но при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) имеется разность фаз, равная 180°. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая в горизонтальной плоскости является суммарной, а в вертикальной плоскости разностной.
При подаче сигнала на свободный вход (48) в соответствии с формулами (16) входы облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются противофазно, но при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) не имеется разности фаз. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая в горизонтальной плоскости является разностной, а в вертикальной плоскости суммарной.
Наконец, при подаче сигнала на свободный вход (49) в соответствии с формулами (16) оба входа облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) возбуждаются противофазно, а при этом между сигналами на входах облучателя (1) и дополнительного облучателя (31) имеется разность фаз, равная 180°. В этом случае зеркально-рупорная антенна формирует в свободном пространстве ДН, которая и в горизонтальной, и вертикальной плоскостях является разностной.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно, в технике антенн, например в качестве приемо-передающей антенны радиолокатора;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить ДН с низким УБЛ в двух главных плоскостях, создать главный луч ДН с большим отношением ширин в двух главных плоскостях, создать ДН суммарно-разностного типа в двух основных плоскостях.
Использованные источники информации
1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988.
2. С.Е.Банков. Проектирование и экспериментальное исследование решетки щелевых излучателей. // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №6, с.701-706.