СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND MULTI-BEAM MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля для обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения.
Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2234774, опубл. 20.08.2004, H01Q 15/14), обеспечивающая формирование многолучевого пучка из нескольких парциальных диаграмм направленности (ДН) в широкой полосе частот со стабилизированным уровнем пересечения за счет уменьшения зависимости ширины парциальных ДН от частоты.
Антенна содержит отражатель, выполненный в виде набора параллельных проводящих пластин, кромки которых образуют параболическую поверхность, и группу вынесенных из фокуса облучателей. Эффект стабилизации ширины парциальных ДН в диапазоне частот для электромагнитной волны с поляризацией, параллельной пластинам, достигается за счет уменьшения размера эффективно фокусирующего отражателя с ростом частоты при переменном шаге пластин, изменяющемся по линейному закону от половины минимальной длины волны в центре до половины максимальной длины волны рабочего диапазона на периферии отражателя.
Антенна имеет ряд недостатков, в частности:
- низкий КПД, особенно в области верхних частот;
- искажения формы главного лепестка парциальных ДН и высокий уровень бокового излучения, связанные с дискретностью структуры и несинфазным сложением полей, фокусируемых фрагментами селективной поверхности отражателя с различными расстояниями между пластинами;
- необходимость применения эффективного поглощающего экрана с тыльной стороны отражателя для блокирования энергии облучателей, просачивающейся между пластинами в заднюю полусферу;
- сложность конструкции и трудоемкость изготовления сборного отражателя, состоящего из большого числа тонких пластин.
Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2336615, опубл. 20.10.2008, H01Q 15/00), в которой устранена часть недостатков описанного выше аналога.
Антенна содержит отражатель, выполненный из параллельных проводящих пластин, кромки которых образуют параболическую поверхность, и вынесенные из фокуса облучатели с линейной зависимостью ширины их диаграммы направленности от длины волны. Антенна, формирующая пучок пересекающихся между собой парциальных лучей, имеет более высокий КПД и более стабильные по ширине парциальные ДН за счет применения облучателей с зависимостью ширины их диаграммы направленности от длины волны, например, решеток из логопериодических антенн (ЛПА) или широкополосных рупоров.
Антенна имеет большинство тех же недостатков, что и предыдущая. Кроме того, подъем коэффициента усиления на верхних частотах сдерживается возрастанием потерь в коаксиальном фазированном тракте и многоканальном сумматоре решетки логопериодических облучателей. Продольное перемещение активной зоны излучения ЛПА с изменением частоты приводит к расфокусировке отражателя. Применение в качестве облучателей решеток ЛПА или рупоров с размером раскрыва не менее длины волны на нижней частоте рабочего диапазона сопровождается ростом их габаритов, что затрудняет размещение облучателей в фокальной области на расстояниях, требуемых для поддержания необходимого уровня пересечения парциальных ДН.
Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2435262, опубл. 27.11.2011, МПК H01Q 15/14), принятая за прототип как наиболее близкая к заявляемому объекту по технической сущности.
Антенна содержит несимметричный параболический отражатель и группу вынесенных из фокуса облучателей, размещенных в фокальной области. На рабочую поверхность отражателя нанесено радиопоглощающее покрытие, характеризующееся обратно
мин
0,5
мин
0,5
мин
0,5
пропорциональной зависимостью коэффициента отражения от частоты в рабочем диапазоне. В центральной части отражателя во весь его горизонтальный размер установлена непокрытая металлическая полоса высотой h=85λ/θ, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, θ - ширина луча парциальной ДН антенны. Металлическая полоса по профилю совпадает с центральной частью параболической поверхности отражателя и смещена от нее на величину λ в сторону фокуса для выравнивания в дальней зоне фаз отдельных составляющих суммарного поля излучения, фокусируемых непокрытой и покрытыми частями отражателя. Идентичные рупорные облучатели размещены по дуге радиуса R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, с центром в середине ближней кромки отражателя с угловым интервалом θ между собой и направлены продольными осями в центр непокрытой полосы. Модуль коэффициента отражения материала покрытия изменяется от 0,8 до 0,1 в диапазоне от максимальной до минимальной длины волны соответственно.
Благодаря применению сплошного отражателя и сверхширокополосных комбинированных рупорных облучателей с частотнозависимыми ДН прототип имеет более высокие электрические и технико-экономические характеристики, чем приведенные выше аналоги.
Рассматриваемый прототип имеет в свою очередь и ряд недостатков:
- повышенный уровень ближних (апертурных) боковых лепестков парциальных ДН в области средних и верхних частот в азимутальной плоскости, определяемый прямоугольной формой отражающей поверхности в виде металлической полосы;
- высокий уровень ближних боковых лепестков парциальных ДН в вертикальной плоскости, особенно внутри сектора пучка лучей, достигающий уровня минус 10 дБ, вызванный ступенчатым изменением амплитуды возбуждения апертуры отражателя на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя;
- сложность реализации конструкции центральной параболической полосы большого физического размера, повторяющей с высокой степенью точности профиль отражателя и удаленной от него на строго выдерживаемое расстояние.
Первые из отмеченных недостатков способствуют снижению помехозащищенности и однозначности определения пеленга источников радиоизлучения и затрудняют реализацию алгоритма точного определения угла места цели моноимпульсным методом в средствах радиотехнического контроля с антенными системами, построенными на основе описываемого прототипа. Последний приводит к повышению сложности и стоимости производства отражателя и к снижению надежности работы антенны и радиоэлектронного средства в целом.
Задача заявляемого изобретения - снижение уровня боковых лепестков парциальных диаграмм направленности и повышение надежности работы антенны при одновременном упрощении конструкции отражателя.
0,5
мин
0,5
мин
Решение этой задачи достигается тем, что в многолучевой зеркальной антенне, содержащей несимметричный параболический отражатель, у которого на его верхнюю и нижнюю области рабочей отражающей поверхности нанесено частотнозависимое радиопоглощающее покрытие с обратно пропорциональной зависимостью модуля коэффициента отражения от частоты в пределах рабочего диапазона, а центральная область свободна от покрытия, группу вынесенных из фокуса облучателей, выполненных в виде идентичных комбинированных рупоров, размещенных с угловым интервалом, равным ширине парциальных диаграмм направленности θ, по дуге окружности с центром в средине нижней кромки отражателя и радиусом R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, и направленных продольными осями в центр непокрытой области отражателя, центральная непокрытая область отражателя выполнена так, что ее проекция на плоскость апертуры имеет вид эллипса, большая ось которого равна горизонтальному размеру отражателя, а малая ось имеет размер h=(75-90)λ/θ, толщина покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λ возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия, при этом фаза коэффициента отражения покрытия не превышает 36° в той низкочастотной области рабочего диапазона, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1.
Модуль коэффициента отражения покрытия выбран величиной, изменяющейся от 0,85 до 0,05 в диапазоне от минимальной до максимальной частоты соответственно.
На фиг.1 приведена схема построения антенны.
На фиг.2 изображен общий вид антенны.
На фиг.3 изображены экспериментальные диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в девятикратной полосе рабочих частот от 2 ГГц до 18 ГГц.
На фиг.4 изображены экспериментальные диаграммы направленности первого канала в азимутальной плоскости на частотах 8 ГГц, 12 ГГц и 18 ГГц.
Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна (фиг.1) состоит из несимметричного параболического отражателя 1 с отношением фокусного расстояния f к размеру апертуры в вертикальной плоскости, равным 0,795, и комбинированных рупорных облучателей 2 в количестве 5 штук, установленных друг над другом.
мин
мин
Ближняя кромка отражателя 1 отстоит от фокальной оси OF на 20 λ. В горизонтальной плоскости отражатель 1 имеет профиль симметричной параболы с размером 110 λ и относительным фокусным расстоянием равным 0,575.
мин
На верхнюю и нижнюю области рабочей поверхности отражателя нанесено частотнозависимое радиопоглощающее покрытие 3 с обратно пропорциональной зависимостью модуля коэффициента отражения от частоты. В качестве материала покрытия в предлагаемом техническом решении применен тонкий (около четверти минимальной длины волны λ) пневматически напыляемый поглощающий материал РАН-54 (ТУ 225739-077-29012159-2009) на основе кремнийорганического связующего Лестосил-СМ-НТ. В девятикратной полосе рабочих частот от 2 ГГц до 18 ГГц модуль коэффициента отражения материала покрытия убывает с ростом частоты от 0,85 до 0,05, а набег фазы не превышает 36° в низкочастотной области от 2 ГГц до 8 ГГц, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1 и фазирование полей, отраженных от непокрытой и покрытых областей является необходимым для формирования неискаженных стабилизированных по ширине парциальных ДН.
мин
мин
Центральная область 4 рабочей поверхности отражателя 1, свободная от покрытия, является продолжением профиля основного параболоида и выполнена таким образом, что в проекции на плоскость апертуры имеет форму эллипса шириной на весь горизонтальный размер отражателя и высотой h=15λ. Толщина покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела 5 между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λ возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия.
0,5
Продольные оси облучателей 2 направлены в точку "К" - центр отражателя 1 и размещены с угловым интервалом, равным ширине парциальных диаграмм направленности θ, по дуге MN. Дуга MN является дугой окружности с центром в середине нижней кромки отражателя и радиусом R=1,05f (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, с.53-54).
Сверхширокополосные рупорные облучатели полностью аналогичны облучателям, приведенным в описании прототипа.
В составе конструкции антенны (фиг.2) облучатели защищены обтекателем 6 с радиопрозрачным окном 7 от воздействия внешней среды. Вся конструкция антенны размещена на азимутальном опорно-поворотном устройстве 8.
Многолучевая зеркальная антенна работает следующим образом.
мин
На нижних частотах рабочего диапазона, где модуль коэффициента отражения покрытия максимален, работает вся поверхность отражателя с размером апертуры Н. С ростом частоты модуль коэффициента отражения материала покрытия снижается, чем обусловлен эффект уменьшения размера эквивалентного раскрыва в вертикальной плоскости. На верхних частотах работает в основном отражающая поверхность центральной непокрытой области отражателя. Таким образом, рост частоты сопровождается уменьшением размера эффективной отражающей поверхности, вследствие чего стабилизируется ширина парциальных ДН и возрастает отношение фокусного расстояния к размеру апертуры, что способствует снижению искажений парциальных ДН, вызванных выносом облучателей из фокуса. На верхней границе частотного диапазона ширина парциальных ДН определяется в основном размером h непокрытой области рабочей поверхности отражателя, распределением амплитуды, задаваемым облучателями и формой непокрытой области, которая выбрана эллиптической с целью снижения уровня первых (апертурных) боковых лепестков парциальных ДН за счет формирования более спадающего распределения амплитуды возбуждения эквивалентной линейной апертуры в главных плоскостях. Плавное изменение толщины покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λ способствует дополнительному снижению уровня ближних боковых лепестков парциальных ДН в вертикальной плоскости за счет сглаживания ступенчатого изменения функции распределения амплитуды возбуждения эквивалентной линейной апертуры.
Применение тонкого покрытия на основе материала РАН-54, набег фазы которого не превышает 36° в низкочастотной области от 2 до 8 ГГц, способствует практически синфазному сложению в дальней зоне излучения полей, отраженных от непокрытой и покрытых областей поверхности отражателя. Это обстоятельство позволило отказаться от выноса непокрытой области поверхности отражателя в сторону фокуса в виде пьедестала, как было предложено в прототипе, что существенно упрощает конструкцию и способствует повышению технологичности производства отражателя и надежности антенны. Значение фазы коэффициента отражения в области частот 8-18 ГГц не является значимым для формирования стабилизированных по ширине парциальных ДН, так как вклад покрытых областей поверхности отражателя в формирование ДН в этой области частот является незначительным за счет низкого коэффициента отражения материала покрытия, не превышающего 0,1, и направленности облучателей, возрастающей с частотой.
Применение на поверхности отражателя покрытия РАН-54 на основе кремнийорганических полимерных связующих, обладающих высокой степенью адгезии к металлам и повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечивает надежную работоспособность антенны во всеклиматических условиях в широком интервале температур при воздействии вибрации и других механических факторов. Кроме этого, на нижней границе рабочего диапазона частот 2 ГГц благодаря более высокому значению модуля коэффициента отражения покрытия РАН-54, равному 0,85 по сравнению с 0,8 у прототипа, достигнуто повышение коэффициента усиления парциальных каналов на 0,5 дБ.
Экспериментальные исследования макета многолучевой зеркальной антенны показали (фиг.3 и фиг.4), что по сравнению с прототипом достигнуто снижение уровня боковых лепестков в вертикальной плоскости на 2-7 дБ, а в азимутальной плоскости в среднем 5 дБ, при этом в высокочастотной области от 8 ГГц до 18 ГГц их уровень не превышает минус 28 дБ. Снижена масса, упрощена конструкция и технология производства антенны при возросших показателях надежности работы в реальных условиях эксплуатации и при более высоких энергетических параметрах, чем у прототипа.